面向服装面料自动缝合的缝纫工艺参数建模_文嘉琪.pdf

第 44 卷 第 3 期2023 年 3 月纺 织 学 报Journal of Textile ResearchVol.44,No.3Mar.,2023DOI:10.13475/j.fzxb.20220102410面向服装面料自动缝合的缝纫工艺参数建模文嘉琪1,2,李新荣1,2,李兴兴1,2,吴柳波1,2(1.天津工业大学 机械工程学院,天津 300387;2.天津市现代机电装备技术重点实验室,天津 300387)摘 要 为了解决缝纫中面料性能与缝纫加工工艺参数仅依靠技术工的经验完成匹配的问题,通过建立面料在缝纫过程中的多力场耦合模型智能选择缝纫加工工艺参数。以纬编织物为例,首先建立了织物单元的三维结构模型;其次分析了穿刺过程中织物组织与纱线间的抱合力对缝纫针的影响,并对面料在缝纫过程中的运动进行分析,创新性地建立了缝纫过程中基于面料力学性能的多力场耦合模型;然后建立了织物的有限元模型和缝纫针的几何模型,分析面料在缝纫过程中应力、应变的分布情况,得到面料在缝纫过程中因受外力作用而发生的形变并验证模型的正确性;最后搭建了协同自动缝纫实验平台进行实验验证数学多力场耦合模型的正确性。结果表明,该方法相比于工人凭借着经验完成缝纫可减少面料的形变和皱缩率,提高服装缝纫质量,为下一步服装面料自动缝合提供工艺参数,并为服装智能制造提供理论及技术参考。关键词 织物组织;力场耦合;缝纫工艺;自动缝合;服装面料中图分类号:TP 317.4 文献标志码:A 收稿日期:2022-01-13 修回日期:2022-10-24基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFB1308801);国家重大技术装备攻关工程项目(2021-1635-06):天津市 131 创新型人才团队项目(201916)第一作者:文嘉琪(1999),女,硕士生。主要研究方向为面向鞋服行业的机器人关键技术。通信作者:李新荣(1975),男,教授,博士。主要研究方向为纺织服装装备智能化。E-mail:。随着服装制造行业向自动化、智能化方向发展,缝纫加工工艺参数与服装面料性能的智能匹配限制了服装自动加工技术的发展,服装面料因其材料的柔性特性,在缝纫过程中如果对缝合机器人末端执行器的外力控制不好,很容易出现缝纫质量差的问题1-2。为了解决这个问题,在服装面料进行加工缝纫之前,需要使缝纫加工工艺参数与服装面料性能得到匹配,从而推动服装智能制造的发展3-4。当前,面料性能与缝纫加工工艺参数相匹配的研究被视为未来提高缝纫加工质量的研究方向。Cheng 等5对几种不同面料不同方向进行缝纫加工性能测试,通过对比得到了工艺参数对不同面料的缝纫性能有不同的影响。Choudhary 等6提出选择与面料性能相匹配的缝纫加工工艺参数可最大限度消除或减少缝纫破损现象。传统缝合都是工人凭借经验来完成面料与缝纫针的配合,对面料的性能和缝纫过程中面料所受到的外力与缝纫质量之间的关系缺乏理论支撑,但随着服装智能制造的发展,未来将会由机器人代替人工进行缝纫7-8。Lee 等9根据织物性能建立自动缝纫的服装生产流程,这种自动缝纫机对不同性能和表面粗糙度的织物进行 2 种类型的缝合。Koustoumpardis 等10提出了一种智能缝纫系统,将织物的拉伸测试整合到缝纫机器人缝制站中,预测织物的拉伸性,在缝纫过程中施加合适的拉力。机器人与缝纫机配合的出料速度往往要大于喂料速度,这样在缝纫时对面料有一个速度差,以产生一个拉力拉动面料进行缝纫,因此对面料在缝纫过程中的外力以及面料性能之间的关系的研究显得尤为重要,是提升未来面料缝纫质量的关键因素。前人鲜有在面料性能与缝纫加工工艺参数之间建立桥梁,本文建立了缝纫过程中的多力场耦合,更好地使缝纫加工工艺参数与服装面料性能得到智能匹配,提升面料的缝纫质量11-12。