基于ADAMS與MATLAB的新型針刺機構的設計與聯合仿真研究

紀琦強 鐘曉勤 牛曉建 沈秀國

上海應用技術大學機械工程學院，上海 201418

針刺法是一種典型的機械固結加工方法。當截面為三角形、棱邊帶倒鉤的刺針對纖維進行反復穿刺加工時，刺針帶動纖網中的纖維相互摩擦、纏結，最終形成具有一定強力和厚度的非織造布[1-2]。這種非織造布具有通透性好、過濾性能優良等特點，現已廣泛應用于建筑、環保過濾、醫療和造紙毛毯等多領域[3]。

針刺機是生產針刺非織造布的核心設備。纖網的針刺固結主要由針刺機構完成，而針刺頻率的高低將直接影響針刺設備的生產效率和非織造布的品質[4]。

1 針刺機構工作原理

針刺機構是針刺機的關鍵機構，其主要由偏心輪、傳動主軸、偏心連桿、從動導向桿、針梁、針板和刺針等組成。剝網板、托網板與機架固定安裝。針刺機構利用傳動主軸帶動偏心輪同步轉動，繼而通過偏心連桿帶動針梁和針板做垂直方向上的往復運動，驅動針板上的刺針穿刺纖網，從而加固纖網。針刺機構結構示意如圖1所示。

1——偏心輪；2——傳動主軸；3——偏心連桿；4——從動導向桿；5——針梁；6——針板和刺針圖1 針刺機構結構示意

2 一種新型針刺機構

普通針刺機構采用的單軸單驅動偏心裝置只包含一組驅動部件，這種機構在水平和垂直方向上易產生不平衡力，且刺針穿刺非織造布產生的針刺力還會加劇托網板的彎曲變形，使設備和重要零部件產生較大的振動和噪聲。工作頻率越高，振動越明顯，最終非織造布的成型質量受影響。因此，這種針刺機構的轉速不宜過高，其針刺頻率一般不大于1 000刺/min[5]。

為了有效提高針刺機針刺頻率和托網板剛性，以及針刺機生產效率，本文設計了一種帶有單軸雙驅動針板的新型針刺機構，具體如圖2所示。新型針刺機構由機架、電機、傳動機構、兩組偏心輪組件、傳動主軸、剝網板和針刺組件等組成。

1——機架；2——電機；3——傳動機構；4——偏心輪組件A；5——偏心輪組件B；6——傳動主軸；7——剝網板圖2 新型針刺機構結構示意

新型針刺機構設計了兩組偏心輪組件A和B，它們分別位于傳動主軸的兩側，每組偏心輪組件分別與一針刺組件連接。電機安裝在機架上。電機工作時，電機通過傳動機構驅動傳動主軸轉動，并帶動傳動主軸上的兩組偏心輪組件運動，進而驅動均布在針板上的兩組刺針交替進行上下往復直線運動。這種運動可以起到動平衡的補償作用。

新型針刺機構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，可有效減小托網板瞬間承受的針刺力，改善托網板承載部件的彎曲變形情況，提高托網板部件的剛性，延長刺針的使用壽命，減輕針刺造成的振動與沖擊，保障非織造布品質。

3 針刺機構運動學分析

基于機械設計的原理，將新型針刺機構簡化為兩組偏置曲柄滑塊機構，并對簡化的機構進行運動學分析，具體如圖3所示。圖3中，C1和C2為左側針梁的兩個極限位置，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為左側針梁的速度，a為左側針梁的加速度，r為曲柄的長度，l為連桿的長度，d為針梁的偏置距離，h為傳動主軸中心到左側針梁的垂直距離，s為左側針梁的行程(其中，C1C2為最大行程)。

德國科學家海爾曼·哈肯(Hermann Haken，1927～ )創立的協同學，也吸納了以整體思維為特征的中國古典哲學。哈肯說：“協同學含有中國基本思維的一些特點。事實上，對自然的整體理解是中國哲學的一個核心部分?！彼€指出：“事實上，對自然的整體理解是中國哲學的核心部分。在我看來，對此，西方文化卻始終沒有給予足夠的重視?！盵29]

圖3 針刺機構運動簡圖

3.1 位置分析

首先分析左側針梁的運動。利用矢量法[6]建立針刺機構的位置方程，并改寫為復數矢量的形式：

(1)

應用歐拉公式將式(1)展開并分離實部和虛部，得到：

(2)

求解方程組得到：

(3)

3.2 速度分析

將式(2)對時間t求導并轉化為矩陣的形式：

(4)

解得：

(5)

3.3 加速度分析

將式(4)對時間t求導，得到加速度a的關系式：

(6)

解得：

(7)

同樣，依照上述方法可求出右側針梁的運動表達式：

(8)

式(8)中，h′、v′、a′ 、β′、ω2′分別為傳動主軸中心到右側針梁的垂直距離、右側針梁的速度、右側針梁的加速度、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。

再依據針刺機構的設計參數設置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求解運動方程，繪制兩側針梁的位置、速度及加速度隨時間變化的曲線(圖4)。

圖4 兩側針梁位置、速度和加速度隨時間變化的曲線

從圖4可知：兩側針梁的運動曲線呈現周期性變化；兩側針梁相互交替運動，且由于偏置曲柄滑塊自身的結構，導致兩側針梁運動不完全對稱，存在短暫的同方向運動。將曲線峰值和谷值進行比對和計算發現，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。

