針織圓機(jī)電子選針控制方式研究

孫華平,梁佳璐,叢洪蓮

(1.常熟長(zhǎng)潤(rùn)智能科技有限公司，江蘇常熟 215511；2.江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心，江蘇無(wú)錫 214122)

隨著人們生活水平的提高，人們不斷對(duì)紡織面料，尤其是服裝面料的質(zhì)量、款式、色彩圖案和風(fēng)格等提出了新的要求，針織服裝產(chǎn)品趨于品種多樣化、個(gè)性化、時(shí)尚化和品牌化的方向發(fā)展，我國(guó)國(guó)內(nèi)的針織服裝面料的產(chǎn)品種類和總產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)機(jī)織產(chǎn)品[1]。針織圓機(jī)是生產(chǎn)針織服裝面料的主要設(shè)備，服裝面料市場(chǎng)的不斷變化，市場(chǎng)上的產(chǎn)品種類日新月異，為滿足市場(chǎng)的需求，針織電腦提花圓機(jī)也逐漸成為大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)的必備機(jī)種。

目前，隨著針織工藝技術(shù)及針織機(jī)制造技術(shù)的不斷改進(jìn)，針織提花圓機(jī)朝著高精、高效及高智能的方向發(fā)展，同時(shí)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的水平也在不斷提高，電子選針器正向著高精度、高反應(yīng)速度和高準(zhǔn)確度的方向發(fā)展[2]。電子選針控制系統(tǒng)就是將電子控制技術(shù)應(yīng)用于花型選針控制中，解析花型文件為具體的時(shí)序動(dòng)作，接受電信號(hào)控制并上下擺動(dòng)刀頭選針編織，具有編織花型花高不受限制、花型變換迅速、豐富產(chǎn)品種類、簡(jiǎn)化機(jī)械操作的優(yōu)點(diǎn)[3-5]。電子選針器通常采用兩種驅(qū)動(dòng)方式，即壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)方式和電磁線圈驅(qū)動(dòng)方式。壓電陶瓷有一個(gè)明顯的缺陷是“壓電陶瓷片易疲勞”，導(dǎo)致其壽命比較短，所以在國(guó)內(nèi)已基本不被采用；而電磁線圈被廣泛采用，但因其能耗大、發(fā)熱量高，從而影響到電子選針器長(zhǎng)時(shí)間工作的穩(wěn)定性，其使用壽命也因溫度高而受到影響。因此需要對(duì)現(xiàn)有的電子選針控制方式進(jìn)行研究和改進(jìn)。

1 電子選針控制系統(tǒng)

電子選針控制系統(tǒng)就是根據(jù)花型文件通過(guò)機(jī)器參數(shù)轉(zhuǎn)化為各個(gè)電子選針器的動(dòng)作值，通過(guò)一系列步驟將花紋意匠圖中的花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電子選針器可識(shí)別的選針數(shù)據(jù)，從而控制選針刀片進(jìn)行選針動(dòng)作，從而完成花型的電子提花過(guò)程[6-9]。具體的步驟如下圖1所示：

圖1 電子選針控制系統(tǒng)流程圖

針織圓機(jī)的電子選針控制系統(tǒng)主要包括嵌入式系統(tǒng)控制面板，接口驅(qū)動(dòng)板和電子選針器，三個(gè)部分依靠并行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)連接。嵌入式系統(tǒng)控制面板主要負(fù)責(zé)進(jìn)行花型文件的讀取與解析，系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置與保存。接口驅(qū)動(dòng)板將嵌入式系統(tǒng)控制面板發(fā)送的編織數(shù)據(jù)和編碼器采集到的地址數(shù)據(jù)合并形成控制信息，同時(shí)負(fù)責(zé)故障檢測(cè)和緊急停機(jī)控制。電子選針器主要負(fù)責(zé)根據(jù)控制信息將電信號(hào)換化為磁力從而使選針片采取相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)最后的選針目的。

