（机械设计及理论专业论文）电脑刺绣机挑线机构的创新设计.pdf

北京工商大学硕士学位论文 摘要 为回避已受专利保护的电脑刺绣机挑线机构，同时也想探寻出一个受力情况较好从 而改善横梁振动并且有可能降低断线率的机构，故提出进行挑线机构的创新设计。 本课题以北方天鸟智能科技股份有限公司的电脑刺绣机挑线机构为原型，根据机构 创新设计理论，在保持原机构挑线孔运动规律和相关尺寸不变的基础上，设计出两种新 型的挑线机构一对心平底推杆盘形凸轮挑线机构和偏置直动滚子推杆盘形凸轮挑线机 构。针对对心平底推杆盘形凸轮挑线机构设计参数进行了结构设计，在此基础上进行了 加工制造和装机试验。 新型挑线机构在电脑刺绣机上装机实验表明：新型挑线机构在主轴转速为7 0 0 r m i n 时能够很好地完成挑线功能；新型挑线机构能够顺利实现换针功能；新型挑线机构应用 后，绣品质量与原挑线机构的绣品质量一致；新型挑线机构采用对心平底推杆盘形凸轮 机构，凸轮与推杆采用弹簧力进行锁合，实现了原有挑线机构的运动规律；弹簧力锁合 的方式在高速运转时，凸轮行程拐点过渡平滑，挑线功能较好。新型挑线机构和原挑线 机构在单独运转的情况下横梁的振动测试表明新型挑线机构对横梁的振动影响较小。 关键词：电脑刺绣机；创新设计；挑线机构 电脑刺绣机挑线机构的创新设计 a b s t r a c t t oa v o i dt h et h r e a d t a k i n g u pm e c h a n i s mo fc o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n e p r o t e c t e db yt h ep a t e n ta n dm o u s eo u tam e c h a n is mw h i c hh a saa p p r o p r i a t ef o r c e t od e c r e a s et h ev ib r a t i o no ft h eb e a ma n dm a yr e d u c et h eb r e a k a g er a t eo ft h e y a r n ，s ow ep u tf o r w a r dt h ec r e a t i v ed e s i g nf o rt h et h r e a d t a k i n g u pm e c h a n i s m w et a k et h et h r e a d t a k i n g u pm e c h a n i s mo fc o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n e o fn o r t hp h e n i xi n t e l l i g e n c et e c h n o l o g yc o ，l t da sap r o t o t y p ea n dh a v ed e s i g n e d t w on e wt h r e a d t a k i n g u pm e c h a n i s m sb a s e do nt h es a m el a wo fm o t i o no fo r i g i n a l t h r e a d t a k i n g u pp o l eo fo r i g i n a lm e c h a n i s ma n dr e l e v a n ts i z e sa c c o r d i n gt o c r e a t i v ed e s i g nt h e o r yo fm e c h a n i s m ，w h i c ha r et h r e a d t a k i n g u pm e c h a n i s mo fd i s k c a mw i t ht r a n s l a t i n gf l a t f a c e df o l l o w e ra n dt h r e a d t a k i n g u pm e c h a n i s i l lo f d i s kc a mw i t ho f f s e tt r a n s l a t i n gr o l l e rf o l l o w e r a m i n ga tt h ed e s