（机械工程专业论文）纺织复合材料单边缝合机械手系统的改造设计.pdf

摘要 在三维纺织复合材料缝合制造中，传统的工业缝纫方法只能在二维平面或者 弯曲度不大的曲面上进行操作，且需要从被缝件的两边进行缝合，缝合的角度和 灵活性受到很大的限制，从而导致无法完成一些结构巨大或形状复杂的三维预制 件缝合的问题。 文中首先阐述了单边缝合技术的基本知识，介绍了单边缝合线迹的形成原 理。基于目前现有单边缝合设备模型中存在的缺陷和不足，将设备外形、传动路 线及钩线机构进行了改造设计，并针对单边缝合设备的引线及钩线机构进行了可 调节性设计，同时对单边缝合机械手中各机构在时间上的动作配合关系进行了设 计与规划，通过分析机构转角与针杆位移的一般关系确定了曲柄转角之间的相位 差，并利用仿真软件对各机构的位移进行了分析，仿真结果验证了动作规划的合 理有效性。 采用矢量法建立了单边缝合设备引线、钩线及挑线机构的运动学模型，分别 得到了各机构的位移、速度、加速度表达式。在m a t l a b 仿真软件中，得出了各 机构的运动变化规律曲线图，所得到的仿真结果满足预期设计要求。 最后，根据设计要求，对单边缝合设备的整体样机进行了加工制造，在经过 装配和调试后，进行了简单的缝合操作实验，初步得到了单边缝合o s s 链式缝合 线迹。 关键词：单边缝合；纺织复合材料；机构改造设计；运动学分析 a b s t r a c t i l l 也e 也r i m e 璐i o m lt e x t i l ec o m p o s i t cg u n 肛em a 硼h c t i i 血g ，缸d i t i 0 豫l s e w i n gm a c h i n e sc a no i l l y0 p e r a t eo n 锕。司i m e n s i o n a lp l a n eo r 蚰1 a uc m v e d 跚d h c e ， 锄dh a dt 0b es t i t i c h e do nb 0 也s i d e so ft t l ew o 却i e c e ，、) l ，h i c hl e a dt l l e 锄g l ea n d n e x i b i l i 锣o ft b e 鲫t l l r et 0u n d c rg r e a tr c s t r i c d o 璐h 酞i d i t i o nt 1 1 矾仃i 以i t i o 妇- a ls e w i n g m a c h i n 髂i su 碰山l et 0p m c e s sl a 玛e 锄dc o m p l e xs h a p em r e e d i m e m i o n a lw o r ! k p i e c e f 心；t l y t h i sp 印e rd e s c r i b e st h eb a s i ch o w l e d g eo fu n i l a t e r a l 鲫l t u t e c h n i q u e a n di n 臼删d u c e d 也ep 血c i p l eo f 硼l i l a t e r a ls u t u r es t i t c h r e 也s i g n o dm es h 印eo f c ( 1 u i p m e n t ，仃a 疵s s i 0 咀r o u t e s 粕dh o o l 她m e c l b l a n i s mb a s e do n 也ed e f 酏t s 舳d d e 6 c i 即c i 懿o fe x i s t i n gm 0 d e l a p a r t 丘0 mm i s ，t h i s 枷c l ef o c u s 髓o nd e s i g n 毅i d p l a 枷1 i n gf o r 也er e l a t i o n s h i p s 锄o n gt 1 1 ea c 6 0 no ne a c hp a l to ft l l em c c h a _ n i s m b y 锄l y z i n g 也eg 锄嗽ir e l a 缸o n g s h i pb 咖e e nt 1 1 e 伽o no fm e c h a n i s m 姐dm e d i s p l a o e m to fm en e e d l eb 甄m ep h 嬲ed i 侬：砌1 c eo fc 豫 n ka n g l ec 姐b ed e t 锄i n c d w 1 1 i l em ea r t i c l ca l s 0l l s e ss i m l a t i o ns o f 研a r c 屯0a n a l y s et h ed i s p l e m e n to fm e m e c h a n i s m s m l a d o nr 豁u n sd e m o 璐眦血ea c n o np l a n i n gw h i c ha r cr e 弱o 出l e 锄de m c i t s e c o n d l y e s t ；a b l i s h e d 血e a t i cm o d e lo f 也f - e