高速工業(yè)平縫機步進針距調(diào)節(jié)機構(gòu)的設計

□ 祝書偉 □ 鄭 吉 □ 何明金 □ 柯祥林 □ 位延輝

杰克縫紉機股份有限公司 浙江臺州 318010

1 設計背景

縫紉機制造業(yè)作為一個傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),已經(jīng)有150多年的歷史。如今,縫紉機的應用體現(xiàn)在各個方面,從一般家庭用縫紉機,到大工業(yè)流水線生產(chǎn)設備,再到綜合各種新技術(shù)的機電一體化產(chǎn)品?？p紉機行業(yè)作為基礎產(chǎn)業(yè),已經(jīng)和人們的日常生活息息相關(guān)。高速工業(yè)平縫機是一種工業(yè)縫紉機,使用頻率高。隨著科學技術(shù)的不斷進步,高速工業(yè)平縫機逐漸向自動化、智能化發(fā)展[1]。

送料機構(gòu)是高速工業(yè)平縫機中重要的運動機構(gòu),針距調(diào)節(jié)機構(gòu)是送料機構(gòu)的組成部分。傳統(tǒng)的針距調(diào)節(jié)機構(gòu)受限于自身的結(jié)構(gòu)缺陷,已無法滿足當前市場的需求。對傳統(tǒng)的針距調(diào)節(jié)機構(gòu)進行改進,引入步進控制技術(shù),實現(xiàn)針距調(diào)節(jié)的精確控制,可以極大提升高速工業(yè)平縫機的自動化水平。

2 傳統(tǒng)針距調(diào)節(jié)機構(gòu)

某型號高速工業(yè)平縫機送料機構(gòu)如圖1所示,主軸以轉(zhuǎn)速n高速轉(zhuǎn)動,驅(qū)動送料牙周期性遞送布料[2]。針距座的不同位置角度對應不同的針距,針距為送料機構(gòu)一個周期內(nèi)將布料前推的距離[3]。

▲圖1 高速工業(yè)平縫機送料機構(gòu)

傳統(tǒng)針距調(diào)節(jié)機構(gòu)如圖2所示。針距座、針距連桿、調(diào)節(jié)器組成四連桿機構(gòu),調(diào)節(jié)器的尾部設置正縫接觸部、倒縫接觸部。正?？p紉時,在拉簧的作用下,正縫接觸部與螺柱頭構(gòu)成高副接觸。通過調(diào)節(jié)針距螺柱的軸向進給量,可以調(diào)節(jié)針距座的位置角度,從而調(diào)節(jié)針距。

當需要進行正縫、倒縫切換時,下壓倒縫扳手通過凸緣驅(qū)動伸出部,使調(diào)節(jié)器順時針轉(zhuǎn)動,倒縫接觸部與螺柱頭構(gòu)成高副接觸,針距座完成角度轉(zhuǎn)換,進入倒縫模式。

▲圖2 傳統(tǒng)針距調(diào)節(jié)機構(gòu)

傳統(tǒng)針距調(diào)節(jié)機構(gòu)有三方面缺點。

(1) 控制精度低。針距的調(diào)節(jié)精度受限于調(diào)節(jié)器和螺柱等零件的輪廓加工精度,無法做到各種針距下正縫、倒縫針腳完全重合。

(2) 零件壽命短。機構(gòu)中存在為數(shù)不少的高副接觸,零件極易磨損。

(3) 正縫、倒縫快速切換時噪聲大。在中高端平縫機中,通常需要額外增加驅(qū)動器,如電磁鐵等,實現(xiàn)正縫、倒縫的快速切換。由于切換時調(diào)節(jié)器與螺柱反復撞擊,噪聲很大。

3 步進針距調(diào)節(jié)機構(gòu)

步進針距調(diào)節(jié)機構(gòu)如圖3所示,通過步進電機驅(qū)動針距曲柄,從而實時控制針距座的位置角度,可以克服傳統(tǒng)針距調(diào)節(jié)機構(gòu)的缺點。步進針距調(diào)節(jié)機構(gòu)的設計參數(shù)見表1。

