非织造针刺机针板的计算机设计方法及分析

徐 健 卢 怡

(常熟理工学院江苏省纺织机械工程研究中心，常熟，215500)

非织造针刺机针板的计算机设计方法及分析

徐 健 卢 怡

(常熟理工学院江苏省纺织机械工程研究中心，常熟，215500)

探讨了非织造针刺机针板的计算机设计方法，对针板设计模型作了简要分析;阐述了波浪形针板的设计算法，指出步进量区间针迹图在针刺效果分析中的重要作用，并通过获取步进量区间针迹图对针刺效果进行修正，为针板的自动化设计提供了重要手段。

针刺机，针板，步进量，计算机设计

针刺法非织造技术是以纤维为原料，利用针刺机刺针使纤维相互缠结，最后形成具有一定强度和厚度的针毡或非织造布的工艺方法。在针刺法工艺中，针板的布针及制造工艺参数对成品质量将产生重要影响。针板设计的总体目标是要使针刺后的布面针迹尽量达到均匀、杂乱，因而对针板的布针形式有一定的要求。针板设计的总体原则是针孔排布纵不成列，横不成行［1］，针孔排布方式杂乱交错，如波浪形针板。但是，因为针板布针形式和最终针刺效果之间并不存在必然联系，且针刺效果因步进量的不同而发生变化，这给针板设计带来了一定的难度，设计者往往很难快速了解一块针板的优劣。本文对针板的计算机设计方法进行研究，提出针板设计模型，实现波浪形针板的生成算法，并利用计算机编程，快速观察针刺仿真效果，同时借助于计算机图形交互界面，对最终的针刺效果做出直观修正，以达到针刺效果均匀的要求。

1 针板模型分析

1.1 布针单元

波浪形布针的针板形式如图1所示。可以看出，针板设计的关键在于第一列布针的排布，第一列设计完后，经过水平方向的平移扩展便成为其他布针列。用于平移扩展的布针列称为布针单元。图1(a)显示的是简单情况，即布针单元只含一个布针列的情形。一个布针单元也可以设计成含有多列，如图1(b)是一个含3个针列的布针单元(图中虚框)，整个针板由该布针单元平移扩展而来。为了达到针刺均匀且无重复点的效果，要求布针单元中的各针孔在水平方向(X方向)上的坐标和垂直方向(Y方向)的坐标各不相同。设计时，一般布针单元针孔水平坐标以列距为单位均匀增加，而垂直坐标以行距为间距递增。

1.2 有效布针区间

针板设计时应确定针板的有效布针区间及尺寸。根据针板纵向宽度、布针区间数目和各区间布针宽度等参数建立针板设计的基本尺寸，针板的有效布 针 宽 度 = 宽 度布针区间1+ 宽 度布针区间2+ 宽度布针区间3，如图2所示。根据实际情况，一般布针区间数目在3个以内，程序设计时针板的布针区间参数可通过图3的软件配置界面进行配置。常规的针板有两个布针区域，可以将区域3和间隔2的宽度设置为0。

图2 针板布针区间示意

图3 针板宽度软件配置界面

1.3 步进量区间及步进量针迹图

无论何种布针形式，针板设计的目的都是要让最终的针刺效果(针迹)显得均匀。步进量S(mm)与针刺频率f(刺/min)、出布速度v(m/min)存在以下关系［2-3］:

步进量是指在一定针刺频率和出布速度下，针板每刺一次布匹所移动的距离，这意味着针板上每一枚针都将在布面上以步进量为间距留下针迹，且各步进量区间内针迹图相同。因此，步进量区间的针迹均匀度决定着整个布面针迹的均匀度。

如图4所示，S为步进量，W为布针单元宽度，图中每一小格代表一个布针单元在步进量区间内留下的针迹，而整个针迹图为步进量区间针迹的重复扩展。因此，研究步进量区间的针迹效果是针板针刺效果调整的关键。

图4 步进量针迹示意

2 波浪形布针算法和针板生成

图5 波浪形布针列

波浪形布针为常用的针板形式，波浪形针板针孔排布弯曲有规则，形如波浪。如图5所示，布针单元中的一个布针列包含多个“波浪弯”。假设布针单元的某个布针列有N个针孔，以X方向投影为序，第 i个针孔作为一个点，其坐标记为(Xi，Yi)，则针孔排布时，首先要求不论在X方向还是Y方向均无重复坐标，即纵不成列，横不成行。假设将针孔以X方向为顺序依次编号(列序号)为1、2……N，则相应针孔Y方向行序号的分配是构成波浪形针板的关键。设计时，需经过针孔分组、行序分配和坐标生成等步骤。

2.1 针孔分组

针孔分组是为了合理确定生产波浪弯的具体针孔，具体分组算法如下。

2.1.1 选择“波浪弯”针孔数

选择构成波浪形针板的“波浪弯”针孔数，记为M，期望用M个针孔构成一个波浪弯。通常M应小于针孔总数N。

2.1.2 计算组数

2.1.3 设置分组标记

根据确定的分组数和每组个数，对所有N个针孔设立分组标记，进行实际分组。若某一针孔标记为i，则表示该点被分到第i组，i的取值范围为整数1～P。可以考虑以下两种情况:

情况一，所有组均为完整组，每组M个针孔，则满足N=PM。此时，从第1个针孔开始搜索，依次对未被标记的针孔循环标记1、2……P。这样，共需进行M次循环标记。图6显示的是P=4时的分组情况。