本文以织物结构较为复杂、最具弹性的纬编织物为例,对织物在缝纫过程中受到的外力和运动过程进行分析,创新性地建立了缝纫过程中基于面料力学性能的多力场耦合模型,并通过仿真和协同自动缝纫实验平台验证了多力场耦合模型的正确性。选择与面料性能相匹配的缝纫加工工艺参数,并在协同自动缝纫实验平台完成面料的缝纫,不仅实现了服装行业无人化、自动化的生产方式,还满足了未来服装行业多批量、多种类化发展的趋势,提高了面料缝纫质量。第 3 期文嘉琪 等:面向服装面料自动缝合的缝纫工艺参数建模 1 建立缝纫过程中的耦合模型1.1 面料组织结构单元模型的建立 纬编面料的质地松软,除有良好的抗皱性和透气性外,还具有较大的延伸性和弹性,在缝纫过程中对力的掌控稍微出现偏差就会造成很大的质量问题。本文以纬编面料为例进行研究,建立纬编织物基于力学的线圈模型(式(1),该模型与梭织平纹织物的交织部分纱线形成的弹性形状有密切关系;纬编面料的力学性能与其纱线的排列与交织情况有关13。基于力学的纬编织物线圈模型如图 1 所示。图 1 基于力学的针织纬编织物线圈模型Fig.1 Mechanics-based loop model for knitted weft knitted fabrics.(a)Weft knitted fabric coll model;(b)Schematic diagram of the snare structure between A and B 图中:A、B、C 为纱线线圈中的 3 个点;h 为屈曲波高,mm;p 为纱线间的距离,mm;d 和 D 为 2 根纱线的直径,mm;l 为纱线长度,mm;v 为施加在纱线线圈 A、B 间的作用力,N;W 为线圈弯折长度,mm;A 与 B 间水平方向的距离为横列间距 c,mm;A 与 B间垂直距离为纱线直径 d,mm;为线圈圈柱与水平方向夹角,()。hp=(43)1p-1()12=43()(1)式中:为曲率半径,m。线圈在 A 和 B 之间的部分实际上与梭织平纹交织部分纱线弹性形状相同,从梭织平纹交织计算关系可得出线圈在 A 和 B 之间的垂直距离为l1=c 1+916dc()2|(2)式中,l1为 A 到 B 之间的垂直距离,mm。根据纱线线圈的作用力示意图可得到:m=-vx(3)式中:m 为纱线的弯曲模量,MPa;x 为发生的形变,mm。从式(3)可得到:d=ds,dx=cosds(4)mcosd=-vxdx(5)当 x=0 时,=0,因此可得到:12vx2=m(sin-sin)(6)当 x=p2时,=0,因此可得到:18vp2=msin(7)v=8msin/c2(8)由于 近似可看作 =106 ,而hp=dc43,因此可得到:sin=106d180c43(9)1r=v1c2m=4sinc=dc216060(10)r=60106c2d(11)从式(11)可得到:l2=r=0.544c2d(12)式中,l2为 B 到 C 之间的长度,mm。所以整个线圈的长度为l=2l1+2l2(13)在面料的缝制过程中,由于织物特性和在缝制中受到的外力,会面临一些缝制问题,例如缝纫头穿刺面料时的穿刺力,而面料内部织物的组织结构会对穿刺力产生较大的影响,因此先建立面料的织物组织单元结构,为分析面料在缝纫时面料组织结构对缝纫外力的影响做准备。1.2 多力场耦合模型 面料在缝纫过程中会受到穿刺力 Fc、送料装置 1 与出料装置2 的压力 P1与 P2、送料与出料装置对面料3 的摩擦驱动力 F1与 F2、面料与工作台4 的摩擦力 f 作用,如图 2 所示。图 2 面料在缝纫过程中的受力分析Fig.2 Analysis of forces on fabric during sewing1.2.1 穿刺力与缝纫阻力 缝纫针穿刺面料的过程先是由针尖顶住被缝面料,然后针尖穿刺面料中,挤压面料的纱线,在这个951 纺织学报第 44 卷过程中,缝纫针受到 3 个缝纫阻力的作用,其中的穿刺力与缝纫阻力是一对作用力与反作用力,大小相等方向相反。