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电脑一体袜机成圈编织原理探究

发布时间:2019-05-30
  摘 要
  
  纺织业是我国支柱产业之一,织袜业在纺织业中占据了重要地位,其中浙江省占据了80%以上的市场份额,每年生产各种袜类产品约 120 亿双,在纺织业居于举足轻重的地位。随着社会经济的发展和现代工业化进程的加快,织袜行业自身存在的生产工艺和设备落后问题以及产品结构性矛盾开始显现,不仅总体产品档次低,且生产自动化程度不高,缺乏市场核心的竞争力,严重制约了织袜行业的发展。随着现代纺织技术的迅速发展,电脑一体袜机应运而生。电脑一体袜机是集自动化、智能化于一体的现代针织设备,可直接在袜机上进行编织和缝合,解决了在普通电脑袜机上需要通过手工套口缝合的“二步法”袜子生产难题。电脑一体袜机的成形编织过程与普通电脑袜机基本相似,但袜子的转移编织与自动缝合部分是整机技术的核心部分。由于,国外厂家对电脑一体袜机信息的严格保密,电脑一体袜机技术基本处于国外垄断状态。因此,开展对电脑一体袜机的机构和成圈编织原理的研究,具有十分重要的现实意义。

电脑一体袜机成圈编织原理探究
  
  本文着重对电脑一体袜机的成形编织机构和自动缝合机构进行深入研究,分析电脑一体袜机成圈原理与编织工艺,重点研究电脑一体袜机自动缝合机构机械结构和工作机理;在袜子编织、自动转移和自动缝合工艺过程的研究基础上,对袜机的自动缝合机构进行实体建模,运用 Creo 三维建模技术以及 ANSYS 仿真模拟技术对缝合机构进行了三维建模分析和运动仿真分析,求解缝合机构在高速运动时的运动轨迹图,为电脑一体袜机自动缝合机构的设计与优化提供一种理论分析的方法。论文研究的主要内容如下:
  
  (1)论文对电脑一体袜机整体机械结构和成形编织工艺进行了系统地分析,基于成圈编织工艺原理的研究,分析了织针、三角、挑针器和揿针器之间的运动配合,并对成圈工艺进行了分析和计算,关键工艺点参数为:织针最大退圈动程为 20.50mm,集圈动程为12.36mm,挑针点最高高度为 49.90mm。
  
  (2)论文对电脑一体袜机自动缝合机构的结构和缝合原理进行深入地研究,分析了主、辅缝合针相互之间的运动配合关系,并计算了机件的运动参数,计算得到参数为:主缝合针主最大摆动动程为 14.90mm,辅缝合针最大摆动动程为 12.73mm,两者之间最大距离为 16.79mm,最小距离为 4.54mm,为缝合机构的三维实体建模提供准确数据。
  
  (3)针对在高速运动过程中缝合机构机件会产生弹性变形的问题,采用弹性动力学方法来分析机构的受力状况,研究缝合机件稳定运动条件,确保缝合机构自动缝合过程中的运动稳定性与可靠性,提升电脑一体袜机整机的编织性能。
  
  (4)鉴于传统力学分析难以实现对复杂机构弹性动力学的分析,计算过程十分繁琐,因此基于 Creo 三维建模软件对缝合机构进行建模研究,并应用 Ansys 的仿真功能,将缝合机构的三维模型导入 Ansys 进行运动仿真研究,得到缝合机构中各机件的运动曲线和受力情况。研究结果可知:主、辅缝合针的最大位移分别为 14.89mm 和 12.73mm,最大速度为2.47mm/s 和 1.29mm/s,最大加速度为 1.13mm/s2和 0.29mm/s2,为自动缝合机构的设计与优化提供一种理论分析的方法。
  
  关键词:  成形编织;缝合机构;机构动力学;三维建模;运动仿真。
  
  Abstract
  
  The textile industry is one of the mainstay industries in China. The hosiery industry occupies an important position in the textile industry. Zhejiang Province accounts for more than  80% of the market share, and produces about 12 billion pairs of hosiery products every year. It plays a pivotal role in the textile industry. With the development of social economy and the acceleration of modern industrialization, the problems in the hosiery industry began to appear,including the backward production technology、equipment and product structural contradiction.Not only the overall product grade but also the degree of production automation is low, lacking the core of market competitiveness,It has seriously restricted the development of the hosiery industry. With the rapid development of modern textile technology, computer integrated hosiery machine came into being. The computer integrated hosiery machine is modern knittingequipment that integrates automation and intelligence. It can be knitted and stitched directly on the hosiery machine, which has solved the problem of “two-step method” hosiery production on the ordinary computer hosiery machine that needs to be stitched by hand. The forming and knitting process of the computer integrated hosiery machine is basically similar to that of the ordinary computer hosiery machine. Because the foreign manufacturers strictly keep confidential the information of the computer integrated hosiery machine, the computer integrated hosiery machine technology is almost monopolized abroad. But the transfer knitting and automatic stitching part of the hosiery are the core part of the whole machine technology. Therefore, it is of great practical significance to carry out research on the mechanism of the computer o integrated hosiery s machine and the knitting principle of the loop.
  