i g np a r a m e t e r s o ft h ef o r m e r t h r e a d t a k i n g u pm e c h a n i s m ，w eh a v ed e s i g n e dac o r r e s p o n d i n g m e c h a n i s m t h e n ，t h e n e w t h r e a d t a k i n g u p m e c h a n i s mw a sm a n u f a e t u r e da n d i n s t a l l e do nt h ec o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n ea n dt h ee x p e r i m e n tw a sc a r r i e d o u t t h ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a t ：t h en e wm e c h a n i s mc a nw e l 】c o m p e r et h ef u n c t i o n o ft h r e a d t a k i n g u pa t7 0 0 r m i no ft h er o t a t es p e e do fp r i n c i p a la x i s ：t h en e w m e c h a n i s mc a nf a v o r a b l yr e a l i z et h ef u n c t i o no fc h a n g i n gn e e d l e ：t h eq u a l i t y o fe m b r o i d e r i n gi sc o n s o n a n tw i t ht h eo r i g i n a lo n ew h e nw e a p p l l e dt h en e w m e c h a n i s mt ot h ec o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n e ：t h en e wm e c h a n i s mw h i c ha d o i x s d i s kc a mm e c h a n i s mw i t ht r a n s l a t i n gf l a t - f a c e dc o l l o w e rw h o s ec a ma n df o l l o w e r a r el o c k e du pt h r o u g ht h es p r i n gf o r c er e a l i z e st h e1 a wo fm o t i o no fo r i g i n a l t h r e a d t a k i n g u pm e c h a n i s m ：t h et r a n s i t i o no fi n f l e x i o np o i n t so nt h ej o u r n e y o ft h ec a mi ss m o o t h ，s ot h ew a yo fl o c k i n gt h r o u g ht h es p r i n gf o r c em a d et h e t h r e a d t a k i n g u pm e c h a n i s mr u nw e l1a th i g hs p e e d t h ev i b r a t i o nt e s to fb e a m d u r i n gt h ep e r i o do fs e p a r a t er u n n i n go ft h en e wt h r e a d t a k i n g u pm e c h a n i s ma n d t h eo r i g i n a lo n ei n d i c a t e dt h a tt h en e wt h r e a d t a k i n g u pm e c h a n i s i l lm a d el e s s i m p a c to nt h ev i b r a t i o no ft h eb e a mt h a nt h eo r i g i n a lo n e k e y w o r d s ：c o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n e ；c r e a t i v ed e s i g n ；t h et h r e a d t a k i n g u p m e c h a n i s m i i 北京工商大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作所 取得的研究成果。