2 電子選針器控制原理

在織物編織過(guò)程中，根據(jù)花型文件的設(shè)計(jì)，喂入編織系統(tǒng)的紗線可經(jīng)電子選針系統(tǒng)選擇在某些織針上升編織，而未被選擇的織針則處于工作低位進(jìn)行編織[10]。電子選針器控制的工作原理是通電時(shí)采用控制系統(tǒng)發(fā)出電信號(hào)指令使線圈內(nèi)鐵芯磁場(chǎng)不斷變化，帶動(dòng)選針片組件一端的選針刀作出選針動(dòng)作[11]。

每個(gè)電子選針器包括殼體、邏輯控制單元、線圈組合件和選針片組件，其中，線圈結(jié)合件與選針片組件一對(duì)一選針驅(qū)動(dòng)，選針片組件中還具有頭部伸出殼體的選針刀。如下圖2所示為電子選針器的結(jié)構(gòu)示意圖：

圖2 電子選針器的結(jié)構(gòu)示意圖

邏輯控制單元將由接口分配板發(fā)送的控制數(shù)據(jù)發(fā)送給線圈組合件，如果對(duì)線圈組合件輸出高電平(1)，即電磁線圈流入正向電流，則選針刀上擺處于工作狀態(tài)，選針刀再作用于相應(yīng)的提花片，使之壓入針槽而退出工作，則對(duì)應(yīng)的織針不參加編織；反之，如果對(duì)線圈組合件輸出低電平(0)，即電磁線圈流入反向電流，則選針刀下擺而回復(fù)到非工作狀態(tài)，則相應(yīng)的提花片不被壓入針槽，織針就被提花片頂起而參加編織[12]。

電子選針器具有工作穩(wěn)定、可靠性高、響應(yīng)快等特點(diǎn)[13]。但當(dāng)電子選針器內(nèi)的電磁線圈通電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，由于電壓和時(shí)間的雙重作用，電子選針器的發(fā)熱量會(huì)增加，這樣就會(huì)降低電子選針器的使用壽命。因此，可以從電壓幅值和通電時(shí)間兩個(gè)角度改善其發(fā)熱量，從而增加電子選針器的壽命。

3 電子選針器控制方式

電子選針器完成的動(dòng)作是將編織花型信息轉(zhuǎn)換為選針片的機(jī)械動(dòng)作，不同電子選針控制方式主要區(qū)別在于電子選針器內(nèi)部的電磁線圈兩端的電壓激勵(lì)方式不同。

3.1 全電壓控制方式

傳統(tǒng)的全電壓控制方式的電壓-時(shí)間圖如下圖3所示：

圖3 全電壓控制方式的電壓-時(shí)間圖

全電壓控制方式的選針過(guò)程中，電子選針器中的電磁線圈是由正向或反向的額定激勵(lì)電壓來(lái)進(jìn)行控制選針刀的選針?lè)较?。該控制方式使用的是長(zhǎng)時(shí)額定激勵(lì)電壓，電子選針器的電磁線圈處于長(zhǎng)時(shí)通電狀態(tài)，電子選針器的選針刀運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，選針準(zhǔn)確度高，同時(shí)該控制方式的電路相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低。

但是，該控制方式下的電磁線圈處于額定激勵(lì)電壓持續(xù)通電的狀態(tài)，隨著通電時(shí)間的增加，電子選針器的功耗增加，產(chǎn)生的熱量也會(huì)增加，從而影響電子選針器的工作穩(wěn)定性。同時(shí)也會(huì)減少電子選針器的使用壽命，在實(shí)際生產(chǎn)中還需要通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)器參數(shù)來(lái)改善電子選針器的散熱條件。

3.2 高低電壓控制方式

由于全電壓控制方式存在發(fā)熱量大，使用壽命短的問(wèn)題，可以通過(guò)降低電壓幅值的方法來(lái)對(duì)該控制方式進(jìn)行改善，即高低壓控制方式，其電壓-時(shí)間圖如下圖5所示：