  This paper focuses on the in-depth study of the forming and knitting mechanism and the automatic suturing mechanism of the computer integrated hosiery machine, analysis the principle and knitting process of the computer integrated sock machine、 focusing on the mechanical structure and working mechanism of the automatic stitching mechanism of the computer integrated hosiery machine; Based on the research of automatic transfer and automatic stitching process, solid modeling of the automatic stitching mechanism of the sock machine, using the three-dimensional modeling analysis and motion simulation analysis of the stitching mechanism are carried out by using Creo three-dimensional modeling technology and ANSYS simulation technology. The motion chart of the suture mechanism during high-speed movement provides a theoretical analysis method for the design and optimization of the automatic suture mechanism of the computer integrated hosiery machine. The main contents of the thesis research are as follows:
  
  (1) The paper systematically analyzes the overall mechanical structure and forming knitting process of computer integrated hosiery machine. Based on the research of the principle of loop forming weaving, the motion coordination between needle, triangle, needle picker and needle picker is analyzed. The loop forming process was analyzed and calculated. The key process point parameters were: the maximum retracting stroke of the knitting needle was 20.50 mm, thecollecting stroke was 12.36 mm, and the highest height of the picking point was 49.90 mm.
  
  (2) The paper deeply studies the structure and stitching principle of the automatic stitching mechanism of the computer integrated hosiery machine, analysis the motion coordination relationship between the main suture needle and the auxiliary suture needle, calculated the motion parameters of the machine. The parameters are: the main maximum swing motion of the suture needle is 14.70mm, the maximum swing motion of the auxiliary suture needle is 12.73mm,the maximum distance between the two is 16.79mm, and the minimum distance is 4.54mm,which provides a basis for the three-dimensional solid modeling of the suturing mechanism.
  
  (3) In order to solve the problem of elastic deformation of the mechanism of the suturing mechanism during high-speed movement, the elastic dynamics method is used to analyze the force state of the mechanism, and the stable movement condition of the suture mechanism is studied to ensure the movement during the suturing mechanism. Stability and reliability, improve the knitting performance of the whole machine.
  
  (4) In view of the difficulty in realizing the analysis of the elastic dynamics of complex mechanisms in traditional mechanical analysis, the calculation process is very Cumbersome. Therefore, the modeling of the suturing mechanism is based on Creo 3D modeling software, and the simulation function of Ansys is applied to The model was imported into Ansys for motion simulation research, and the motion trajectory and force of each mechanism in the suturing mechanism were obtained. The results show that the maximum displacement of the main and auxiliary suture needles is 14.89mm and 12.73mm, the maximum speed is 2.47mm/s and 1.29mm/s, and the maximum acceleration is 1.13mm/s2 and 0.29mm/s 2, which provides a theoretical analysis method for the design and optimization of the automatic suture mechanism.
  
  Key words:   forming knitting; stitching mechanism; mechanism dynamics; three-dimensional modeling; motion simulation。
  
  第一章 绪 论
 
  
  1.1 课题研究背景与意义。

  
  浙江省是纺织品生产大省,也是纺织品出口大省,每年纺织品出口量占全省的 1/3,全国的 1/5。其中,织袜业是浙江省纺织业的支柱产业[1]。浙江省主要生产袜子基地有诸暨市、义乌市和海宁市,从织袜供应商逐渐形成各自独特品牌,所生产的织袜远销日本、美国、俄罗斯、意大利等 100 多个国家。其中,具有国际袜都之称的浙江省诸暨市大唐镇,每年生产织袜 250 多亿双,约占全国的 70%,全球的 30%。在互联网平台快速发展下,大唐镇袜子出口额从 2007 年的 4.60 亿美元升至 2016 年的 11.50 亿美元,每年以近 25%速度增长,表明了我省袜业在国际市场上具有一定影响力[2]。
  
