單邊雙針雙線擺動縫合軌跡設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

高子喬 董九志 陳云軍 蔣秀明

摘要：針對單邊雙針雙線縫合頭插刺機(jī)構(gòu)無法縫制3 mm以上厚度預(yù)制體的問題，提出一種不對稱的8字形運(yùn)動軌跡并對插刺機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡進(jìn)行了設(shè)計(jì)。首先，基于單邊雙針雙線縫合工藝對插刺機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)進(jìn)行分析，確定擺動插刺機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的尺寸；其次，在ADAMS中構(gòu)建機(jī)構(gòu)模型并進(jìn)行軌跡分析；最后，通過實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行縫合實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的縫合機(jī)構(gòu)可將實(shí)際縫合厚度不足3 mm提高到8 mm，并在縫合過程中形成穩(wěn)定線環(huán)，驗(yàn)證了不對稱8字形縫合工藝及擺動插刺機(jī)構(gòu)的可靠性。

關(guān)鍵詞：單邊雙針雙線縫合；軌跡設(shè)計(jì)；擺動插刺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

中圖分類號：TS103.1

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.01.010

Design and Experimental Verification of Unilateral Double-needle

Double-thread Oscillating Stitching Trajectories

GAO Ziqiao1，2 DONG Jiuzhi1，2 CHEN Yunjun3 JIANG Xiuming1，2

1.School of Mechanical Engineering，Tiangong University，Tianjin，300387

2.Advanced Mechatronics Equipment Technology Tianjin Area Major Laboratory，

Tiangong University，Tianjin，300387

3.School of Electrical Engineering and Automation，Tiangong University，Tianjin，300387

Abstract： Due to a thickness of more than 3 mm could not be sewed using the single-sided double-needle double-thread stitching head insertion mechanism， an asymmetrical 8-shaped motion trajectory was proposed and the motion trajectory of the needle insertion mechanisms was designed. Firstly， the dimensions of various components of the oscillating insertion mechanisms were determined based on the kinematic analysis of the single-sided double-needle double-thread stitching processes. Then， a mechanism model was constructed in ADAMS and a trajectory analysis was performed. Finally， stitching experiments were conducted using the prototype. The results show that the designed stitching mechanisms may increase the actual stitching thickness from less than 3 mm to 8 mm and form a stable loop during the stitching processes， confirming the reliability of the asymmetric 8-shaped stitching technique and the oscillating insertion mechanisms.

Key words： single-sided double-needle double-thread stitching; trajectory design; design of oscillating needle insertion mechanism; experimental verification

0 引言

隨著復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)企業(yè)對復(fù)合材料制件形狀提出了更高的要求，傳統(tǒng)的雙邊縫合技術(shù)難以縫制尺寸大且曲率復(fù)雜的預(yù)制件，而單邊縫合工藝很好地解決了這個(gè)問題［1-2］。單邊縫合技術(shù)的主要特點(diǎn)是只在材料一側(cè)進(jìn)行縫合且一次性完成縫合，從而降低了生產(chǎn)成本、減小了復(fù)合材料的質(zhì)量［3-4］。復(fù)合材料的密度小、強(qiáng)度高、耐磨性好、抗沖擊性強(qiáng)，同時(shí)還具有優(yōu)異的耐腐蝕性和耐高溫性能［5-6］，這些特性使得單邊縫合復(fù)合材料在航空航天、汽車、船舶、建筑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［7-9］。

單邊縫合技術(shù)主要有以下四種縫合方式：Tufting（簇絨）縫合、OSS（單邊雙針單線）縫合、Blind （盲縫）縫合、ITA（單邊雙針雙線）縫合［10-12］。目前國內(nèi)先后對Tufting（簇絨）縫合［13］、OSS（單邊）縫合［14-15］、Blind （盲縫）縫合［16］開展了研究工作，然而對基于單邊雙針雙線縫合工藝的縫合裝置研制尚未見公開報(bào)道。

