李晓涛，袁嫣红，张　涛

(1.浙江理工大学浙江省现代纺织装备技术重点实验室，杭州 310018；2.中捷缝纫机股份有限公司，浙江台州 317600)



电脑刺绣机压脚驱动机构的改进设计

李晓涛1，袁嫣红1，张涛2

(1.浙江理工大学浙江省现代纺织装备技术重点实验室，杭州 310018；2.中捷缝纫机股份有限公司，浙江台州 317600)

为解决现有电脑刺绣机机头压脚在工作时会与其他零件产生碰撞的问题，对现有电脑刺绣机压脚的工作原理进行分析,找出碰撞产生的原因，运用复数矢量法和Matlab联合求解压脚运行规律。在保持压脚运行规律不变的情况下提出了盘式凹槽凸轮和摇杆滑块机构配合驱动压脚的改进设计，利用反转原理用解析法求解凸轮轮廓曲线。改进的压脚驱动机构设计消除了机头压脚与其他零件的碰撞，降低了机架振动满足高速化的技术要求。

电脑刺绣机；机头；压脚；驱动机构；改进设计；凸轮

0　引　言

电脑刺绣机工作时，机架的振动是影响刺绣机刺绣精度以及限制刺绣机高速化的主要因素，而刺绣机机头是刺绣机机架振动的主要激振源。电脑刺绣机机头在工作时，完成的动作分别是：挑线杆的挑线、针杆的刺布、压脚的上下，其中压脚的上下动作起到防止绣针抬起时布料被带起的作用。目前常用机头在实现压脚上下动作时，由于压脚驱动方式设计上的缺陷，压脚在一个运行周期内会与针杆以及针杆箱各产生一次碰撞。两次碰撞对机架以及驱动转轴形成了冲击载荷，多个机头冲击载荷的叠加加剧了机架的振动，同时也造成驱动转轴载荷的周期性波动，影响刺绣机工作的稳定性，降低刺绣精度，对驱动电机和机器寿命都造成了不利影响。同时，两次碰撞也是电脑刺绣机工作中噪声的主要来源之一。对压脚的驱动方式加以改进，以消除冲击载荷、降低噪音，这对提高机器性能非常重要。

目前，国内针对电脑刺绣机的研究工作主要围绕提高刺绣机生产效率和提高刺绣机刺绣产品精度两方面主题展开，研究内容包括：对刺绣机机架的振动分析及机架的改进设计[1-7]，对电脑刺绣机机头刺布机构的运动学分析及优化设计[8-10]，对刺绣机机头挑线机构的运动学分析及创新设计[11-15]，但缺乏针对压脚驱动方式的分析研究工作。压脚作为机架冲击载荷的产生源之一，它的研究及改进设计对实现刺绣机高速化以及提高产品精度有着不可或缺的作用。

本文通过对电脑刺绣机机头工作原理的分析，分析现有电脑刺绣机压脚驱动方式的工作原理以及碰撞形成原因，并运用复数矢量法和Matlab相结合的方法，对压脚所需的运动规律进行分析计算，在此基础上提出了压脚驱动方式的改进设计，并对改进的机构进行了参数化设计。

1　电脑刺绣机机头结构组成与压脚工作原理分析

1.1电脑刺绣机机头结构组成

电脑刺绣机的机架结构是大跨距横梁结构。图1为中捷大宇机械有限公司某型号40头平绣机模型图，刺绣机机头安装在横梁的一侧，并且由同一根驱动轴驱动。

图1　40头平绣机模型

电脑刺绣机机头是刺绣机刺绣动作的主要执行部件，也是刺绣机大梁的激振载荷的主要产生源，它主要由机头驱动机构和针杆箱两部分组成。图2为中捷大宇机械有限公司六针平绣机头模型的左视图。机头驱动机构用于驱动挑线杆挑线以及针杆的刺布，压脚上下动作由针杆和针杆箱以及针杆箱中的弹簧配合实现。