a d1 e a d i n g ，t h i e a d h o o k i n ga n d t l l e a d d r i 讥唱 m e c h a n i s m b y 璐eo fv c c t o rm e t h o d t h e e x p r e s s i o 粥 o f d i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t ) ra n da c c e l 洲o n ga r eg 洳e d f m 吐旧眦o ，m o 矗o nc v ec 姐 b ea c h i e v e db yu o fs i m u l a t i o ns o r w a 他o fm a t l a b f i n ；a l l y ， a c c o 耐i n gt 0r a 岬疵m e n t so f t 1 1 ed e s i g n ，p r o c 铭s e das a n l p l em a c h i n e o fm l i l a t e m ls u t i l r ed e v i c e ，a f t e r 勰m b l i n g 觚d 山慨g i n g ，c o m p l e t e ds i n l p l e 瓯咖r e 叩批e x p e 血俚e n t ，锄da c h e ：i v e dc h a i n - s t i t c ho f u n i h t e m l 眦t u 陀 k e yw o r d s ：m l i l a t e m l 鲫加r e ；缸t i l ec o m p o s i t e s ；t h er e f o mo ft l l em e c h a n i s m ； k m e m a t i c 锄l y s i s 学位文的主要创新点 一、针对单边缝合设备原有设计模型中的设备外形、传动路线及 钩线机构进行了改造设计，对单边缝合设备的引线及钩线机构进行了 可调节性设计，实现了缝合参数的连续调节。 二、针对单边缝合机械手中各机构在时间上的动作配合关系进行 了设计与规划，并利用仿真软件对各机构的位移进行了分析，为设备 在工作中的调试并形成预期理想的线迹提供了理论依据。 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 第一章绪论幂一早殖比 1 1 1 学术背景及问题的提出 纺织复合材料因其拥有强度高、质量轻、耐腐蚀等特性，已被当作某些特殊 领域当中制作零部件的理想材料。目前，纺织复合材料已成为世界各国竞相重资 投入发展的研究领域，并被广泛应用于汽车、建筑、航空航天、生物医疗、以及 军工等尖端领域当中。 传统的纺织复合材料多为二维分层结构，这种结构的复合材料的抗冲击损伤 性能、层间断裂韧性、以及抗烧蚀性能较差。三维纺织复合材料是一种先进结构 的复合材料，它克服了以往各种结构复合材料的层间强度低的致命缺点，具有良 好的力学性能，可用来制造各种结构的主要承载构件，目前已广泛应用于航空、 航天、汽车、船舶等重要领域h 1 。 在三维复合材料预制件产品的加工与制造过程中，主要采用粘接、编织等技 术。但粘接技术在某些特定的条件下无法保证预制件产品的各项力学性能，而编 织技术方面，目前小型的预制件产品多采用人工操作，产品的加工成本高，生产 效率却很低，而对于一些空间三维形状的大型结构预制件产品，由于工艺复杂以 及三维编织机灵活性的不足，导致仅采用编织方法更是难以实现。因此，在保证 三维复合材料各项性能优势的前提下，缩短成产周期，提高成产效率，降低成产 成本，实现预制件产品加工与制造的自动化，就成为了亟待解决的问题。 采用三维复合材料缝合技术即可解决上述问题，它能够提高预制件产品的层 间断裂韧性和疲劳强度等性能，将缝合技术与编织技术相结合，能够实现空间复 杂形状的大型预制件产品的加工与制造，使其具有较好的连接强度，同时可以替 代粘接和铆接技术，应用与某些特殊领域的复合材料制造过程中心1 。 缝合是三维复合材料制造的一项重要技术。美国航空航天局的先进复合材料 技术研究计划( a c t 计划) 和美国空军的先进轻型飞机机身结构计划( a l a f s 计 划) 均把缝合r t m 和缝合r f i 技术作为一项关键技术进行重点研究口1 。我国在 复合材料缝合技术研究与应用方面也给予了高度的重视，“十五”期间就将缝合 与织物预成型体r t m ( r f i ) 技术作为主要研究内容，“十一五”发展规划指出： 推广使用缝编织物，鼓励开发自动化程度高、工艺性能好的工艺设备。 天津工业大学硕士学位论文 对于二维平面上的复合材料层间缝合，在普通工业缝纫机进行双面缝合即可 实现。但是对于几何形状复杂的三维立体预制件产品，特别是三维整体编织工艺 一次织造不出来的复杂大型异型件，需要沿空间三维缝合线将异型件缝合起来形 成预制件，在加工过程中由于受到缝合角度和设备灵活性的限制，采用传统的缝 合方法难以实现。采用六自由度工业机械人和单边缝合技术就能解决传统缝合技 术加工大型结构预制件过程中空间及缝合角度受限制的问题h 1 。同时，利用工业 机器人自由度大，可控性强等优势，还能够降低人力成本，提高三维复合材料预 制件的生产效率。