  我省袜业发展都是依靠数量优势,而产品能耗高、附加值和技术含量低等问题成为织袜企业发展瓶颈。随着制造业的转型和“机器换人”政策的推行,织袜企业开始破除依靠廉价劳动力、低价产品和低价竞争的传统路径,智能化生产模式、产品质量提升、产品功能性与时尚性相结合成为了织袜企业的战略目标,实现目标的根本途径就是加快织袜业的技术创新,掌握织袜业的核心技术,来提高织袜产品的附加值[3-5]。大唐镇率先迈出了产品创新步伐,建立了袜业创新设计中心,将文化、科技和运动元素添加到袜子中去,生产出了功能性运动袜,该类织袜后跟的防摩导流系统已经拥有了发明专利,使产品附加值大大提高,极大地推动了织袜业转型升级。
  
  然而目前大部分织袜厂都采用传统电脑袜机进行袜子生产,即先在袜机上进行袜身编织,然后再由人工转移到缝合机上进行袜口的缝合,存在织袜品种单一、产品档次不高、生产效率和产品附加值低等问题,无法满足现代织袜需求,织袜业转型升级对袜机性能与质量都提出了更高要求。意大利 LONATI 公司率先研制出了电脑一体袜机,解决了普通电脑袜机由于二步成形编织所造成的问题[6-7]。电脑一体袜机是集编织、转移、翻转、缝合于一体的现代智能化针织设备,拥有强大的计算机控制系统,能编织多种不同组织结构,满足高档织袜生产要求[8]。同时袜机在织袜生产过程中减少了 70%的手工劳动,加快了“机器换人”与智能化生产模式进程。目前,电脑一体袜机核心技术主要由意大利 LONATI 公司为主的国外企业所掌控,并作为系列产品进行开发生产。与此同时,韩国 S-TEC 和日本永田公司也研制出了系列电脑一体袜机,使电脑袜机核心技术基本掌握在国外袜机厂商手中。国内织袜厂家为了提高织袜产品档次和功能性,只能依靠进口国外袜机,也使得国内袜机生产厂家的发展陷入了瓶颈期[9-11]。为了改变这一现状,国内生产袜机厂商开始研制电脑一体袜机。
  
  近年来,虽然国内企业相继生产出了新型智能电脑袜机,但袜机企业的研究还处于模仿阶段,主要设计手段是通过简单类比方法对零部件进行设计加工,忽略了零部件之间相互摩擦和运动干涉,使研制出的产品需要经过不断修改和测试,从而花费了大量时间,难以研发出具有鲜明创新理念的新产品,使国内企业生产和研发技术与国外企业存在较大差距[12]。这说明国内袜机企业需要积极吸收国外先进设计技术,并采用现代化手法对高性能袜机产品进行研究。
  
  电脑一体袜机成形编织过程与普通电脑袜机相似,许多国内袜机企业对电脑袜机成形编织工艺以及成圈机构做过相应研究,但很少有关于电脑一体袜机转移缝合机构的研究,特别是缺乏有效理论研究。因此,开展对电脑一体袜机缝合机构的建模研究,具有重要的现实意义。本课题拟采用理论分析与实验相结合的方法,对电脑一体袜机缝合过程中机件运动原理以及缝合工艺原理进行研究,掌握电脑一体袜机一步成形编织技术,有望将缝合机构应用于普通电脑袜机,提高袜机自动化水平,实现一步成形。
  
  1.2 国内外技术现状分析。
  
  1.2.1 国外技术现状分析。

  
  袜机自动化水平随着计算机技术不断发展,经历了从手动控制、机械控制、半自动控制、电子控制到目前多功能化、智能化发展。袜子编织成形技术也从手工编织向“三步成形法”、“二步成形法”过渡,直至 “一步成形法”。袜子最早出现在公元前 5 世纪的罗马,以细带缠在脚和腿上。直到 16 世纪初,西班牙人使用编织方法将连袜裤中的裤子和袜子分开[13]。至此之后,袜机的发明,极大地推动了袜子发展。袜机最早出现在 1589年,英国人 Willian Lee 从手工编织上获得灵感,发明了第一台用于编织筒状物的纬编针织。
  
  至此,机器制造商以第一台袜机编织原理为依据,逐渐发展演变出了高速率柯登机。直至19 世纪,舌针的出现,推动了袜机变革。舌针和双头舌针在圆机上应用,出现了可编织袜跟、袜头及罗纹组织的单针筒和双针筒圆袜机。但此时,袜口需要在专门机器上进行编织,然后转移至袜机上编织袜筒、袜面、袜跟、袜底和袜头等部分,最后再转移至缝合机上进行袜口缝合,这就是袜子编织的“三步成形法”。在上个世纪 30 年代,司考脱·威廉士机器制造厂商在圆袜机上安装了自动扎口装置。随着杜邦公司发现尼龙纤维并进行工业化生产后,司考脱·威廉士机器制造厂商又推出了细针距圆筒袜机,用于编织无缝丝袜,袜子编织过渡到了“二步成形法”[14-15]。随着计算机技术和电子技术不断完善和迅猛发展,袜机逐渐从半自动化向全自动化发展。目前,在工业 4.0 浪潮席卷下,自动化、智能化、一体化的电脑袜机应运而生。目前,国外电脑袜机生产厂家主要有意大利 LONATI、韩国S-TEC、日本永田等,它们研制的系列电脑袜机代表了世界上电脑袜机先进水平,其中最有代表性的是 LONATI 公司 GL 系列电脑袜机,将袜机成形编织机构与袜头缝合机构结合在一起,实现了“一步法”全自动织袜生产。
  
