基于ADAMS與MATLAB的新型針刺機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與聯(lián)合仿真研究

紀(jì)琦強(qiáng) 鐘曉勤 牛曉建 沈秀國(guó)

上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201418

針刺法是一種典型的機(jī)械固結(jié)加工方法。當(dāng)截面為三角形、棱邊帶倒鉤的刺針對(duì)纖維進(jìn)行反復(fù)穿刺加工時(shí)，刺針帶動(dòng)纖網(wǎng)中的纖維相互摩擦、纏結(jié)，最終形成具有一定強(qiáng)力和厚度的非織造布[1-2]。這種非織造布具有通透性好、過濾性能優(yōu)良等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于建筑、環(huán)保過濾、醫(yī)療和造紙毛毯等多領(lǐng)域[3]。

針刺機(jī)是生產(chǎn)針刺非織造布的核心設(shè)備。纖網(wǎng)的針刺固結(jié)主要由針刺機(jī)構(gòu)完成，而針刺頻率的高低將直接影響針刺設(shè)備的生產(chǎn)效率和非織造布的品質(zhì)[4]。

1 針刺機(jī)構(gòu)工作原理

針刺機(jī)構(gòu)是針刺機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，其主要由偏心輪、傳動(dòng)主軸、偏心連桿、從動(dòng)導(dǎo)向桿、針梁、針板和刺針等組成。剝網(wǎng)板、托網(wǎng)板與機(jī)架固定安裝。針刺機(jī)構(gòu)利用傳動(dòng)主軸帶動(dòng)偏心輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而通過偏心連桿帶動(dòng)針梁和針板做垂直方向上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)針板上的刺針穿刺纖網(wǎng)，從而加固纖網(wǎng)。針刺機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

1——偏心輪；2——傳動(dòng)主軸；3——偏心連桿；4——從動(dòng)導(dǎo)向桿；5——針梁；6——針板和刺針圖1 針刺機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意

2 一種新型針刺機(jī)構(gòu)

普通針刺機(jī)構(gòu)采用的單軸單驅(qū)動(dòng)偏心裝置只包含一組驅(qū)動(dòng)部件，這種機(jī)構(gòu)在水平和垂直方向上易產(chǎn)生不平衡力，且刺針穿刺非織造布產(chǎn)生的針刺力還會(huì)加劇托網(wǎng)板的彎曲變形，使設(shè)備和重要零部件產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲。工作頻率越高，振動(dòng)越明顯，最終非織造布的成型質(zhì)量受影響。因此，這種針刺機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速不宜過高，其針刺頻率一般不大于1 000刺/min[5]。

為了有效提高針刺機(jī)針刺頻率和托網(wǎng)板剛性，以及針刺機(jī)生產(chǎn)效率，本文設(shè)計(jì)了一種帶有單軸雙驅(qū)動(dòng)針板的新型針刺機(jī)構(gòu)，具體如圖2所示。新型針刺機(jī)構(gòu)由機(jī)架、電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、兩組偏心輪組件、傳動(dòng)主軸、剝網(wǎng)板和針刺組件等組成。

1——機(jī)架；2——電機(jī)；3——傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；4——偏心輪組件A；5——偏心輪組件B；6——傳動(dòng)主軸；7——?jiǎng)兙W(wǎng)板圖2 新型針刺機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意

新型針刺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩組偏心輪組件A和B，它們分別位于傳動(dòng)主軸的兩側(cè)，每組偏心輪組件分別與一針刺組件連接。電機(jī)安裝在機(jī)架上。電機(jī)工作時(shí)，電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)傳動(dòng)主軸上的兩組偏心輪組件運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)均布在針板上的兩組刺針交替進(jìn)行上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)可以起到動(dòng)平衡的補(bǔ)償作用。

新型針刺機(jī)構(gòu)采用了兩組刺針交替穿刺的工作方式，故其與普通單組刺針穿刺相比，在不改變針刺頻率的情況下，可有效減小托網(wǎng)板瞬間承受的針刺力，改善托網(wǎng)板承載部件的彎曲變形情況，提高托網(wǎng)板部件的剛性，延長(zhǎng)刺針的使用壽命，減輕針刺造成的振動(dòng)與沖擊，保障非織造布品質(zhì)。

