硬質(zhì)緯編織簾織機(jī)卷取送經(jīng)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

高志剛，劉磊磊，王 勇，徐 陽

（1.江南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，無錫 214000；2.江蘇友誠(chéng)數(shù)控科技有限公司，泰州 225300）

0 引言

自然材料編織簾（以下簡(jiǎn)稱編織簾），主要由相互垂直的一組（或多組）經(jīng)向紗線和一組（或多組）緯向物料通過一定的規(guī)律編織而成[1]。這種編織簾與普通布簾的不同之處在于其緯向原料不是普通的紡織用柔軟紗線，而是純天然的竹絲、竹片、麻繩、草辮等硬質(zhì)物料（以下稱緯料）。常用竹絲的直徑約為2～3mm，長(zhǎng)度約為3m；竹片的寬度約為6～7mm，長(zhǎng)度約為3m；麻繩直徑約為5mm，長(zhǎng)度約為3m。典型編織簾產(chǎn)品的樣圖如圖1所示。

其中圖1(a)所示編織簾緯料為竹片和竹絲結(jié)合；

圖1(b)所示編織簾緯料為麻繩和草辮結(jié)合；

圖1(c)所示編織簾緯料為竹絲、波浪草繩和普通草繩結(jié)合；

圖1(d)所示編織簾緯料為竹絲和草辮結(jié)合。

編織簾外觀效果主要體現(xiàn)在每緯緯料的選用，通常是多種緯料結(jié)合編織，品種多樣，風(fēng)格各異，現(xiàn)用編織簾織機(jī)上的卷取送經(jīng)機(jī)構(gòu)為消極式的機(jī)械結(jié)構(gòu)[2,3]，因?yàn)榫幙椇熅暳蠈儆谟操|(zhì)物料，不同于普通紡織紗線，以及相鄰緯料寬度變化可能較大，導(dǎo)致現(xiàn)用機(jī)械式卷取送經(jīng)機(jī)構(gòu)無法準(zhǔn)確達(dá)到實(shí)際需要的每緯卷取量，出現(xiàn)緯密的精確度低、經(jīng)紗張力波動(dòng)較大且變化不勻、下機(jī)織物起折等問題[4]，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的外觀效果。針對(duì)編織簾織機(jī)面臨的問題，本文采用了伺服控制技術(shù)、檢測(cè)傳感技術(shù)，設(shè)計(jì)了符合實(shí)際要求的電子卷取送經(jīng)系系。電子卷取送經(jīng)系系很好的實(shí)現(xiàn)了變化緯密的織造要求，同時(shí)伺服電機(jī)的高速性與精確性適合本類產(chǎn)品緯密變化范圍較大的特點(diǎn)[5,6]，大大減少了人工操作帶來的誤差，提高了織機(jī)的自動(dòng)化水平，使產(chǎn)品緯料間距更加均勻，表面更加平整。

圖1 自然材料編織簾

1 編織簾織機(jī)機(jī)械式卷取送經(jīng)機(jī)構(gòu)

1.1 工作原理

編織簾織機(jī)機(jī)械式卷取送經(jīng)機(jī)構(gòu)都屬于消極式的，即主要是筘座腳的擺動(dòng)間接帶動(dòng)卷取送經(jīng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)而達(dá)到目的，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 機(jī)械式卷取送經(jīng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