▲圖3 步進針距調(diào)節(jié)機構(gòu)

表1 步進針距調(diào)節(jié)機構(gòu)設計參數(shù) mm

設計步進針距調(diào)節(jié)機構(gòu)時,需要對步進電機的工況進行兩方面考量:正縫、倒縫正?？p紉時步進電機需要提供的靜態(tài)最大保持轉(zhuǎn)矩,正縫、倒縫快速切換時步進電機的動態(tài)特性。最大針距時,正縫、倒縫狀態(tài)下步進電機靜態(tài)最大保持轉(zhuǎn)矩基本相同,步進電機靜態(tài)最大保持轉(zhuǎn)矩盡可能小,步進電機轉(zhuǎn)角不大于80°。

4 靜態(tài)工況分析

在高速工業(yè)平縫機工作過程中,由于送料機構(gòu)始終處于高速運動狀態(tài),因此會在針距座處產(chǎn)生周期性變化的反力矩,這一反力矩的峰值隨主軸轉(zhuǎn)速的加快和針距的增大而增大。靜態(tài)工況分析主要是對步進電機克服針距座反力矩所需的靜態(tài)最大保持轉(zhuǎn)矩進行分析。

某型號高速工業(yè)平縫機的常用針距為-5～5mm,針距為正時正向送料、正縫,針距為負時反向送料、倒縫。針距座的位置角度如圖4所示,位置角度的變化范圍為-31°～18°。

▲圖4 針距座位置角度

建立送料機構(gòu)的動力學仿真模型[4-6],主軸轉(zhuǎn)速取5 000 r/min。針距為5 mm時,位置角度為-31°。針距為-5 mm時,位置角度為18°。分別計算兩種工況下的針距座反力矩,如圖5所示。結(jié)果顯示,主軸轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時,針距5 mm所對應的針距座反力矩峰值為1.28 N·m,針距-5mm所對應的針距座反力矩峰值為-1.66 N·m。

步進針距調(diào)節(jié)機構(gòu)靜力分析如圖6所示[7-8],可以得到:

F23LDCsinα+Mb=0

(1)

F21LABsinβ+Mo=0

(2)

▲圖5 針距座反力矩曲線▲圖6 步進針距調(diào)節(jié)機構(gòu)靜力分析

(3)

(4)

F23=-F21

(5)

式中:F23為針距連桿對針距座的作用力;F21為針距連桿對針距曲柄的作用力;LDC為針距座偏心距;LAB為針距曲柄孔心距;LBC為針距連桿孔心距;LDB為D、B兩點間距離;LAC為A、C兩點間距離;α為∠DCB角度;β為∠ABC角度;Mo為步進電機保持轉(zhuǎn)矩;Mb為針距座反力矩。

由上述方程整理得Mo為:

(6)

當四連桿機構(gòu)處于裝配關(guān)系時,式(6)始終成立。為了更好地區(qū)分正縫5 mm針距和倒縫-5 mm針距兩種情況,對式(2)做適當延伸:

(7)

(8)

式中:Mb1max為正縫5 mm針距時針距座反力矩峰值;Mo1max為正縫5 mm針距時步進電機轉(zhuǎn)矩峰值;α1為正縫5 mm針距時∠DCB角度;β1為正縫5 mm針距時∠ABC角度;Mb2max為倒縫-5 mm針距時針距座反力矩峰值;Mo2max為倒縫-5 mm針距時步進電機轉(zhuǎn)矩峰值;α2為倒縫-5 mm針距時∠DCB角度;β2為倒縫-5 mm針距時∠ABC角度。

結(jié)合設計要求,定義優(yōu)化目標函數(shù)、約束條件[9]。

在計算軟件中對上述問題進行規(guī)劃,求解5 mm針距和-5 mm針距對應的步進電機靜態(tài)保持轉(zhuǎn)矩峰值。經(jīng)多次試算后,得到最優(yōu)參數(shù),見表2。

