碳纤维层叠布用缝纫机的改进设计与三维仿真

范晓健， 李 晶， 刘红卫， 王善凯， 孙晓盼

(1. 西安工程大学 机电工程学院， 陕西 西安 710048； 2. 西安康本材料有限公司， 陕西 西安 710089)

碳纤维层叠布用缝纫机的改进设计与三维仿真

范晓健1， 李 晶1， 刘红卫2， 王善凯1， 孙晓盼1

(1. 西安工程大学 机电工程学院， 陕西 西安 710048； 2. 西安康本材料有限公司， 陕西 西安 710089)

为有效减少碳纤维层叠布缝纫过程中的断线问题，改进了用于碳纤维层叠布缝制的缝纫机。改进的理论依据是执行构件叉与圆周期性地挑动缝纫线使缝纫线放松，配合缝纫针完成缝纫工作，减少缝纫线在缝纫时的切应力，减少缝纫过程中断线，保持缝纫的连贯性。基于Pro/Engineer软件对改进机构进行三维建模、装配，参数化设计了改进机构中的齿轮、凸轮、拨线叉、拨线杆等关键构件，利用其机构模块对改进机构中的执行构件拨线叉与拨线杆进行位移、速度、加速度分析。结果表明，改进机构运行平稳，满足预期设计要求。改进后机构可降低断线率，提高生产效率。

碳纤维层叠布； 缝纫机改进设计； 三维仿真； 构件运动分析

近年来，研究者应用不同的方法加固碳纤维层叠布，有非预应力碳纤维布加固方式，但存在应力滞后的问题,不能很好发挥碳纤维高强性能；预应力碳纤维加固有着独特的优势,但对碳纤维布进行先张拉施加预应力再进行粘贴又不可避免地出现剥离的现象；通过锚固或者采用U形锚固、X形锚固、纤维铆钉、改善胶黏剂的性能均可推迟碳纤维布剥离破坏的发生,提高碳纤维布的应力发挥程度[1-2]。但是，这些加工方法费用高,有些层间断裂韧性差，抗冲击损伤容限低[3]。通过缝纫技术，对碳纤维层叠布进行加工，可降低成本，并有效解决层间断裂。有关缝纫技术许多学者做了相关研究，如通过线迹关系提高缝纫质量[4]，通过化学方法提高缝合线的拉伸强度[5],采用高强玻璃纤维缝合碳纤维层叠布[6]，但缝线的材质与碳纤维层叠布的材质不一致，后处理会影响碳纤维层叠布的整体质量[7]。若采用碳纤维缝线，在缝纫过程中，由于碳纤维耐冲击性较差，易损伤，单纤维非常脆弱，剪切强度低[2，8]，因此，碳纤维缝纫线在缝纫过程中极易折断[9]，严重影响了生产效率。基于此，本文结合普通工业用缝纫机特点，设计了适合碳纤维缝纫的缝纫机改进机构，运用运动仿真与分析[10]，协调改进机构各部件的配合，降低断线率，进而提升生产效率。

1 改进机构设计

1.1 设计方案确定与三维仿真

设计基本要求：使用碳纤维缝纫线缝纫时，缝纫线处于无张力或极小张力状态；缝纫线迹3 mm，碳纤维层叠布厚16 mm。

为保证碳纤维缝纫线在缝纫时处于无张力或极小张力状态，本文设计提出以下方案：以普通工业用缝纫机为基础，改进机构由动力部分、传动机构以及执行机构组成，三维模型如图1所示。其中动力部分由原普通工业用缝纫机电动机负责，经缝纫机原带轮传递给改进机构带轮1，带轮1带动轴6转动，一方面，轴6带动转凸轮5推动齿条齿轮4运动，完成执行机构中构件之一拨线叉7的旋转(拨线叉固定在齿轮上，并与齿轮轴线重合)；另一方面，轴6通过一对圆锥齿轮3将运动传递给轴14，通过一对直齿圆柱齿轮10将轴14的动力传给轴9，由此分为2路：一路，轴9通过右端的移凸轮2将动力传给拨线杆7，完成拨线杆的前后移动(前移拨线叉旋转绕线、放线，后移保证缝纫线形成线迹)；另一路，轴9通过1对圆锥齿轮8将动力传给左侧的转凸轮11、推动齿条轮齿13运动，进而完成执行机构中构件之一拨线叉15旋转(圆固定在齿轮上，并与齿轮的轴线重合)。