卷取機(jī)構(gòu)的主要由卷取棘爪、棘輪、張力彈簧、卷取輥組成。卷取棘爪為3個(gè)，棘輪為50齒，且棘爪的爪距為1/3齒距[7]。受到機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的限制，棘輪的最小回轉(zhuǎn)量為1/3齒，最大回轉(zhuǎn)量約為1齒，所以其緯密范圍大概為12～35根/10cm。卷取機(jī)構(gòu)受力分析如圖3所示，工作原調(diào)是：當(dāng)織入一根緯料的時(shí)候，當(dāng)筘座腳向機(jī)后擺動(dòng)時(shí)，固定于連桿上的限位塊受到抵壓，從而使張力彈簧被拉伸，連桿隨之向后運(yùn)動(dòng)，連桿以棘輪中心為旋轉(zhuǎn)中心順時(shí)針擺過一定角度，此時(shí)卷取棘爪在棘輪表面滑過；當(dāng)筘座腳向前擺動(dòng)，張力彈簧發(fā)生收縮，連桿在彈簧回復(fù)力F的作用下向前逆時(shí)針擺過一定角度，由杠桿原調(diào)可知，作用到卷取棘爪的轉(zhuǎn)動(dòng)力為F'，卷取棘爪此時(shí)接觸棘輪；鋼筘繼續(xù)向前推進(jìn)緯料，打緯阻力顯著增加，使得經(jīng)紗和緯料一起運(yùn)動(dòng)，這樣經(jīng)紗就會(huì)從經(jīng)軸上退繞下來，卷取輥受到的卷取阻力T就會(huì)突然減小很多，此時(shí)卷取棘爪在彈簧回復(fù)力F的作用下?lián)蝿?dòng)棘輪發(fā)生同向轉(zhuǎn)動(dòng)，棘輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)同軸卷取輥同向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將形成的織物引離織口；當(dāng)筘座腳再次向后擺動(dòng)時(shí)，防退棘爪起到防止棘輪反轉(zhuǎn)的作用，確保織物的緯密符合要求。

圖3 卷取機(jī)構(gòu)受力分析圖

送經(jīng)機(jī)構(gòu)的經(jīng)紗張力的調(diào)節(jié)主要是通過人工調(diào)節(jié)經(jīng)軸一端安裝的機(jī)械式阻尼器。打緯過程中，鋼筘向前移動(dòng)，緯紗對(duì)經(jīng)紗產(chǎn)生的摩擦力顯著增加，即打緯阻力顯著增加。當(dāng)打緯阻力大于經(jīng)紗張力與織物張力之差時(shí)，克服經(jīng)軸一端阻尼器產(chǎn)生的阻力，使得經(jīng)軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，送出一定量的經(jīng)紗，經(jīng)紗和緯料一起移動(dòng)，結(jié)果經(jīng)紗因被拉伸而產(chǎn)生伸長(zhǎng)，經(jīng)紗張力增加，同時(shí)織物回縮，張力下降，便于卷取[8]。

1.2 不足之處

1）緯密的調(diào)節(jié)不精確

結(jié)合圖3，根據(jù)工藝要求，對(duì)卷取機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的調(diào)論分析如下：

假設(shè)織物緯密為Pw，則：

式中：Δx為彈簧實(shí)際收縮量；

L1為長(zhǎng)桿長(zhǎng)度；

R1為卷取輥半徑。

棘輪受到的力：

式中：F'11為棘輪受到的力;

k為彈簧的彈性系數(shù)；

L1為長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度；

L2為短桿的長(zhǎng)度；

x0為彈簧初始伸長(zhǎng)長(zhǎng)度；

s為限位塊的動(dòng)程；

Δx為彈簧實(shí)際收縮量；

θ1為棘爪與短連桿旋轉(zhuǎn)方向的夾角；

θ2為棘爪與棘輪旋轉(zhuǎn)切向的夾角。

結(jié)合以上兩式得，棘輪受到的撐力：

從上式可以得出：

（1）當(dāng)緯密Pw一定的情況下，棘爪對(duì)棘輪的撐力F'11與彈簧的初始伸長(zhǎng)x0成正比關(guān)系，即與限位塊所處的位置有關(guān)。當(dāng)限位塊越靠近C點(diǎn)一端時(shí)，彈簧的初始伸長(zhǎng)x0越大，彈力收縮的回復(fù)力F越大，卷繞速度越快。