因此，设计出一种能够从被加工件的一边进行单边缝合的设备， 作为末端执行机构与工业机器人相结合起来，就成为了实现复杂形状大型三维复 合材料预制件的加工与制造，同时提高缝合技术的自动化程度的关键性问题。 1 1 2 课题的研究意义及目的 纺织复合材料因其优异的性能，已被逐渐应用于航空航天、飞机、汽车等各 个领域。利用纺织复合材料制造预制件的过程中，越来越多的使用到缝合技术。 缝合技术虽然有利于复合材料力学性能的改善和成本效益的提高，但是一直以来 应用于纺织复合材料缝合的先进缝纫设备比较匮乏。 传统的缝合技术多是使用工业缝纫机在二维平面上进行的，即缝合过程需要 从被缝件的两边进行缝合，被加工件上下表面均有缝合单元进行操作，缝合的灵 活性受到很大的限制，特别是难以对形状复杂的三维预制件进行缝合操作。因此 设计一种单边缝合的缝纫设备，成为三维纺织复合材料缝合技术向自动化、高效 化发展的迫切要求。而利用单边缝合技术及设备可以解决这些问题。单边缝合设 备与六自由度工业机器人相结合，仅从被缝件的一侧进行加工操作，提高了加工 过程的灵活性，从一定程度上减少了由于被缝件位置和形状的造成的限制，同时 降低了加工成本和人力消耗脚1 。 此项技术目前仅由德国的一家公司研制成功，并广泛用于航空、航天和汽车 工业等领域订1 ，而国外设备不仅非常昂贵且对外技术封锁，因此研制高性能单面 缝合自动化设备，并为今后缝合设备与工业机器人的结合提供前提条件和技术基 础，具有非常重要的理论意义和工程应用价值。 1 2 复合材料缝合技术的国内外研究现状 1 2 1 国外复合材料缝合技术的发展现状及应用 纺织复合材料的缝合技术始于二十世纪七八十年代，三维复合材料预制件缝 第一章绪论 合技术是先进复合材料研究领域的一个重要方向，在国外已在航空、航天等领域 得到了广泛应用。 早期缝合设备一般采用缝纫机进行双面缝制，对复合材料缝合时研究工作主 要集中在缝合工艺方面。其中，y a n gh 对多种缝线的性能进行了研究哺1 ，最常用 的缝线材料是高拉伸强度的碳纤维线、k e v l a r 线和玻璃纤维线。缝线加捻成缝 合线，使其成圆形界面和更紧密地结合，这样易于穿过针眼和有良好的耐磨性呻1 ； 缝合密度是单位面积缝合的针数，密度增大，复合材料的分层面积减小。冲击试 验表明，缝合密度增加4 倍，分层面积减少4 0 n 例；缝合角度有4 5 0 和9 0 0 两种， 常用9 0 0 缝合方式，但4 5 0 缝合方式可确保各方向的缝合数相等，且能够保证切 割不破坏缝合结构n ；缝合类型有锁式缝合、改进锁式缝合和链式缝合三种。通 常采用改进锁式缝合，一方面，此缝合方式缝合线弯曲少，利于缝合的顺利进行 和层间强度的提高；另一方面，对面内纤维的损伤少，由缝合引起的应力集中也 较小n 2 1 。 目前复合材料双面缝合设备逐步向采用计算机控制的大型缝合设备方向发 展，因此无论是缝合速度、缝合规模以及缝合质量都得到了大幅度提高n 3 1 。工 作时将双面缝纫机固定在运动支架上，缝纫机在运动支架的牵引下对缝合物进行 操作n 引。例如：n a s a 曾研发了一个长达2 8 米的缝合设备，可对长度为1 5 米，宽度 为3 米，厚度为o 4 的复合材料进行缝合，大大降低了复合材料的生产成本。但是 固定在支架上的缝纫机针头活动空间有限，这种缝合设备只能垂直于缝合物的表 面进行缝合，因此无法对于曲折接缝( 如t 型) 的缝合物进行操作。 单面缝合是近几年发展起来的一种新形式，尤其是德国在单边缝合技术上取 得了较大成果，成功开发了多种缝合工艺的单面缝合设备。国外研究人员对单面 缝合技术进行了深入研究。t h u r m 等人介绍了两种单面缝合系统，一种以单针无 链形式将缝线插入工件，另一种采用双针单链实现缝合n 引。s u n 等人介绍了a l t i n n a e h t e c h n i k 公司生产的用于复合材料加工的数控缝合系统，指出该系统可以达 到单面成型，可将小织物缝合到大结构体上，增强织物穿过厚度方向性能n 引； w i t t i g 等人介绍了一套单面缝合系统，可以实现结构成型、个体织物相互连接和 z 方向上的性能增强的目的，可降低预制件生产成本和提高其性能n 卜坞1 ；d e w i n g 等人介绍了对层合复合材料连接的几种方法，指出只有单面缝合能够同时满足连 接工艺和加工自动化的要求，描述了研制的机器人缝合样机，使用该系统对炭纤 维预制件进行了缝合，并对缝合后的预制件性能进行了测试和分析u 钔。d r e c h s l e r 等人总结了单面缝合技术的最新发展情况，对缝合预制件在航空、汽车工业中的 应用现状进行了详述，并指出与双面缝合技术相比该技术减少了缝合物纤维损 伤，提高了预制件制造效率啪1 。m a r v i nd o w 等人的研究制造了一台计算机控制 天津工业大学硕士学位论文 的先进缝合设备，该设备具有多维线轴和多个缝合针头，可缝合厚型或几何尺寸 复杂的大型构件，并可用来对机翼外壳单元高密度缝合堙。德国的k s l 公司提出 图1 1 以单边缝合设备为末端执行机构的工业机器人 了使用工业机器人为操作平台，如图1 所示，并将单边缝合技术与工业机器人相 结合应用到实际加工过程中，起初只是用于加工一些家居用品，床垫以及汽车气 囊等产品，后来又利用碳纤维等复合材料作缝线进行缝合操作，用于飞机上一些 零部件的加工与制造。 