高速工业缝纫机动力学仿真与分析

第２８卷第２期　２０１０年４月　轻工机糖　Ｌｉｇｈｔ　ＩｎｄｕｓｔｒｙＭａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｖ０Ｉ．２８　Ｎｏ．２　Ａｐｒ．２０１０　［研究・设计］　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－２８９５．２０１０．０２．００５　高逵　缝纫枫动　学俯真　分析　张侃晏　，马晓建　．一，郭金柱　・　（１．东华大学纺织装备教育部工程研究中心，上海２０１６２０；２．东华大学机械工程学院，上海２０１６２０）　摘要：分析了典型的高速工业缝纫机主要的运动构件及其运动原理，通过Ｐｒｏ／Ｅ和ＡＤＡＭＳ建立的虚拟样机。对高速工　业缝纫机中最关键的机构一刺布挑线机构进行运动学和动力学的分析，通过改进刺布机构连杆的长度。使该高速运动机　构运动的更平稳。动力学分析的结果为机构、机架以及支承的设计和改进提供有效的依据。图７参９　关键词：纺织机械；高速缝纫机；虚拟样机；运动学分析；动力学分析　中图分类号：ＴＳ９４１．５６；ＴＨ１１２　文献标志码：Ａ　文章编号：１００５．２８９５（２０１０）０２－００１７－０５　Ｄｙｎａｍｉｃｓ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｎ　Ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ　Ｓｅｗｉｎｇ　Ｍａｃｈｉｎｅ　ＺＨＡＮＧ　Ｋａｎ．ｍｉｎｇ　，ＭＡ　Ｘｉａｏ－ｊｉａｎ　，ＧＵＯ　Ｊｉｎｇ．ｚｈｕ　，　（１．Ｔｈｅ　ＭＯＥ　Ｅｎｇｉｎｅｅｆｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｔｅｘｔｉｌｅ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，Ｄｏｎｇｈｉｌａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１６２０，Ｃｈｉｎａ；　２．ＣｏＨｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄｏｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｓｒｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１６２０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｍａｉｎ　ｍｏｖｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｔｙｐｉｃ　ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ｓｅｗｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｈｅ　ｖｉｒｔｕｅ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｂｙ　ＰＲＯ／Ｅ　ａｎｄ　ＡＤＡＭＳ．Ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｔｈｅ　ａｔｈｌｅｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｕｎｃｔｕｒｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｌｉｎｋａｇｅ　ｉｎ　ｐｕｎｃｔｕｒｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ，ｔｈｅ　ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ｍａｃｈｉｅｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｍｏｒｅ　ｓｍｏｏｔｈｌｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆｆｅｒ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｒｕｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｃｈｉｎｅ．［ｃｈ，７　ｆｉｇ．９　ｒｅｆ．］　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｅｘｔｉｌｅ　ｍａｃｈｉｎｅｒｙ；ｓｅｗｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ；ｖｉｒｔｕｅ　ｍｏｄｅｌ；ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ；ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　０　引言　构的改进，减小高速部件运动时的加速度，使得机构运　建模与仿真是数字化设计与优化的核心技术，已　转更加可靠，同时利用ＡＤＡＭＳ的机构运转时的动力　广泛地应用于产品开发的各个方面，如产品的设计、验　学分析，分析了机构运转时各个支承处所受的激振力，　证、决策等方面，是一种有效而低成本的研究方法。　提出减振降噪的改进方案。可大大地提高机构设计的　虚拟样机技术是利用先进的ＣＡＤ技术，建立与物理样　可靠性和效率，降低成本，实现真正意义上的计算机辅　机相一致的数字化虚拟样机模型，然后对虚拟样机模　助设计。　型进行动力学、运动学等多种学科仿真分析的一种技　１　高速工业缝纫机机构介绍　术　引。高速工业缝纫机是服装加工企业中广泛使用　高速工业缝纫机的组成很复杂，但是其正常工作　的加工设备，如果机构设计不合理，高速部件运动加速　时，主要的运行机构是刺布挑线机构和送料机构，用　度过大，则其运动过程中必然产生较大的冲击，使得机　Ｐｒｏ／Ｅ所建立的工业用高速平缝机的２大主要机构模　构运转不稳定，同时如果较大激振力不被发现，机架及　型和结构简图如图１所示。该机器正常工作时，２大　支承不合理，则必然产生一定的噪声，影响操作人员的　机构分别运转。其中送布机构［图１（ｂ）］为一闭环系　身心健康　Ｊ】。本文利用虚拟样机技术，对已有机器进　统，由１组四杆机构ＡＣＩＫ和ｌ组串联的四杆机构（由　行三维实体建模与机构的运动学和动力学仿真，获得　２组四杆机构ＡＢＤＥ和ＥＤＧＦ串联而成），加上１组导　高速工业平缝机的重要运动参数和动力参数，通过机　杆机构ＦＨＪＫ组成，并形成封闭。而刺布挑线机构［图　收稿日期：２００９－０９－２４；修回日期：２００９—１２—１５　作者简介：张侃曼（１９８４），男，上海人，东华大学机械工程学院硕士研究生，研究方向为机械设计与理论。Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｋｍ＠　ｍａｉｌ．ｄｈｕ．ｅｄｕ．ａｎ　・１８・　轻工机械Ｌ动ｆＩｎｄｕｓｔｒｙ　Ｍａｅｔｄｎｅｒｙ　２０１０年第２期　Ｉ（Ｃ）］则是由１组四杆机构ＡＢＥＦ（此四杆机构为挑线　机构）和一组曲柄滑块机构ＡＣＤ（此滑块机构为刺布　机构）并联而成。２大机构并联结合，同时由主轴　驱动　】２。　解决这一问题。图２所示为高速工业缝纫机的ＡＤ—　ＡＭＳ动力学模型。　以下利用所建立的ＡＤＡＭＳ模型进行平缝机机构　在典型工况下的动力学仿真。限于篇幅，本文只对主　轴转速最高时，即６　０００　ｒ／ｍｉｎ　时进行仿真分析。　３针杆的运动分析　在高速工业平缝机中，针　杆的运动状况直接影响到平　缝机的工作性能，在建立的虚　拟样机模型中（图２所示），滑　块带动针杆沿着ｚ方向，作上　下的往复运动为工作主运动，　其运动的性能决定了其工作　的性能。