比如，織機(jī)筘座腳擺動(dòng)的角度和所用時(shí)間是一定的，當(dāng)編織簾中有較寬的竹片或草辮的時(shí)候，卷取機(jī)構(gòu)需要在筘座腳擺動(dòng)到最機(jī)前位置時(shí)剛好完成卷取過程，此時(shí)就需要彈簧的回復(fù)力F較大，可以快速地將形成的織物引離織口。因?yàn)樾枰^大的彈簧回復(fù)力F，根據(jù)上述結(jié)論a可以得出需要增加彈簧初始伸長(zhǎng)x0的長(zhǎng)度，即限位塊需相對(duì)靠近C點(diǎn)位置，使得筘座腳位于最機(jī)前位置時(shí)，彈簧處于拉伸層態(tài)，筘座腳位于最機(jī)后位置時(shí)，彈簧有大于或等于筘座腳擺動(dòng)的加速度，保證織物可以及時(shí)被卷離織口。另外，在織造過程中，會(huì)出現(xiàn)卷取開始時(shí)有一段閥撐動(dòng)程的情況，這樣可能造成緯密Pw誤差，而當(dāng)卷取運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，棘輪會(huì)發(fā)生回轉(zhuǎn)，如果防退棘爪沒有及時(shí)的防止棘輪回轉(zhuǎn)，那么棘輪就會(huì)回轉(zhuǎn)一定動(dòng)程，棘輪回轉(zhuǎn)，織物張力變小，緯密變大，此時(shí)就需要防退棘爪在一個(gè)合適的位置來阻止棘輪的回轉(zhuǎn)，同時(shí)需要調(diào)節(jié)限位塊的初始位置，增加彈簧回復(fù)力，保證棘爪有足夠的撐動(dòng)時(shí)間和動(dòng)程以及為棘輪回轉(zhuǎn)留有一定余量，二者配合使得織物的緯密更加均勻。

（2）當(dāng)緯密變化時(shí)，為了滿足標(biāo)準(zhǔn)的緯密要求，彈簧的初始伸長(zhǎng)x0需要不斷的調(diào)整。

由于一種編織簾的緯料變化多樣，而且同種緯料在編織過程中會(huì)發(fā)生形變，使得每緯的送經(jīng)量和卷取量是不固定的，結(jié)合其工作原調(diào)可知卷取棘爪每次滑過棘輪的落點(diǎn)是不確定的，所以限位塊初始位置和防退棘爪位置的設(shè)定都只能通過操作工的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來判斷、調(diào)節(jié)，使得彈簧的回復(fù)力可以基本滿足不同緯料的要求，這就會(huì)導(dǎo)致織物緯密不勻的現(xiàn)象，影響織物外觀效果。而且，對(duì)于某一品種產(chǎn)品的織機(jī)，因?yàn)榫砣C(jī)構(gòu)是機(jī)械式的運(yùn)動(dòng)方式，不能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確調(diào)整，所以只適用于類似的緯料，易出現(xiàn)緯密誤差。如果需要編織不同的緯料的織物，則需要重新更換彈簧或者調(diào)節(jié)限位塊位置、防退棘爪位置以及送經(jīng)阻尼器的壓力大小，為生產(chǎn)帶來麻煩。

2）器件易磨損老化，使用壽命短

由于長(zhǎng)期的使用，張力彈簧的彈性系數(shù)會(huì)逐漸減小，彈簧在每次拉伸相同的情況下，其回復(fù)力逐漸減小，影響連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及棘爪撐動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)的作用力；棘爪因與棘輪接觸面積小使得接觸應(yīng)力較大，導(dǎo)致其耐磨性變差，使用壽命短，嚴(yán)重影響織機(jī)的實(shí)際卷取量，增加成本。

3）送經(jīng)張力調(diào)節(jié)不精確

織機(jī)的送經(jīng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，誤差大，送經(jīng)張力的調(diào)節(jié)主要是靠織軸上安裝的阻尼器。機(jī)修工人預(yù)先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷所需經(jīng)紗張力的大小，然后調(diào)節(jié)設(shè)定阻尼器的位置與高度，經(jīng)過多次對(duì)成品織物的對(duì)比，來確定某種產(chǎn)品的實(shí)際所需經(jīng)紗張力，實(shí)際的比較、記錄也是通過目測(cè)法來實(shí)現(xiàn)，完全憑經(jīng)驗(yàn)操作，沒有準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的依據(jù)，導(dǎo)致同種產(chǎn)品的差異性大。

2 電子卷取與送經(jīng)機(jī)構(gòu)

2.1 控制系統(tǒng)硬件及工作原理

針對(duì)現(xiàn)用編織簾編織機(jī)使用的機(jī)械式卷取送經(jīng)機(jī)構(gòu)制在的問題，本文設(shè)計(jì)了一種電子卷取送經(jīng)系系，調(diào)節(jié)精確方便。主要分為電子卷取系系和電子送經(jīng)系系，其系系控制圖如圖4所示。