1 2 2 国内复合材料缝合技术的发展现状 国内对复合材料的缝合技术的研究起步较晚，研究工作现主要集中在双面缝 合工艺参数与缝合复合材料性能的关系方面。复合材料缝合时采用的设备基本选 用双面工业缝纫机。 在双面缝合工艺方面，赵龙和谢向利对复合材料的缝纫技术进行了研究，分 别用不同的缝纫方式、缝纫密度( 针距和行距) 、缝针及缝线类型等工艺参数进 行了试验，并通过力学性能分析提出了最优的缝纫工艺参数心副。焦亚男等研究了 用于缝合的三维复合材料制造方法中的工艺参数对材料的各项性能的影响，分析 了经缝合操作后，复合材料的层间断裂韧性和冲击性能，并同时指出了影响三维 缝合复合材料性能的各项因素，主要包括缝合型式、缝线材料、缝线股数、缝线 直径、缝合密度以及缝合试样等。研究表明，经缝合后的三维复合材料，在各项 力学性能方面均与现代工业中所规定的各项指标相接近瞳引。韩雪梅等提出了将缝 第一章绪论 合作为连接方法，应用到经三维编织后的复合材料加工制造中，采用缝合和编织 相结合的方法，用来加工制造复杂形状的三维纺织品预制件，解决了复杂结构异 型件无法采用三维编织技术一次性生产成型的问题，同时弥补了目前三维编织完 全靠人手工操作的不足。这种缝合与编织相结合的方法既保证了三维复合材料预 制件产品的整体性和三维空间形状，又同时提高了生产效率，降低了成本瞳4 。2 7 1 。 在工业缝纫设备方面，赵廷雯和方晓初等在对g j 卜1 单链切边缝纫机测绘的 基础上，对机头外形进行了重新设计，并对全机各机构进行了运动分析例。张青 和邹慧君等对闭合五杆缝纫机送料机构进行了运动仿真和轨迹优化，可为缝纫机 的设计与安装提供依据晗9 1 。董宏刚等以某型号工业平缝机为例，对其针杆机构的 运动学和动力学特性进行了分析，为机构改进提供了必要数据m 1 。王淑芬和董慧 敏等通过分析弯针空间复杂进给工艺动作的运动特征，提出了两种基于空间r c c c 机构弯针空间复合进给运动方案，实现了双重环缝缝纫机弯针空间进给运动要求 口。张峦国等利用m a t l a b s i 眦l i n k 软件对工业缝纫机控制系统进行了全面仿真 分析，仿真结构与理论分析结果一致m 1 。尹健，陈昌金将p r o ew i l d f i r e 3 0 软件 应用于工业缝纫机整机设计中，对其进行三维建模，最终得到工业缝纫机整机模 型，为今后对工业缝纫机结构进一步优化提供了基础m 1 。杨旭等人在了解了纺织 复合材料性能的基础上，针对单边缝合技术的应用领域，初步设计出了单边双针 缝合设备的结构三维模型瞰】，如图所示，并针对各机构的运动规律进行了运动学 分析。该设备目前仅处在三维模型设计及理论研究阶段，由于可借鉴的资料较少 以及经验的缺乏，设备中还存在着种种缺陷和不足。 曲 滑 机 图卜2 单边双针缝合设备机构简图 综上所述，目前实际应用的复合材料构件多为复杂异型件，这些异型件多数 不能一次编织成型，需要三维立体缝合操作，只有用单面缝合设备才可来实现。 天津工业大学硕士学位论文 尽管国外己有相关单面缝合设备报道，并己成功用于航空、航天、军工等尖端领 域，但由于具体技术敏感性，很多关键技术都被封锁。国内基本上采用手工缝合， 为填补国内在这项领域的空白，提高我国复合材料的先进制备加工技术水平，研 制具有自主知识产权的三维复合材料预制件单面缝合设备，具有非常重要的工程 应用价值。 1 3 本文的主要研究内容和工作 1 3 1 研究内容和工作 作者系统学习了缝纫技术的相关知识，在查阅大量文献资料的基础上，对国 内外缝纫设备的发展现状有了详细的了解。在此基础上，结合作者本人设想和设 计工作中所要完成的技术指标，针对现阶段单边缝合设备模型中的缺陷和不足， 进行了改造设计，围绕单面缝合机构开发和结构优化，主要研究内容如下 l 、针对目前国内单边缝合设备的原始设计模型，对设备的传动路线及内部 主要的机构进行了分析和介绍，并提出了原有模型中存在的几点缺陷和不足之 处。针对单边缝合设备原有设计模型中的设备外形、传动路线及钩线机构进行了 改造设计。为了适应不同缝合环境下，缝合线迹的针距间隔、缝料厚度及线缝宽 度等参数的变化，对单边缝合设备中的机构进行了可调节性设计，实现了缝合参 数的连续调节。 2 、为了能够在缝合过程中形成预期理想的缝合线迹，本文针对单边缝合机 械手中各机构在时间上的动作配合关系进行了设计与规划，通过分析机构转角与 针杆位移的一般关系确定了曲柄转角之间的相位差，并利用仿真软件对各机构的 位移进行了分析，仿真结果验证了动作规划的合理有效性，为设备在工作中的调 试并形成预期理想的线迹提供了理论依据。 3 、采用复数矢量法建立了单边缝合设备引线、钩线及挑线机构的运动学模 型，分别得到了各机构的位移、速度、加速度表达式。在m a t l a b 仿真软件中， 分别将各机构的位移、速度、加速度表达式转化为矩阵形式，并编制出求解程序， 得出了各机构的运动变化规律曲线图。 4 、对单边缝合设备的驱动方案进行了对比分析，确定了驱动方式，并根据 设计要求，选择了适合的伺服电机型号。