除了文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果完全由本人承担。 学位论文作者签名：恿翅日期：年月日 北京工商大学学位论文授权使用声明 本人完全了解北京工商大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京二商大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 学位论文电子敝同意提交后，可于口当年口一年口二年后在学校图 书馆网站上发布，供校内师生浏览。 学位论文作者签名：麴导师签名： 日期：刎年多月岁日 北京工商大学硕士学位论文 第一章绪论 电脑刺绣机( 觅图卜1 ) 作为纺织服装自动化缝制设备的重要分支，可以完成服装、 鞋帽、箱包、纺织工艺品等产品的高速度、自动化刺绣，增加相关产品的附加值，满足 用户的多样化藕求，几十年来高速发展，己成为一个品种丰富、数量巨大的独立工业产 品系统。 图l - 1 电簸刻绣机 1 1 电脑刺绣机简介 1 1 1 电脑刺绣机的背景 电脑控制的刺绣机代替手工、机械刺绣，是绣花工艺的一个质的飞跃。电脑刺绣技 术早褒7 0 年代就在国外发展起来，8 0 年代成为绣花桃豹主嚣设备。其主要典型产品有： 德国z s k 系列和日本田岛t m e f 系列。1 9 8 8 年上海协昌有限公司引进日本的刺绣机技术， 成功研制了g y 4 一l 型电脑多头绣花机。该机目前在国际制衣工业上属先进的缝纫刺绣设 备，适用于簸装、床上爰品、密帮以及裁绣工艺品等产品戆蘩l 绣花样图案。 l 。1 2 电脑刺绣桃的结构组成 电脑刺绣机有单头和多头之分。每一头中又分单针、多针。但从控制原理上来讲， 基本相似，一般由两大部分组成：主机和电脑控制箱。主机由机头、台板、传动机构、 机架、绣框等缎戒。 1 ) 机头。通过缝纫机头运转，使面线和底线在面料上做出双线锁式线迹： 2 ) 台板。是固定送布机构、完成刺绣任务的主要场所： 3 ) 传动机构。包括机头电机的传动祝构( 主辘z ) 和送布机构( x 、y 辅) ，罚采 完成x 、y 、z 三个方向运动的传递，是完成刺绣工作的主要部件： 4 ) 机架。支撑台板和各机件，方便工作，调节整体造撰和外观； 5 ) 绣框。胡来固定慈拳率，受电齄控髓，完成刺绣工作。 电脑控制箱由主机板、电源线路、控制线路、功率输出线路等组成。它的主要作用 为：一是控制x 、y 向嚣伺服电机驱动绣榧形成所绣花型的轨迹；= 是保证绣框和机针 电脑刺绣机挑线机构的创新设计 协调运动，以防折针和破坏布料。 1 1 3 电脑刺绣机的工作原理 电脑刺绣机是根据数字信息高质量、高速度进行刺绣的服装设备，其工作原理实际 上是控制系统顺序读取花样编码文件针位点信息，经由i o 口输出，控制3 个坐标的运 动，使之保持严格的同步关系，形成所要刺绣的图案。 1 1 4 电脑刺绣机的工序 电脑刺绣机分两道工序：制版和车花。制版是头道工序，由绣花图案设计打带系统 完成，车花由电脑刺绣机完成。制版是根据所要绣制的花型对刺绣机从起针到结束一系 列动作指令的编制，包括绣框的x 与y 方向的移动、针步长短、绣线密度、换色次序、 特殊结点、停针、跳针、空针、索针、插针等。对走针顺序、排线状况、底线分布、 转角处理、层次安排、换跳空停、刺绣轨迹、针法组织等作一系列的技术处理，编制成 电脑刺绣数控代码，再复制到磁盘上，用以控制刺绣机完成刺绣工作。完成制版的花样 数据通过软磁盘输入到刺绣机电脑中，电脑根据花样的针迹数据，驱动绣框x - y 方向移 动的步进电机，同时驱动z 方向的主轴电机，机针作上下运动，布面的底线和面线就按 照花样的针迹方向和大小作出双线锁式线迹，另外电脑可以驱动换色电机，手动或者 自动换色，并按照指定颜色的绣针绣出色彩丰富的图案。 