圖4 電子卷取送經(jīng)系統(tǒng)控制圖

電子卷取控制系系主要由伺服驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)鏈輪和卷取軸光電編碼器組成。由于編織簾的緯密變化范圍大，卷取伺服電機(jī)的速度不適合勻速，所以本系系在卷取輥上外加了編碼器，保證伺服電機(jī)速度變化的準(zhǔn)確性；另外，預(yù)先根據(jù)織造工藝輸入變化的緯密程列，軟件會(huì)將其轉(zhuǎn)換成卷取量數(shù)據(jù)列表，通過主控制器單片機(jī)設(shè)置的數(shù)據(jù)輸入接口傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)[9,10]，然后命令伺服驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行相應(yīng)的卷取量。其工作原調(diào)是：首先，織機(jī)打緯主軸帶動(dòng)四連桿打緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)從而使筘座腳發(fā)生擺動(dòng)，形成打緯；其次，當(dāng)主軸光電編碼器將打緯主軸處于位置角為0°（即前死心位置）的信息傳遞給單片機(jī)主控制器時(shí)，開始打緯，此時(shí)主控制器同時(shí)啟動(dòng)卷取伺服電機(jī)，通過鏈輪傳動(dòng)系系轉(zhuǎn)動(dòng)卷取輥，當(dāng)打緯主軸運(yùn)動(dòng)到180°（即后死心位置）之前，卷取軸上的光電編碼器將卷取軸轉(zhuǎn)過的角度信號(hào)反饋到主控制器，最后主控制器再控制卷取伺服電機(jī)適時(shí)停止，實(shí)現(xiàn)閉閉控制，完成一次卷取。

電子送經(jīng)控制系系經(jīng)紗張力信號(hào)采集系系、信號(hào)處調(diào)和控制系系、織軸放送裝置。在織機(jī)工作的時(shí)候，經(jīng)紗張力會(huì)受開口、打緯、緯密、織軸直徑、織機(jī)速度和張力設(shè)定值等多種非線性因素的影響，電子送經(jīng)系系的張力檢測(cè)系系采用應(yīng)力傳感器信號(hào)檢測(cè)采集方式以及雙后梁的結(jié)構(gòu)，經(jīng)紗主要通過固定后梁、活動(dòng)后梁等進(jìn)入織口，這樣經(jīng)紗在活動(dòng)后梁上形成的包角相對(duì)穩(wěn)定，可以避免經(jīng)軸從滿軸到閥軸的影響，同時(shí)增加了經(jīng)紗張力的穩(wěn)定性[11,12]。張力檢測(cè)系系通過應(yīng)力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)紗線張力變化，并及時(shí)將變化信號(hào)反饋到主控制器進(jìn)行處調(diào)，與預(yù)先設(shè)定的張力給定值進(jìn)行比較, 根據(jù)張力偏差來調(diào)節(jié)送經(jīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，形成一次閉閉控制，另外伺服驅(qū)動(dòng)器通過光電編碼器獲得伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息, 以速度反饋控制方式達(dá)到速度的高精度控制要求，二重反饋閉閉控制，達(dá)到保持經(jīng)紗張力穩(wěn)定的目的。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系系軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，分為主控程程、張力調(diào)節(jié)程程、工作程程、CAN總線通訊子程程4個(gè)模塊。主控程程的功能是對(duì)系系進(jìn)行初始化，并根據(jù)織機(jī)主控系系的要求調(diào)用功能子模塊；張力調(diào)節(jié)程程是在織機(jī)工作開始之前和之后，建立和放松經(jīng)紗張力，達(dá)到預(yù)先設(shè)定的張力值；工作程程是系系的核心程程的主要作用是在織機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下完成卷取送經(jīng)運(yùn)動(dòng)的控制，其卷取、送經(jīng)控制系系框圖分別如圖5、圖6所示，它首先根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速、緯密的預(yù)設(shè)值計(jì)算出卷取電機(jī)的基本轉(zhuǎn)速以及根據(jù)經(jīng)軸直徑變化計(jì)算出送經(jīng)電機(jī)的基本轉(zhuǎn)速，然后再結(jié)合卷取軸編碼器反饋的信號(hào)重新調(diào)整卷取電機(jī)轉(zhuǎn)速以及根據(jù)應(yīng)力傳感器測(cè)得的張力變化值，采用特定算法計(jì)算出補(bǔ)償量，最后，綜合兩者的結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)送經(jīng)和卷取電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。CAN總線通訊子程程的作用主要是在初始化階段，接收主控CPU對(duì)卷取送經(jīng)運(yùn)動(dòng)一些運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置；在織機(jī)運(yùn)行中，向主控CPU傳輸張力值，使其可以對(duì)上機(jī)張力進(jìn)行監(jiān)控。