情况二，分组时存在1个非完整组，设非完整组含针孔数为L(L＜M)，则满足 N=(P－1)M+L。此时，可以先从N个针孔中随机或者等间隔将L个点标记为P，则剩下N－L个点可按情况一的算法顺序作分组标记。图7表示的是P=4，且含有非完整组(第4组)的分组情况。图7中每隔3个针孔标记一个非完整组，组号为4。

2.2 行号分配

分组完成后，就根据分组标记分配行序号。上述同一分组中的针孔列序号不是连续的，但行序号(Y方向)分配一般处于一个连续的区间。记第i组的起始行序为Rstart(i)，末行行序为Rlast(i)。行序分配算法如下。

2.2.1 完整组行序分配

(1)对完整组进行行序分配。从第1行开始，确定各完整组行序范围。分配给第i个完整组的行序号范围记为Rstart(i)～Rlast(i)，Rstart(i)为起始行序，满足Rstart(i)=(i－1)M+1，Rlast为末行的行序，满足Rlast=iM。

图6 P为4时的分组标记示意(均为完整组的情况)

图7 P为4时的分组标记示意(含1个非完整组的情况)

(2)顺序检索分组标记。当检索到该组第j个针孔时(j取值1～M)，若j为奇数，则该针孔分配行序Rstart(i)+(j－1)/2;若j为偶数，则分配行序Rlastt(i) －(j/2)+1。如图8所示，将第i组中检索到的第1个针孔分配行序Rstart(i)，第2个针孔分配为Rlast(i)，第3个为 Rstart(i)+1，第4个为Rlast(i)－1，依次类推，直至本组最后一个针孔。

图8 完整组行序分配示意

2.2.2 不完整组行序分配

如果存在不完整组，则不完整组即为第P组，含有元素个数为L。

(1)分配时先将第P组补充l=M－L个元素，使其成为完整组。补充算法为:

情形1:当l≤L，顺序检索P组内前l个元素，每检索到一个P组元素，则在其后插入一个新元素，并标记为分组号P;当插入第l个新元素时结束。

情形2:当l＞L时，先顺序检索前L个P组元素，按情形1的方法插入L个新元素，然后在最后插入的元素后面连续插入l－L个新元素，使第P组针孔个数与完整组个数相同。

(2)当第P组补充成为完整组后，按完整组行序分配算法分配行序。行序分配范围为Rstart～Rlast，其中 Rstart=(P －1)M+1，Rlast=PM。

(3)删除步骤(1)中插入的新元素及分配的行序，则余下即为原非完整组的元素和行序。

2.3 针板生成

根据分配的行序和列序以及选择的行距和列距，生成布针列针孔坐标。设针板横向列间距为a，纵向行间距为 b，某针孔i分配的行序为 Ri，列序为 Ci，该针孔坐标记为(Xi，Yi)，则:

图9为针板生成时的软件配置界面，布针列有针孔总数45个，分组针孔数为8，共有5个完整组，1个非完整组，非完整组含有5个针孔。列序和行序分配情况如表1所示(以列序为顺序排列)，由此生成的针板图如图10所示。

图9 针板参数选择的软件界面

图10 生成的波浪形针板

3 针刺效果的模拟与手动反馈调整

利用步进量区间针迹图的重复和扩展，便可得到整个针板针刺效果图，所以针刺效果模拟的关键是给出步进量区间内的针迹图。假设步进量为S，某针孔的坐标为(X，Y)，则其针迹点在步进量区间内的坐标(Xs，Ys)满足 Xs=X，Ys=Y除以S的余数。通过软件作图的方法，可将所有针孔的针迹点在图形界面上描绘出来，便可观察步进量针迹效果。

表1 波浪形针板行序列序分配表

上述针板的一个布针单元在步进量S分别为3.1、3.6 和3.9 mm 区间的针迹图见图11，针板模拟针迹图如图12所示。可以看出，在S=3.6 mm时，步进量针迹图不均匀，针板针迹图呈现鱼鳞纹现象。要消除该鱼鳞纹，可通过调整步进量针迹图中某些点的坐标。如图13所示，将该步进量针迹图中某些密集区域的针点向稀疏区移动，可得到均匀针迹效果图。这种移动实质是修改这些密集针迹对应针孔在布针列中坐标，通常只修改Y坐标值，而保持X坐标值不变。

图11 步进量针迹图(放大效果)

图12 针板模拟针迹图

4 结语

针板布针算法对于非织造技术有着重要意义。本文对针板布针的计算机设计方法进行了讨论，实现了波浪形针板的计算机自动布针，并指出步进量针迹图的关键作用，通过图形设计界面，对布针效果作出及时判断和调整，为针板的自动化设计提供了重要手段。在计算机软件处理过程中，本算法后期又加入了针板镜像、整体坐标平移、针板列插入等处理，使针板设计更加灵活和丰富，针迹效果调整更加方便。本设计已在工业生产中得到初步应用。

［1］冯学本.针刺法非织造布工艺技术与质量控制［M］.中国纺织出版社，2008.

［2］范松林.非织造针刺机植针板的布针设计(上)［J］.北京纺织，2005(2):12-15.

［3］范松林.非织造针刺机植针板的布针设计(下)［J］.北京纺织，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，讲师。主要从事计算机应用技术的研究与开发工作。