高速工业平缝机整机驱动性能优化

刘　永，武云飞，李鹏飞，王根创

(1.西安标准工业股份有限公司，陕西 临潼 710612；2. 西安理工大学 机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048；3. 中航飞机股份有限公司 西安飞机分公司五十四厂，陕西 西安 710089)



高速工业平缝机整机驱动性能优化

刘永1，武云飞2，李鹏飞2，王根创3

(1.西安标准工业股份有限公司，陕西 临潼 710612；2. 西安理工大学 机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048；3. 中航飞机股份有限公司 西安飞机分公司五十四厂，陕西 西安 710089)

为了实现高速工业平缝机节能降噪和绿色制造的需求，对其整机驱动性能进行优化. 在整机各组成机构运动学和动态静力分析基础上，选取杆件的质量参数作为设计变量，采用序列二次规划多目标优化算法对整机振动力和振动力矩进行优化. 仿真结果表明：整机机构的性能优化效果优于传统的单独优化各组成机构性能的效果，有效改善了整机的驱动性能和振动特性.

高速工业平缝机；整机驱动性能；多目标优化；动态静力分析

高速工业平缝机作为服装、鞋业和箱包、家具制造行业主要的生产制造装备，其工作转速已达到4 500～6 000r/min. 在高速运行时，平缝机的驱动耗能增加，振动特性急剧恶化，导致缝纫质量下降，零件磨损加剧，使用寿命减少. 如何有效地减小平缝机驱动能耗，降低其振动噪声，具有十分重要的意义. 许多学者对机构的振动力和振动力矩优化进行了研究.文献[1]通过二级阿苏尔杆组对四杆机构进行动平衡优化，以减小振动力和振动力矩.文献[2]对高速工业平缝机挑线刺布机构的构件质量、质心位置等参数进行动平衡优化设计，有效改善了整机动态性能.文献[3]讨论了多项式微分求解四杆机构振动力和振动力矩的方法.文献[4]提出了以振动响应最适均值为目标函数的机构动平衡优化方法.文献[5]基于复数矢量法和机构环路方程，以一类平面六杆机构的惯性力谐波分量的均方根值为目标函数，进行了机构优化设计.文献[6]对连杆挑线机构进行了运动学分析，根据遗传算法得出连杆挑线机构收线角最小的最优设计变量.文献[7]对刺布挑线机构进行了动力学分析，通过改变构件的质心坐标位置及质量等参数来实现机构惯性力的最佳平衡.目前，对于平缝机整机机构驱动性能的优化和研究文献并不多见.

平缝机主要由刺布、旋梭、挑线、送布、供油、针距调节六大机构构成. 挑线刺布和送布机构是影响整机性能的主要工作机构.本研究将挑线刺布机构和送布机构作为整体，对全局坐标系下两个方向的振动力及振动力矩进行多目标优化，以达到更好地减小驱动能耗，降低振动的目的，满足绿色生产的要求.

1　整机机构动态静力分析

图1为挑线刺布与送布机构简图.以电机相连处的上轴圆心为原点建立坐标系，X轴平行于台板平面，且垂直于上轴轴线，Y轴垂直于台板平面和上轴轴线. 由于坐标系原点与电机轴心重合，因此折算到上轴的整机振动力矩与振动力的变化可以反映电机的驱动性能.

图1　挑线刺布与送布机构简图

根据机械刚体动力学方法，作用在任意构件i上的力与力矩平衡方程可写为：

(1)

(2)

式中：ri、ri-1分别是坐标零点到铰链i与铰链i-1的矢量；si是坐标零点到质心的矢量.

由式(1)、式(2)可得线性方程组：

A·R=B

(3)

式中：R为约束反力矩阵；A为约束反力系数矩阵；B为构件惯性力(矩)和外载荷矩阵.

求解式(3)，等效到坐标系XOY的整机机构振动力和振动力矩如图2、图3和图4所示.

图2　X方向整机等效振动力Fx

图3　Y方向整机等效振动力Fy

图4　整机等效振动力矩M

2　整机机构优化

2.1设计变量

在实际产品中，由于各组成机构的轨迹已经固定，因此优化时无需改变构件杆长. 经分析，选取图1中的参数m1、m3、m5、m7、m8、m9、r7、r8、r9、φ7、φ8、φ9作为设计变量，确定每个变量的取值范围(表1).

2.2目标函数

整机各组成机构处于不同位置的等效振动力和振动力矩是随时变化的，为了反映其总体水平，选取其一个周期内的有效值作为优化目标.