1.机头驱动机构　2.针杆箱　3.压脚图2　六针平绣机机头模型左视图

1.2电脑刺绣机机头压脚工作原理

在工作中，电脑刺绣机压脚随着针杆升起和下降，在压脚上升时布料移动，压脚下降时刺绣，保护线迹防止针杆抬起时布料被带起。因此，电脑刺绣

机压脚是实现刺绣工作、提高刺绣品质不可缺少的部件。刺绣机机头内部机构组成模型如图3所示。压脚和针杆一起安装针杆箱内，在机头驱动机构中偏心轮1、偏心连2杆以及三眼连杆3形成曲柄摇杆机构，三眼连杆3、小连杆4以及在滑轴6上滑动的滑块5组成摇杆滑块机构，两机构配合实现对针杆刺布动作的驱动。上弹簧8和下弹簧9对针杆7和压脚10进行初始定位，下弹簧9与针杆7相互配合形成刺绣时压脚的运动。

1.偏心轮　2.偏心轮连杆　3.三眼连杆　4.小连杆　5.滑块　6.滑轴　7.针杆　8.上弹簧　9.下弹簧　10.压脚　11.针杆箱图3　电脑刺绣机机头内部结构

在电脑刺绣机的一个工作周期内，针杆7从初始位置开始时向下运动，同时下弹簧9推动压脚10向下运动，压脚在向下运动的过程中与针杆箱11发生碰撞，然后停止不再移动，针杆7继续向下完成刺布动作。针杆7回位时，针杆7与压脚10发生碰撞，带动压脚10向上运动回到初始位置。针杆运动过程的机构简图如图4所示，f点和g点为两次碰撞发生位置，箭头代表针杆运动方向。

1.针杆　2.上弹簧　3.下弹簧　4.压脚　5.针杆箱　6.台板图4　压脚运动示意

压脚与台板之间始终存在较大间隙，即使在生产中两者之间存在布料的情况下布料对压脚的作用力依然很小，因此在分析中忽略台板对压脚的作用力。在实际生产中，为了减小这一冲击载荷对机架的影响，在两个碰撞位置安装有橡胶垫，但是这种改进措施可以减轻却不能消除冲击载荷。当刺绣机转速提升或机头数增多时，这一冲击载荷对机架以及对驱动转轴造成的影响更为严重，同时也加剧了碰撞产生的噪声。

2　压脚的运动学分析

本文以电脑刺绣机原始压脚机构为研究对象，在保持原来压脚运动规律的前提下，提出压脚驱动机构的改进设计。压脚在一个运动周期内的运动分为三部分：第一部分为压脚发生第一次碰撞之前，此阶段压脚与针杆同步运动；第二部分是为第一次碰撞与第二次碰撞之间，压脚保持静止；第三部分为第二次碰撞之后，压脚又与针杆同步运动。只要分析出针杆的运动学特性就可以得出压脚在工作时的运动规律。

2.1复数矢量法分析压脚运动

电脑刺绣机机头内部各个机构的运动属于平面运动范畴，根据机头内部结构画出刺绣机机头的机构简图，如图5所示，O1点为驱动转轴旋转中心，O2点为三眼连杆与机壳组成转动副旋转中心。

图5　刺绣机机头机构简图

在图5中，首先对偏心轮、偏心连杆、三眼连杆组成的四连杆机构建立坐标系，坐标原点在O1点，方向如图所示，该四连杆矢量方程式可表示为[16]：

l1+l2=l3+l4.

以复数形式可表示为：

l1eiφ1+l2eiφ2=l4+l3eiφ3.

规定角φ以x轴的正方向逆时针方向为正。根据欧拉公式可得：

=l4+l3(cosφ3+isinφ3),

(1)

其中：A=l4-l1cosφ1，B=-l1sinφ1，

再对三眼连杆、小连杆、滑块组成的摆杆滑块机构建立坐标系，坐标原点在O2点，方向如图5所示，该摆杆滑块的矢量方程可表示为：

l5+l6=l7，

即：

l5+l6=a+h，

可得出方程组：

其中：α为偏心轮旋转中心和三眼连杆旋转中心连线与y2负方向的夹角。得到滑块的位移h与φ3的函数关系式h=f2(φ3)：

则压脚在x2y2坐标系中位移h1为：

l5cos(α3+α)-H1

(2)

