基于Solidworks的绣花机凸轮曲线的推导及验证分析

寿飞锋 季海彬 洪晓峰 徐松

摘要：通过运用SolidWorks下的Motion模块对绣花机中关键结构部件运动仿真后，得出对应从动件关于时间-位移运动曲线，并通过数据处理，优化相关运动曲线。在新设计的机构中导入优化后的数据点反推出新外缘凸轮。最后运用新的运动机构再推导出运动曲线，两者相对比验证曲线合理性。结果表明，试验架构合理，数据分析及处理后所生成的外缘凸轮满足实际所需，并且采用此种方法推导凸轮曲线更为简便，精度上也有很大提高。

关键词：绣花机；外缘凸轮；运动仿真；数据处理；分析

中图分类号：TH112.2 文献标识码：A

1 引言

随着我国人民物质水平的不断提高，对服装的品质追求也在不断提升，因此传统纺织领域里的绣花行业重新流行起来。這对电脑绣花机的工作效率与品质需求也越来越高。从无到有，从有向优，其核心部件外缘凸轮的设计显得尤为重要。凸轮曲线的设计精细程度决定了机器工作上的准确性与可靠性。

传统的设计凸轮曲线是方法比较原始，是通过借助CAD工具转动各相关零件图形，每5度1个数据点依次测绘得到，费时费力的同时精度无法得到保障。本文主要阐述了一种运用SolidWorks下的Motion模块对旧绣花机外缘凸轮对应驱动体位移曲线的推导并筛选数据点进行优化，在设计新机型时反推新款运动凸轮轮廓并再次验证的方法。两相对比，该方法方便简洁同时测绘精度也较高，同时由于测绘仿真过程可见，更能够让人直观的理解其工作原理。

2.1 电脑绣花机机头结构组成与凸轮工作原理

毛巾绣，是绣花的一种，属于立体绣花，因其绣花效果很像毛巾布料，故名毛巾绣。它主要由毛巾机头部件，梭床部件及相关夹线部件组成。整台毛巾绣机最核心的部件就是机头部件。

毛巾绣机头的关键传动部件有外缘凸轮1（有三个不同的凸轮，分别对应针杆，针嘴及压脚），驱动连杆2（有三个不同的连杆，分别对应针杆，针嘴及压脚），驱动体3（有三个不同的驱动体，分别对应针杆，针嘴及压脚），偏心轴4等。如图1所示

其工作原理是：通过伺服电机带动主轴驱动外缘凸轮1，凸轮上三个曲面分别带动各自驱动连杆2，经小连杆过渡，最终分别通过对应驱动体将初始的旋转运动转化为直线方向的往复运动。三个凸轮曲面上特定的位置关系确保机器能够顺利完成绣花动作。

2.2 旧机型凸轮曲线仿真

由于在实践中证明，原有旧机型的凸轮曲线符合实际需求。因此在新机型的设计中可知，在保证原有驱动体位移与凸轮旋转角度对应关系不变后，当其核心部件位置发生改变时，其绣花原理不变。为此，首先需要构造模型将关键部件通过SolidWorks下的Motion模块得出运动位移曲线。

在搭建仿真模型时，去除冗余零件，确保不受多余零件对分析结果的干扰，如图2所示，即为常规毛巾绣机头凸轮运转完成绣花动作的关键部件。

设置马达转速，及旋转时间（设置为两个周期时间，确保能够得到一个完整周期的曲线，同时可验证曲线的正确性），运算后得到凸轮旋转时相对应驱动体的时间位移曲线。如图3所示

将运算结果导入Excel表格中，在同一时间截取一个完整周期的运动曲线数据点。一个周期筛选360个点，并初定截取的起始点位置为凸轮转角0度时。如图4所示，即部分凸轮转角与对应驱动体位移数据点表格。

对所得数据点进行处理，目的是消除位移曲线上存在的突兀的“凹点”与“凸点”。即保证凸轮基圆半径始终大于接触的滚子的半径。

2.3 新机型凸轮曲线拟合推导

在新型毛巾绣花机设计过程中，将五眼连杆（针杆五眼连杆1-1，针嘴五眼连杆1-2，压脚五眼连杆1-3），偏心轴3，壳体及相关驱动体（针杆驱动体5，压脚驱动体7，针嘴驱动体8）设计完毕后，在SolidWorks软件内模拟装配，如图5所示，即为新型毛巾绣关键运动部件模型。再依次导入相关处理后的数据点。以虚线处为凸轮旋转中心轴线，运动仿真处理后可初步得到针杆，针嘴及压脚三个凸轮的对应曲线。

初步运动仿真后得到凸轮设计原始曲线，如图6所示。将运动曲线根据需要（考虑滚子半径）创建凸轮三维模型，并重新将新建凸轮模型装配到图5的结构中，重复上文所提的凸轮曲线运动仿真运算。

此时需要在两方面验证新设计凸轮的准确性：

1、当外缘凸轮曲面模型存在突兀的“凹凸点”时，即凸轮基圆半径r0小于滚珠半径r1。凸轮模拟配合会发生故障，直接报错，此时需要对数据点重新处理再仿真得出凸轮运动廓线；

2、将运用新凸轮仿真生成的针杆，针嘴，压脚的位移曲线与利用旧机型原有的位移曲线一一对比。理论上两条对应的位移曲线偏差不应大于3%，如图7所示，将纵坐标放大10倍，可更直观比较前后两种位移曲线的差异性。

由图可知，对应的两条凸轮曲线偏差不大于3%。即按照上述方法推导得出的外缘凸轮运动曲线满足设计要求。

3-1 结论

本文主要论证了一种基于SolidWorks下的Motion模块的关于外缘凸轮曲线的推导及验证。这为未来绣花机行业的关于外缘凸轮设计提供了一种切实有效的思路和方法。借助于成熟的设计工具，操作简单，精度也比较高。

但同时也存在局限性：本文论述的方法仅适用于外缘凸轮的曲线拟合，而在电脑绣花机领域还存在圆柱凸轮等类型，本文阐述的方法不足以满足此类凸轮的设计需求。有待后续开发研究。

参考文献：

[1]张策，陈树昌，孟彩芳.机械原理与机械设计[M].机械工业出版社，2010.04.

[2]陈超祥，胡其登.SolidWorks？ Motion运动仿真教程[M].机械工业出版社，2014.01.

作者简介：寿飞锋（1990-）男，汉，浙江诸暨，研发工程师，研究方向：电脑绣花机领域.