超多头电脑刺绣机设计原理

电脑刺绣机向多头和超多头发展是一个趋势，但是超多头机器的设计并不是简单的多头机的复制，而是涉及到绣框传动的稳定、机架振动的抑制、主轴传动的稳定和刺绣控制软件功能的拓展，本该文以一种超多头(90头)刺绣机的设计说明解决上述问题的方法，对类似产品的设计有参考作用。

　　0 引言

　　电脑刺绣机是一种机电一体化程度很高的缝制设备，用于在服饰或布料上绣花，刺绣花样由打版系统输入，花版数据通过磁碟或者介质传送到刺绣机控制系统，控制电脑根据花版数据要求，在刺绣机针离开布面的时候，控制绣框在X方向或者Y方向移动规定的针距，固定在绣框内的绣品随绣框作X、Y方向的移动，等待下次机针向下刺绣，刺穿布面，与旋梭底线套接，形成线迹。绣框与绣针两者的配合，在绣品上完成图样的刺绣。图1为电脑刺绣机工作原理图。

　　电脑刺绣机一般由机械系统、传动系统和控制系统三部分组成。机械系统主要由机架、箱体部件、刺布机构、挑线机构、夹线机构、换色机构、送布机构和刺绣框部件所组成;传动系统的主电机一般为交流滑差电机或变频电机，根据刺绣针距的长短变化，调节电机的转速，主电机通过同步齿形带带动上下轴，上轴带动刺布机构和挑线杆机构运动，下轴传动旋梭及剪线机构运动，刺布机构和旋梭机构的配合，完成底线和面线的锁套，形成了锁式线迹。X方向步进电机和y方向步进电机，带动绣框完成平面运动，形成刺绣花样。控制系统是刺绣机的控制核心，它将花样数据分解为X、Y方向的运动距离并控制步进电机运动，同时还控制主电机和移框电机的运动配合，避免刺绣针撤拉布面。此外，控制系统还具备多种刺绣编辑、状态和故障的显示等功能。

　　1 超多头电脑刺绣机的关键技术

　　普通电脑刺绣机设计技术已经比较成熟，但是为了追求更高的生产效率，用户提出了多达65～90头的电脑刺绣机要求，刺绣机制造厂为了满足市场的需求，也需要研制这种超多头的电脑刺绣机。一般普通电脑刺绣机头数最多为12～45头，设备长度8～9米，现在采用超多头设计，虽然设备的头间距会有所缩短，但是设备的总长度还是会增加30%幅度，达到11米以上。因此，超多头电脑刺绣机的设计不是简单地在普通刺绣机上增加头数，而是需要重新设计，在超多头电脑刺绣机研制中，需要解决以下几个方面的关键问题：

　　(1)绣框的驱动方式

　　普通刺绣机绣框一般采用X向2点、Y向4～5点的驱动方式(图2)。步进电机通过滑车，推动绣框在X、Y方向移动，在绣框比较小的情况下，这种方式是可行的，但是现在超多头电脑刺绣机，绣框的宽度已经大大超过传统的机型，如仍然采用传统的传动方式，将会引起绣框的扭振，使花型变形，所以需要对传动方式进行创新设计。

　　(2)机架振动的减振

　　刺绣机绣框的工作过程是非连续工作，也就是说它在机针每次刺入布面时必须静止，在针杆离开布面后，则要求快速启动。由于一般平绣速度可达每分钟750针以上，特别是头数增加、机器长度增加后，绣框运动时的振动将会更加强烈，而整机的振动是制约刺绣机速度提高的关键。

　　(3)传动轴刚度的提高

　　普通刺绣机机头数一般在40头以内，当机头数达到50头时，上下轴的刚度已不能满足需要。但是，当头数增加到65头以上时，传动系统就会发生质的变化，一方面设备的长度大大增加，传动的路线加长;另一方面头数增加以后，上轴需要传动更多的机头挑线杆和刺布机构，挑线杆和刺布机构的负载也是周期变化的，因此传动轴，特别是上轴的刚度需要重新设计。

　　(4)电脑控制系统需要更加灵活

　　在超多头电脑刺绣机中，为了减少设备的长度，机头间隔一般比较小。为了使该设备能够刺绣大幅面的花样，就要求电脑控制系统能够设置隔头绣功能，也就是能够停止若干个机头工作。断线和补绣是刺绣机的基本功能，特别是超多头绣花，如果其中有一个头漏绣需要补绣，则需要电脑控制系统能够灵活设置，避免在补绣时所有机头一起工作。

　　2 超多头电脑刺绣机的解决方案

　　根据以上超多头电脑刺绣机的技术关键和要求，我们在设计中采取了如下措施：

　　(1)绣框采用多点传动方式，并将步进电机改用伺服电机，大大提高了绣框的传动精度和运动平稳性，改进后的绣框驱动如图3所示。

　　(2)针对机架的振动问题，首先对机架工作时的受力和振动进行有限元分析。分析结果显示，机架中的薄弱部位刚度偏小(图4)，振动超过许用值。因此在本设计中，对机架进行加固，使加固后机架的振动满足要求。

　　(3)对上传动轴的刚度进行校核，通过增大轴的直径和对轴进行特殊的热处理，满足传动轴的强度和刚度要求。

　　(4)超多头电脑刺绣机控制系统的改进。针对超多头电脑刺绣机的特殊工作环境，在上轴机头传动上，增加了机头传动电磁离合器，使每个机头都具备单独控制的功能，同时对电脑控制系统软件功能上进行改进，增加了隔头绣和任一机头补绣功能。

　　3 结论

　　经过上述改进后，研制的90头超多头电脑刺绣机经检测(图5)，该机器的刺绣精度为0.1毫米，花型无变形，机架静态变形小于0.2毫米，在每分钟800针的刺绣速度下，X、Y、Z三个方向的振动加速度分别为6m/s2、6m/s2和9m/s2，均比普通刺绣机小，达到设计要求。