对单边缝合设备中的几个主要的零部件 进行了分析对比与选择，确定了齿轮、带轮及轴承等主要零部件的型号及参数。 对单边缝合设备的整体样机进行了加工制造，在经过装配和调试后，进行了简单 的缝合操作实验，初步得到了单边缝合o s s 链式缝合线迹。 第二章单边缝合设备的改造设计及理论分析 第二章单边缝合系统的基本原理及设备模型 2 1 单边缝合技术的基本原理 2 1 1 单边缝合技术的基本知识 了解与单边缝合技术相关的基本知识，对于单边缝合系统的设计、阅读国内 外资料，以及进行国内、国际技术交流和对织物缝制加工过程中所采用的线迹形 式进行分析，都能起到一定的作用，由于单边缝合技术与传统的工业缝纫技术在 线迹形成的基本原理方面有很多类似之处，本文中与单边缝合技术有关的概念和 工业缝合技术领域中的某些概念基本一致，如表2 。1 中所述，将单边缝合技术中 的相关术语阐述如下口引： 表2 一l 单边缝合技术中的基本知识 术语名称含义 缝料砒g m a t e 渤l 缝合设备缝合用的材料 缝线鲫咖g 蚓 缝合操作中所用的线 线环1 0 0 p e r l o o p 设备运转过程中缝针的针孔附近形成的环状缝线 在缝合操作过程中，由一根以上的缝线或线圈通 线迹s 6 t c h 过互连、交织一个循环，在缝料上留下的痕迹 链式线迹c h a i ns 吐n c l l缝料上由一根或一根以上针线自连而形成的线迹 线迹长度s t i t c h 蛐 线迹在缝合设备运动方向上的直线距离 线迹宽度s 石t c h 、i d t h线迹在与缝合设备运动方向垂直的直线距离 线缝锄缝料上形成的连续线迹 针迹e m e d i p s 缝针刺过缝料留下的痕迹 针距d i s t 衄c eo f n d l ed i p s缝料上相邻两针迹之间的距离 在线迹形成过程中，缝针带引缝线刺穿缝料并形 引线机构n e e d l e b 盯赋曲a n i s m 成线环的机构 钩线机构也e a dh o o k i n gm e c h a n i 锄 在线迹形成过程中，钩住线环的机构 挑线机构t a k e - u p m e c h a n i 蛐 线迹形成过程中，输送、回收、收紧针线的机构 针距调节装置s 觚hl e n 蚰a d j 砒啦在缝合操作过程中，能够改变针距大小的装置 d e v i c e 天津工业大学硕士学位论文 2 1 2 单边缝合技术的线迹类型 单边缝合技术即缝针从缝料的一边接近并进行缝合操作，具有能够克服传统 双面缝合技术在缝制空间复杂形状的预制件时，不受空间限制且灵活性强等优 点。在复合材料缝合技术领域中，德国等发达国家在单边缝合技术上己经取得了 很大的研究成果啪，。 本文在单边缝合设备的设计中，所采用的o s s 线迹是由德国的a l t 玳 n a h t c c h n i k 公司发明的，如图2 1 所示。 钩线针 引线针 ，j 瑙 阵d ? 形 5 o 图2 1o s s 单边线迹 o s s 线迹的形成，核心在于一个特殊的机器人导航缝合机头，缝合方式与传 统的链式线迹形成原理相似，不同的是它需要两根缝针来完成缝合操作。两根缝 针都位于缝料的上表面，在缝料下方无任何与上表面接应配合的缝合单元，但在 缝料的下方需要给缝针留有一定的操作空间。依靠两根缝针的引线和钩线动作配 合，实现所需要的o s s 缝合线迹。如图所示，在o s s 线迹形成过程中，两根缝 针都要沿着针杆的轴向方向做往复运动，其中引线针与缝料的上表面成4 5 度夹 角，而勾线针与缝料的上表面垂直。两根缝针分别起到将缝线引过缝料并形成线 环与将线环钩回缝料上表面的作用。 2 1 3 线迹形成原理 o s s 单边缝合线迹的形成过程为：引线针带线与缝料上表面成4 5 。方向穿过 工件表面，运动至针杆行程最低点后返回。在针杆回升过程中，由于缝针与缝料 间的作用力，致使缝线运动受阻并逐渐形成线环。钩线针沿与缝料垂直的方向运 动，且运动到钩线针杆行程的最低极限位置的时间相对于于引线针杆运动到最低 极限位置的时间有所滞后。当引线针上缝线形成的线环达到理想状态时，钩线针 从缝料下表面钩住线环，通过针杆回升将缝线带出工件上表面，完成一个工作周 第二章单边缝合设备的改造设计及理论分析 期。因此，在一个缝合操作周期中，可将单个缝合线迹的形成分为线环形成过程 和钩回线环过程两个阶段。 在缝合操作的起始阶段，如图2 2 所示，线环形成的过程开始于引线针带线 沿着与缝料表面4 5 度方向刺入缝料，缝针沿直线运动至针杆行程最低极限位置 后返回。当引线针从最低极限位置向上回升时，由于线与针及缝料之间的阻力致 使出线受阻，导致缝线在挤压及摩擦力的作用下，积聚于缝料下表面及引线针针 孔附近并逐渐形成线环。 ( a ) 图2 - 2 线环的形成过程 ( c ) 当引线针带线穿过缝料时，如图2 2 所示，由于在a 点的缝线受到针孔斜向 下的拉力和引入槽处针刃与缝料的挤压力，致使面线a 点受到很大的张力。在引 线针沿原路线回升，并开始退出缝料的时刻，a 点的张力就会消失。在此时的情 况下，针孔与缝料下表面之间的那部分缝线便处于自由状态，一旦受到很小的作 用力就会使处在自由状态的线段改变形状，这是形成线环的基本条件。 在引线针的正反两面各有一条线槽，引入槽是一条宽度大于面线直径的长 槽，而引出槽是一条小于面线直径的短槽。