因此，对平缝机在各　种工况下的运动和动力进行　（ａ）三维模型　（ｂ）送布机构　（ｃ）刺布挑线机构　仿真，获取针杆的位移、速度　图ｌ　某高速工业缝纫机的机构简图　和加速度的动态变化曲线及　Ｆｉｇｕｒｅ　１　Ｅａｃｈ　ｐａｒｔ　Ｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｏｎｅ　ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｓｅｗｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　滑块的输出力，实现产品的优　２运动学和动力学仿真　化设计。　利用ＡＤＡＭＳ建立高速工业缝纫机的虚拟样机不　但可以方便地看出其各个部件的运动情况，同时可以　非常方便地获得各个部件的运动学和动力学的特性曲　线，为分析缝纫机运行的稳定性、工作的可靠性提供可　信的数据，同时通过改进前后相关数据对比可以得到　改进效果。与传统的解析法求解各种运动学和动力学　参数相比，虚拟样机的方法既简单又直观，只需要了解　机构的主要结构及尺寸以及材料和各部件的连接方式　即可，大大简化了分析过程，同时，由于虚拟样机的各　种参量都是根据ＣＡＤ建立的模型直接计算获得，无需　图２某缝纫机的ＡＤＡＭＳ动力学模型　通过繁琐的实验来求证，因此其可靠性可以得到保证。　Ｆｉｇｕｒｅ　２　Ｏｎｅ　ｓｅｗｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　Ｓ　也无需进行复杂的编程和方程等求解及整合来获得　ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ＡＤＡＭＳ　：阳［５－７］　｝口术０　刺布机构实际上就是一组偏置的曲柄滑块机构，　由于ＡＤＡＭＳ建模功能不很强大，我们在建立高　其机构简图如图３所示。　速工业缝纫机三维模型时先用其他的三维实体建模软　该机构的运动输出件滑块的位移，速度和加速度　件，如Ｐｒｏ／Ｅ等，建立操作机的实体模型，然后通过模　分别为　加　型预处理，检查部件装配是否干涉，进行适当的简化和　ｓ＝Ｌ１ｅｏｓｏ￣１＋　２ｓｉｎａ２　（１）　修改后，按Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式转化到ＡＤＡＭＳ中，相应零部　件的质量参数与图形元素一起被转化　ｊ。　其中：　２＝２１Ｔ—ａｒｃｓｉｎ（　ｓｉｎ　１）　２　平缝机的部件全部建立后，应对模型施加约束、限　制和驱动力矩（电机），最后再加上运动形式。在施加　＝一：　　ｆ２）ｌ　，　ＣＯＳＯ￣２　约束过程中，由于转化的图形取向是不确定的，在空间　上很难准确选取特征方向，通过适当添加Ｍａｋｅｒ可以　ａ：一　＝一一　（３）‘ｊ　Ｊ　［研究・设计］　张侃曼，等高速工业缝纫机动力学仿真与分析　・１９・　在ＡＤＡＭＳ交互仿真界面　中进行运动仿真，软件可在输出　缝制和送料工作过程仿真动画　的同时同步输出该时刻不同系　统的性能状态曲线，如机械系统　零部件运动速度、位移等曲线，　构件的连接处与支承处的激励　曲线等。综合比较分析这些仿　真结果，可以实现对平缝机不同　方案的整机性能评价　。　取主轴转速为６　０００　ｒ／ｍｉｎ，　仿真时间长度为０．０２　ｓ（正好２　图３刺布机构　个周期的运动）。步长ｓｔｅｐｓ设Ｆｉｇｕｒｅ　３　Ｔｈｅ　ｐｕｎｃ－　定为１　０２４时的仿真状况，由此获得针杆的位移、速度和加速度　如图４所示。　Ｉ一起息：ｂ．１ＪＺ　∞　占　一　＼．ｔｕｆｆｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　嘲　／、＼　Ｖ　Ｖ　ｌＯ　图４（ａ）是针杆的位移曲线，针杆在０．Ｏ１　Ｓ内移　动距离约为３５　ｍｍ，位移曲线基本为正弦周期，说明其　运动平稳，无多个振动叠加现象，符合平缝机的性能要　求。而该图中针杆的位移量最大为０．０３５　ｍ左右，实　际情况也基本相符，因此该模型可认为是可靠的，图４　时间／ｍｓ　（ｂ）针杆速度　蘑　点：一４　Ｚ９Ｕ　（ｂ）和图４（Ｃ）分别为滑块速度和加速度曲线，加速度　绝对值的最大值比较大，符合带偏置的曲柄滑块机构　的急回特性，但是加速度大时会导致缝纫机运转不平　稳，同时影响缝制的工艺。　２　５００　。　：八　八　．Ｕ．＼　ｌＯ　在刺布机构中，曲柄和连杆的长度对针杆的位移　速度和加速度有着很大的影响。