3 針刺機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

基于機(jī)械設(shè)計(jì)的原理，將新型針刺機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為兩組偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，并對(duì)簡(jiǎn)化的機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，具體如圖3所示。圖3中，C1和C2為左側(cè)針梁的兩個(gè)極限位置，α為左曲柄與X軸正方向的夾角，β為左連桿與X軸正方向的夾角，ω1為曲柄的角速度，ω2為左連桿的角速度，v為左側(cè)針梁的速度，a為左側(cè)針梁的加速度，r為曲柄的長(zhǎng)度，l為連桿的長(zhǎng)度，d為針梁的偏置距離，h為傳動(dòng)主軸中心到左側(cè)針梁的垂直距離，s為左側(cè)針梁的行程(其中，C1C2為最大行程)。

德國(guó)科學(xué)家海爾曼·哈肯(Hermann Haken，1927～ )創(chuàng)立的協(xié)同學(xué)，也吸納了以整體思維為特征的中國(guó)古典哲學(xué)。哈肯說：“協(xié)同學(xué)含有中國(guó)基本思維的一些特點(diǎn)。事實(shí)上，對(duì)自然的整體理解是中國(guó)哲學(xué)的一個(gè)核心部分?！彼€指出：“事實(shí)上，對(duì)自然的整體理解是中國(guó)哲學(xué)的核心部分。在我看來，對(duì)此，西方文化卻始終沒有給予足夠的重視?！盵29]

圖3 針刺機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

3.1 位置分析

首先分析左側(cè)針梁的運(yùn)動(dòng)。利用矢量法[6]建立針刺機(jī)構(gòu)的位置方程，并改寫為復(fù)數(shù)矢量的形式：

(1)

應(yīng)用歐拉公式將式(1)展開并分離實(shí)部和虛部，得到：

(2)

求解方程組得到：

(3)

3.2 速度分析

將式(2)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)并轉(zhuǎn)化為矩陣的形式：

(4)

解得：

(5)

3.3 加速度分析

將式(4)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，得到加速度a的關(guān)系式：

(6)

解得：

(7)

同樣，依照上述方法可求出右側(cè)針梁的運(yùn)動(dòng)表達(dá)式：

(8)

式(8)中，h′、v′、a′ 、β′、ω2′分別為傳動(dòng)主軸中心到右側(cè)針梁的垂直距離、右側(cè)針梁的速度、右側(cè)針梁的加速度、右曲柄與X軸正方向的夾角、右連桿與X軸正方向的夾角、右連桿的角速度。

再依據(jù)針刺機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置r=0.020 m、l=0.248 m、d=0.050 m，以及ω1=1 000 r/min=6 000 °/s，利用MATLAB求解運(yùn)動(dòng)方程，繪制兩側(cè)針梁的位置、速度及加速度隨時(shí)間變化的曲線(圖4)。

圖4 兩側(cè)針梁位置、速度和加速度隨時(shí)間變化的曲線

從圖4可知：兩側(cè)針梁的運(yùn)動(dòng)曲線呈現(xiàn)周期性變化；兩側(cè)針梁相互交替運(yùn)動(dòng)，且由于偏置曲柄滑塊自身的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致兩側(cè)針梁運(yùn)動(dòng)不完全對(duì)稱，存在短暫的同方向運(yùn)動(dòng)。將曲線峰值和谷值進(jìn)行比對(duì)和計(jì)算發(fā)現(xiàn)，兩組針梁的行程皆為40.8 mm，速度極值皆為2.18 m/s和-2.11 m/s，加速度極值皆為207.07 m/s2和-241.45 m/s2。

因?yàn)樾滦歪槾虣C(jī)構(gòu)的曲柄與連桿的尺寸參數(shù)沒有改變，所以其與普通針刺機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)基本一致，這也證明了新型針刺機(jī)構(gòu)可以保持原有的針刺深度，兩組針刺部件都能達(dá)到相同的針刺效果，且兩組針梁的加速度方向相反，能夠起到良好的平衡效果，降低了對(duì)機(jī)構(gòu)的慣性沖擊。