單邊雙針雙線縫合工藝最初由德國亞琛工業(yè)大學(xué)ITA紡織研究中心提出并對其裝備進(jìn)行研制，其樣機(jī)驗(yàn)證了單邊雙針雙線縫合工藝的可行性，同時(shí)相比其他縫合工藝，單邊雙針雙線縫合工藝擁有更高效的縫合速度（可達(dá)1400針/min）、較低的縫線消耗、更強(qiáng)的抗切應(yīng)力和優(yōu)良的線跡一致性［17］。然而基于單邊雙針雙線縫合工藝插刺機(jī)構(gòu)的正8字形縫合軌跡僅在8字形軌跡上環(huán)實(shí)現(xiàn)縫制，導(dǎo)致縫合厚度難以達(dá)到3 mm，且過小的縫合厚度造成縫合針回退時(shí)難以形成標(biāo)準(zhǔn)線環(huán)，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定縫合［18-19］。對于實(shí)際產(chǎn)品，例如汽車底盤（厚度6～7 mm）、飛機(jī)蒙皮（厚度可達(dá)5 mm）等，ITA樣機(jī)縫制厚度難以達(dá)到生產(chǎn)需求，因此增大單邊雙針雙線縫合頭的縫合厚度是需要解決的首要問題［20］。

本文基于單邊雙針雙線縫合工藝和標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)縫合針對插刺機(jī)構(gòu)逆運(yùn)動學(xué)進(jìn)行分析，重新規(guī)劃插刺機(jī)構(gòu)的縫合軌跡，提出一種不對稱的上大下小的8字形縫合軌跡；依據(jù)設(shè)計(jì)的縫合軌跡對擺動插刺機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)正問題進(jìn)行分析，對縫合角度、縫合機(jī)構(gòu)的尺寸進(jìn)行推導(dǎo)驗(yàn)證；基于ADAMS對擺動插刺機(jī)構(gòu)運(yùn)動進(jìn)行仿真，驗(yàn)證理論構(gòu)建軌跡的正確性；最后對設(shè)計(jì)擺動插刺機(jī)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 單邊雙針雙線縫合工藝

單邊雙針雙線縫合是由兩根傾斜的縫合針（互為鉤線針、引線針）在縫料的一側(cè)相互配合完成縫合的，單邊雙針雙線縫合工藝縫合流程如圖1所示。主要縫合過程為：引線針率先刺入預(yù)制體并到達(dá)周期內(nèi)最低點(diǎn)（圖1a）；引線針改變方向進(jìn)行退針形成線環(huán)，鉤線針快速刺穿預(yù)制體（圖1b）；鉤線針穿過引線針回退形成線環(huán)（圖1c）；引線針鉤取縫線并快速退至縫料上表面，鉤線針到達(dá)最低點(diǎn)（圖1d）；縫合頭移動，引線針變鉤線針、鉤線針變引線針再次刺入對應(yīng)針形成的線環(huán)（圖1e～圖1g），如此周期循環(huán)交替實(shí)現(xiàn)連續(xù)縫合［21-22］。單邊雙針雙線縫合工藝通過在周期內(nèi)完成兩段速度變化來實(shí)現(xiàn)雙插刺機(jī)構(gòu)的縫線線環(huán)交替，因此在對插刺機(jī)構(gòu)軌跡設(shè)計(jì)時(shí)盡可能縮小其速度變化是保證縫合頭穩(wěn)定運(yùn)動的關(guān)鍵點(diǎn)。

基于單邊雙針雙線縫合工藝和插刺機(jī)構(gòu)縫合軌跡，提出一種不對稱的上大下小的8字形縫合軌跡曲線，用以實(shí)現(xiàn)更大的縫合厚度。設(shè)計(jì)擺動插刺機(jī)構(gòu)不對稱的8字形運(yùn)動軌跡曲線如圖2所示，上大下小的8字形縫合軌跡使有效縫合厚度增大。

2 擺動插刺機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析

擺動插刺機(jī)構(gòu)主要有上曲柄l1、下曲柄l2、連桿l3、滑塊和縫合針五部分組成，同步帶帶動上下曲柄等速且平行運(yùn)動。擺動插刺機(jī)構(gòu)及坐標(biāo)系如圖3所示。上下曲柄帶動滑塊、連桿使縫合針針喉處形成8字形耦合運(yùn)動軌跡。合理地規(guī)劃調(diào)整各構(gòu)件的尺寸，可以實(shí)現(xiàn)不對稱的8字縫合運(yùn)動軌跡變化。

