模块式驱动平缝机的虚拟样机系统开发与设计

陆武慧

摘要：随着“一带一路”战略实施，工业平缝机获得了更大的应用市场和前景，工业平缝机是缝制设备中常用的一种，也是常见的一种机电一体化产品，各机构运动合理配合，共同实现缝料缝合动作。本文基于虚拟样机技术，从平缝机传动路线设计、 运动方案设计和控制功能设计三个方面出发，提出了一种模块式驱动的工业平缝机方案， 并对平缝机进行虚拟样机系统开发，阐释了模块式驱动平缝机的应用，为工程设计实际物理样机提供了依据和基础。

Abstract： With the implementation of the "Belt and Road" strategy， industrial sewing machines have gained a greater application market and prospects. Industrial sewing machines are a common type of sewing equipment and a common type of mechatronics products. It cooperates reasonably to realize the sewing action. Based on the virtual prototype technology， this paper proposes a modular drive industrial lockstitch program from the three aspects of lockstitch machine，the three aspects are the  transmission route design， motion scheme design and control function design， also， this paper develops a virtual mockup system for the lockstitch machine to explains the application of the modular drive lockstitch machine， which provides the basis and basis for the engineering design of the actual physical prototype.

关键词：平缝机;模块式驱动;虚拟样机

Key words： lockstitch machine;modular drive;virtual prototyping

0  引言

随着“一带一路”战略的实施，我国缝制企业在不断的拓宽 “一带一路”沿线国家的市场，特别是越南市场。这样的趋势有效缓解了国内劳动力成本增长等因素，顺应了相关包括纺织、染整、绣花等劳动密集型产业的不断发展，纺织机械设备伴随着国家的产能升级可以实现快速增长，对缝制设备的需求也在不断的增强。

我国缝制机械行业作为服装业的上游产业，通过自身积累和创新，已成为我国最具竞争优势的产业之一。我国已成为世界上最大的缝制机械生产中心和销售市场。国内外市场日益增长的需求量给缝制设备市场带来了很大的延伸空间，特别是机电一体化的工业缝纫机的需求增长更快，缝制机械行业充满着顽强的生机和活力。在产品研发的过程中，企业必须以最短的产品开发时间、最优的质量、最低的成本、最佳的环保和最快的市场适应性才能满足市场对产品的需要[1-2]，传统的产品设计周期长，经过设计、加工、制造完成一系列的工序后，才能将物理样机完成，然而，制造的物理样机是否满足设计需求，还需进行实验，可能存在不断的修改再制造的过程，这样不仅增加生产成本，而且降低了生产效率[3-5]。目前工业平缝机多采用上下轴皮带传递，存在自动化程度较低，以及传动过程中能量损耗严重，影响传动效率等不足。

1  虚拟样机技术

虚拟样机技术目前应用于多个行业，涉及到汽车制造、航空航天、机械制造等多个领域。虚拟样机技术是当前设计制造领域的一项新技术，它利用计算机软件建立机械系统的三维实体模型和运动学及动力学模型，分析和评估机械系统的性能，从而为机械产品的设计和制造提供依据[6-8]。虚拟样机产品从方案论证、经验设计、详细设计等多个环节出发直到产品定型生产，中间伴随着分析原因、修改设计的反馈环节，整体构成虚拟样机产品开发过程，如图1所示。

2  模块式驱动平缝机方案设计

2.1 模块式驱动平缝机的传动路线设计

了解到现有缝制设备企业中工业平缝机的不足和缺点，模块式驱动的工业平缝机方案，取消了传统平缝机上下轴皮带传递的环节，改为模块式直接驱动方式，节省了空间，提高了传动效率，克服了传统的工业平缝机存在自动化程度较低，以及传动过程中能量损耗严重，影响传动效率等不足。通过将平缝机进行模块式划分，将上轴的针杆机构和挑线机构采用一个电机来驱动控制，在送料轴处安装一个伺服电机，将传统平缝机中两个大连杆去掉，取消了送布的偏心部件的使用，使平缝机的运动更加平稳，通过模块式的驱动方式实现了主要机构的动作控制，简化了结构，节省了空间，为进一步深层优化提供了思路和方向，模块式驱动平缝机的具体传动路线图如图2所示。

2.2 模块式驱动平缝机的运动方案设计

根据模块化设计的思想，将平缝机的驱动部分进行模块化设计，结合空间位置及机构复杂性的角度，上轴驱动电机带动针杆机构和挑线机构的运动，下轴驱动电机带动旋梭机构和送布机构的运动，改变传统缝纫机一个电机驱动刺布、挑线、旋梭、送布四大成缝机构的方式，通过模块式驱动方式，可以减少机构传动，增大空间利用率，取消了传统上下轴之间的傳动机构，根据下轴的旋梭机构和送布机构的运动特征，选择与之对应的电动机类型进行驱动控制。

