（机械设计及理论专业论文）基于虚拟样机技术的变厚度缝纫机的关键技术研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于虚拟样机技术的变厚度缝纫机的关磊 摘要 缝纫机的主要机构是由刺料机构、钩线机构、挑线机构和送料机 构组成。其技术经过一百多年的发展，沉淀下来的技术难题主要集中 表现有三：一为缝纫机高速运转时主要机构的配合问题；二为底线的 梭芯容量问题；三为变厚度问题。采用机头无油化技术在一定程度上 缓解了缝纫机高线速度时主要机构配合问题；采用自动换芯技术，可 以解决梭芯容量问题。但对于变厚度缝纫的研究，国内尚属空白。变 厚度缝纫的提出是针对特殊的缝合对象一一麻质鞋底提出来的。变厚 度缝纫机就是一种用来缝纫缝料厚度变化较大，在缝纫过程中能自动 调节所需缝线与回收多余线线量的缝纫机。本文利用虚拟样机技术对 变厚度缝纫机的关键技术进行了研究。 本文运用缝纫机现代理论，采用功能分析方法，将变厚度缝纫机 分解为刺料功能模块、钩线功能模块、挑线功能模块和送料功能模块； 相应的刺料、钩线、挑线和送料机构即为其主要机构。应用现代设计 手段虚拟样机设计技术，对缝纫过程进行深入分析计算，得到各 个机构的工作时间和配合关系，初步解决了变厚度缝纫时四大机构的 配合问题。 挑线机构的主要作用就是在线迹的形成过程中，供应和回收适量 i i 浙江工业大学硕士学位论文 的缝线。该机构利用线张力进行挑线，有两种工作状态，一为供线， 二为挑线，并在一定条件下进行工作状态切换。本论文详细研究了挑 线机构参数化建模，并对参数化模型进行正交试验，求得机构最优尺 寸。论文运用反问题求解原理，将挑线机构的“供线 和“挑线”两 个工作状态的切换作为约束条件，建立挑线机构的优化问题。该机构 有效地解决了变厚度缝纫机的挑线问题。 本论文还对刺料机构、钩线机构和送料机构作了设计研究，讨论 了各自的基本需求与解决方案。 刺料机构的主要作用是驱动机针牵引缝线穿过缝料，形成线环。 本论文分析了针杆的位移、运动的速度和加速度，并在a d a m s 中进 行模拟仿真，得出对应的曲线。本文还对机针刺料受力情况进行了详 细的分析，为机针的结构设计和电动机的驱动力矩选择提供参考依据。 钩线机构的主要作用就是钩住线环，将其扩大，交织，脱出线环。 本文选用旋转钩的单线链式线迹，能有效地避开缝纫机梭芯容量问题。 送料机构的主要作用就是配合其他三个机构适时适量送料。本论 文对送料机构的设计功能作了初步探讨，并能过a d a m s 对送料机构 上料、夹紧、送料、下料四个循环动作进行模拟仿真，得到下轴旋转 与送料机构运动曲线图。 关键字：变厚度缝纫，功能分析，虚拟样机技术，正交试验 i i i 浙江工业大学硕士学位论文 d e v e l o p i n gk e y t e c h n i q u eo f t h ev a r 【a b l et h i c k n e s ss e w i n gm a c h i n e b a s e do nv i r t u a lp r o t o t y p i n g t e c h n i q u e a bs t r a c t t h es e w i n gm a c h i n eh a sh a dt h em a t u r et h e o r ya n dc o m p o s i t i o nf o r m o r et h a n10 0y e a r s s p e a k i n gg e n e r a l l y , t h em a c h i n ei sd i v i d e di n t of o u r p a r t s ，n a m e dr e s p e c t i v e l yb yp i e r c i n gs t u f fp a r t ，h o o k i n gs e w i n gt h r e a dp a r t ， r a i s i n gs e w i n gt h r e a dp a r t ，d e l i v e r i n gs t u f fp a r t b u tt h e r ea r et h r e e t e c h n i c a ld i f f i c u l t i e sf o c u s i n go na sf o l l o w i n g ： t h ef i r s tp r o b l e mi st h ef o u rp a r t sh o wt om a t c hw h e nt h e yw o r ki n h i g hr u n n i n gs p e e d ；t h e s e c o n do n ei st h e c a p a b i l i t y o fb a s el i n e s h u t t l e - c o c k ；t h el a s to n ei st h ev a r i a b l et h i c k n e s s 。