為了確?？p合軌跡的生成，使縫合針針頭沿著一個(gè)不對稱的上大下小8字形軌跡曲線移動，擺動插刺機(jī)構(gòu)安裝于側(cè)板上。根據(jù)現(xiàn)有的預(yù)制體縫合應(yīng)用需求，對于飛機(jī)蒙皮的縫合和汽車底盤的縫合，縫合厚度都要確保有5 mm［10］，縫合預(yù)制體的厚度取決于縫合針的長度和擺動插刺機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡，其中縫合針長度受限于現(xiàn)有的通用型標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)縫合針難以改變，因此只能對縫合軌跡進(jìn)行設(shè)計(jì)以求增大縫合厚度。

2.1 擺動插刺機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析

擺動插刺機(jī)構(gòu)簡圖見圖4，擺動插刺機(jī)構(gòu)包括連接在A0，N、B0，N、AN和BN處的四個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭，以及連桿2和連桿3之間的一個(gè)棱柱形接頭。該機(jī)構(gòu)有兩個(gè)自由度，可以通過以下自由度計(jì)算公式確定：

F=3n－2Pl－Ph（1）

式中，n為活動構(gòu)件數(shù)；Pl為低副數(shù)；Ph為高副數(shù)。

基于構(gòu)建擺動插刺機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系，縫合針的運(yùn)動軌跡由桿1、桿2的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動推導(dǎo)出來。代入坐標(biāo)系RNi（xNi，yNi，zNi）中描述時(shí)，同樣可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動中得出。進(jìn)一步需要確定針尖Ni相對于原點(diǎn)A0，N和軸xN、yN和zN的位置和方向，可以通過指定針尖相對于RNi框架的旋轉(zhuǎn)和平移來完成。

為了描述縫合針運(yùn)動軌跡Ni的位置和縫合針的方向角θ，為每個(gè)構(gòu)件指定了一個(gè)坐標(biāo)系Ri（ei，1，ei，2），其中i=1，2，3，分別附著在原點(diǎn)A0，N、B0，N和AN上。此外，用R0（e0，1，e0，2）表示原點(diǎn)在A0，N處的縫合針的坐標(biāo)系。坐標(biāo)點(diǎn)取值如下：

進(jìn)一步將li指定為第i個(gè)連桿的長度，針尖的位置可以通過矢量rN（rN，x，rN，y）來描述。相應(yīng)地，將θ指定為針在位置rN處的方向。

