非織造針刺機(jī)針板的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法及分析

徐 健 盧 怡

(常熟理工學(xué)院江蘇省紡織機(jī)械工程研究中心，常熟，215500)

非織造針刺機(jī)針板的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法及分析

徐 健 盧 怡

(常熟理工學(xué)院江蘇省紡織機(jī)械工程研究中心，常熟，215500)

探討了非織造針刺機(jī)針板的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法，對針板設(shè)計(jì)模型作了簡要分析;闡述了波浪形針板的設(shè)計(jì)算法，指出步進(jìn)量區(qū)間針跡圖在針刺效果分析中的重要作用，并通過獲取步進(jìn)量區(qū)間針跡圖對針刺效果進(jìn)行修正，為針板的自動(dòng)化設(shè)計(jì)提供了重要手段。

針刺機(jī)，針板，步進(jìn)量，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

針刺法非織造技術(shù)是以纖維為原料，利用針刺機(jī)刺針使纖維相互纏結(jié)，最后形成具有一定強(qiáng)度和厚度的針氈或非織造布的工藝方法。在針刺法工藝中，針板的布針及制造工藝參數(shù)對成品質(zhì)量將產(chǎn)生重要影響。針板設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是要使針刺后的布面針跡盡量達(dá)到均勻、雜亂，因而對針板的布針形式有一定的要求。針板設(shè)計(jì)的總體原則是針孔排布縱不成列，橫不成行［1］，針孔排布方式雜亂交錯(cuò)，如波浪形針板。但是，因?yàn)獒槹宀坚樞问胶妥罱K針刺效果之間并不存在必然聯(lián)系，且針刺效果因步進(jìn)量的不同而發(fā)生變化，這給針板設(shè)計(jì)帶來了一定的難度，設(shè)計(jì)者往往很難快速了解一塊針板的優(yōu)劣。本文對針板的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，提出針板設(shè)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)波浪形針板的生成算法，并利用計(jì)算機(jī)編程，快速觀察針刺仿真效果，同時(shí)借助于計(jì)算機(jī)圖形交互界面，對最終的針刺效果做出直觀修正，以達(dá)到針刺效果均勻的要求。

1 針板模型分析

1.1 布針單元

波浪形布針的針板形式如圖1所示。可以看出，針板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于第一列布針的排布，第一列設(shè)計(jì)完后，經(jīng)過水平方向的平移擴(kuò)展便成為其他布針列。用于平移擴(kuò)展的布針列稱為布針單元。圖1(a)顯示的是簡單情況，即布針單元只含一個(gè)布針列的情形。一個(gè)布針單元也可以設(shè)計(jì)成含有多列，如圖1(b)是一個(gè)含3個(gè)針列的布針單元(圖中虛框)，整個(gè)針板由該布針單元平移擴(kuò)展而來。為了達(dá)到針刺均勻且無重復(fù)點(diǎn)的效果，要求布針單元中的各針孔在水平方向(X方向)上的坐標(biāo)和垂直方向(Y方向)的坐標(biāo)各不相同。設(shè)計(jì)時(shí)，一般布針單元針孔水平坐標(biāo)以列距為單位均勻增加，而垂直坐標(biāo)以行距為間距遞增。

1.2 有效布針區(qū)間

針板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確定針板的有效布針區(qū)間及尺寸。根據(jù)針板縱向?qū)挾?、布針區(qū)間數(shù)目和各區(qū)間布針寬度等參數(shù)建立針板設(shè)計(jì)的基本尺寸，針板的有效布 針 寬 度 = 寬 度布針區(qū)間1+ 寬 度布針區(qū)間2+ 寬度布針區(qū)間3，如圖2所示。根據(jù)實(shí)際情況，一般布針區(qū)間數(shù)目在3個(gè)以內(nèi)，程序設(shè)計(jì)時(shí)針板的布針區(qū)間參數(shù)可通過圖3的軟件配置界面進(jìn)行配置。常規(guī)的針板有兩個(gè)布針區(qū)域，可以將區(qū)域3和間隔2的寬度設(shè)置為0。