引线针做直线回升运动并逐渐退出缝 料的过程中，引入槽内的缝线随着机针一起回升而与缝料不发生摩擦，引出槽内 的缝线因直径小于线槽宽度而突出在外，在缝针回升运动时缝线与缝料发生相互 挤压发生摩擦而被留在缝料下表面，不能随引线针一起上升，这是形成线环的另 一个基本条件。 钩线针沿针的轴线方向做与缝料表面垂直的直线往复运动，并且到达最低极 限位置的时间滞后于引线针到达最低极限位置的时间。当引线针带线运动至针杆 行程最低点并开始回升时，缝线就在引线针针孔与缝料下表面之间逐渐形成了线 环。当线环形状达到理想状态时，钩线针开始从最低极限位置回升。并在回升的 过程中，钩住线环，穿回缝料，线环留在缝料的上表面。随后进入下一个周期的 缝合操作，当钩线针钩住线环再次回到缝料上表面时，新的线环会穿过上次形成 的线环。经多个周期的往复运动，形成图2 3 所示相互锁结的o s s 链式线迹。 天津工业大学硕士学位论文 夕 冒罨罨 少 、 夕 穷 2 2 单边缝合系统的原有设计模型 、夕 2 2 1 原始三维模型中的传动路线及驱动方案 文献 3 4 中描述了一种可以克服复杂三维预制件的空间限制，实现从缝料的 一个表面进行缝合的单边缝合设备，并利用三维绘图软件设计出了单边缝合设备 的初始三维模型，如图2 4 所示。 在单边缝合设备的原始模型中，其传动路线的设计如图2 5 所示，1 为伺服 电机，2 为同步齿形带轮传动，3 为直齿圆柱齿轮。单边缝合设备的机箱内部设 计有四个轴，分别标记为i ，i i ，i i i ，i v 。挑线机构安装在箱体外部，引线机 构和钩线机构安装在箱体内部。 在原始设备模型中，单边缝合设备缝合能力的设计指标为5 0 0 次m i n ，传动 路线及驱动方案为：伺服电机输出轴转速1 0 0 0 r m i n ，经过传动比为2 ：1 的同 步带轮传动，使i 轴的转速降为5 0 0r m i n 。i 轴与i i 轴之间通过传动比为1 ： 1 的同步带轮传动，i i 轴与i i i 之间通过1 ：1 的直齿圆柱齿轮传动，使得i ， 第二章单边缝合设备的改造设计及理论分析 i i ，i i i 三个轴的转速相同。与此同时，i i i 轴与i v 轴之间的同步带轮传动比也 为1 ：1 ，因此使得i v 轴的转速同样达到5 0 0r m i n 。 ( a ) 图2 4 单边缝合机三维效果图 2 图2 5 单边缝合机传动简图 2 2 2 原始模型中的主要内部机构 在传动路线和驱动方案设计的基础上，文献 3 4 对单边缝合设备内部的引 线、钩线及挑线机构进行了方案对比分析与设计。 在原始设计模型中，引线机构本着结构简单、布局紧凑、装配方便的原则， 采用了偏置曲柄导杆机构的设计方案，如图2 6 所示，以半径为2 0 咖的圆盘作 为曲柄导杆机构的原动件，曲柄盘和各连杆之间通过轴承以及一些连接、紧固件 连接在一起。 天津工业大学硕士学位论文 ( a ) ( b ) 图2 6 引线机构原始设计模型效果图 在钩线机构的方案设计中，如图2 7 所示，为保证针杆带动勾线针沿竖直方 向做往复运动，选择了槽型凸轮机构的设计，该钩线机构中主要由槽型凸轮、滚 子、勾线针针杆等零部件构成，其中滚子在凸轮理论廓线上的形成即为钩线针杆 的最大位移量。 图2 7 钩线机构的原始设计模型 豳缀缓瓣 在挑线机构方面，由于要达到输送、回收缝线并拉紧线迹的目的，因此选择 用曲柄摇杆机构来实现，如图2 8 所示。 第二章单边缝合设备的改造设计及理论分析 图2 8 挑线机构的原始设计模型 2 2 3 原有模型中存在的缺陷和不足 ( b ) 目前，应用于三维纺织复合材料的单边缝合技术在国外一些发达国家发展较 为成熟，已广泛应用于航空航天、汽车、军工等尖端领域。但我国针对单边缝合 技术方面的研究与发展起步较晚，尚未开发出相关技术的设备成品。近年来，国 内的一些高校及科研机构也开始着手于单边缝合技术方面的研究，并初步建立了 一套单边缝合设备的机构模型，但由于设计经验的缺乏，目前现有的单边缝合设 备机构模型中还存在着很多缺陷和不足之处，本文作者在系统学习了单边缝合技 术相关知识基础上，现将原有模型中存在的几点缺陷与不足阐述如下： ( 1 ) 原有设备模型的箱体外形结构设计缺陷。在原始设备模型中，箱体外形 呈长方形设计，外形尺寸为5 5 0 衄x 4 5 0 姗。由于单边缝合设备作为六自由度工业 机器人的执行机构，依靠机器人各自由度的位姿变换以达到各缝合操作点的位置 要求，且缝合操作对象多为复杂空间形状的异型工件。因此，大尺寸的长方形箱 体设计会大大增加缝合设备与机械臂、缝合设备与被加工件之间产生位置干涉的 可能性。 ( 2 ) 钩线机构存在的缺陷。如图2 9 ( a ) 所示，在原始设备模型中，单边缝 合设备的钩线机构采用了槽型滚子凸轮结构的设计，虽然该结构在设计方面十分 简单、紧凑，但由于滚子从动件与槽型凸轮的轮廓之间是点接触的高副，容易磨 损，且由于凸轮基圆半径较小，致使两者之间的摩擦力较大，容易影响从动件运 动的连贯性，从而影响到缝合线迹的形成。 ( 3 ) 引线机构存在的缺陷。如图2 9 ( b ) 所示，在原始设备模型中，单边缝 合设备的引线机构采用了曲柄导杆结构的设计，由曲柄盘作为原动件带动连杆及 针杆延长杆，从而使得针杆在滑动轴承支座的约束下做直线往复运动。