绷缝机上多刚体动力学的减振建模与仿真

王志 谈安定 郑吉

摘 要：随着服装工艺对绷缝机性能要求的提高，又因绷缝机线迹成缝原理的限制，使得自身结构的振动大，出现用户体验感差等问题。本文中笔者主要是从多刚体动力学角度来研究绷缝机减振的问题。利用SolidWorks、Adams等仿真软件，完善和提升绷缝机各机构的动平衡角度，使绷缝机在工作时能处于平稳的状态。通过增加平衡块产生的离心力来抵消整机惯性力与惯性力矩，从而实现减振的目的。提高了整机运动的稳定性，增强用户的体验感。

关键词：减振；多刚体动力学；Adams软件；优化设计

中图分类号：O313.3 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）03-0064-06

Modeling and Simulation of Vibration Reduction for Multi rigid Body Dynamics on a Sewing Machine

WANG Zhi，TAN Anding，ZHENG Ji

（Jack Sewing Machine CO.，Ltd.，Taizhou 318000，China）

Abstract：With the improvement of the performance of the sewing machine and the restriction of the stitching principle of the stitching machine，the problem of the structure's vibration and user experience is uncomfortably exposed. This time is mainly from the angle of multi rigid body dynamics to study the vibration damping of the sewing machine. The simulation software such as SolidWorks and Adams is used to improve and improve the dynamic balance angle of each sewing machine，so that the sewing machine can be in a stable state at work. By increasing the centrifugal force produced by the balance block to counteract the inertia force and inertia moment of the whole machine，the purpose of vibration reduction is achieved. It improves the stability of the whole machine movement and enhances the sense of experience of the users.

Keywords：vibration damping；multi rigid body dynamics；Adams software；optimization design

0 引 言

繃缝机振动主要是由机壳承受刺布机构、挑线机构、喂针机构以及弯针机构等各机构的高速运动所产生的冲击力而产生的。根据仿真数据分析各机构产生的冲击力大小来初步选取平衡块安装位置，同时根据零件的尺寸及安装空间来优化设计平衡块质量、半径及安装角度，达到抵消冲击力的效果，并通过实体验证和耐久测试来验证设计的合理性。本研究对象为8669B绷缝机，利用Adams软件对各机构建立仿真模型及数据计算来优化设计方案。

1 平面四杆机构复数矢量法

绷缝机机构大多以平面四杆机构为主，机构位移分析是运动分析中最基本的问题。

1.1 速度分析

对时间求导：

1.2 加速度分析

此外，绷缝机还有少数的RSSR、RPSR空间四杆机构，运用复数矢量法可以较为便捷地分析机构运动，空间四杆机构的计算方式与平面四杆机构类似，引入变量为两转动副的相对位置与从动转动方向角。机构动力学会在Adams软件中做详细的仿真介绍。

2 绷缝机的Adams建模与仿真

利用Adams软件对整机建立仿真模型及运算，获得整机在固定点的惯性力和惯性力矩，通过设置各方向惯性力与惯性力矩权重系数，对评价指标进行优化。

2.1 绷缝机振动评价指标

2.2 创建模型

因绷缝机机构复杂且零件多，本研究通过采用Solid Works模型导入Adams软件的方式进行建模。

（1）模型结构划分：用SolidWorks的装配模型导入Adams时，相互独立的零件，无法直接导入Adams软件，为了确保建模的高效准确，对于整机建模采用分机构建模再组合的方式。下图是部分拆分的机构刺布机构、上轴。见图2。

（2）模型参数测量：是通过SolidWorks软件的装配体测量该机构中所有的铰接点坐标，无相对运动零件的质心坐标及转动惯量，以Excel格式记录。见图3。

（3）模型导入：是利用SolidWorks软件组装的装配体，将除刺布机构中上轴构件以外的零件全部压缩后另存为x_t格式，保存在无中文路径位置。见图4。

新建模型后以part方式导入以上保存的x_t格式文件，这样导入Adams软件中能够成为一个构件，且同一构件之间零件的运动副就不会改变。

对于主轴则采用model的形式导入。除主轴外，轴上无相对运动的零件采用布尔运算的方式代替固定副，使主轴在后期便于替换为柔性体做刚柔耦合模型。构件建模完毕后运用表格编辑器来添加属性。

（4）模型组合并校核：以上构件导入后合并两个model。

合并即得到此机构的模型，在添加曲柄滑块机构的相关约束与驱动后，验证模型的准确性。并保存为cmd格式的文件。

其余机构以此类推，完成所有机构模型后，新建一个model，导入各机构的cmd文件，直接合成整机模型，并添加各机构间的运动副。见图6。

2.3 额定工况下整机的响应

8669B绷缝机额定工况为转速5000r/min，由Adams后处理模块PostProcessor测量整机与地面固定点的惯性力和惯性力矩。见图7、8、9。

从图9可以看出整机在z方向惯性力最大，此数据也与实测数据一致。

2.4 各机构冲击分析

对比各机构惯性力和惯性力矩，刺布机构及弯针机构对整机冲击最大，且竖直方向惯性力相位基本一致，惯性力矩基本为相位对称。故最优方案为降低刺布机构与弯针机构惯性力。见图10、11、12、13。