圖2 針板布針區(qū)間示意

圖3 針板寬度軟件配置界面

1.3 步進(jìn)量區(qū)間及步進(jìn)量針跡圖

無論何種布針形式，針板設(shè)計(jì)的目的都是要讓最終的針刺效果(針跡)顯得均勻。步進(jìn)量S(mm)與針刺頻率f(刺/min)、出布速度v(m/min)存在以下關(guān)系［2-3］:

步進(jìn)量是指在一定針刺頻率和出布速度下，針板每刺一次布匹所移動(dòng)的距離，這意味著針板上每一枚針都將在布面上以步進(jìn)量為間距留下針跡，且各步進(jìn)量區(qū)間內(nèi)針跡圖相同。因此，步進(jìn)量區(qū)間的針跡均勻度決定著整個(gè)布面針跡的均勻度。

如圖4所示，S為步進(jìn)量，W為布針單元寬度，圖中每一小格代表一個(gè)布針單元在步進(jìn)量區(qū)間內(nèi)留下的針跡，而整個(gè)針跡圖為步進(jìn)量區(qū)間針跡的重復(fù)擴(kuò)展。因此，研究步進(jìn)量區(qū)間的針跡效果是針板針刺效果調(diào)整的關(guān)鍵。

圖4 步進(jìn)量針跡示意

2 波浪形布針?biāo)惴ê歪槹迳?/h2>

圖5 波浪形布針列

波浪形布針為常用的針板形式，波浪形針板針孔排布彎曲有規(guī)則，形如波浪。如圖5所示，布針單元中的一個(gè)布針列包含多個(gè)“波浪彎”。假設(shè)布針單元的某個(gè)布針列有N個(gè)針孔，以X方向投影為序，第 i個(gè)針孔作為一個(gè)點(diǎn)，其坐標(biāo)記為(Xi，Yi)，則針孔排布時(shí)，首先要求不論在X方向還是Y方向均無重復(fù)坐標(biāo)，即縱不成列，橫不成行。假設(shè)將針孔以X方向?yàn)轫樞蛞来尉幪?列序號)為1、2……N，則相應(yīng)針孔Y方向行序號的分配是構(gòu)成波浪形針板的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)時(shí)，需經(jīng)過針孔分組、行序分配和坐標(biāo)生成等步驟。

2.1 針孔分組

針孔分組是為了合理確定生產(chǎn)波浪彎的具體針孔，具體分組算法如下。

2.1.1 選擇“波浪彎”針孔數(shù)

選擇構(gòu)成波浪形針板的“波浪彎”針孔數(shù)，記為M，期望用M個(gè)針孔構(gòu)成一個(gè)波浪彎。通常M應(yīng)小于針孔總數(shù)N。

2.1.2 計(jì)算組數(shù)

2.1.3 設(shè)置分組標(biāo)記

根據(jù)確定的分組數(shù)和每組個(gè)數(shù)，對所有N個(gè)針孔設(shè)立分組標(biāo)記，進(jìn)行實(shí)際分組。若某一針孔標(biāo)記為i，則表示該點(diǎn)被分到第i組，i的取值范圍為整數(shù)1～P?？梢钥紤]以下兩種情況:

情況一，所有組均為完整組，每組M個(gè)針孔，則滿足N=PM。此時(shí)，從第1個(gè)針孔開始搜索，依次對未被標(biāo)記的針孔循環(huán)標(biāo)記1、2……P。這樣，共需進(jìn)行M次循環(huán)標(biāo)記。圖6顯示的是P=4時(shí)的分組情況。