1 1 5 电脑刺绣机的主要功能 电脑刺绣机的主要功能有：花样的磁盘输入输出、反复绣作功能、循环绣作功能、 花样的编辑功能、贴布绣作功能、补绣功能、空绣、花样的旋转及缩放、内存花样的多 画面预览、组合花样、绣花样周边、绣框保护功能、下位移框功能、雕孔绣作功能、绣 线配色、中英文显示在线切换等。 1 1 6 改型设计方案的提出 g y 4 1 型电脑多头刺绣机参考日本东海缝纫机有限公司的田岛刺绣机研制而成。但 田岛刺绣机的挑线机构在美国、德国、意大利等国已经申请了专利，因而g y 4 1 型电脑 多头绣花机很难进入国际市场。为避开田岛刺绣机的专利保护，故提出进行挑线机构的 创新设计。 1 2 近期对电脑刺绣机开展的有关研究 1 2 1 电脑刺绣机横梁弯曲振动的研究 通过对电脑刺绣机横梁弯曲振动进行分析研究，推导出其弯曲振动的运动方程和特 征方程，并结合相关型号的电脑刺绣机横梁尺寸，进行了电脑刺绣机横梁弯曲振动的固 有频率和临界转速计算与分析，找到了此类型电脑刺绣机高速振动的根本原因，提出了 通过改变梁长和截面弯曲刚度来调整临界转速的方法，使临界转速远离电脑刺绣机的电 机转速，避免共振或亚共振现象的发生。 北京工商_ 人学硕士学位论文 1 2 2 多头电脑刺绣机横梁的抑振减振研究 针对加装弹性阻尼减振器的横梁振动系统进行了理论分析，给出了其在几种特殊支 撑条件下的振动解析式，分析了减振器的作用与效果，按照理论解析的指导，提出了大 型多头刺绣机减振装置的结构及其动力参数，经实际使用证明减振效果良好。 1 2 3 电脑刺绣机控制系统的改进设计 电脑刺绣机控制器以单片机为微处理器，采用m c s 一5 1 单片机经地址总线扩展构成， 同时选用8 2 5 5 及8 1 5 5 作为i o 接口，系统结构紧凑，成本低廉，经过实际使用和比较， 完全符合电脑刺绣工艺的需求，具有花版适应性强，能接受以软磁盘、纸带及e p r o m 为信息载体的国内外多种花版数据的优点，同时对机械传动机构的适应性也较强，并且 花样存储容量大。 1 2 4 自润滑复合材料在刺绣机轴套中的应用 应用自润滑复合材料取代现有的油润滑轴套材料。自润滑复合材料具有重量轻、体 积小等优点，不像使用润滑油和脂那样需要密封、贮存罐和供液系统( 包括控制装置等) ， 排除了漏油，减轻了维护保养的工作量和费用。因此，机器需要的保养程度最小，不仅 减轻了工人的劳动强度，节约了成本，而且消除了在织物上或工作场所任何地方发生油 迹斑斑的危险。 1 2 5 前人对电脑刺绣机挑线机构的创新设计 应用概念设计平台原型系统i m c d p ，根据挑线机构的本体运动行为，得到挑线机构 备选方案，并对四种机构的运动行为作出评价。最后得出如图卜2 所示的方案。该机构 是基于六杆机构的多杆演化机构，新机构的优点在于：在设计时更容易满足安装孔的位 置，经样机试验表明，改进的机构方案具有较好的平稳性。 删z 1 3 论文研究的课题来源 本课题是北京市教委科技发展计划项目高速电脑刺绣机新型传动机构研制与实验 研究的一部分。该项目分为机构运动和动力分析、机构创新设计、振动和噪声测试三 电脑刺绣机挑线机构的创新设计 大部分。本论文从机构创新设计出发，以北方天鸟智能科技股份有限的电脑刺绣机挑线 机构为原型，自主设计出新型挑线机构，新型挑线机构具有良好的挑线功能。目前该机 构已获得国家实用新型专利。 4 北京工商大学硕士学位论文 第二章电脑刺绣机挑线机构创新设计 2 1 机械创新设计理论 2 1 1 机械创新设计的概念l l 】 机械创新设计( m e c h a n i c a lc r e a t i v ed e s i g n ，m c d ) 是指充分发挥设计者的创造 力，利用人类己有的相关科学技术成果( 含理论、方法、技术、原理等) ，进行创新构 思，设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品( 装置) 的一种实践活动。 它包含两个部分：一是改进完善生产或生活中现有机械产品的技术性能、可靠性、经济 性、适用性等；二是创造设计出新机器、新产品，以满足新的生产或生活的需要。 机械创新设计与常规机械设计及创造发明的关系如下： 1 m c d 与常规机械设计机械的类型、用途、性能和结构的特点虽然千差万别， 但它们的设计过程却大多遵循着同样的规律。