  随着科技不断进步和日益激烈的竞争,国外针织袜机专业生产厂家也在积极的研发各种新型电脑袜机,不断推出“细针距”、“高速化”、“智能化”电脑袜机新产品,在袜机机械结构、花型设计系统和袜机控制系统设计方面已经已取得了重大突破,为电脑袜机技术进步和新型袜机研制起到了积极的推动作用。并且在专利技术方面,国外也已经获得极大成果,意大利 LONATI 公司目前申请并成功的专利已有 40 多项,这些专利的发表将为新型袜机研究提供强大的理论基础。
  
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  1.2.2 国内技术现状分析
  1.3 论文研究主要内容
  
  第二章 电脑一体袜机成圈结构与工作原理的分析
  
  2.1 电脑一体袜机基本结构
  2.2 织袜成圈编织工艺过程分析
  2.3 成圈关键工艺点计算与分析
  2.4 本章小结
  
  第三章 缝合机构结构特点与工艺分析
  
  3.1 缝合机构组成与结构特点
  3.2 袜子自动缝合原理
  3.3 缝合工艺计算与分析
  3.4 曲柄摇杆弹性动力学分析
  3.5 本章小结
  
  第四章 缝合机构建模与运动仿真
  
  4.1 常用建模分析软件的比较
  4.2 基于 Creo 缝合机构的实体建模
  4.3 缝合机构求解与运动仿真
  4.4 运动仿真结果分析
  4.5 本章小结

  第五章 结论

  本文通过对电脑一体袜机的成圈编织系统、转移机构及自动缝合机构进行了细致分析,着重对电脑一体袜机成圈编织和袜口缝合原理及工艺进行了系统的研究分析。在此基础上。对袜机的缝合机构进行数学建模,运用 Creo 三维建模技术以及 ANSYS 仿真模拟技术对缝合机构进行了三维建模分析和运动仿真分析,求解出缝合机构在高速运动时的运动轨迹图以及受力云图,为电脑一体袜机自动缝合机构的设计与优化提供一种理论分析的方法。论文主要研究内容如下:

  (1)论文对电脑一体袜机整体机械结构和成形编织工艺进行了系统地分析,基于成圈编织工艺原理的研究,分析了织针、三角、挑针器和揿针器之间的运动配合,并对成圈工艺进行了分析和计算,关键工艺点参数为:织针最大退圈动程为 20.50mm,集圈动程为12.36mm,挑针点最高高度为 49.90mm。

  (2)论文对电脑一体袜机自动缝合机构的结构和缝合原理进行深入地研究,分析了主缝合针和辅缝合针相互之间的运动配合关系,并计算了机件的运动参数,计算得到参数为:缝合针主最大摆动动程为 14.90mm,辅缝合针最大摆动动程为 12.73mm,两者之间最大距离为 16.79mm,最小距离为 4.54mm,为缝合机构的三维实体建模提供依据。

  (3)针对在高速运动过程中缝合机构机件会产生弹性变形的问题,采用弹性动力学方法来分析机构的受力状况,研究缝合机件稳定运动条件,确保缝合机构自动缝合过程中的运动稳定性与可靠性,提升电脑一体袜机整机的编织性能。

  (4)鉴于传统力学分析难以实现对复杂机构弹性动力学的分析,计算过程十分繁琐,因此基于 Creo 三维建模软件对缝合机构进行建模研究,并应用 Ansys 的仿真功能,将缝合机构的三维模型导入 Ansys 进行运动仿真研究,得到缝合机构中各机件的运动轨迹图和受力情况。研究结果可知:主、辅缝合针的最大位移为 14.89mm 和 12.73mm,最大速度为2.47mm/s 和 1.29mm/s,最大加速度为 1.13mm/s2和 0.29mm/s2。

  (5)对电脑一体袜机的成形编织机构和自动缝合机构的深入系统研究,为自动缝合机构的进一步改进设计与优化提供一种理论分析的方法。

  参考文献

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