情況二，分組時(shí)存在1個(gè)非完整組，設(shè)非完整組含針孔數(shù)為L(L＜M)，則滿足 N=(P－1)M+L。此時(shí)，可以先從N個(gè)針孔中隨機(jī)或者等間隔將L個(gè)點(diǎn)標(biāo)記為P，則剩下N－L個(gè)點(diǎn)可按情況一的算法順序作分組標(biāo)記。圖7表示的是P=4，且含有非完整組(第4組)的分組情況。圖7中每隔3個(gè)針孔標(biāo)記一個(gè)非完整組，組號為4。

2.2 行號分配

分組完成后，就根據(jù)分組標(biāo)記分配行序號。上述同一分組中的針孔列序號不是連續(xù)的，但行序號(Y方向)分配一般處于一個(gè)連續(xù)的區(qū)間。記第i組的起始行序?yàn)镽start(i)，末行行序?yàn)镽last(i)。行序分配算法如下。

2.2.1 完整組行序分配

(1)對完整組進(jìn)行行序分配。從第1行開始，確定各完整組行序范圍。分配給第i個(gè)完整組的行序號范圍記為Rstart(i)～Rlast(i)，Rstart(i)為起始行序，滿足Rstart(i)=(i－1)M+1，Rlast為末行的行序，滿足Rlast=iM。

圖6 P為4時(shí)的分組標(biāo)記示意(均為完整組的情況)

圖7 P為4時(shí)的分組標(biāo)記示意(含1個(gè)非完整組的情況)

(2)順序檢索分組標(biāo)記。當(dāng)檢索到該組第j個(gè)針孔時(shí)(j取值1～M)，若j為奇數(shù)，則該針孔分配行序Rstart(i)+(j－1)/2;若j為偶數(shù)，則分配行序Rlastt(i) －(j/2)+1。如圖8所示，將第i組中檢索到的第1個(gè)針孔分配行序Rstart(i)，第2個(gè)針孔分配為Rlast(i)，第3個(gè)為 Rstart(i)+1，第4個(gè)為Rlast(i)－1，依次類推，直至本組最后一個(gè)針孔。

圖8 完整組行序分配示意

2.2.2 不完整組行序分配

如果存在不完整組，則不完整組即為第P組，含有元素個(gè)數(shù)為L。

(1)分配時(shí)先將第P組補(bǔ)充l=M－L個(gè)元素，使其成為完整組。補(bǔ)充算法為:

情形1:當(dāng)l≤L，順序檢索P組內(nèi)前l(fā)個(gè)元素，每檢索到一個(gè)P組元素，則在其后插入一個(gè)新元素，并標(biāo)記為分組號P;當(dāng)插入第l個(gè)新元素時(shí)結(jié)束。

情形2:當(dāng)l＞L時(shí)，先順序檢索前L個(gè)P組元素，按情形1的方法插入L個(gè)新元素，然后在最后插入的元素后面連續(xù)插入l－L個(gè)新元素，使第P組針孔個(gè)數(shù)與完整組個(gè)數(shù)相同。

(2)當(dāng)?shù)赑組補(bǔ)充成為完整組后，按完整組行序分配算法分配行序。行序分配范圍為Rstart～Rlast，其中 Rstart=(P －1)M+1，Rlast=PM。

(3)刪除步驟(1)中插入的新元素及分配的行序，則余下即為原非完整組的元素和行序。

2.3 針板生成

根據(jù)分配的行序和列序以及選擇的行距和列距，生成布針列針孔坐標(biāo)。設(shè)針板橫向列間距為a，縱向行間距為 b，某針孔i分配的行序?yàn)?Ri，列序?yàn)?Ci，該針孔坐標(biāo)記為(Xi，Yi)，則:

圖9為針板生成時(shí)的軟件配置界面，布針列有針孔總數(shù)45個(gè)，分組針孔數(shù)為8，共有5個(gè)完整組，1個(gè)非完整組，非完整組含有5個(gè)針孔。列序和行序分配情況如表1所示(以列序?yàn)轫樞蚺帕?，由此生成的針板圖如圖10所示。

