新型电脑刺绣机挑线机构圆柱螺旋弹簧设计.pdf

第3 0 卷第2 期2 0 0 9 年2 月纺织学报J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c hv 0 1 3 0N o 2F e b 2 0 0 9文章编号：0 2 5 3 9 7 2 11 2 0 0 9)0 2-0 1 2 1 0 4新型电脑刺绣机挑线机构圆柱螺旋弹簧设计林建龙，王小北，张力(北京工商大学机械自动化学院，北京1 0 0 0 4 8)摘要电脑刺绣机针杆机构和挑线机构是形成刺绣线迹的重要机构，对形成高质量刺绣线迹十分重要。以新型电脑刺绣机对心平底推杆盘形凸轮挑线机构圆柱螺旋弹簧为研究对象，在保持挑线规律不变的前提下，推导了圆柱螺旋弹簧的理论设计方程，并在此基础上得出圆柱螺旋弹簧的力学参数值和几何尺寸。研制成功的圆柱螺旋弹簧装于新型电脑刺绣机挑线机构，并在电脑刺绣机上进行了装机实验。实验结果表明圆柱螺旋弹簧能够满足挑线机构的挑线功能。关键词电脑刺绣机；挑线机构；圆柱螺旋弹簧；设计中图分类号：T S9 4 1 5 6 2；T H1 1 2文献标志码：AD e s i g no fc y l i n d e rs p i r a ls p r i n go fn e wm o d e lt h r e a d t a k i n g-u pm e c h a n i s mi nc o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n e sL I NJ i a n l o n g，W A N GX i a o b e i，Z H A N GI j(C o l l e g eo fM e c h a n i c a lA u t o m a t i o n，B e i j i n gT e c h n o l o g ya n dB u s i n e s sU m 钟n i z y，B e i i i n g1 0 0 0 4 8，C h i n a)A b s t r a c tT h en e e d l eb a ra n dt h et h r e a d t a k i n g-u pm e c h a n i s ma r et l l em a i nm e c h a n i s mt of o r mt h et h r e a dt r a c eo ft h ee m b r o i d e r yi nc o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n e s，e x e r t i n gg r e a ti m p a c to nt h ef o r m i n go fh i s hq u a l i t yt h r e a dt r a c eo ft h ee m b r o i d e r y T h i sp a p e rd e a l sw i t ht h es t u d yo f t h ec y l i n d e rs p i r a ls p r i n go ft h ep e r i p h e r yc a m 衍t hf l a t b o t t o m e dp u s h e rs t y l et h r e a d t a k i n g-u pm e c h a n i s mi nc o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n e s，i td e d u c e st h et h e o r e t i cd e s i g ne q u a t i o nw h i l em a i n t a i n i n gt h em o v e m e n tr e g u l a r i t yo ft h eo r i g i n a lt h r e a d t a k i n g u pm e c h a n i s ma n dg e t st h em e c h a n i c sp a r a m e t e ra sw e l l 鹊t h eg e o m e t r i cd i m e n s i o n so ft h ec y l i n d e rs p i r a ls p r i n g T h ec y l i n d e rs p i r a ls p r i n gi sa s s e m b l e dt ot h en e wm o d e lt h r e a d-t a k i n g-u pm e c h a n i s mi nc o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n e s，a n dt h ee x p e r i m e n ti sf i n i s h e do nc o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n e s，i tp r o v e st h a tt h ec y l i n