2.3 模块式驱动平缝机的控制功能设计

伺服控制系统将信号传送给控制器，驱动各个模块电机对平缝机进行对应的控制方案，同时，平缝机上的同步器可以进行检测，检查针位是否准确，位置是否合适，然后将信号反馈给控制器，控制器根据位置检测信号做出调整，形成闭环控制系统，控制器同时控制着切线电磁铁、抬压脚电磁铁等几个电磁铁，通过电磁铁开关的打开和关闭，实现切线、抬压脚等功能。操作面板是操作者和平缝机之间的人机交互界面，提供相关参数设置、模式选择等方面的操作，如图3所示。

3  平缝机虚拟样机系统研发

平缝机的虚拟样机系统的研发主要包括基础模型建立、运动学和动力学仿真以及控制系统设计三个部分。三个部分之间互相配合，共同构成模块式驱动工业平缝机虚拟样机系统。

3.1 平缝机的三维建模

通过产品的三维设计可以为机械工作人员提供直观有效的视图界面，并为其优化设计提供了模型基础和参照。产品的三维实体建模方式通常有三种：CAD造型设计、特征建模和参数化建模的方式。目前，三维实体建模的软件有很多，例如SOLIDWORKS、PROE、UG、CATIA等三维建模软件。在平缝机进行三维建模前，对比多种三维建模软件的优缺点，以及与动力学仿真软件的兼容性等问题，可以选择SOLIDWORKS软件进行建模。

对于模块式驱动工业平缝机的建模顺序，首先，进行刺布机构、挑线机构、旋梭机构和送布机构四大关键成缝机构的建模，然后进行绕线、压料、落牙等辅助机构的建模，进行油壶、电机、电磁铁等部件的建模，最后包括台板和机箱的建模，完成平缝机的整机建模。由于模块式驱动平缝机的零件较多，结构复杂，给装配过程中带来了很大的难度。在装配的过程中主要采取自上而下、由里及外的装配过程，先将小零件进行局部组装成小模块，然后将小模块组装为进一步的机构模块，最后组装成整机。

3.2 平缝机的运动学仿真

对产品进行运动学分析计算时，可以将三维建模软件与动力学仿真软件Adams进行联合仿真分析，在三维实体模型的基础上添加对应的约束，使其成为可以进行分析计算的仿真模型，并与真实物理样机模型相接近，考虑到模块式驱动平缝机的运动学和动力学仿真和计算时，计算机和软件的计算分析能力等因素，通常对设备进行简化，去掉与机构运动没有直接联系的元素，只留下主要运动机构，建立出对应的样机进行动态模拟和分析，从而得到相关机构的运动和动力学曲线，图4为刺布机构运动仿真曲线。

3.3 平缝机的动力学仿真

除了将三维建模软件与动力学仿真软件进行联合仿真分析，来得到机械设备的动力学仿真结果以外[9-10]，还可以利用MATLAB/Simulink模型进行分析计算，首先，建立动力学方程，编写出相应的M文件，然后建立出Simulink模型。在确定目标动作之后需要设计一个控制系统，明确系统的输入、输出、控制器件和程序，达到基于MATLAB的仿真结果。

4  结论

通过基于虚拟样机技术，从平缝机传动路线设计、运动方案设计和控制功能设计三个方面出发，提出了一种模块式驱动的工业平缝机方案，可以提高平缝机传动效率，简化机构，提高空间利用率，并对平缝机进行虚拟样机系统开发，阐释了模块式驱动平缝机的应用，为工程设计实际物理样机提供了依据和基础，为平缝机的优化设计奠定了基础。

参考文献：

[1]柯婉頔.基于虚拟样机的汽车高速道路稳定性研究[D].武汉理工大学，2018.

[2]郑东梅，王庆喜，延安.工业机器人在数控机床自动上下料系统中的应用[J].粘接，2019，40（11）：190-192.

[3]孙国顺.基于虚拟样机技术的装车站液压系统建模与仿真[J].城市建设理论研究（电子版），2018（19）：93-94.

[4]高瑜.基于现代化包装设计的绿色环保材料实践应用[J/OL].粘接，2019（10）：65-67[2020-03-07].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/42.1183.TQ.20191107.1511.036.html.

[5]牛海侠.基于虚拟样机技术的果蔬采摘机器人的研究与应用[J].机电工程技术，2019，48（04）：16-17，63.

[6]韩瑞侠.解析GC型工业平缝机的工作循环图[J].内燃机与配件，2017（17）：30-31.

[7]李卓航.浅析虚拟样机技术在石油机械设计中的运用[J].石化技术，2019，26（02）：313-314.

[8]吴强.基于有限元和虚拟样机的增程器混合模型设计[J].武汉工程职业技术学院学报，2019，31（04）：1-5.

[9]李杰，贾长治，杜中华.基于虚拟样机技术的车载火炮射击稳定性仿真[J].火力与指挥控制，2019，44（11）：61-66.

[10]房佳恒，张华，汤成莉，屠德钢，高彬.多功能钻机工作装置虚拟样機建模与动力学仿真[J].煤矿机械，2019，40（11）：179-182.