圖9 針板參數(shù)選擇的軟件界面

圖10 生成的波浪形針板

3 針刺效果的模擬與手動(dòng)反饋調(diào)整

利用步進(jìn)量區(qū)間針跡圖的重復(fù)和擴(kuò)展，便可得到整個(gè)針板針刺效果圖，所以針刺效果模擬的關(guān)鍵是給出步進(jìn)量區(qū)間內(nèi)的針跡圖。假設(shè)步進(jìn)量為S，某針孔的坐標(biāo)為(X，Y)，則其針跡點(diǎn)在步進(jìn)量區(qū)間內(nèi)的坐標(biāo)(Xs，Ys)滿足 Xs=X，Ys=Y除以S的余數(shù)。通過軟件作圖的方法，可將所有針孔的針跡點(diǎn)在圖形界面上描繪出來，便可觀察步進(jìn)量針跡效果。

表1 波浪形針板行序列序分配表

上述針板的一個(gè)布針單元在步進(jìn)量S分別為3.1、3.6 和3.9 mm 區(qū)間的針跡圖見圖11，針板模擬針跡圖如圖12所示?？梢钥闯?，在S=3.6 mm時(shí)，步進(jìn)量針跡圖不均勻，針板針跡圖呈現(xiàn)魚鱗紋現(xiàn)象。要消除該魚鱗紋，可通過調(diào)整步進(jìn)量針跡圖中某些點(diǎn)的坐標(biāo)。如圖13所示，將該步進(jìn)量針跡圖中某些密集區(qū)域的針點(diǎn)向稀疏區(qū)移動(dòng)，可得到均勻針跡效果圖。這種移動(dòng)實(shí)質(zhì)是修改這些密集針跡對應(yīng)針孔在布針列中坐標(biāo)，通常只修改Y坐標(biāo)值，而保持X坐標(biāo)值不變。

圖11 步進(jìn)量針跡圖(放大效果)

圖12 針板模擬針跡圖

4 結(jié)語

針板布針?biāo)惴▽τ诜强椩旒夹g(shù)有著重要意義。本文對針板布針的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了討論，實(shí)現(xiàn)了波浪形針板的計(jì)算機(jī)自動(dòng)布針，并指出步進(jìn)量針跡圖的關(guān)鍵作用，通過圖形設(shè)計(jì)界面，對布針效果作出及時(shí)判斷和調(diào)整，為針板的自動(dòng)化設(shè)計(jì)提供了重要手段。在計(jì)算機(jī)軟件處理過程中，本算法后期又加入了針板鏡像、整體坐標(biāo)平移、針板列插入等處理，使針板設(shè)計(jì)更加靈活和豐富，針跡效果調(diào)整更加方便。本設(shè)計(jì)已在工業(yè)生產(chǎn)中得到初步應(yīng)用。

［1］馮學(xué)本.針刺法非織造布工藝技術(shù)與質(zhì)量控制［M］.中國紡織出版社，2008.

［2］范松林.非織造針刺機(jī)植針板的布針設(shè)計(jì)(上)［J］.北京紡織，2005(2):12-15.

［3］范松林.非織造針刺機(jī)植針板的布針設(shè)計(jì)(下)［J］.北京紡織，2005(3):14-15.

The computer design method and analysis of the nonwoven needle board

Xu Jian，Lu Yi
(Jiangsu Textile Machinery Engineering Research Center，Changshu Institute of Technology)

The computer design method of the nonwoven needle board was discussed，the needle board model was analyzed briefly.The design algorithm of the wave-like plate was demonstrated.It was pointed out that the needle point figure between the step area played an important role in needle-punching effect analysis and could adjust the needle-punching effect via it，and provided the important way for automatic design of needle board.

needle-punching machine，needle board，step distance，computer design

TS173.4+4

A

1004－7093(2011)11－0032－06

2011－06－20

徐健，男，1981年生，講師。主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的研究與開發(fā)工作。