d e rs p i r a ls p r i n go ft h en e wm o d e lt h r e a d t a k i n g-u pm e c h a n i s mi nc o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n e sc a ns a t i s l yt h er e q u i r e m e n to ft h et h e a d t a k i n g-u pp e r f o r m a n c e K e yw o r d sc o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n e；t h r e a d-t a k i n g-u pm e c h a n i s m；c y l i n d e rs p i r a ls p r i n g；d e s i g n电脑刺绣机上的旋梭、针杆机构和挑线机构是形成针迹的三要素，因此正确地选择挑线机构的结构形式和运动特性，有利于解决主轴转速超过7 5 0d r a i n 时断线率增加和横梁弯曲振动加剧的问题n q J。本文设计出一种新型的电脑刺绣机挑线机构H ，该机构为对心平底推杆盘形凸轮挑线机构。其凸轮挑线机构的力锁合圆柱螺旋弹簧设计至关重要，应在有限的结构设计空间内进行圆柱螺旋弹簧设计。若弹簧刚度偏大，可能造成不必要的功率损耗；若弹簧刚度偏小，可能导致挑线杆运动轨迹失真，因此需正确选择圆柱螺旋弹簧的力学参数和几何尺寸，确保既不造成挑线杆运动失真也不形成不必要的功率损耗。本文基于挑线杆挑线力的实际情况，对新型电脑刺绣机对心平底推杆盘形凸轮挑线机构圆柱螺旋弹簧的力学参数和几何尺寸进行了设计分析b q l，得出了圆柱螺旋弹簧的具体力学参数值和几何尺寸。所设计的圆柱螺旋弹簧能够满足挑线机构的挑线功能。收稿日期：2 0 0 8 0 3 1 7修回日期：2 0 0 8 0 7 一C r 7基金项目：北京市属市管高校拔尖创新人才资助项目(2 0 0 7 1 4)作者简介：林建龙(1 9 6 3 一)，男，教授，硕士。主要从事机械设计研究。E-m a i h l l n j l t h b t b u e d u c n。万方数据万方数据1 2 2 纺织学报第3 0 卷1 电脑刺绣机挑线机构1 1 原始挑线机构图1 示出电脑刺绣机的原始挑线机构。该机构是单自由度凸轮一摆杆一齿轮机构，它主要由驱动凸轮1、挑线驱动杆2、挑线杆3 组成。其中挑线杆3是执行构件，F 是挑线孔，杆2 和杆3 通过1 对扇形齿轮相连，这对扇形齿轮主要起换线和联结作用。F1 一驱动凸轮；2-挑线驱动杆；3 一挑线杆。图1 原始挑线机构F i g 1O r i g i n a lt h r e a d-t a k i n g u pm e c h a n i s m原始挑线机构在美国、德国、意大利等国属专利产品，这使得国产电脑刺绣机进入国际市场遇到了困难，因此有必要对挑线机构进行创新设计。1 2 新型挑线机构图2 示出对心平底推杆盘形凸轮挑线机构。它主要由驱动凸轮1、弹簧2、推杆3、齿条4、扇形齿轮5 和挑线杆6 组成。弹簧2 套进推杆后，以一定的预压缩保证驱动凸轮1 始终与推杆3 紧密接触。推杆3 与齿条4 通过铆钉进行联结，而与挑线杆6相固连的扇形齿轮5 通过和齿条4 的啮合，实现挑Fl 一驱动凸轮；2 一弹簧；3 一推杆；4 一齿条；5 一扇形齿轮；6-挑线杆。图2 新型挑线机构F i g 2N e wm o d e lt h r e a d t a k i n g u pm e c h a n i s m线杆6 的挑线运动。2圆柱螺旋弹簧设计分析模型2 1 挑线杆受力分析模型挑线杆受力分析模型如图3 所示。图中：，为挑线力，其F。=0 9 8N；P 为挑线齿轮的法向载荷；r 为齿轮分度圆半径，r=1 5m m；口为齿轮分度圆压力角，口=2 0 0；L 3 为挑线杆长，L 3-8 0 3t o n i。根据平衡条件有P r c o s 口：F。L 3P：型Lr C O$a代入具体数值可得齿条所受法向载荷P=5 5 8N。图3 挑线杆力学模型F i g 3M e c h a n i c sm o d e lo ft h r e a d-t a k i n g-u pb a r2 2 挑线机构平底推杆受力分析图4 示出挑线机构平底推杆受力分析模型。当凸轮旋转时，凸轮对平底推杆产生推力F，平底推杆在A、B2 点与导轨接触，并在2 点产生正压力F M、F 肥和摩擦力、如。此外平底推杆齿条处受到齿轮法向载荷P 的作用；平底推杆在平底处受到圆柱螺旋弹簧力的作用及凸轮对平底推杆的摩擦力，和平底推杆自身的重力G。=m g 及最大惯性力G：=瑚一。因挑线齿轮由工程塑料材质制成，质量很小，故未考虑挑线齿轮及杆件的惯性力和力矩。