t e c h n i q o ft h e g o f 。machillhe t e c t m i q u eo tt h en o n - g r e a s eo ft h em a c h i n eh e a dc a ns o l v et h e m a t c hp r o b l e mo ft h ef o u rp a r t so nc e r t a i nc o n d i t i o n t h e t e c h n i q u eo f a u t o c h a n g i n gt h es h u t t l e c o c kc a nd e a lw i t ht h ec a p a b i l i t y ；b u tt h ev a r i a b l e t h i c k n e s sp r o b l e mi sb l a n ka l lo v e rt h ec o u n t r y i ti sp r e s e n tb ys e w i n gt h e h e m ps o l e t h e v a r i a b l e s e w i n gm a c h i n ei s t h em a c h i n et h a tc a l l a u t o m a t i c a l l ya d j u s tt h el e n g t ho ft h es e w i n gt h r e a dw h e ns e w i n gt h eo b j e c t i v w i t ht h ev a r i a b l ed e p t h t h e k e yt e c h n i q u eo ft h ev a r i a b l et h i c k n e s ss e w i n g m a c h i n ei sd o n es o m er e s e a r c hb yv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n i q u eo nt h i s p a p e r t h ev a r i a b l et h i c k n e s ss e w i n gm a c h i n ei sa l s od i v i d e di n t of o u rp a r t s u s e dm o d e ms e w i n g t h e o r ya n df u n c t i o na n a l y s i s u s i n gt h ev i r t u a l p r o t o t y p i n gt e c h n i q u et oa n a l y z et h es e w i n g ，t h ew o r k i n gt i m ea n dm a t c h r e l a t i o no ft h ef o u rp a r t sa r ew o r k e do u ti no r d e rt o s o l v et h em a t c h p r o b l e md u r i n gt h ev a r i a b l et h i c k n e s ss e w i n gm a c h i n e w o r k i n g r a i s i n gs e w i n gt h r e a dp a r ti st op r o v i d ea n dr e c l a i mt h r e a dd u r i n g f o r m i n gt h es e w i n gt h r e a dt r a c k i ti si l l u m i n a t e db yt h ec h a n g eo ff o r c eo f s e w i n gt h r e a d i th a st w ow o r ks i t u a t i o n s ，o n ei st op r o v i d et h es e w i n g t h r e a d ，t h eo t h e ri st or a i s i n gt h et h r e a d ，i tc a ns w i t c ht h es i t u a t i o ne a c h o t h e ru n d e rt h ec e r t a i nc o n d i t i o n m o d e l i n gp a r a m e t e r i z a t i o no ft h e r a i s i n g s e w i n gt h r e a dp a r ti sd e t a i l e d l yr e s e a r c h e do nt h ep a p e r , t h eo r t h o g o n a l t e s t e sa r eh e l dt o a r r i v ea tt h e o p t i m a ld i m e n s i o n c o n s i d e r i n gt h e s w i t c h i n gc o n d i t i o no ft h ep r o v i d i n gt h es e w i n gt h r e a da n dr e c l a i m i n go n e a st h er e s t r i c t i o nc o n d i t i o n ，t h eo p t i m i z i n gp r o b l e mi se s t a b l i s h e db yt h e i n v e r s ep r o b l e ms o l u t i o nt h e o r y t h i sp a r tc a ne f f e c t i v e l ys o l v et h e r a i s i n g t h r e a do ft h ev a r i a b l et h i c k n e s ss e w i n gm a c h i n e o t h e rt h r e ep a r t sa r ea l s od e v e l o p e do nt h ep a p e r p i e r c i n gs t u f fp a r ti st od r i v et h el i n et h r o u g ht h es t u f f , a n df o r mt h e t h r e a dr i n g n e e d l e sp o s i t i o n ，v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o na r ea n a l y z e da n d v 浙江工业大学硕士学位论文 _ 。1 。- 。1 。_ _ 。- _ _ 。- _ - 一_ 一 i m i t a t e dt oo u t p u tt h ec o r r e s p o n d i n gc u r v e si na d a m s d e e p l ya n a l y z i n g t h en e e d l ew h e nf o r c e dt op i e r c et h es t u f fi st o p r o v i d et h er e f e r e n c ef o r c h o o s i n gt h et y p eo fn e e d l e s h o o k i n gs e w i n gt h r e a dp a r ti st oh o o kt h et h r e a dr i n g ，e n l a r g ei ta n d t u r ni t ，t h e np u l l e di to u t s i n g l e l i n ec h a i ns e w i n gt r a c kf o r m i n g b yr o t a r y h o o ka r ec h o s e nt oa v o i dc a p a b i l i t yp r o b l e mo f t h es h u t t l e c o c k d e l i v e r i n gs t u f fi st om o v et h ea d e q u a t el e n g t hi nt h er i g h to c c a s i o ns o a st om a t c ht h eo t h e rt h r e ep a r t s i