概括起来说，常规机械设计过程一般可分 为四个阶段：1 ) 机械总体方案设计。设计者根据设计任务书的要求，广泛收集同类机 械或相近机械的性能参数、使用情况、优缺点等技术资料和数据，而后便可进入机械总 体方案设计阶段。机械总体方案设计的主要内容包括：机械的选型与组合；运动形式的 变换与组合；机械运动简图、传动系统图等的绘制。2 ) 机械的运动设计。设计者根据 设计任务书的要求，对选定的一种设计方案进行运动综合，以满足根据该机械的用途、 功能和工艺条件而提出的运动规律、机构的位置或某点轨迹的要求。机械运动设计的内 容包括机构主要尺寸的确定、机械运动参数的分析、传动比的确定与分配等。3 ) 机械 的动力设计。在运动设计的基础上，确定作用在机械系统各构件上的载荷并进行机械的 功率和能量计算。机械动力设计的内容包括动力分析、功能关系、真实运动求解、速度 调节和机械的平衡等。4 ) 机械的结构设计。结构设计的任务是根据机械中各构件的工 况参数和失效形式、选定的材料种类和热处理方式，确定其合理的几何形状和结构尺寸， 即把机构运动简图中用符号表示的所有构件都绘制成具体的零件工作图、部件装配图和 机械的总装图。为此，在机械结构设计中，设计者通常需要进行强度设计、刚度设计、 摩擦学设计等。设计者还必须考虑机械各零件的配合关系、连接方法，特别是了解现代 机械制造方法对机械设计方法的影响，解决结构的工艺性问题。显然，常规设计一般是 在给定机械结构或只对结构作微小改动的情况下进行的，其主要内容是进行尺度设计、 动力改进和结构设计。 机械创新设计( m c d ) 是相对常规设计而言的，它特别强调人在设计过程中，特别 是在总体方案结构设计阶段中的主导性及创造性作用。m c d 有高低层次之分，这可用 创新度c d 来衡量( o c d 0 所以 f 1 0 4 z7 一o 4 l + o 0 8 y o 0 0 8 d 1 0 - 解第一个不等式组的不等式( 5 ) 1 0 4 l 0 4 l + 0 0 8 y + o 0 0 8 d i 而 三= k = d 剥m i n 0 0 0 0 2 0 8 = 0 0 1 1 9 1 8 删, y m i , = 3 3 1 7 7 m m ( 见图3 1 8 ，其中d = 3 m m ) ， d l 。 2 0 r a m 则 1 0 4 1 一2fp(cosoe,xp-sinctyp)-f2d1p s i n t z + p f d i c o s a + m 吩一一增+ p c o s 口- 妒s i n 口 四、当推杆向下运动但其加速度向上时 如图3 一1 6 所示。 此时需满足如下关系式： 7 f f l【1 1 f 。 - - = 翻 b 窿j 。 a 哎 j i 卞艟 f f h f f 2t 口gx p u i i 弘 i lf f f f 弹 一一i 图3 - 1 6 平底推杆力平衡计算简图 f l 3 9 4 r a m 即坐竺型坐等塑竺丝唑。一懈+ p c o s a - 倒n 口 综合以上四种情形并结合所算的加速度可知：导轨长度，7 6 9 3 m m ： 弹簧的最小工作载荷p - 需满足 即婴竺坐坚萼型竺业一p c o s c t - i 一增恤m ( 9 ) 弹簧的最大工作载荷p 。需满足 咯，型坠竺翌坐竺生字型塑兰坚+ m 吗一愕+ p c o s a - 归s i n 口( 1 。) 其中，m = 2 譬幼 ( 平底质量与推杆质量相当) 则弹簧的工作载荷条件为 北京工商大学硕士学位论文 p 2 f p ( c o s a x p + s i n a y p ) 厂+ f d i p e o s a - f 2 d i p s i n t x p c 。s 盯一聊q 。一愕+ 妒s i n 口 p 2 p ( c o s a x p - s i n o r y p ) 厂- f z d i p s i n a + p f d lc o s a + m a 3 m x - 馏+ p c o s 口- 尸s i n 口 3 1 4 5 弹簧的确定【9 1 一、要选择一个合适的弹簧，必须明确这些条件：弹簧的工作行程、弹簧类别、端部 结构和弹簧材料、工作载荷。 1 工作行程h 工作行程1 2 m m 。 2 弹簧类别 弹簧受循环载荷作用次数n 在1 1 0 6 以上。 3 端部结构 端部并紧、磨平，支撑圈为1 圈。 4 弹簧材料 6 5 m n 。 5 工作载荷 挑线杆受力状况如图3 一1 7 所示。 