根据动态静力分析理论可得图4 平底推杆力学模型F i g 4M e c h a n i c sm o d e lo ff i a t-b o t t o m e dp u s h e r万方数据万方数据第2 期林建龙等：新型电脑刺绣机挑线机构圆柱螺旋弹簧设计1 2 3 F M l=F 阮+F f+P s i n aF=，弹+G 2+G l+i F 1+：F _】v 2+P e o s amc 口一；+g，虿D 1+F 弹譬+F(L 一譬)+(1)(2)f F 吼D t P s i n a y p P c o s a xo F 吼r f 1F y=0(3)式中：，为凸轮对平底推杆的法向推力；摩擦因数s t,=，=O 2；Z 为导轨长度，z=8m m；L 为凸轮与平底推杆接触点距平底推杆中心的距离，其值。=8 5 6m m；D 为平底推杆直径，D，=2 0m m；菇p、，。为平底推杆齿条啮合点距平底推杆导轨A 的水平和竖直距离，其中=1 5m l n，儿值范围为3 3 2 4 5 3 姗；平底推杆自身质量m=0 0 3 63k g。当平底推杆向上运动时，由凸轮廓线的具体形状可知平底推杆具有向下最大加速度口一。以及向上最大加速度口删；当平底推杆向下运动时，平底推杆具有向上最大加速度口。以及向下最大加速度口叫。由于已经设计了凸轮的廓线，因此可知各项最大加速度的具体值。代入上式计算可得圆柱螺旋弹簧所应提供的弹簧力为4 1 3 4N。此数值的确定为计算弹簧的刚度提供了理论依据。弹簧刚度确定后，其最小工作载荷出现在弹簧变形最小的位置，此时基圆与平底推杆的平底相接触。3 螺旋弹簧力学参数和几何尺寸计算根据圆柱螺旋弹簧的受力范围和挑线机构的结构设计空间，确定圆柱螺旋弹簧在压缩量最大和最小时所受载荷值P。=5 0N，P。=3 9N。依据机械设计中有关圆柱螺旋弹簧的设计理论，进行圆柱螺旋弹簧的力学参数和几何尺寸的设计分析，选定弹簧的材质为6 0 S i：M n A，端部并紧磨平，支撑圈数为1 圈，弹簧工作行程h 为1 2 哪，弹簧参数具体计算公式及步骤如下。1)弹簧刚度K=(P。一P。)I h。2)工作极限载荷只=1 2 5 P l。3)根据P，大小确定弹簧基本参数：钢丝直径为1 6n 蚰，弹簧中径为2 0m l n，节距为9 7 1n L r n，自由高度为9 0m i T t，有效圈数为9，总圈数为1 1，旋向为右旋。4)验算圆柱螺旋弹簧的最大弹簧力。由于凸轮最大向径处r=3 2 1m i l l，与平底推杆处接触时，弹簧的长度为3 3 2m i l l，弹簧的刚度K 值为O 8 9 9N n u n，此时圆柱螺旋弹簧的弹力最大，F 一=0 8 9 9(9 0 3 3 2)=5 1 0 6N。F 一值小于P，值，故圆柱螺旋弹簧的弹力在工作极限载荷范围之内，满足设计要求。5)验算圆柱螺旋弹簧的弹簧力满足平底推杆最大加速度需求条件。根据凸轮廓线的设计值，平底推杆加速度最大时，凸轮的向径为2 4 8 2t z l I n，此时弹簧的实际长度为4 0 5I T I I I I，故可得出圆柱螺旋弹簧的弹簧力F 重=0 8 9 9(9 0 一4 0 5)=4 4 5N，由于F 弹=4 4 5N 满足在最大加速度处应提供4 I 3 4N 弹簧力的要求，所以圆柱螺旋弹簧的弹力满足平底推杆最大加速度的需求条件，不会形成挑线杆轨迹失真。4 结论1)新型电脑刺绣机挑线机构圆柱螺旋弹簧在电脑刺绣机上进行了装机实验，以测试其工作性能。实验表明圆柱螺旋弹簧的力学参数和几何尺寸能够满足挑线机构的挑线功能要求。新型挑线机构采用对心平底推杆盘形凸轮机构，凸轮与平底推杆采用弹簧力进行锁合。由于弹簧基本参数选择合理，顺利实现了原有挑线机构的挑线运动规律，并消除了间隙影响，挑线功能较好，既不会形成挑线杆运动轨迹失真，也没有造成不必要的功率损耗。2)圆柱螺旋弹簧设计过程中建立的挑线杆受力分析模型和平底推杆受力分析模型正确，能够满足工程设计需要。由此推导得出的动态静力平衡方程比较客观真实地反映了弹簧在整个挑线过程中的受力变化状态，并得出了圆柱螺旋弹簧在平底推杆达到最大加速度时应提供的弹簧力值4 1 3 4N，奠定了新型电脑刺绣机挑线机构圆柱螺旋弹簧的设计基础。3)圆柱螺旋弹簧的设计思路可用于新型电脑刺绣机针杆机构的圆柱螺旋弹簧设计分析。参考文献：1 林建龙，傅程，门桂香电脑刺绣机横梁弯曲振动分析 J 纺织学报，2 0 0 7，2 8(7)：1 0 9 1 1 1 L I NJ i a n l o n g，F UC h e n g M E NG u i x i a n g T h ea n a l y s i so ft h eb e a mb e n d i n gv i b r a t i o ni nc o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n e J J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h，2 0 0 7，2 8(7)：1 0 9 一1 1 1 2 林建龙，王小北，赵丽萍电脑刺绣机横梁减振实验探讨 J 纺织学报，2 0 0 7，2 8(t 2)：1 2 1 1 2 3 万方数据万方数据。