该机构中 的导杆( 即针杆) 的行程为固定值，可调节性较差。另一方面，通过对引线机构 的位移仿真分析，由于针杆延长杆的存在，导致曲柄导杆机构的自由度增加，从 天津工业大学硕士学位论文 而使针尖末端的位移变化产生波动。这种无规律性的波动将会对引线机构带线穿 刺缝料过程中缝线线环形成产生很大影响。 ( 4 ) 在单边缝合设备模型的原始设计过程中，侧重点大多放在对设备中各主 要机构设计，而在线迹形成原理方面，还缺乏详细分析与讨论，尤其是没有针对 引线、钩线及挑线机构在时间上的动作配合的详细规划与分析。 2 3 本章小结 谴千 国糊 凸轮 滑动，晾 油柞 ( a )( b ) 图2 9 引线及钩线机构的原始设计模型 钱针针杆 1 、本章首先阐述了单边缝合技术中的基本知识，描述了单边缝合技术的线迹 类型，并从线环形成过程及钩回线环过程两个阶段详细介绍了单边缝合o s s 线迹 的形成原理。 2 、介绍了目前国内单边缝合设备的原始设计模型，对设备的传动路线及内部 主要的机构进行了分析和介绍，并提出了原有模型中存在的几点缺陷和不足之 处。 第三章单边缝合设备的改造设计及理论分析 第三章单边缝合设备的改造设计及理论分析 3 1 单边缝合设备的改造设计 3 1 1 设备外形及传动系统的改造设计 在单边缝合设备原始设计模型中，由于长方形的大尺寸机身外形设计，增加 了缝合设备与机械臂、缝合设备与被加工件之间产生位置干涉的可能性。究其原 因在于内部传动路线设计缺乏紧凑性，因此，为了减小箱体尺寸，能够让单边缝 合设备在缝合操作中更加灵活，本对单边缝合设备的传动路线进行了改造设计， 如图3 1 所示。重新设计出的传动路线结构更加紧凑，同时减小了同步齿形带轮 之间的传动距离，提高了带传动的效率，提高了设备运行的稳定性。 由于本体传动路线的设计更加紧凑化，单边缝合设备的整体机身尺寸也随之 减小。经改造设计后的设备机身箱体外形如图3 2 所示，整机设备外形尺寸缩 小到了3 9 5 衄) 【4 2 0 m m x 9 0 衄，与此同时减轻了整机的质量，节省了加工材料，降 低了加工成本。此外，由于改造设计后的传动方案中，所有传动环节都集中在了 机身箱体的一侧，而机身下半部分的箱体尺寸设计，只需要满足钩线机构和挑线 机构针杆的位移空间即可，因此大大降低了在缝合加工操作过程中，单边缝合设 备与被加工件之间产生位置干涉的可能性。 图3 1 单边缝合机械手机构简图 科针 姥 天津工业大学硕士学位论文 一 图3 2 改造设计后的单边缝合设备外形图 3 1 2 钩线及引线机构的改造方案对比与选择 单边缝合设备的钩线机构在缝合操作过程中所起的作用是将引线针上形成 的线环钩回缝料的上表面，并引导线环相互锁结，形成连续的缝合线迹，因此， 钩线机构又称为成缝器m 1 。 图3 3 槽型凸轮结构示意图 在原始设备模型中，单边缝合设备的钩线机构采用了槽型凸轮机构的设计， 如图3 3 所示，一方面，凸轮的径向尺寸较大，重量稍大，另一方面由于滚子从 动件与槽型凸轮的轮廓之间是点接触的高副，容易磨损。且两者之间的摩擦力较 大，容易影响从动件运动的连贯性，从而影响到缝合线迹的形成。因此采用该结 构的钩线机构设计存在一定的缺陷。 第三章单边缝合设备的改造设计及理论分析 单边缝合设备钩线机构的设计思路是，将一根侧面带钩的直针安装在针杆 上，令钩线机构带动针杆做垂直于缝料表面的直线往复运动。作者在对比分析了 多种传统缝纫设备成缝器结构的基础上，对原有设计模型中的钩线机构进行了改 造设计，并针对两种改造设计方案做了对比分析与选择，如图3 _ 4 所示。 ( a ) 图3 4 钩线机构改造设计方案 设计方案一：六连杆式钩线机构。如图3 4 ( a ) 所示，六连杆式钩线机构主要 由两组四杆机构构成：第一组是由f h l 柄轴、曲柄轴连杆、球形钢弹子铰链组成的 曲柄摇杆机构，另一组是由摆轴、针杆曲柄组成的摆动导杆机构。该机构的工作 原理是：主轴上的曲柄a b 传动曲柄轴连杆b c ，曲柄轴连杆与摆轴上的球型钢弹子 构件c d 铰连。摆动杆d e 以摆轴为支点带动针杆连接件e f 做上下往复摆动。针杆连 接件通过铰链与针杆夹头f g 相接，针杆用夹紧螺丝固牢在针杆夹头上，针杆就随 着主轴的回转做上下往复运动。其中球型钢弹子构件有着调节针杆位移量的作 用。在主轴上的曲柄带动下，摆动杆通过杠杆原理的作用，把针杆连接件的活动 量放大，以满足针杆规定的活动量。这种机构的优点在于，传动精确度高，针杆 运动状态及轨迹较稳定，但六连杆机构的传动件数量多，结构复杂，且加工、安 装及调试时不方便。 设计方案二：曲柄滑块式钩线机构。如图3 4 ( b ) 所示，该机构的工作原理 是：将1 轴作为原动点，依靠l 轴转动来带动针杆曲柄2 和针杆连杆3 、从而使 针杆4 做往复直线运动，这种机构的优点在于结构紧凑、传动件数量较少，调试 方便。但针杆4 的刚度和稳定性较差，在受到外力作用下，容易产生变形而影响 其运动轨迹。 单边缝合设备的缝合速度设计指标为5 0 0 针分钟，属于低速缝合。因此 方案一和方案二两种设计方法都能达到设计指标要求。但考虑到结构简单紧凑、 加工成本低、装配拆卸方便、改造潜质大等因素，方案二的设计方案优于方案一。 