图3 一1 7 挑线杆受力图 根据平衡条件，有p - r - c o s 口= f 厶 p ：旦：塑! ：5 6 9 5 f ，c o s 口1 5 c o s 2 0 。 因为瓦。= 0 9 8 n ，所以齿条所受的载荷为p = 5 5 8 n 我们取= o 2 1 ，z = 8 m m ，h = l o o m m 并将口= 2 0 。，x p = 4 0 2 1 5 一d l 2 = 2 5 2 一d j 2 ，y p = 1 5 r a m ，p = 5 5 8 n ， m ：2 型至h p ：萼l o o 1 0 一，7 8 5 1 0 3 代入不等式组 4 电脑刺绣机挑线机构的创新设计 p 2 f p ( c o s a x p + s i n c t y p ) + _ f d i p c o s c t - f 2 d t p s i n a t p c o s a - m a l m i n - - 孵+ 妒s i l l 口 驴2 f p ( c o s a x p - s i n a y p ) r - f 2 d i p s i n a + p f d tc o s a + m a 3 m a x - - 孵+ p c o s a - 妒s i n 口 1 ) 若推杆的运动规律符合假设一，则有口。一= 0 ，吼虬缸= 1 5 9 7 8 2 m s e l 3 1 7 6 6 9 4 _ 0 0 0 9 5 4 1 8 d 1 0 0 1 2 0 8 4 d 7 1 只 1 0 0 4 0 0 3 8 2 一o 0 0 9 5 4 1 8 d 1 + o 1 8 4 9 3 9 研 当d l = 7 m 埘时，得2 2 5 1 8 ： 根据推杆直径的大小和弹簧的受力范围，并考虑到装配时的方便，选取材料直径为 1 6 m m 、中径为2 0 m m 的弹簧( 表3 - 3 ) 。弹簧的最终高度取决于其最4 , 5 2 作载荷p 1 和 最大工作载荷p 。 表3 - 3 弹簧特征表 材料直径弹簧中径工作极限载荷 工作极限载荷单圈刚度 d m md m m p j 小 下的单圈变形 p d n m n l 。1 量 f c m m 1 62 0 6 5 3 38 0 7 68 0 9 实际工作极限载荷只因是i 类载荷：只1 2 5 & 故取p ，：1 2 5 e ，则实际工作极限载荷下的单圈变形量，：乏 故取驴l 根峡际工作极限载荷下觯圈变形量驴每 弹簧在凸轮转至最大向径处时，受力最大，必须满足弹簧变形后的长度不大于所剩的空 i h q 6 8 3 3 3 2 1 2 3 = 3 3 1 7 7 m m ，即：h o - t 1 7 - s3 3 1 7 7 ( 其中p 为弹簧刚度) d 日。= 脚+ 1 5 d 2 7 “- 7 ，+ l 5 d ( 其中t 为节距) 甲= 华户乃“b = ( 其帅为工作行程) 耻争志u 埘扎s d = 等一毒鲁“s d 而多= 等 北京工商大学硕士学位论文 所一 生+ 1 5 d ：8 0 9 里坐+ 1 5 1 6 3 3 1 7 7 只一日只一只 得只一只5 0 5 同时凸轮转至最小向径时，受力最小，必须满足弹簧变形后的长度不小于所剩的空间 n 6 8 3 - 3 - 2 0 0 1 l = 4 5 2 8 9 m m ，即：h o 一百r l 4 5 2 8 9 所以等一h 一- d _ + 1 5 d - 鲁，, 捎瑚， ! ：垄墨：! + 只 只一只 4上生+ 1 5 d 只一只 得只一1 1 舅5 5 7 土生4 5 2 8 9 p n 一鼻 结合以上两个不等式，取p n = 2 4 n ，p l = 1 7 n 。 2 ) 若推杆的运动规律符合假设二，则有 a l 。= 4 5 0 0 9 ，口3 。= 2 0 2 5 4 1 m s 4 当日= ，m m 时，得 只：；0 2 而所取的p 。、p l 也在假设二的范围内，所以无需专门针对此种情形再选弹簧。 二、弹簧参数计算 6 初算弹簧刚度p p ：生兰：兰尘旦：0 5 8 ( n m m ) h1 2 7 有效圈数n n - 生；8 , 0 9 ：1 3 9 p0 5 8 取标准值n = 1 4 5 8 总圈数n l n l = n + 2 = 1 6 5 9 弹簧刚度p 。 肚生：婴：0 5 5 8 ( n r a m ) n1 4 5 1 0 实际工作极限载荷下