式(1)与式(2)结合可得出压脚位移与主轴旋转角度之间的关系。

2.2求解压脚位移曲线

设滑块处于最高位置时为机头一个运转周期的初始位置，此时l1与l2成180°角，即偏心轮与偏心连杆在一条直线上。通过实际尺寸计算可得，初始位置时φ1为-210.65°,φ1在一个周期内的变化范围为-210.65°～149.35°。压脚发生碰撞发生时转轴的角度大小取决于压脚的尺寸，通过实际测量得到第一次碰撞发生时φ1为-92°，第二次碰撞发生时φ1为37.5°。

运用Matlab软件对压脚位移曲线进行编程求解，其中φ1的变化范围为-210.65°～149.35°，l1=9mm，l2=51mm，l3=25mm，l4=49.04mm，l5=56.33mm，l6=21mm，a=54.5mm，α=20.28°，H1=43.78mm。坐标系选取x2y2坐标，如图5所示，求解得到的压脚位移随φ1变化的曲线如图6所示。

图6　基于Matlab求解的压脚位移曲线

3　压脚驱动机构的改进设计

通过对成本以及空间位置的综合分析，采用了盘式凹槽凸轮机构和摇杆滑块机构配合，以改进压脚驱动机构设计。盘式凹槽凸轮轮廓线限定了压脚的位移，避免两次碰撞的发生，其中盘式凸轮与驱动转轴同轴，画出盘式凸轮驱动压脚运动的机构简图如图7所示，O1、O2点位置与图5相同。

图7　新型压脚驱动机构机构简图

改进设计采用滚子摆动从动件，摆动从动件在绕O2点转动，摆动从动件10的另一端9又作为摇杆和连杆8以及压脚滑块形成摇杆滑块机构，压脚滑块带动压脚形成压脚的运动。压脚的运动规律已经得出，在根据压脚运动规律求解凸轮轮廓线的过程中，为防止尖点带了的速度突变造成冲击，用多项式对原始压脚运动规律进行修正，得到的压脚位移修正曲线如图8所示。

图8　修正压脚位移曲线

在图7中建立与图5相同的坐标系x1y1，x2y2，规定以x轴的正方向逆时针方向为正。l8与x2轴正方向形成的角度为ε，l9与x2轴正方向形成的角度为δ，摆动从动件与x1的夹角为γ。可以得到复数向量方程为：

l9+l8=a+h′.

根据欧拉公式可得出：

得到δ与h′的函数关系式为：

Δδ=Δγ.

在以O1为坐标原点的坐标系内，设当压脚处在最高位置时为初始状态，此时φ1=-210.65°。如图5所示，从动件滚子与凸轮最大半径点接触，此时γ角度为γ0，转轴转过的角度为φ=φ1+210.65，转过φ角度后γ角的变化量为Δγ，凸轮基圆半径和滚子半径之和为r0，根据反转原理求解凸轮轮廓线，则从动件滚子中心形成的凸轮轨迹线上的点在坐标系内的坐标为：

从动件初始角度γ0为：

根据机壳内部空间的大小，取一组机构尺寸，运用Matlab进行求解，取r0=12mm，l8=20mm，l9=50mm，l10=40mm得出凸轮轮廓曲线如图9所示，O为旋转中心。

图9　压脚凸轮轮廓曲线

4　结　论

本文对原来电脑刺绣机压脚进行了运动分析，运用复数向量法和Matlab结合分析求解压脚的运动规律。结合可行性成本，提出了利用盘式凹槽凸轮和摇杆滑块机构配合驱动压脚的改进设计方式。为了去除利用原始压脚运行规律求解凸轮曲线存在的尖点，对原始压脚运行规律进行了修正，采取了参数化的设计方法，提出了改进设计，该设计能够满足不同型号不同机构尺寸的机头的设计要求，最后利用Matlab软件分析求解出了凸轮轮廓线。

压脚驱动的改进设计较原来的驱动机构相比，消除了两次冲击载荷的产生，减小了激振力引发的机架的振动，使得驱动转轴的转矩更加平稳，提高了电脑刺绣机工作的稳定性。同时降低了机器工作的噪声，改善了机器工作的性能。该设计为电脑刺绣机高速、高精度、低噪声的技术发展提供了新的思路。

[1] 崔卫国,周俊荣,李志飞.高速绣花机不同工况振动特性研究[J].机床与液压,2014,17(42):102-104.