表2 步進針距調(diào)節(jié)機構(gòu)最優(yōu)參數(shù)

5 動態(tài)工況分析

在服裝縫制工藝中,為了避免縫線從面料中脫落,通常需要在縫紉的起始和末尾區(qū)段進行鎖針處理,其操作方法如圖7所示,具體為正縫三針、倒縫三針、自由縫制、倒縫三針、正縫三針。

▲圖7 鎖針操作方法

可見,高速工業(yè)平縫機鎖針處理過程中,需要進行正縫、倒縫的快速切換,因此有必要對正縫、倒縫快速切換時步進電機的動態(tài)特性做進一步分析。

某型號高速工業(yè)平縫機正縫、倒縫切換時主軸轉(zhuǎn)速設為2 000 r/min,切換動作起止時刻狀態(tài)如圖8所示。t1為送料牙沒入針板的時刻,t2為送料牙露出針板的時刻,切換動作必須在t1至t2時間內(nèi)完成,否則將出現(xiàn)正縫、倒縫針腳不重合的現(xiàn)象。在主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min的情況下,單個縫紉周期耗時0.03 s,t1為0.008 375 s,t2為0.024 917 s。

▲圖8 切換動作起止狀態(tài)時刻

將步進針距調(diào)節(jié)機構(gòu)加載到送料機構(gòu)的動力學仿真模型中,設步進電機轉(zhuǎn)角驅(qū)動函數(shù)為[10]:

φAB=Step5(time,0.008 375,0,0.024 917,78.5°)

Step5()為計算軟件內(nèi)置的5次多項式擬合函數(shù),步進電機在0.008 375 s時刻啟動,在0.024 917 s時刻停止,其間轉(zhuǎn)過78.5°,加減速過程由Step5()函數(shù)進行控制,分別得到步進電機的轉(zhuǎn)矩、 轉(zhuǎn)速、 角加速度曲線,如圖9至圖11所示。

▲圖9 步進電機轉(zhuǎn)矩曲線▲圖10 步進電機轉(zhuǎn)速曲線

▲圖11 步進電機角加速度曲線

計算結(jié)果表明,主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時,在步進電機完成正縫、倒縫切換的過程中,轉(zhuǎn)矩峰值為0.72 N·m,轉(zhuǎn)速峰值為1 500 r/min,角加速度峰值為28 904.8 rad/s2。

6 結(jié)束語

筆者在分析高速工業(yè)平縫機曲線傳統(tǒng)針距調(diào)節(jié)機構(gòu)控制精度低、零件壽命短、正縫倒縫快速切換時噪聲大等缺點的基礎上,設計了一種步進針距調(diào)節(jié)機構(gòu),通過步進電機驅(qū)動實時控制針距,克服了傳統(tǒng)針距調(diào)節(jié)機構(gòu)的缺點。對步進電機的靜態(tài)工況進行了分析,優(yōu)化了針距調(diào)節(jié)機構(gòu)的桿長參數(shù),使步進電機靜態(tài)保持轉(zhuǎn)矩峰值最小。

優(yōu)化后,5 mm針距時步進電機保持轉(zhuǎn)矩峰值為0.82 N·m,-5 mm針距時步進電機保持轉(zhuǎn)矩峰值為-0.83 N·m。對正縫、倒縫快速切換時的步進電機動態(tài)工況進行了分析,得到主軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min條件下步進電機完成正縫、倒縫切換時的動態(tài)特性,其中轉(zhuǎn)矩峰值為0.72 N·m,轉(zhuǎn)速峰值為1 500 r/min,角加速度峰值為28 904.8 rad/s2。分析結(jié)果為高速工業(yè)平縫機步進針距調(diào)節(jié)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計和步進電機的選型提供了數(shù)據(jù)支撐。