th a sf o u r s t e p s ，s e q u e n t i a l l yl o a d i n g ， c l a m p i n g ，s e n d i n g ，a n du n l o a d i n gt h es o l e a d a m si m i t a t e st h ea c t i v i t y f u n c t i o nw i t ht h ev i s i b l et e c h n i q u ea n de x p o r t st h ec u r v e so ft h er u n n i n g a x i sa n dt r a n s l a t i o nd i m e n s i o no ft h es e n d i n gs t u f f , t h e i rr e l a t i o n s h i pc a n e a s i l yc o n c l u d e do nt h ec u r v e s k e yw o r d ：v a r i a b l et h i c k n e s ss e w i n g ，f u n c t i o n a la n a l y s i s ，v i r t u a l p r o t o t y p i n gt e c h n i q u e ，o r t h o g o n a lt e s t v l 浙江工业大学硕士学位论文 目录 摘要i i a b s l r i t a c t i v 目录。v i i 第一章 绪论l 1 1 前言l 1 2 三大难题2 1 2 1 高线速度时四大机构配合问题。2 1 2 2 梭芯的容量问题3 1 2 3 变厚度问题3 1 3 变厚度缝纫机设计的可行性和必要性4 1 3 1 可行性4 1 3 2 必要性5 1 4 本文研究内容5 1 5 d 、结6 第二章 虚拟样机技术7 2 1 虚拟样机技术的定义7 2 2 虚拟样机技术的优点8 2 3 虚拟样机技术研究对象和范围8 2 4 虚拟样机技术的相关技术9 2 5 虚拟样机技术的应用软件一a d a m s lo 2 6 虚拟样机技术的应用与展望l l 2 7d 、结1 2 第三章 变厚度缝纫机的机构建模及工作原理。1 3 3 1 变厚度缝纫机的总体方案。1 3 3 1 1 功能分析法1 3 3 1 1 1 总功能分析1 4 3 1 1 2 功能分解1 4 3 。1 1 3 功能分析的常用方法1 4 3 1 1 4 功能分解原则1 5 3 1 1 5 功能元求解1 5 3 1 2 变厚度缝纫机总体方案确定1 5 3 2 机构模型。1 7 3 2 1 机构几何模型1 7 3 2 2s o l i d w o r k s & a d a m s 数据转化18 3 2 2 1s o l i d w o r k s 、a d a m s n i c w 共同支持的主要图形格式。1 9 3 2 2 2 模型格式转化- 2 0 3 3 工作原理2 0 3 3 1 四大模块功能2 0 3 3 2 机器工作时间分配2 1 3 3 3 四大机构运动时间配合关系2 2 v l i 浙江工业大学硕士学位论文 3 3 4 主要机构运动对缝纫机性能的影响2 5 3 4 ，j 、结2 6 第四章 刺料机构2 7 4 1 对心曲柄滑块机构2 7 4 1 1 针杆运动的速度与加速度2 7 4 1 2a d a m s 中输出机针的工作位移、速度及加速度2 9 4 2 机针。3 0 4 2 1 机针穿刺受力分析3 0 4 2 2 机针组成3 2 4 3 线环的形成。3 3 4 4d 、l 砉：1 4 第五章钩线机构。3 5 5 1 线迹。3 5 5 1 1 线迹的作用与种类3 5 5 1 2 单线链式线迹3 6 5 1 2 1 单线链式线迹特点3 6 5 1 2 2 线迹形成原理3 6 5 2 旋钩3 7 5 3 卅、结3 8 第六章挑线机构3 9 6 1 挑线机构工作原理3 9 6 2 机构三维模型的抽象4 2 6 2 1 受力分析简图4 2 6 2 2 机构结构参数之间关系4 5 6 3 反问题。4 8 6 3 1 反问题的含义4 8 6 3 2 反问题模式4 8 6 3 - 3 反问题的发展与应用4 9 6 4 机构模型参数化5 0 6 4 1 参数化方法5 0 6 4 2 挑线机构模型参数化5 l 6 5 正交实验。5 3 6 5 1 正交实验简介5 3 6 5 2 正交模拟试验5 5 6 6 模型细化及参数确定6 2 6 7 叫、l 砉6 5 第七章送料机构6 6 7 1 上料6 6 7 2 夹紧6 7 7 3 送料6 8 7 4 。