4 針刺機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真

4.1 虛擬樣機(jī)模型的建立

運(yùn)用ADAMS機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析[7]。針刺機(jī)構(gòu)模型較為復(fù)雜，不易在ADAMS/View提供的建模平臺(tái)中直接建立精準(zhǔn)的虛擬樣機(jī)模型，因此本文將先利用NX構(gòu)建新型針刺機(jī)構(gòu)模型，導(dǎo)入ADAMS中并賦予各零部件材料屬性，再根據(jù)各零部件的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在運(yùn)動(dòng)部件之間創(chuàng)建合適的約束副。選取傳動(dòng)主軸與地面的旋轉(zhuǎn)副作為驅(qū)動(dòng)，并設(shè)置轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。新型針刺機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型如圖5所示。

圖5 新型針刺機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型

4.2 求解與后處理

對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)定仿真時(shí)間為0.15 s，機(jī)構(gòu)運(yùn)行2個(gè)周期，步數(shù)設(shè)置為200。運(yùn)算后進(jìn)入后處理模塊PostProcessor，得到兩側(cè)針梁的位置隨時(shí)間的變化曲線(圖6)。

圖6 ADAMS兩側(cè)針梁位置曲線

由仿真過程及結(jié)果可以看出，針刺機(jī)構(gòu)的兩側(cè)針梁運(yùn)動(dòng)均呈周期性變化，且運(yùn)動(dòng)行程為40.8 mm，與本文3.3節(jié)的理論分析結(jié)果一致，這也驗(yàn)證了虛擬樣機(jī)模型能夠真實(shí)反映單軸雙驅(qū)動(dòng)針板針刺機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，保障了模型的準(zhǔn)確性及針刺運(yùn)動(dòng)的可行性。

由于運(yùn)動(dòng)過程中，針刺機(jī)構(gòu)在X向上受到的慣性力影響非常小，因此本文只分析傳動(dòng)主軸在Y向和Z向上受到的慣性力情況。在新型針刺機(jī)構(gòu)仿真的結(jié)果中獲取傳動(dòng)主軸在Y向和Z向上慣性力的變化曲線，并對(duì)普通針刺機(jī)構(gòu)建模進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，最終得到兩種針刺機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)主軸在Y向和Z向上的慣性力比對(duì)曲線，具體如圖7所示。

圖7 新型針刺機(jī)構(gòu)和普通針刺機(jī)構(gòu)慣性力比對(duì)曲線

從圖7可以發(fā)現(xiàn)，與普通針刺機(jī)構(gòu)相比，新型針刺機(jī)構(gòu)傳動(dòng)主軸在Y向上的最大慣性力從16 084 N降為11 714 N，Z向上的最大慣性力從39 564 N降為13 083 N，分別降低了27.2%和66.9%。其中，新型針刺機(jī)構(gòu)Z向上的慣性力曲線也呈周期性變化，只是兩組針刺組件上下交替運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致其略有波動(dòng)。該研究結(jié)果進(jìn)一步證明了新型針刺機(jī)構(gòu)能夠顯著減小運(yùn)動(dòng)部件造成的不平衡慣性力，降低托網(wǎng)板上的針刺力作用，能取得較為滿意的平衡效果，改善托網(wǎng)板的彎曲變形，提高承載部件的剛性，降低針刺運(yùn)動(dòng)對(duì)針刺機(jī)造成的振動(dòng)和沖擊。

5 ADAMS和MATLAB聯(lián)合仿真

5.1 針刺機(jī)構(gòu)機(jī)械系統(tǒng)的建立

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)針刺機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速的控制，本文利用ADAMS和MATLAB進(jìn)行聯(lián)合仿真。聯(lián)合仿真時(shí)，需要在ADAMS中對(duì)虛擬樣機(jī)設(shè)置輸入與輸出變量。其中，輸入變量指從控制程序返回ADAMS的變量，也就是控制程序的輸出；輸出變量指從ADAMS/Controls模塊輸出到控制程序的變量，也就是控制程序的輸入。本文定義傳動(dòng)主軸上驅(qū)動(dòng)力矩為輸入變量，傳動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度與角加速度為輸出變量，再利用ADAMS/Controls模塊將控制信息導(dǎo)出并作為Simulink的一個(gè)子系統(tǒng)，完成后會(huì)生成三個(gè)后綴名分別為m、cmd、adm的文件[8-9]。在MATLAB中運(yùn)行后綴名為m的文件，利用adams_sys命令生成針刺機(jī)構(gòu)的機(jī)械虛擬樣機(jī)模型。