此改进机构位于缝纫机机头下面，拨线叉与拨线杆位于缝纫针的前后侧，即拨线叉在线迹形成的一侧，而拨线杆在缝纫针另一侧，缝纫机的电动机带轮驱动改进机构中的带轮1，以使其缝针与拨线叉、拨线杆拥有同样的周期。

1.2 改进机构运动配合

拨线叉做往返旋转运动以及前后直线运动，拨线杆做往返旋转运动，缝纫针做着垂直直线运动。它们以缝纫针为主体，先后进行绕线放线，拨线叉和拨线杆周期性挑动缝纫线使缝纫线放松，利用其配合，消除缝纫过程中的过大应力，确保缝纫的连贯性，完成缝纫工作。

图2示出机构运动循环图。缝纫周期分为4个部分，当缝针位于最上端时，称为位置a；当缝针将要接触到缝料时，称为位置b；当缝针位于最下端时，称为位置c；当缝针即将离开缝料时，称为位置d。 本文以1个周期为例来分析缝针、凸轮、拨线叉以及拨线杆的配合。缝针位于最上端(位置a)时，移凸轮远休，直至位置c，接着移凸轮依次完成回程运动角、近休止角以及推程运动角，以控制拨线叉的运动。移凸轮是配合缝针进行运动，这就意味着缝针在位置c至d时，叉回到初始位置，以免影响线迹的形成。

各个凸轮轴都是匀速运动的，并且转速相同，因此在相同时间内它们转过的角度相同。移凸轮推程结束(即拨线叉前移结束处于静止)，有利于转凸轮(拨线叉)依次完成推程、远休、回程以及近休，控制叉完成绕线、放线运动。转凸轮(拨线叉)推程结束(即拨线叉绕线结束开始静止)，有利于转凸轮依次完成推程、回程以及近休，控制拨线叉完成绕线、放线运动。

a至b位置处转凸轮运动，拨线叉和拨线杆依次进行绕线，其中挑线机构也回到原位；接着拨线叉和拨线杆开始依次放线，以不断满足缝针的需线量，进而避免断线问题。当缝针位于d位置处，拨线叉和拨线杆完成送线转动。

1.3 绕线与放线量的控制

理论上讲，通过3个方面可控制绕线、放线量：控制凸轮的推程；控制齿轮的分度圆直径；控制拨线叉、拨线杆的尺寸大小。转凸轮推动齿条做左右直线运动。在送线阶段，根据缝纫机的最大缝纫厚度和针步来调节拨线叉与拨线杆的转动角度，进而使得改进机构的供线量与此时的面线需求量相一致。其次，转凸轮的转角是以最大缝料厚度和针步的最大需线量值作为设计参考，使设计行程与最大需线量值相同。在收线阶段，改进机构配合缝纫机的挑线机构开始工作，此时应以设计要求厚度需线量为设计参考，保证缝线能自然、圆滑地滑过旋梭梭心套。

在缝纫瞬时，线的需求量不止1个线迹，1个线迹长度为3 mm，缝料厚度为16 mm，由于旋梭的存在，勾线机构、引线机构总瞬时需线量将达到45 mm，故拨线叉与拨线杆作用会提前拉伸出相同的缝线长度，以避免缝纫过程中由于张力过大出现断线问题。其中，拨线叉与拨线杆的转动量为1周，拨线叉的移动量为移凸轮的行程距离，即15 mm，拨线叉转1周的收线量为24 mm，拨线杆转1周的收线量为21 mm，这就意味着在进针时将提供45 mm的放线量，满足45 mm的缝线需求。

2 运动分析

2.1 拨线叉的分析

2.1.1 拨线叉的位移及速度与角速度

为改善机构的动态性能，应尽量保证速度曲线光滑连续。因加速度特性对机构运动的光滑性及连续性也有着重要影响，加速度决定惯性力大小、接触应力高低，其曲线的光滑性和连续性是保证机构获得良好特性的关键，因此移凸轮、转凸轮运动规律选用正弦加速度运动规律，它保证了曲线具有良好的运动特性。