1 2 4 纺织学报第3 0 卷(上接第1 1 1 页)s y s t e m：ac o n t r o ls y s t e mf o rd o m e s t i ct e x t i l em a c h i n e r yi nt h e2 1 s tc e n t u r y J S i l kM o n t h l y，2 0 0 0(2)：1 3 1 7 5 徐海黎，刘明，朱龙彪基于C C L i n k 的并条生产系统的研究 J 纺织学报，2 0 0 2，2 3(5)：3 9 3 3 9 4 X UH a i l i，L I UM i n g，Z H UL o n g b i a o S t u d yo fad r a w i n gp r o d u c t i o ns y s t e mb a s e do nC C L i n k J J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h，2 0 0 22 3(5)：3 9 3 3 9 4 6 谭立湘局部总线P C I 技术 J 计算机应用研究，1 9 9 6(1)：1 1 1 2 T A NL i x i a n g P C Il o c a lb u s 印p l i c a t i o nt e c h n o l o g y J 却p l l c a t i o nR e s e a r c ho fC o m p u t e r s，1 9 9 6(1)：11 1 2 7 尚继辉，叶国铭，王昌国基于P C I 总线的空心锭花式捻线机控制系统 J 纺织学报，2 0 0 7，2 8(1 2)：1 1 7 1 2 0 S H A N GJ i h u i，Y EG u o m i n g，W A N GC h a n g g u o D e s i g no fc o n t r o ls y s t e mf o rh o l l o ws p i n d l en o v e l t yt w i s t e rb a s e dO nP C Ib u s J J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h，2 0 0 7，2 8(1 2)：1 1 7 一1 2 0 8 徐巧，梅顺齐，肖佩基于P C I 总线的新型捻线机控制系统设计 J 纺织科技进展，2 0 0 6(1)：3 6 3 7 X UQ i a o，IS h u n q l，X I A OP e i D e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e mdl a t e s t-t w i s t i n gm a c h i n eb a s e do nP C Ib u s J P I【秽i nT e x t i l eS c i e n c e T e c h n o l o g y，2 0 0 6(1)：3 6 3 7 9 梅顺齐，张智明，尤洪松基于成形步进控制的往复导纱系统的研究 J 机电产品开发与创新，2 0 0 3(4)：6 4 6 5 M E IS h u n 币，Z H A N GZ h i m i n g，Y O UH o n g s e n g R e s e a r c ho ft o-a n d-f r og【I i d i r 学y s y s t e mb a s e dO i ls t e pc o n t r o l J D e v e l o w n e n t&I n n o v a 6 0 no fM a c h i n e r y E l e c t r i c a lP r o d u c t s。躺B(4)：6 4 6 5 1 0 王小命电动机的单片机控制 M 北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 2 W A N GX i a o m i n g S C MC o n t r o ldM o t o r s M B e i j i n g：B e i j i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c sa n dA s t r o n a u t i c sP u b l i s h i n gH o u s e，2 0()2 万方数据万方数据新型电脑刺绣机挑线机构圆柱螺旋弹簧设计新型电脑刺绣机挑线机构圆柱螺旋弹簧设计作者：林建龙，王小北，张力，LIN Jianlong，WANG Xiaobei，ZHANG Li作者单位：北京工商大学,机械自动化学院,北京,100048刊名：纺织学报英文刊名：JOURNAL OF TEXTILE RESEARCH年，卷(期)：2009,30(2)参考文献(8条)参考文献(8条)1.林建龙;傅程;门桂香 电脑刺绣机横梁弯曲振动仿真分析期刊论文-计算机仿真 2004(11)2.林建龙;王小北;赵丽萍 电脑刺绣机横梁减振实验探讨期刊论文-纺织学报 2007(12)3.林建龙;傅程;门桂香 电脑刺绣机横梁弯曲振动分析期刊论文-纺织学报 2007(07)4.濮良贵;纪名刚 机械设计 20015.曹惟庆;徐曾荫 机构设计 19996.孙桓;陈作模 机械原理 20007.林建龙;赵罘;朱小平 电脑刺绣机针杆机构位移仿真方法的研究期刊论文-计算机仿真 2004(06)8.林建龙;王小北;顾翔 新型电脑刺绣机挑线机构设计分析期刊论文-纺织学报 2006(02)本文链接：http:/