如图 3 所示,其中受到 3 个缝纫阻力的合力即为缝纫针的穿刺力大小为F=P+2N1+2Q1(14)式中:P 为面料对缝纫针的抑制力,N;N1为面料的纱线对缝纫针的压力,N;Q1为面料中纱线对缝纫针的摩擦阻力,N。图 3 缝纫针对面料穿刺时的受力分析Fig.3 Force analysis of sewing heedle when piercing fabric缝纫针对面料进行穿刺时,面料对缝纫针的抑制力方向为 P 方向向上,其大小由缝纫针与面料刚接触时为零逐渐增加至最大 Pmax,当缝纫针穿透面料时,其抑制力的大小重新归零。缝纫针所受到纱线的压力为 N 方向垂直于缝纫针针尖,在缝纫针进入面料时纱线的摩擦阻力为 Q 方向向上与缝纫针的运动方向相反,缝纫针对面料穿刺时的受力分析如图3 所示。图中2 为缝纫针的第1 锋角,2r 为缝纫针的第 2 锋角。从图中可看出第 2 锋角在缝纫针针头的总高度比例不多,因此不会影响纱线的压力与摩擦力。缝纫针穿刺面料时受到的阻力分析如图 4 所示,缝纫针受到纱线的压力与摩擦阻力的大小与缝纫针的锥角成正比。图 4 缝纫针穿刺面料时受到的阻力分析Fig.4 Analysis of resistance of sewing needle when piercing fabric图中:Z 为穿刺深度,mm;达到 Z0时为穿刺面料的最低点;2 为缝纫针针尖锥角,();X 为穿刺面料的针尖半径,mm;q 为缝纫针对面料的作用力,N;q0为单位压力,N;qt为水平分力,N;M 为缝纫针上一点;表示 M 到 A 点的距离,mm;在缝纫针针尖上取一个微元进行分析,其半径为 X,mm,高度为 d,mm。将缝纫针受到的 3 个缝纫阻力投影到缝针的轴线方向,其中纱线的摩擦阻力为Q=N,则缝纫针的穿刺力可表示为F=Pmax+2N1sin+2N1cos(15)式中,为纱线间的摩擦因数。缝纫针刺入线圈时,纱线线圈受到缝纫针力的作用,向两侧滑移延伸,直到两侧被拉紧,被缝纫针穿刺的纱线线圈被扩张,相邻的线圈受到拉力的作用,使被穿刺的线圈锁紧,因此缝纫针所受到的抑制力的大小即为纱线之间的抱合力的大小。将线圈中的纱线通过微元法进行受力分析,对其交点 C 的法截面进行受力分析,纱线受力分析如图 5所示。图中:ds 为纱线微元,mm;dN 为压力,N。图 5 纱线受力分析图Fig.5 Analysis of force on yarn.(a)Sliding of yarn on surface of column;(b)Decomposition of force on yarn to plane normal of point C通过积分计算后可得到纱线间的抱合力 T 为T=T0e(-0)cos(16)式中:T0为纱线初始张力,N;0为纱线切线方向上的初始角度,();为纱线滑动方向与柱面周向的夹角,();T 为纱线的张力,N;dT 为纱线张力增强,N;d 为纱线曲线切线方向所转过的角度,()。当确定缝纫针对面料的作用力 q 后就可确定纱线对缝纫针的压力 2N,这是一对作用力与反作用力。将单位压力 q 进行水平方向分解,其水平分力为 qt=qcos,水平分力 q 和纱线的水平方向上的位移成正比,在缝纫针上一点 M 的大小为q=Kx(17)式中,K 为比例系数,K 值与面料的弹性和层数有关。在式(17)中,将缝纫针上的点 M 到第 1 锋角的交叉点取为点 A,用 表示 M 到 A 点的距离,当 取缝纫针穿刺面料的深度 Z 时,单位压力可表示为061第 3 期文嘉琪 等:面向服装面料自动缝合的缝纫工艺参数建模 q0=ktanZcos(18)即可得到其纱线的压力为2dN2=2xqdcos(19)因此可得到:dN2=ktan22dcos2(20)通过积分计算后可得到:N1=N2=ktan2Z33cos2(21)考虑到 =tans,当针尖到达面料底部边缘时,抑制力 p 值达到最大,因此其缝纫针所受到的面料阻力可以表示为F=Pmax+2ktan2sin(+)3cos2cos|Z30(22)式中,s 为摩擦角