因為新型針刺機構的曲柄與連桿的尺寸參數沒有改變，所以其與普通針刺機構的運動參數基本一致，這也證明了新型針刺機構可以保持原有的針刺深度，兩組針刺部件都能達到相同的針刺效果，且兩組針梁的加速度方向相反，能夠起到良好的平衡效果，降低了對機構的慣性沖擊。

4 針刺機構動力學仿真

4.1 虛擬樣機模型的建立

運用ADAMS機械系統動力學分析軟件對機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析[7]。針刺機構模型較為復雜，不易在ADAMS/View提供的建模平臺中直接建立精準的虛擬樣機模型，因此本文將先利用NX構建新型針刺機構模型，導入ADAMS中并賦予各零部件材料屬性，再根據各零部件的實際運動狀態，在運動部件之間創建合適的約束副。選取傳動主軸與地面的旋轉副作為驅動，并設置轉速為1 000 r/min。新型針刺機構的虛擬樣機模型如圖5所示。

圖5 新型針刺機構虛擬樣機模型

4.2 求解與后處理

對仿真參數進行設置。設定仿真時間為0.15 s，機構運行2個周期，步數設置為200。運算后進入后處理模塊PostProcessor，得到兩側針梁的位置隨時間的變化曲線(圖6)。

圖6 ADAMS兩側針梁位置曲線

由仿真過程及結果可以看出，針刺機構的兩側針梁運動均呈周期性變化，且運動行程為40.8 mm，與本文3.3節的理論分析結果一致，這也驗證了虛擬樣機模型能夠真實反映單軸雙驅動針板針刺機構的運動特性，保障了模型的準確性及針刺運動的可行性。

由于運動過程中，針刺機構在X向上受到的慣性力影響非常小，因此本文只分析傳動主軸在Y向和Z向上受到的慣性力情況。在新型針刺機構仿真的結果中獲取傳動主軸在Y向和Z向上慣性力的變化曲線，并對普通針刺機構建模進行動力學仿真，最終得到兩種針刺機構的傳動主軸在Y向和Z向上的慣性力比對曲線，具體如圖7所示。

圖7 新型針刺機構和普通針刺機構慣性力比對曲線

從圖7可以發現，與普通針刺機構相比，新型針刺機構傳動主軸在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，新型針刺機構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動會導致其略有波動。該研究結果進一步證明了新型針刺機構能夠顯著減小運動部件造成的不平衡慣性力，降低托網板上的針刺力作用，能取得較為滿意的平衡效果，改善托網板的彎曲變形，提高承載部件的剛性，降低針刺運動對針刺機造成的振動和沖擊。

5 ADAMS和MATLAB聯合仿真

5.1 針刺機構機械系統的建立

為了實現對針刺機構轉速的控制，本文利用ADAMS和MATLAB進行聯合仿真。聯合仿真時，需要在ADAMS中對虛擬樣機設置輸入與輸出變量。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。本文定義傳動主軸上驅動力矩為輸入變量，傳動主軸轉動角速度與角加速度為輸出變量，再利用ADAMS/Controls模塊將控制信息導出并作為Simulink的一個子系統，完成后會生成三個后綴名分別為m、cmd、adm的文件[8-9]。在MATLAB中運行后綴名為m的文件，利用adams_sys命令生成針刺機構的機械虛擬樣機模型。

5.2 針刺機構控制系統的建立

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。比例環節可加快系統的響應速度；積分環節可去除系統的穩態誤差；微分環節可控制系統的穩定性，具有超前抑制的作用[10]。本文將PID控制器引入Matlab/Simulink中，建立了針刺機構聯合仿真的控制系統(圖8)，實現了對針刺機構傳動主軸轉速的控制，保證了針刺機構的運動精度，使針刺機構能夠按照指定的頻率運動。其中，傳動主軸的驅動力矩：

(9)

式(9)中：T為傳動主軸的驅動力矩；e(t)為主軸目標轉速值與實際轉速值的偏差；Kp、Kd和Ki分別為比例系數、微分系數及積分系數。

5.3 聯合仿真結果分析

定義仿真時間為2.00 s，采用ode45變步長算法進行計算，并將系統參數設置為Interactive可視化交互模式，以便在仿真過程中實時觀察針刺機構的運動過程。通過反復修改PID控制參數提高系統的控制性能，最后得到針刺機構傳動主軸的角速度變化情況，具體如圖9所示。

圖8 聯合仿真控制系統

圖9 傳動主軸轉速控制曲線

圖9的仿真結果表明：傳動主軸的實際角速度曲線與目標角速度曲線基本一致；仿真針刺機構在0.01 s左右就達到了預定6 000°/s的角速度，即轉速1 000 r/min，系統響應較為迅速，超調量較小，振蕩微小。因此，新型針刺機構系統能夠實現快速響應，并通過調節和設定轉速參數使傳動主軸轉速達到目標轉速，從而滿足各類非織造布產品加工時對不同主軸轉速的需求。

6 結論

(1)本文設計了一種新型針刺機構，通過構建新型針刺機構的三維裝配模型，并導入ADAMS軟件對該機構進行動力學分析，證明了該新型針刺機構具有可行性和穩定性。

(2)與普通針刺機構相比，新型針刺機構能有效降低傳動主軸上產生的不平衡慣性力，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，托網板的彎曲變形情況得到改善，承載部件的剛性提高，針刺機的振動和沖擊減小，這為高頻率針刺機的研制提供了依據。

(3)基于ADAMS和MATLAB建立了針刺機構聯合仿真系統，其結果表明調節控制參數能使新型針刺機構系統達到目標轉速，這有利于提高針刺設備的生產效率，降低生產成本。