1 ；料6 9 7 5 小结7 1 第八章总结与展望7 2 参考文献7 4 v i i i 附录a 附录b 附录c 附录d 致谢 攻读学位期间发 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 缝纫机的发展可追溯到1 8 世纪【l 】。 1 7 9 0 年，英国人托马斯塞在伦敦设计出了缝制靴鞋用的单线链式线迹的机 器，是第一台用木料做机体、部分零件是用金属制成的手摇缝纫机。这台机器虽 然粗隔，但它却开启了缝纫发明的大门。 1 8 2 5 年法国裁缝蒂莫尼埃改进发明了一种双线链式线迹的缝纫机，也是木 头做机体，速度却是手工的1 0 倍，其结构跟今天的缝纫几乎完全相同了。 1 8 4 8 ，蒂莫尼埃与马尼合作，对缝纫机进行了改造，首次采用全金属的新型 缝纫机问世。 同时缝纫机技术在大洋彼岸也在悄然发展，1 8 3 4 年，纽约的沃尔特享特设 计出一种双线梭式缝纫机。 此后，霍威汲取、改进前人缝纫机械技术，进行创新设计，为缝纫机发展作 了重大的贡献。1 8 4 5 年，霍威发明了一台双线锁式线缝纫机，速度每分钟3 0 0 针。 1 8 5 1 年，美国机械工人胜家独立设计并制造出胜家缝纫机，缝纫速度为6 0 0 针分，并于1 8 5 3 年取得美国专利。 1 9 7 5 年，美国发明的电脑控制操纵的多功能家用缝纫机，在其发展历史征程 中写下了崭新的篇章。 缝纫机技术经过这一百多年的发展，在原理、结构上已经相当成熟。一般都 把缝纫机分为四大技术机构，刺料机构、钩线机构、挑线机构、送料机构。任何 一台缝纫机，不管它的机构是多么复杂、精密，只要是用针和线对缝料进行缝纫， 就离不开四大机构的联合运动。目前，缝纫机发展的总趋势2 】：在机器的性能方 面向高速、多功能方向发展；在结构方面向高精度、密封好、小而轻巧的方向发 展。 浙江工业大学硕士学位论文 目前，我国的缝纫机总产量居世界第一，可技术却不是强国。主要表现在【3 1 ： l 、缝纫机的设计水平停留在仿制阶段，缺乏自主开发能力； 2 、缝纫机的品种大大少于德国、美国、日本等先进国家的缝纫机种类： 3 、缺乏研制先进缝纫机的能力。 1 2 三大难题 缝纫机技术在发展的同时，有些技术难题也凸现出来，主要表现有三：( 1 ) 四大机构的配合问题；( 2 ) 梭芯的容量问题；( 3 ) 变厚度问题。 1 2 1 高线速度时四大机构配合问题 缝纫机的运行速度从5 0 年代的3 0 0 0 转分发展至i l j 4 5 0 0 、5 0 0 0 、6 0 0 0 转分，尤 其是包缝机产品，到7 0 年代达要i i j l 0 0 0 0 转分，号称超高速缝纫机。缝纫机采用高 速度的运行方式，在机器总系统上，四大机构也必须保证高速度稳定运行。 在高线速度的条件下，支撑运动副正常工作的润滑膜被破坏，运动副失去润 滑膜，使得机构在无润滑膜条件下工作。机械运动理论证明，在没有采用容许干 摩擦措施的条件下，干摩擦是无法持久的，使运动构件产生发热、形成高温，运 动构件的材料表面烧焦熔化，最后运动副构件咬死。机械运动理论要求，在机械 结构运动副中，当运动副润滑膜不稳定，在机械系统内，必须采用强制润滑的结 构方式，来解决运动副中润滑膜在机械运动速度加快后的稳定性问题。一般传统 的方式是采用润滑系统，对缝纫机内部各个运动副采用加润滑脂、油等方式。而 另一方面，由于缝纫机的缝纫对象要求，缝纫机在缝纫过程中，对缝料不能沾有 油迹、无污染的质量要求，即缝纫机最好不要用润滑油。这对矛盾，一直是缝纫 机产品生产企业和缝纫机产品的使用企业之间的矛盾，更是世界缝纫机研发人员 目前面临的技术难题。 为了解决缝纫机漏油问题，机头无油化技术成为缝纫机发展重要方向。机头 无油化技术【4 l ，一般是采用机头面部内腔部分针杆机构和挑线机构取消供油和回 油系统，从根本上解决工业平缝机头部渗油、漏油的问题。其主要的方法是提高 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 2 梭芯的容量问题 在生产中，由于机器结构和线迹结构的制约，构成线迹的面线可以采用无限 量供应的方式，而底线一般只能绕在容量很小的梭芯中。大部分缝纫机的通用梭 芯只能供应3 0 分钟的缝线，这样使得在缝纫过程中频繁地更换梭芯，不断补充底 线供应。人工换梭使生产的辅助准备时间加大，劳动强增大，生产效率降低。 针对这个问题，日本的重机公司在梭体的容量上进行改进，在改进挑线机构 的基础上，把梭体的容量增大2 倍，并针对厚料缝纫，采用3 倍容量的梭体，使缝 纫效率得以提高。