拨线叉的位移及速度与加速度曲线如图3所示。

由拨线叉的运动曲线可知：其的运动周期为0.2 s，对应运动循环图，拨线叉在0 s到0.117 s时，位移有最大值10 mm，说明拨线叉远离线迹，接下来拨线叉完成前移、静止、后退的运动；在0.133 s和0.183 s时，速度有最大值11.70 mm/s。在0.125、0.142、0.181、0.192 s时，拨线叉加速度有最大值24.67 mm/s2。

2.1.2 拨线叉的角速度与加速度分析

拨线叉的角速度、角加速度曲线如图4所示。由其运动曲线可知：在0.013 s时，开始绕线，角速度有最大值197.06 (°)/s；在0.006、0.019 s时，角加速度有最大值394.0 (°)/s2；在0.05 s时开始放线，这时角速度与角加速度值都不是很大，有利于放线。

2.2 拨线杆的分析

拨线杆的角速度与角加速度曲线如图5所示。由其曲线可知：在0.037 s时，拨线杆开始绕线，有最大角速度183.36 (°)/s；在0.031 s和0.043 s时，最大角加速度375.62 (°)/s2；之后，开始放线，平滑、低值的角速度、加速度有利于配合缝针的运动。根据图3～5可知，由于曲线光滑、连续，拨线叉、拨线杆运动既无刚性冲击，也无柔性冲击，运转都平稳，有利于绕线、放线运动。

3 结束语

基于普通缝纫机的工作方式与原理，本文针对缝纫过程中的断线问题设计出缝纫机改进机构。

利用Pro/Engineer建立三维模型，通过在Pro/Engineer机构单元模块中进行适合的参数设置以及运动动态分析，配合缝纫机工作周期变化和拨线叉、拨线杆的位置曲线变化，通过分析对比，不断改善凸轮轮廓曲线，使得凸轮曲线满足对缝纫线的供线收线需求。通过三维运动仿真，改进机构运行平稳，满足预期设计要求。但从速度及加速度曲线来看，由于放线、收线以及与原缝纫机运动配合等功能需求，所以推程运动角小，加速度最大值较大，因此还需进一步研究。该改进机构的使用会给操作人员带来一些不便，在满足机构性能的前提下，应尽可能减小机构尺寸，最大限度地降低不良影响。

FZXB

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Modified design and three-dimensional simulation for sewing machinefor sewing laminated carbon cloth

FAN Xiaojian1, LI Jing1, LIU Hongwei2, WANG Shankai1, SUN Xiaopan1

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,Xi′anPolytechnicUniversity,Xi′an,Shaanxi710048,China; 2.Xi′anKangBenoftheMaterialCo.,Ltd.,Xi′an,Shaanxi710089,China)

The modified mechanism for sewing machine for sewing carbon fiber cloth is designed to sew carbon fiber laminated fabric effectively and reduce the problem of disconnection in the sewing process. The key point in this design is to relax the sewing thread by periodic take-up via a fork and a circle. The fork and circle cooperate the sewing needle to reduce the shear stress in sewing thread, avoid the problem of disconnection and ensure the coherence of sewing and finish the sewing work. Three dimensional modeling and assembling are performed based on the Pro/Engineer software. And then a gear, cam, fork, circle and other key parts are designed, and the displacement, velocity and acceleration for the fork and circle in the Pro/Engineer′s mechanism module are analyzed. The result show that the modified mechanism can run smoothly and stably, and satisfy the demand of the expected design. It will reduce broken line rate and improve production efficiency by the modified mechanism.

laminated carbon fiber cloth; sewing machine mechanism modification; three-dimensional simulation; component kinematic analysis

2015-05-14

2016-02-17

中国纺织工业联合会科技指导性项目(2016093)

范晓健(1989—)，男，硕士生。主要研究方向为机械设计。李晶，通信作者，E-mail：ljing62@126.com。

10.13475/j.fzxb.20150502604

TH 112； TS 186

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