5.2 針刺機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的建立

PID 控制器由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。PID控制是目前最常用的一種控制方式。比例環(huán)節(jié)可加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度；積分環(huán)節(jié)可去除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；微分環(huán)節(jié)可控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有超前抑制的作用[10]。本文將PID控制器引入Matlab/Simulink中，建立了針刺機(jī)構(gòu)聯(lián)合仿真的控制系統(tǒng)(圖8)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)針刺機(jī)構(gòu)傳動(dòng)主軸轉(zhuǎn)速的控制，保證了針刺機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度，使針刺機(jī)構(gòu)能夠按照指定的頻率運(yùn)動(dòng)。其中，傳動(dòng)主軸的驅(qū)動(dòng)力矩：

(9)

式(9)中：T為傳動(dòng)主軸的驅(qū)動(dòng)力矩；e(t)為主軸目標(biāo)轉(zhuǎn)速值與實(shí)際轉(zhuǎn)速值的偏差；Kp、Kd和Ki分別為比例系數(shù)、微分系數(shù)及積分系數(shù)。

5.3 聯(lián)合仿真結(jié)果分析

定義仿真時(shí)間為2.00 s，采用ode45變步長(zhǎng)算法進(jìn)行計(jì)算，并將系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為Interactive可視化交互模式，以便在仿真過程中實(shí)時(shí)觀察針刺機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程。通過反復(fù)修改PID控制參數(shù)提高系統(tǒng)的控制性能，最后得到針刺機(jī)構(gòu)傳動(dòng)主軸的角速度變化情況，具體如圖9所示。

圖8 聯(lián)合仿真控制系統(tǒng)

圖9 傳動(dòng)主軸轉(zhuǎn)速控制曲線

圖9的仿真結(jié)果表明：傳動(dòng)主軸的實(shí)際角速度曲線與目標(biāo)角速度曲線基本一致；仿真針刺機(jī)構(gòu)在0.01 s左右就達(dá)到了預(yù)定6 000°/s的角速度，即轉(zhuǎn)速1 000 r/min，系統(tǒng)響應(yīng)較為迅速，超調(diào)量較小，振蕩微小。因此，新型針刺機(jī)構(gòu)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)，并通過調(diào)節(jié)和設(shè)定轉(zhuǎn)速參數(shù)使傳動(dòng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，從而滿足各類非織造布產(chǎn)品加工時(shí)對(duì)不同主軸轉(zhuǎn)速的需求。

6 結(jié)論

(1)本文設(shè)計(jì)了一種新型針刺機(jī)構(gòu)，通過構(gòu)建新型針刺機(jī)構(gòu)的三維裝配模型，并導(dǎo)入ADAMS軟件對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，證明了該新型針刺機(jī)構(gòu)具有可行性和穩(wěn)定性。

(2)與普通針刺機(jī)構(gòu)相比，新型針刺機(jī)構(gòu)能有效降低傳動(dòng)主軸上產(chǎn)生的不平衡慣性力，其Y向和Z向上的最大慣性力分別降低了27.2%和66.9%，平衡效果較好，托網(wǎng)板的彎曲變形情況得到改善，承載部件的剛性提高，針刺機(jī)的振動(dòng)和沖擊減小，這為高頻率針刺機(jī)的研制提供了依據(jù)。

(3)基于ADAMS和MATLAB建立了針刺機(jī)構(gòu)聯(lián)合仿真系統(tǒng)，其結(jié)果表明調(diào)節(jié)控制參數(shù)能使新型針刺機(jī)構(gòu)系統(tǒng)達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，這有利于提高針刺設(shè)備的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。