日本的j l a m 公司推出自动更换梭体的装置【5 1 ，使底线更换更 加自动化、高效化。这种装置首先利用传感原理，通过剩余底线检测装置，把底 线的存量情况，传递给控制器，当控制器收到最少梭体存量信息后，即指示机械 手开始进行更换梭芯的工作。机械手将用完的梭芯从机器上取下，放在梭子库的 空位置上，梭子库是存放已用完的梭子和向机械手提供装满梭芯的装置，它有多 种形式，如盘型、子弹夹型等。当梭子库将装满的梭体转到机械手能够抓取的位 置时，机械手即抓住梭体，将其安装到缝纫机上。这些装置应用，可以不必频繁 更换梭芯，节省了缝纫的时间，降低了劳动强度，大大地提高了生产效率。 1 2 3 变厚度问题 什么是变厚度缝纫是问题呢? 先从具体的例子来了解一下，如附录a 中的 图a 、b 、c 、d 所示，图中的鞋底我们称之为麻质鞋底，主要是用来为各种成 品鞋提供鞋底的。麻质鞋底的形成主要有四步骤组成：第一步是将天然麻纺成一 定粗细规格的麻绳，根据客户提供的鞋底厚度要求，把麻绳编织成一定规格粗的 辫子；第二步是根据客户要求的鞋码规格，按照一定的方式绕织麻辫，形成松散 的麻质鞋底；第三步是将松散鞋底安置在鞋模里固定、锁紧；最后就是用钩针对 麻质鞋底进行横向人工缝合，形成一只具有松紧规格要求的半成品麻质鞋底，直 接提供给客户进行后期生产。如附录a 中的图e 所示的是欧洲鞋码4 0 # 鞋底，鞋 底最宽的部分跟最窄的部分尺寸之差为8 8 3 0 = 5 8 ( 单位：m m ) 。 浙江工业大学硕士学位论文 对缝纫机而言，最重要的性能指标是它的缝纫性能，其缝纫性能就体现在线 迹上，要求缝纫机对缝料实现线迹优良缝纫。线迹的优劣是缝纫机诸机构工作性 能的综合反映，诸机构的协同配合是形成良好线迹的前提。能否形成良好的线迹， 缝纫机能否提供所需缝线和回收多余缝线从而形成张力均匀的线迹是关键技术。 传统缝纫机主要应用在制衣、制帽领域，缝料厚度变化较小，每一针所需缝 线量和回收线量都是相同的，即使有一些小变化，可以在工作前调节挑线机构的 过线装置就能实现。而变厚度缝纫机主要应用在如图所示的制鞋底领域，缝料厚 度变化不规则，使得每一针所需缝线量和回收多余缝线量完全不同，并且要求在 工作过程中自动调节所需缝线量和回收线量的，传统缝纫现有的挑线机构完全不 能足变厚度缝纫的需要。 通过上述分析，本论文将变厚度缝纫机定义为一种用来缝纫缝料厚度变化 较大，在缝纫过程中能自动调节所需缝线量多少的缝纫机。其关键技术是自动 调节缝线量( 所需缝线和多余回收缝线) 的挑线机构。 1 3 变厚度缝纫机设计的可行性和必要性 1 3 1 可行性 麻质鞋底是由天然麻绕织而成，而麻纤维是典型的功能型、环保型纺织纤维， 其主要功能有吸湿，透气，舒爽，散热，防霉，抑菌，抗辐射，无静电，消散光 波声波，抗紫外线，有益人体代谢机能与微循环机能畅达等优异功能，是全球公 认的生态环保特色资源和稀有珍贵资源，被誉为“天然纤维之冠”。 随着“绿色”概念的兴起，人们对穿着不断追求舒适健康，外在质感和内在保 健功能珠联璧合成为消费的新趋热，绿色产品将主导世界纺织品消费的新潮流， 在这新潮流中，有着“绿色产品”桂冠和天然保健功能的麻类消费品将呈现出广阔 的前景。据业内人士预测，5 1 0 年内，国际麻质品的潜在市场将超过2 0 0 亿美 元，我国是麻类资源最丰富的国家之一，估计国内市场有4 0 亿美元，因而麻质 鞋底存在潜在的市场，研制变厚度缝纫设备是可行的。 4 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 2 必要性 目前某公司提供的手工生产麻质鞋底的情况如下： 通的熟练工人，以每天工作8 小时计，一天就能生产2 0 0 0 只c a p1 0 0 0 双) 麻质鞋 底；但一个相当熟练的工人，即使每天工作以l o 小时计，却只能缝合4 0 0 只( 2 0 0 双) 鞋底。鞋底的缝合速度远远落后于鞋底的绕织成型速度，无法满足生产的需 要，这一无法调和的矛盾成为麻质鞋底生产的一大瓶颈。麻质鞋底的生产供不应 求，为解决生产的需要，只能雇更多的人来加班加点生产，生产成本不断提高。 面对这样的困境，人们就提出以机器缝合来代替手工缝合，提高生产效率，解决 当前迫切需要解决的问题，所以有必要研制变厚缝纫设备。 1 4 本文研究内容 由于现代的缝纫机主要应用在服装 行业，朝着机电液气一体化、无油或微油 润滑系统、智能化方向发展，对缝纫机技 术领域里的三大难题中的前两大难题都 有一定程度的解决，但对变厚度缝纫领域 却很少涉及。变厚度缝纫是社会化分工进 一步细化的产物，也是市场的产物，在国 内外的相关领域的研究尚属于空白。