2.2 擺動插刺機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)逆問題

對于運(yùn)動學(xué)逆問題，下面給出縫合針軌跡曲線rN（rN，x，rN，y）的位置，并求出活動關(guān)節(jié)角φ1和φ2。

據(jù)擺動插刺機(jī)構(gòu)簡圖構(gòu)建向量循環(huán)方程。

循環(huán)1（A0，N→AN→Ni）：

rN=l1e1，1+l3e3，1（3）

循環(huán)2（A0，N→B0，N→BN→Ni）：

rN=－l0e0，2+l2e2，1+（l3－‖lANBN‖）e3，1（4）

從式（3）中分離出單位向量e3，1和它的轉(zhuǎn)置向量進(jìn)行點(diǎn)乘：

l23eT3，1·e3，1=l23=（rN－l1e1，1）T·（rN－l1e1，1）（5）

進(jìn)一步將式（5）簡化為如下格式：

α1cos φ1+β1sin φ1+λ1=0（6）

α1=－2rN，xl1β1=－2rN，yl1

λ1=r2N，x+r2N，y+l21－l23

考慮閉環(huán)方程式（4），注意到‖lANBN‖大小是可變的，必須消去。因此，在式（4）的兩邊點(diǎn)乘單位向量e3，2，它顯然垂直于e3，1，得到

l2e2，1·e3，2－l0e0，2·e3，2－rN·e3，2=0（8）

進(jìn)一步從式（3）推導(dǎo)出源于rN（rN，x，rN，y）和φ1的e3，1和e3，2的表達(dá)式，然后將其代入式（8）得到

α2cos φ2+β2sin φ2+λ2=0（9）

因此

α2=l2rN，y－l1l2sin φ1

β2=－l2rN，x－l1l2cos φ1

λ2=－l1rN，ycos φ1+l1rN，xsin φ1+l0rN，x－l0l1cos φ1

在這里強(qiáng)調(diào)α2、β2和λ2不僅與rN，x、rN，y相關(guān)，而且與φ1有關(guān)。

利用與循環(huán)1相同的方法得到

對于針尖位置，主動關(guān)節(jié)角φ1及其對應(yīng)的第1個(gè)環(huán)位置存在兩個(gè)位置解。當(dāng)式（6）有一個(gè)重根時(shí)，連桿A0，NAN和連桿ANNi處于拉伸或折疊狀態(tài)。當(dāng)式（6）無實(shí)根時(shí)，指定的位置rN無法到達(dá)。對式（10）進(jìn)行仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，對于每個(gè)φ1的解，存在兩個(gè)可能的φ2解。因此，對于給定的針尖位置rN，有四種可能的機(jī)械姿態(tài)。因此接下來利用運(yùn)動學(xué)正問題分析法進(jìn)一步驗(yàn)證求解。

2.3 擺動插刺機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)正問題

對于正運(yùn)動學(xué)，給出活動關(guān)節(jié)角φ1和φ2，并確定縫合針軌跡耦合曲線的位置rN=（rN，x，rN，y）。

考慮循環(huán)1的矢量循環(huán)方程（式（3）），單位向量必須根據(jù)驅(qū)動角φ1和φ2來確定。因此將AN到BN的向量表示為

又因?yàn)?/p>

因此

確定活動關(guān)節(jié)角φ1和φ2的給定值的縫合針運(yùn)動軌跡曲線rN的位置為

另外，用θ=φ3－π可計(jì)算出連桿的方向角θ。上下曲柄由同步帶實(shí)現(xiàn)同步驅(qū)動，每個(gè)擺動插刺機(jī)構(gòu)只需要一個(gè)驅(qū)動器，因此，φ1和φ2相等，可用φ表示活動關(guān)節(jié)。當(dāng)從動關(guān)節(jié)角φ為給定值時(shí)，根據(jù)式（13）得到針喉位置Ni：

由上述求解公式得出，縫合軌跡由曲柄間距l(xiāng)0、上曲柄l1、下曲柄l2、連桿l3確定。為實(shí)現(xiàn)雙曲柄轉(zhuǎn)動，需要保證下曲柄與滑塊連桿間距小于上曲柄與下曲柄間距；其次選用的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)縫合針與連桿組成為l3，l3設(shè)計(jì)為可調(diào)尺寸，由連桿沉頭孔實(shí)現(xiàn)可調(diào)；最后基于單邊雙針雙線縫合工藝與不對稱的8字形縫合軌跡速度變化，將周期內(nèi)最大縫合速度與最小縫合速度的比值設(shè)為小于3。在考慮實(shí)際加工條件與安裝條件下選定尺寸為l0=50 mm、l1=22 mm、l2=15 mm、l3=150 mm。

3 基于ADAMS軟件對擺動插刺機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真驗(yàn)證

3.1 仿真模型建立

利用ADAMS仿真分析軟件對設(shè)計(jì)的擺動插刺機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡進(jìn)行仿真驗(yàn)證。依據(jù)上述尺寸將簡化后的機(jī)構(gòu)導(dǎo)入ADAMS中，并為擺動插刺機(jī)構(gòu)創(chuàng)建約束、添加驅(qū)動、建立模型，如圖5所示。

3.2 仿真結(jié)果分析

標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)縫合針下，原插刺機(jī)構(gòu)與設(shè)計(jì)的擺動插刺機(jī)構(gòu)最大運(yùn)動位移對比如圖6所示，可知原插刺機(jī)構(gòu)運(yùn)動位移和擺動插刺機(jī)構(gòu)位移在相同速度驅(qū)動下變化一致，這表明標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)縫合針對擺動插刺機(jī)構(gòu)的最大位移限制在0～44 mm之間。