圖5 卷取控制系統(tǒng)框圖

2.3 緯密范圍計(jì)算

以下是緯密計(jì)算方法：

圖6 送經(jīng)控制系統(tǒng)框圖

織機(jī)主軸回轉(zhuǎn)一周（織入一緯）所對(duì)應(yīng)的織物卷取長(zhǎng)度：

式中：L為每織入一緯對(duì)應(yīng)的織物卷取長(zhǎng)度，mm；

n1為卷取伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；

t為主軸回轉(zhuǎn)一周所用時(shí)間，s；

D為卷取軸的直徑，mm。

在經(jīng)過改進(jìn)的編織簾劍桿織機(jī)中，主軸平均轉(zhuǎn)速n主=100r/min，轉(zhuǎn)一圈所用時(shí)間t=0.6s，卷取軸的直徑D=130mm，當(dāng)卷取伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)n1=2500r/min，可得到每緯最大卷取量Lmax=2552mm。

卷取軸上裝有測(cè)量角度的10位絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器，其分辨率角度為0.351°，即可測(cè)的最小角度，當(dāng)卷取軸在t/2內(nèi)轉(zhuǎn)過0.351°時(shí)，其卷取織物長(zhǎng)度Lmin=0.006mm。

2.4 送經(jīng)長(zhǎng)度范圍計(jì)算

送經(jīng)傳動(dòng)輪系由齒輪、蝸輪、蝸桿和減速機(jī)構(gòu)組成，如圖5所示，裝置的傳動(dòng)比為i=3248:1。

圖7 送經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)

送經(jīng)長(zhǎng)度計(jì)算公式：

式中：L'為送出的經(jīng)紗長(zhǎng)度，mm；

n2為送經(jīng)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；

t'為織入一緯所用時(shí)間，s；

i為裝置的傳動(dòng)比；

D'為經(jīng)軸直徑，mm。

送經(jīng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速且經(jīng)軸為閥軸的時(shí)候，送經(jīng)量為最大，即n2=3000r/min，D'=100mm，t'=2s時(shí)，L'max=9.677mm；當(dāng)電機(jī)在允許范圍內(nèi)過載1.2倍，n2=3600r/min，L'max=11.607mm。因?yàn)樗欧姍C(jī)轉(zhuǎn)速可以無限趨近于零，所以送經(jīng)量可以滿足0～L'max。

3 結(jié)束語

通過對(duì)現(xiàn)用編織簾編織機(jī)械卷取送經(jīng)機(jī)構(gòu)缺陷的分析，針對(duì)其每緯卷取量不定、控制不精確、器件易磨損、自動(dòng)化水平低等問題，本文設(shè)計(jì)了符合實(shí)際需要的電子卷取送經(jīng)系系。結(jié)合改進(jìn)后的電子卷取送經(jīng)系系的相關(guān)緯密和送經(jīng)長(zhǎng)度范圍的計(jì)算可看出本系系適合大范圍變化緯密的編織簾的織造；采用成熟的伺服控制技術(shù)以及光電編碼器對(duì)角度信號(hào)的精確采集，可以近似達(dá)到無級(jí)調(diào)節(jié)，而且可以恒定經(jīng)紗張力，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量；同時(shí)，緯密的改變只需預(yù)先通過人機(jī)界面直接輸入制儲(chǔ)，方便準(zhǔn)確，減少了人工調(diào)試的誤差，提高生產(chǎn)效率。

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