本文 来源于变厚度缝纫机设计的项目。 要进行一台机器的研制，需如图1 - 6 所示的过程。变厚度缝纫机的研制也必须 遵守这个过程。 借鉴成熟的现代缝纫机技术理论，变 图1 - 6 机械设计的一般过程【6 】 厚度缝纫机也是由刺料、钩线、挑线和送料四大主要机构组成【7 1 。其对麻质鞋底 的缝合过程就是由这四个主要机构密切配合、协同合作，按照一定的顺序形成线 迹，锁紧鞋底。项目要求变厚度缝纫机形成的鞋底有一定的锁紧力，线迹比较整 浙江工业大学硕士学位论文 齐，针距2 0 m m 左右。 根据变厚度缝纫机的工作性能要求，本文主要研究工作如下所示： l 、对变厚度缝纫机总功能进行分析，研究确定各个模块的功能和机构形式， 还要研究主要机构之间运动特性、时间配合关系； 2 、采用a d a m s 与s o l i d w o r k s 联合建模方式，研究变厚度缝纫机主要机构 的有效建模方法，为仿真分析建立合适的模型； 3 、利用a d a m s 软件对刺料机构运动学进行分析，获得其运动特性，并依 此确定刺料机构的有关参数； 4 、根据缝合对象的特性，选择钩线机构所需的合适的线迹和成缝器，并进 行相关分析； 5 、基于a d a m s 对挑线机构进行参数化建模，并对机构构件进行受力分析， 对关键参数进行优化； 6 、按照机构设计要求自行设计送料机构，并进行分析。 1 5 小结 本章重点介绍了变厚度缝纫问题的产生，并对变厚度缝纫机进行定义及提出 其关键技术，简单介绍了研究变厚度缝纫机可行性和必要性，确定论文的主要研 究内空。 6 虚拟样机技 的三维实体模型和力学模型，分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计制 造提供依据。 2 1 虚拟样机技术的定义 随着世界经济和科学技术的飞速发展，全球性的市场竞争日益激烈。产品消 费结构不断向多元化、个性化方向发展。面对无法预测、持续发展的市场需求， 为了提高产品竞争力，就要求各类制造企业以最短的产品开发时间( t i m e ) 、最 优的产品质量( q u a l i t y ) 、最低的生产成本( c o s t ) 和最佳的服务( s e r v i c e ) 来 赢得用户和市场，而且要求产生尽可能少的污染环境( e n v i r o n m e n t ) 。传统的产品 设计，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计，在设计完成以后，需要 制造出物理样机进行实验，发现问题后就重新更改设计方案，再制造物理样机进 行实验和审核，在新产品定型前，通常需要经过这样多次的反复，使得设计周期 漫长，开发资本较高，更不可能对市场的灵活性做出响应。面对越来越激烈的市 场竞争，企业要具有竞争优势，就必须在最短的时间里设计并生产出高质量的满 足用户需求的新产品，而物理样机的种种缺点无法满足企业保持竞争优势的需 要。在这种形势下，虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n i q u e ) 应运而生i s 。 虚拟样机技术【9 】就是采用计算机仿真与虚拟技术，在计算机上通过 c a d c a m c a e 等技术将产品的资料集成到一个可视化的环境中，实现产品的 仿真、分析。虚拟样机技术在设计的初级阶段，即概念设计阶段，就可以对整个 系统进行完整的分析，可以观察并试验各组成部件的相互运动情况。使用系统仿 真软件，将产品在各种虚拟环境中真实地模拟系统运动，可以在计算机上方便地 修改设计缺陷，仿真实验不同的设计方案，对整个系统不断改进，直至获得最优 设计方案，再生产物理样机。通过实施虚拟样机技术，一方面可以节约新产品的 开发时间和资金，降低新产品的开发成本，避免了不必要的浪费：另一方面可以 7 浙江工业大学硕士学位论文 完善产品性能，提高产品质量，从而增强产品市场竞争力。 2 2 虚拟样机技术的优点 虚拟样机技术比基于物理样机的传统的产品设计技术具有如下特点： ( 1 ) 具有直观性。可以全面准确的表达产品设计方案。 ( 2 ) 具有虚拟性。基于计算机辅助工具的支持，使得建模、修改、仿真、评 估的过程更加方便，而且可以完成很多传统方法很难实现或代价很大的仿真，在 减少取消物理样机的情况下获得最优方案，缩短了研发周期、提高了产品质量， 节约了成本。 ( 3 ) 强调系统的观点。可以在系统层次上对产品的外观、功能和在特定环境 下的行为进行分析和模拟，预测产品在真实工况下的特征及响应，确定影响性能 的关键参数。 ( 4 ) 支持并行工程，可应用于产品开发的全生命周期，支持产品的全方位测 试、分析与评估并随着产品生命周期的演进而不断丰富和完善。 ( 5 ) 支持不同学科间的虚拟化协同设计。 2 3 虚拟样机技术研究对象和范围 机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术。 虚拟样机技术的研究对象1 0 1 是机构系统。在机械系统设计中有3 种性质不 同的分析： ( 1 ) 机械系统的静力学分析； ( 2 ) 机械系统的运动学分析； ( 3 ) 机械系统的动力学分析。 虚拟样机技术的研究对象范围主要是机械系统运动学和动力学分析。其核心 就是运用计算机辅助分析功能进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统 及其各构件在任意时刻的位置、速度和加速度，同时，通过求解代数方程组确定 引起系统及其各构件运动所需的作用力及反作用力。 8 浙江工业大学硕士学位论文 2 4 虚拟样机技术的相关技术 机械系统的种类繁多，虚拟样机技术分析软件在进行机械系统运动学和动力 学分析时，还需要融合其他相关技术，如下图示。 图2 - 1 虚拟样机技术组成 一个优秀的虚拟样机技术分析软件除了可以进行机械系统运动学和动力学 分析，还应该包含以下技术【l 。 1 、几何形体的计算机辅助设计( c a d ) 软件和技术。用于机械系统的几何建 模，或者用来展现机械系统的仿真分析结果。 2 、有限元( f e a ) 分析软件和技术。可以利用机械系统的运动学和动力学分析 结果，确定进行机械系统有限元分析所需的外力和边界条件；或者利用有限元分 析对构件应力、应变和强度做进一步的分析。 3 、模拟各种各样作用力的软件编程技术。虚拟样机软件运用开放式的软件 编程技术来模拟各种力和动力，例如：电动力、液压气动力、风力等等，以适应 各种机械系统的要求。 4 、利用实验装置的实验结果进行某些构件的建模。实验结果经过线性化处 理输入机械系统，成为机械系统模型的一个组成部分。 5 、控制系统设计与分析软件技术。虚拟样机技术软件可以运用传统的和现 9 浙江工业大学硕士学位论文 代的控制理论，进行机械系统的运动仿真分析；或者可以应用其他专用的控制系 统分析软件，进行机械系统和控制系统的联合分析。 6 、优化分析软件和技术。运用虚拟样机分析技术进行机械系统的优化设计 和分析，是一个重要应用领域，通过优化分析，确定最佳设计结构和参数值，使 机械系统获得最佳的综合性能。 2 5 虚拟样机技术的应用软件一a d a m s 虚拟样机技术的应用就是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商品化虚拟 样机技术软件来实现的。国外虚拟样机技术软件的商品化过程早已完成。目前有 二十多家公司在这个日益增长的市场上竞争。比较有影响的产品包括美国机械动 力学公司( m e c h a n i c a ld y n a m i ci n e ) 的a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so f m e c h a n i c a ls y s t e m ) ，比利时l m s 公司的d a d s 以及德国航天局的s i m p a c k 。 其中美国机械动力学公司的a d a m s 占据了市场的5 0 以上，根据现有的资料 和可以利用的软硬件资源，在本次论文中将采用a d a m s 软件作为虚拟样机技 术应用的软件。 a d a m s 是世界上应用最广泛最具有权威的机械系统动力学仿真分析软件。 利用a d a m s 软件，用户可以快速、方便地创建完全参数化机械系统几何模型。 该模型可以在a d a m s 软件中直接建立，也可以是从其他c a d 软件中导入( 相 对复杂的零件，一般采用从其他c a d 软件中导入) 。然后在几何模型上施加力 力矩和运动激励。最后执行一组与实际状况十分接近的运动仿真测试，所得的测 试就是机械系统工作过程的实际运动情况。这个过程就是在计算机上建立了完整 的虚拟样机的过程，可以在计算机上仿真机械系统的运动学和动力学性能。 a d a m s 软件包括很多模块，本论文主要用到v i e w 、s o l v e r 、p o s t p r o e e s s o r 模块。 a d a m s n i e w 1 2 】提供了一个直接面向用户的基本操作对话环境和虚拟样机 分析的前处理，其中包括样机的建模和各种建模工具、样机模型数据的输入与编 辑、与求解器和后处理程序的自动连接、虚拟样机分析参数