[2] 林建龙,王小北,赵丽萍.电脑刺绣机的横梁减振实验探讨[J].纺织学报,2007,28(12):121-123.

[3] 孟春玲,傅程,张媛.电脑刺绣机横梁的有限元动态分析[J].现代制造工程,2004,10:47-49.

[4] 崔卫国,周俊荣,李志飞.高速电脑绣花机横梁的动态分析与优化设计[J],制造业自动化,2013,9(35):144-146.

[5] 白皛,赵罘,林建龙,等.刺绣机横梁的模态分析及优化设计[J].机械设计与研究,2010,26(1):111-116.

[6] 傅程,林建龙.电脑刺绣机横梁弯曲振动固有频率研究[J].机械设计与制造,2004,6:71-72.

[7] 潘丹丹.某电脑绣花机动力学仿真分析与减振研究[D].南京：南京理工大学,2012.

[8] 刘良宝,王新,赵罘,等.电脑刺绣机刺布机构结构优化设计[J].纺织学报,2011,5(32):126-129.

[9] 林建龙,赵罘,朱小平,等.电脑刺绣机针杆机构位移仿真方法的研究[J].计算机仿真，2004,06(21):68-69.

[10] 林建龙,王小北,吕东燕.电脑刺绣机针杆机构运动分析[J].机械科学与技术,2003(22):140-142.

[11] 林建龙,王小北,赵罘.电脑刺绣机针杆及挑线机构设计[J].西安工程大学学报，2008,5(22):538-541.

[12] 林建龙,王小北,门桂香,等.电脑刺绣机新型挑线机构的位移分析和比较[J].纺织机械，2004(3):37-40.

[13] 彭远东,华演,张丽萍,等.电脑刺绣机挑线凸轮设计与优化[J].机械工程师,2007(3):104-106.

[14] 林建龙,王小北,张力.新型电脑刺绣机挑线机构圆柱螺旋弹簧设计[J].纺织学报,2009,2(30):121-124.

[15] 刘秀玲.电脑绣花机刺布机构和挑线机构运动的简要分析[J].纺织科学研究,2014(7):94-96.

[16] 郑文纬,吴克坚.机械原理[M].北京：高等教育出版社,2000:54-58.

(责任编辑： 康锋)

Design Improvements for Driving Mechanism of Presser Foot of Computerized Embroidery Machine

LIXiaotao1,YUANYanhong1,ZHANGTao2

(1.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Modern Textile Machinery and Technology, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China;2. ZOJE Sewing Machine Co., Ltd., Taizhou 317600, China)

The presser foot of existing computerized embroidery machine collides with other parts when working. To solve the problem, firstly we analyzed the working principle of the presser foot of computer embroidery machine, and found the reason for collision. Then, based on complex-number vector method and the software of Matlab, operating law of the presser foot was obtained . The design improvements of drive presser foot by using disc groove cam and swinging block mechanism was put forward on the premise of keeping the operating law of presser foot unchanged. Then we got the profile curve of the cam by using analytical method based on the principle of reverse. The improved design of drive presser foot eliminates the collision of head presser foot and other parts, reduces the rack vibration, and satisfies the high-speed technical requirements.

computerized embroidery machine; heads of computerized embroidery machine; presser foot; driving mechanism; design improvements; cam

10.3969/j.issn.1673-3851.2016.03.013

2015-04-17

现代纺织设备技术创新团队(2009R50018)

李晓涛(1989-)，男，河南林州人，硕士研究生，主要从事现代纺织设备方面的研究。

袁嫣红，E-mail：yyh@zstu.edu.cn

TH112.2

A

1673- 3851 (2016) 02- 0232- 06 引用页码： 030501