当连杆较长，曲柄较　时间／ｍｓ　（ｃ）针杆加速度　短时，机构的运动比较平稳，反之，滑块的运动平稳性　较差。同时，根据缝纫工艺要求，机针进入缝料后，送　料牙不得送料，只有当机针退出缝料后，送料牙才能升　出针板面进行送料。因此希望机　针在缝料中滞留的时间短一些，　而停留时间越短，机针刺穿缝料　图４针杆运动分析　Ｆｉｇｕｒｅ　４　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｔｈｌｅｔｉｃｓ　ｆｏｒ　ｈｅ　ｐｉｎ　Ｓ　ｂａｒ　ｏｆ　ｓｅｗｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔ时的速度也越大。由此可以看出　２者是相互矛盾的　ｊ２。　在曲柄长度不变（Ｌ。＝１７　ｍｍ）的情况下，通过修改，选取３　种连杆的长度分别进行仿真。将　得到的仿真计算结果的加速度曲　线，放在一起加以比较，以此获得　最优结果，为构件的改进提供依　据，３种长度连杆的刺布机构滑　块的加速度比较如图５所示。　的　各　一　尊　删　最　图５　不同连杆长度对应的滑块加速度　Ｆｉｇｕｒｅ　５　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｌｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｌｉｎｋａｇｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｌｉｄｉｎｇ　ｂｌｏｃｋ　［研究・设计］　张侃雯，等高速工业缝纫机动力学仿真与分析　・２Ｉ．　（上接第ｌ６页）　［２］王文广，田雁晨，吕通建．塑料材料的选用［Ｍ］．２版．北京：化学　３结束语　工业出版社，２００７．　通过使用ＵＧ　５．０软件对液晶电视外壳注塑模进　［３］　杨占尧．塑料模具标准件及设计应手册［Ｍ］．北京：化学工业出版　社．２００８．　行整体结构设计，选择了目前应用较广的热流道技术，　［４］　李学峰．塑料模型设计与制造【Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００９．　提高了产品质量与效率，通过Ｍｏｌｄｆｌｏｗ软件进行了　［５］　王建华，徐佩弦．注塑模的热流道技术［Ｍ］．北京：机械工业出版　ＣＡＥ塑流分析，优化了浇注系统，并巧妙地设计了斜　社，２００６．　顶机构作为推出装置，有效地解决了脱模干涉的问题，　［６］　单岩，王蓓，王刚．Ｍｏｌｄｆｌｏｗ模具分析技术基础——ｃＡＤ实用技术　最终完成了该产品的注塑模整体结构设计。经过试　［Ｍ］．北京：清华大学出版社。２００４．　［７］　刘琼．塑料注射Ｍｏｌｄｆｌｏｗ实用教程［Ｍ］．北京：机械工业出版社，　模，实践证明，加工出来的产品表面光洁度好，平整度　２００８．　高，无明显毛刺、飞边、熔接痕等缺陷，质量跟精度均符　［８］　杨占尧．塑料注塑模结构－９设计［Ｍ］．北京：清华大学出版社，　合生产要求。　２Ｏｏ４．　参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：　［９］　屈华昌．塑料成型工艺与模具设计［Ｍ］．北京：高等教育出版社，　［１］　周祥兴．工程塑料牌号及生产配方［Ｍ］．北京：中国纺织出版社，　２００８．　２００８　［信息・简讯］　・技术信息・　塑料瓶包装将成药包装主角　业内专家预计，未来５年，全球药品包装市场将成为软包装的第二大经济增长点，中国将成为增长最快的地区。到２０５０年时　中国将会成为世界上最大的药品包装市场。　随着技术的不断发展和创新，塑料瓶在医药包装市场近年来取得了显着的进步。由于塑料瓶包装产品具备独特优势，药品包　装形式也因此不断变化，原来的纸袋包装、塑料袋包装、玻璃瓶已发展到现在的聚乙烯瓶、聚丙烯瓶、聚酯瓶、铝塑包装及条形包装，　而汽罩包装及条形复合膜包装也将成为固体剂型药品包装的主流。但同时，环保、安全、健康等问题也随之被社会各界所关注。为　适应消费者环保意识的变化，医药包装企业已着手进行“绿色”包装的开发，主要有：可循环使用的绿色包装、环境调节包装、高阻隔　包装、无菌包装、抗菌包装等。　（摘自《慧聪网））２０１０－０１—１５）