天津工业大学硕士学位论文 因此，新的设计方案中单边缝合设备的钩线机构采用了曲柄滑块式设计，并按照 预定的运动规律对机构中各连杆尺寸进行了设计。 3 1 3 钩线机构的尺寸参数设计 机构参数设计的主要任务是根据给定的运动规律和已知条件，确定机构的形 式和各构件的尺寸，主要方法有图解法、解析法和实验法三种m 3 ，考虑到解析法 有着精度高、可靠性强等优点，本设计中采用解析法对已知预期运动规律的新型 钩线机构进行参数设计。将图3 4 ( b ) 所示的曲柄滑块机构进行简化后按图3 5 方向放置。 ( a ) 图3 5 对心曲柄导杆机构 图中厶和厶分别表示曲柄和连杆的长度，e 为偏心距，根据平面四杆机构曲 柄存在条件，各构件之间能相对运动的条件为 + 乞 p ( 3 1 ) 为了使转动副a 、b 均为整转副，则各连杆长度应满足的条件是 邝一啦p( 3 - 2 ) iz + p z 当机构运转时，其传动角的大小是变化的，为保证曲柄滑块机构的传动良好，设 计时通常应使y 曲4 0 “矧。 由于本文中，钩线机构为对心曲柄滑块机构，取p = 0 。因此应满足的条件为： f 正 厶 t ；：晌4 0 0 。_ 3 与此同时各构件的长度应满足钩线机构针杆的行程要求：以c 点表示针杆的 位置，当曲柄j l 以给定角速度沿某一方向做圆周运动时，在一个旋转周期内有两 次曲柄和连杆共线的位置。两次共线位置时针杆c 点的距离即为针杆的行程范围 丛。曲柄与连杆共线时，曲柄的末端分别处在a 点和b 点。如图3 5 ( b ) 所示， 当曲柄旋转到a 点时，针杆c 点运动到达最小极限位置，距离旋转轴0 点的距离 为i 2 一，l 。当曲柄旋到达b 点时，针杆c 点达最大极限位置，距离旋转轴。点 第三章单边缝合设备的改造设计及理论分析 的距离为，l + ，2 ，则针杆的行程范围可表示为： s = ( ，2 + ，1 ) 一( ，2 一，1 ) = 2 ，l ( 3 4 ) 根据单边缝合设备的缝合指标和原始设计要求，给定针杆的行程s 应为 5 0 m m ，因此曲柄的长度为： ，l = s 2 = 2 5 聍删 ( 3 5 ) 连杆的长度，2 应满足( 3 - 2 ) 式的条件，同时应保证对心的曲柄连杆机构的 最小传动角y m i n ，满足，血4 0 0 在本文设计的曲柄滑块机构中，取，2 = 5 2 所聊。实际传动角为6 1 0c ，大于 最小传动角。 根据以上尺寸参数，设计出了半径为4 0 蛐的曲柄盘，并在距离曲柄盘圆心 2 5 m m 出设置曲柄铰链，并将长度为5 2 m m 的连杆通过轴承以及一些连接、紧固 件与曲柄盘连接在一起。连杆与钩线针杆相连，在工作中受滑动轴承轴约束做直 线往复运动。改造设计后的钩线机构三维模型如图3 6 所示。 圈 蒸爨缡蠢 震 图3 6 改造设计后的钩线机构三维效果图 3 1 4 改造设计后的设备三维模型及运动仿真 单边缝合设备的原始设计模型，经过设备外形、传动路线、钩线机构改造 设计，其机构运动简图如图3 7 所示。 由于在单边缝合设备的模型设计中包含着一些运动部件，这些部件之间存 在着平动、转动、摆动、弯曲、碰撞、干涉等相对运动关系，因此应对设备整体 进行运动仿真分析，以确认他们之间的各种动态关系是否满足设计要求。 天津工业大学硕士学位论文 同步带传动 挑线机构凌轮传动 图3 7 改造设计后的单边缝合设备机构简图 图3 8 运动仿真分析流程图 使用p 舳野火5 0 中的“机构 运动仿真模块可以进行机构的干涉分析， 并跟踪机构的运动轨迹1 ，详细分析过程如图3 8 所示。 为了对设计出的单边缝合设备进行运动仿真分析，如图3 9 所示，在p r 0 e 野火5 o 中建立了单边缝合设备完整的三维模型，并在已建立的模型上定义了连 接约束关系、运动副等初始条件，设置伺服电机转速为1 0 0 0 r m i n 。通过仿真运 动效果能够得知，设备模型中各机构运动平稳正常，构件之间未出现运动死点及 碰撞、干涉等现象。 2 0 第三章单边缝合设备的改造设计及理论分析 ( a )( b ) 图3 9 改造设计后的单边缝合设备三维模型 3 2 基于缝合参数的机构可调节性设计 3 2 1 引线及钩线机构的可调性设计方案 单边缝合设备的缝合操作对象多为三维空间形状的异型件，而对于缝合对 象而言，不同的被加工件缝料厚度也不尽相同，且在不同场合下，缝合线迹的针 距间隔、线缝宽度等参数也有所变化。 由于影响缝料厚度、线迹针距间隔、线缝宽度等参数条件的本质因素在于 缝合操作中引线针与勾线针动作配合工作点的改变( 即引线机构形成良好线环的 位置及钩线机构钩线点位置的改变) ，如图3 一l o 所示。因此，只要同时改变缝针 针相对于缝料的穿刺角度以及两根缝针的运动行程，即可实现两缝针动作配合工 作点的连续调节。 图3 1 0 钩线针与引线针配合工作点的变化 天津工业大学硕士学位论文 为了实现缝针相对于缝料表面穿刺角度的连续调节，分别对引线及钩线机构 中起针杆导向作用的滑动轴承支座进行了改造设计，如图3 1 2 所示，令滑动轴 承支座的一端固定，另一端可在一定角度范围内改变位置。改造后的引线及钩线 机构的缝针相对于缝料的穿刺角度，可在原有穿刺角度的基础上，分别实现3 0 度和3 5