从仿真数据中可以发现，对于整机结构模型在竖直方向Z方向的最大惯性力为1305N，轴向X方向最大惯性力为222N，前后方向及Y向最大惯性力矩为149N。且绕Z方向的最大惯性力矩为100Nm，绕X方向的最大惯性力矩为39.97Nm，绕Y方向的最大惯性力矩为8.45Nm。以上惯性力与惯性力矩直接导致整机在操作区间及针板处的振动较大，与实测数据一致。

3 绷缝机的优化设计

利用动平衡原理对整机进行多刚体动力学的优化分析及设计，绷缝机减振优化设计包括确定目标函数、定义设计变量及定义约束三个方面，分别确定优化设计方案。平衡块的安装位置角度、质量、半径，为各变量添加可变范围，提高优化效率。

3.1 设计变量

平衡块优化设计以各平衡块的质量（m）、半径（r），安装角度（θ）为设计变量，轴向位置（L）视安装空间而定。

（1）新建point点：在刺布机构的针杆曲柄、弯针机构的下弯针摆动轴、下主轴的下前轴位置新建point点并修改名称，作为平衡块初始位置。

（2）新建bodies并添加约束：在各point点上新建body并分别与针杆曲柄、下前轴及下弯针连杆轴固定副连接。

（3）新建变量：从表格编辑器中选择以上point点坐标单元格，在编辑栏新建变量并在模型树设计变量中修改名称。见表1。

新建三处平衡块质量变量并修改名称，再在表格编辑器中替代初始质量。见图14。

图14 新建变量参数

3.2 约束条件

确定各变量的约束条件，运用函数编辑器编辑约束函数。并运用“创建设计约束”来创建约束。见表2。

3.3 优化目标

（1）确定权重系数：依据实际测量机器各点的振动情况分析，其在额定转速时整机以绕y方向转动与z方向振动为主。而对z方向转动与y方向振动均不敏感，故在确定权重系数时适当提高Fz与My系数。见表3。

（2）创建目标：选取“连接器”中测点右击选取“测量”，新建整机固定点的xyz方向惯性力与惯性力矩的测量、在函数编辑器中编辑目标函数。并用“创建设计约束”来创建目标。

（3）优化模型：创建优化设计模型及将设计变量、目标及约束添加至优化设计模型中优化。

4 优化对比

经过迭代计算后，目标函数逐渐收敛最终求得一组解。

4.1 数据结果对比

方向惯性力数据结果对比如图15、16、17、18、19、20所示。

4.2 方案实测对比

上述測试点为针板处，测试内容为振动位移，如图21、22、23所示。工作转速时，z方向振动位移下降至230μm，x方向振动位移下降100μm，y方向振动位移上升约20μm。用户体验感非常明显。

5 结 论

通过增加平衡块来平衡各机构运动时产生的冲击力，能有效降低绷缝机刺料机构的振动，使体验者舒适感更强。目前，使用多刚体动力学方法研究绷缝机振动特性的应用越来越多，据了解汽车行业对减振的应用非常广泛。而关于绷缝机减振对隔振系统的研究相对较少，有限元的技术应用也较少。另外，从缝制性能的发展趋势来看，影响用户体验的不仅是减振效果，尖锐的噪声也是影响用户体验感的因素，如整车悬置技术的噪声、振动与声振粗糙度性能指标。

基于以上考虑，对下一步工作进行展望：

（1）对缝纫机隔振系统进行建模并有限元分析；

（2）对缝纫机降噪深入研究；

（3）尝试运用新的研究方法比如混合传递路径法来研究缝纫机减振降噪问题等。

参考文献：

[1] 胡永明.基于多体动力学的整车建模与仿真分析研究 [D].大连：大连理工大学，2012.

[2] 杨大鹏.平面连杆机构的惯性力和惯性力矩的平衡计算 [J].重庆交通学院学报，1988（2）：105-116.

[3] 王文博.空间四杆机构运动分析的复数法 [J].北京化纤工学院学报，1988（1）：59-64.

[4] 梁玉秀.基于ADAMS的发动机悬置系统减振性能分析与优化设计 [D].太原：中北大学，2015.

[5] Tseng FC，Ma ZD，Hulbert GM. Efficient numerical solution of constrained multibody dynamics systems [J].Computer Methods in Applied Mechanics & Engineering，2003，192（3）：439-472.

作者简介：王志（1983-），男，浙江台州人，工程师，本科。研究方向：缝纫机产品开发及设计。