由擺動插刺機(jī)構(gòu)運(yùn)動位移圖（圖7）可知，不對稱的8字形軌跡曲線與預(yù)期的結(jié)果一致，表明運(yùn)動學(xué)軌跡分析的準(zhǔn)確性。在保證速度不變的情況下，擺動插刺機(jī)構(gòu)帶動縫合針在針喉處形成不對稱的8字形縫合曲線，曲線連續(xù)且平滑。

對比分析擺動插刺機(jī)構(gòu)運(yùn)動位移圖（圖7）和原插刺機(jī)構(gòu)運(yùn)動位移圖（圖8），擺動插刺機(jī)構(gòu)帶動縫合針增大了上環(huán)的Y方向位移，綜合考慮縫合工藝要求，在保證預(yù)制體底面與8字形縫合軌跡交點(diǎn)處不小于10 mm成環(huán)距離下，不對稱的8字形縫合軌跡將縫合厚度由6 mm提高到12 mm。

4 擺動插刺機(jī)構(gòu)縫合厚度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證擺動插刺機(jī)構(gòu)縫合的實(shí)際厚度，將設(shè)計(jì)的擺動插刺機(jī)構(gòu)安裝于工作臺架上，選擇碳纖維碳布作為縫合材料，疊加不同層數(shù)碳布來驗(yàn)證擺動插刺機(jī)構(gòu)的實(shí)際縫合厚度，以縫合針攜帶縫合線穿過碳布回退時(shí)產(chǎn)生的線環(huán)直徑不小于3 mm為最小標(biāo)準(zhǔn)。擺動插刺機(jī)構(gòu)裝置樣機(jī)如圖9所示。

對疊加的厚度不同碳布生成的線環(huán)進(jìn)行測量，演示過程如圖10所示。演示過程分別為最高點(diǎn)、刺入、最低點(diǎn)、回退（生成線環(huán)）。

根據(jù)疊加不同層數(shù)的碳布形成不同厚度的預(yù)制體，對縫合過程中回退生成的線環(huán)直徑大小進(jìn)行測量，其中測得每層碳布厚度約為0.25 mm，圖11所示分別為測量工作臺厚度（10 mm）、工作臺與碳布厚度和生成的線環(huán)直徑的過程，其中疊加32層碳布（8 mm）時(shí)，測得線環(huán)直徑大小為3.56 mm。

工業(yè)縫合針在不同碳布厚度下回退時(shí)測得的生成線環(huán)直徑數(shù)值見表1?；趩芜呺p針雙線縫合工藝和單邊雙針雙線縫合裝置，縫合針穿過生成線環(huán)中心時(shí)誤差小于1 mm，選用縫合針為標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)縫合針，針徑最大為2 mm，因此以線環(huán)最小直徑不小于3 mm為最低標(biāo)準(zhǔn)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的單邊雙針雙線縫合頭擺動插刺機(jī)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)中隨著縫合厚度的增大生成線環(huán)的直徑變小。以最低標(biāo)準(zhǔn)為限制，實(shí)現(xiàn)了縫合從3 mm到8 mm的預(yù)制體。

5 結(jié)論

（1）針對單邊雙針雙線縫合工藝無法縫制3 mm以上厚度預(yù)制體且難以形成標(biāo)準(zhǔn)線環(huán)的問題，本文提出了一種不對稱的上大下小的8字形縫合運(yùn)動軌跡，采用運(yùn)動學(xué)分析插刺機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的尺寸，設(shè)計(jì)出一種擺動插刺機(jī)構(gòu)。

（2）利用ADAMS仿真軟件仿真得出在理想情況下，基于優(yōu)化后的縫合軌跡縫合預(yù)制體厚度由6 mm提高到12 mm，驗(yàn)證了擺動插刺機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析及運(yùn)動軌跡曲線的準(zhǔn)確性。

（3）對設(shè)計(jì)的擺動插刺機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的擺動插刺機(jī)構(gòu)縫合厚度可達(dá)到8 mm，驗(yàn)證了不對稱 8 字形縫合工藝及擺動插刺機(jī)構(gòu)的可靠性。

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