令

表1　设计变量取值范围

(4)

(5)

(6)

式中，F1、F2、F3分别为上轴每转一度所对应等效振动力和振动力矩的瞬时值.

目标函数表达式为：

f=W1F1+W2F2+W3F3

(7)

式中，Wj(j=1，2，3)为权重系数.由于振动力和振动力矩的量纲不同，所以采用容限法确定Wj的大小. 设

αj≤Fj(x)≤βj

(8)

一般取αj=0，βj=Fj(x0)，函数Fj(x)的容限为：

(9)

那么，取权重系数为：

(10)

2.3优化结果

采用序列二次规划算法进行优化.优化后各设计变量的值如表2所示.

表2　设计变量对比

从表2可以看出，并不是所有的构件质量都需要减小. 将优化后的参数代入式(3)，等效振动力和振动力矩如图5、图6和图7所示.

由式(4)、式(5)和式(6)计算得到的有效值如表3所示.从表3可以看出，优化后，整机等效振动力和力矩都得到一定程度的减小，且振动力减小幅度较大.

图5　整机振动力Fx变化对比

图6　振动力Fy变化对比

图7　振动力矩M变化对比

图8、图9和图10所示为各组成机构的振动力和振动力矩分别优化后，等效到整机坐标系下的结果和对整机机构进行优化的结果对比图.分析可知，由于在整机机构的振动力和振动力矩计算中，各组成机构的性能会发生互相抵消或加强，因此，对整机机构性能优化的结果明显优于组成机构分别优化的结果.

表3　优化前后振动力(矩)有效值

图8　振动力Fx优化结果对比

图9　振动力Fy优化结果对比

图10　振动力矩M优化结果对比

3　结束语

对高速工业平缝机挑线刺布机构和送布机构进行动态静力分析，计算出整机的等效振动力和振动力矩. 以构件的质量和质心参数为设计变量，以等效振动力和振动力矩最小为优化目标，进行整机机构驱动性能的多目标优化. 结果表明：振动力和振动力矩明显减小，有效减小了驱动力矩和整机振动特性，且以整机机构为目标优化的效果优于传统的各组成机构分别优化的效果.

[1]Briot S，Arakelian V.Complete shaking force and shaking moment balancing of in-line four-bar-linkages by adding a class two RRR or RRP Assur group[J]．Mechanism and Machine Theory，2010，57(2)：13-26.

[2]李鹏飞，陈卫宁，朱强．高速工业平缝机机构动平衡优化设计[J]．机械科学与技术，2011，30(3)：448-452.

[3]Moore B，Schicho J,Gosselin C M.Determination of the complete set of shaking force and shaking moment balanced planar four-bar linkages[J]．Mechanism and Machine Theory, 2009,44(7)：1338-1347.

[4]Zhang S M，Chen J H.The optimum balance of shaking force and shaking moment of linkage[J]．Mechanism and Machine Theory，1995，30(4)：589-597.

[5]王永泉，陈花玲，孙富贵．机构动态优化在工业平缝机减振中的应用[J]．机械科学与技术，2005，24(8)：947-968.

[6]叶志刚，邹慧君，胡松，等．工业平缝机挑线机构运动学分析和优化综合[J]．上海交通大学学报，2003，37(S2)：6-9.

[7]刘亚辉，杨华，周长江．平缝机刺布挑线机构的动力学优化[J]．噪声与振动控制，2013(2)：91-94，100.

Optimization for Driving Property of High-Speed-Industrial Sewing Machine

LIU Yong1,WU Yun-fei2,LI Peng-fei2, WANG Gen-chuang3

(1.Xi′an Typical Industry Co.,Ltd,Lintong 710612,China;2.School of Mechanical and Precision Instrumental Engineering, Xi′an University of Technology,Xi′an 710048,China; 3. Xi′an Aircraft Branch, AVIC Aircraft Co.,Ltd, Xi′an 710089, China)

The driving property of whole machine has been optimized to reduce electric energy consumption of high-speed-industrial sewing machine．Based on the kinematics and kineto-statics analysis of composing mechanisms，mass parameters of critical parts are chosen as design variables, and the multi-objective optimization method named as sequential-quadratic-programming strategy is applied to optimize the vibration force and moment．The simulation results indicate that the driving property of whole sewing-machine has been improved comparing with that of traditional optimal process.

high-speed-industrial sewing machine; driving property of whole machine; multi-objective optimization; kineto-static analysis

2016-05-25

刘永(1979-)，男，陕西合阳人，工程师，研究方向为缝制机械设计.

1006-3269(2016)03-0028-05

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2016.03.006