圖4 高低壓控制方式的電壓-時(shí)間圖

高低壓控制方式的選針過(guò)程中，電子選針器中的電磁線圈也是通過(guò)正向或反向的電壓來(lái)進(jìn)行控制，只是由額定激勵(lì)電壓和低保持電壓兩部分組成。在信號(hào)切換初始時(shí)，電子選針器中的電磁線圈使用短時(shí)額定激勵(lì)電壓使其進(jìn)行快速有效的吸附動(dòng)作，之后切換到低保持電壓，且長(zhǎng)時(shí)處于低保持電壓狀態(tài)，保證電磁線圈處于穩(wěn)定的吸附狀態(tài)，直到新的切換信號(hào)輸入。雖然該控制方式下的電磁線圈處于長(zhǎng)時(shí)通電狀態(tài)，但是由于電壓幅值的平均值減小，使其功耗降低，也就降低了電磁線圈的發(fā)熱量，增加了電子選針器的使用壽命。

但是，該控制方式需要額外增加一組低保持電壓的供電電源，另外還需增加相應(yīng)的高低壓切換電路，從而導(dǎo)致成本的上升。

3.3 全電壓+持續(xù)PWM控制方式

降低電子選針器發(fā)熱量的方法還可以通過(guò)減少發(fā)熱時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以采用全電壓+持續(xù)PWM控制方式，其中PWM控制方式主要通過(guò)調(diào)節(jié)電磁線圈兩端電壓的占空比控制，也就是在一個(gè)周期內(nèi)，一部分時(shí)間通電，另一部分時(shí)間斷電，其中的通電時(shí)間與一個(gè)周期時(shí)間的比例也就是所謂的占空比。采用PWM控制后，電磁線圈的通電時(shí)間減少，其功耗也就相應(yīng)的降低，從而達(dá)到改善電子選針器發(fā)熱量的目的。全電壓+持續(xù)PWM控制方式的電壓-時(shí)間圖如下圖5所示：

圖5 全電壓+持續(xù)PWM控制控制方式的電壓-時(shí)間圖

當(dāng)選針信號(hào)發(fā)出時(shí)，短時(shí)額定激勵(lì)電壓激勵(lì)電子選針器中的電磁線圈進(jìn)行快速有效的吸附動(dòng)作，之后若輸入電信號(hào)的方向不發(fā)生變化，則一直采用PWM控制方式，通過(guò)間隔的PWM額定激勵(lì)電壓，保證電磁線圈處于穩(wěn)定的吸附狀態(tài)；若輸入電信號(hào)的方向發(fā)生改變，則產(chǎn)生相反方向的短時(shí)額定激勵(lì)電壓，改變選針電磁線圈的磁場(chǎng)方向，從而控制選針刀采取對(duì)應(yīng)的選針切換動(dòng)作。這種控制方式利用短時(shí)額定激勵(lì)電壓在電信號(hào)輸入時(shí)保證選針刀的選針位置準(zhǔn)確選針，利用PWM控制方式中的占空比使其功耗降低，從而減少電子選針器的發(fā)熱量，延長(zhǎng)電子選針器的使用壽命，同時(shí)采用額定激勵(lì)電壓幅值保證了選針動(dòng)作的準(zhǔn)確度。

該種控制方式也存在一定的不足，在電路中需要增加定時(shí)器來(lái)控制產(chǎn)生PWM電壓波形，這樣會(huì)增加控制系統(tǒng)的電路和成本。

為了驗(yàn)證該選針?lè)绞娇刂频碾娮舆x針器是否具有降低發(fā)熱量的作用，對(duì)采用全電壓控制方式控制的電子選針器和采用全電壓+持續(xù)PWM控制方式控制的電子選針器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為28.2 ℃的情況下，通電2 h后，電子選針器均達(dá)到了熱平衡狀態(tài)，每種電子選針器測(cè)試了5個(gè)樣品。最終得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表1所示：

表1 不同控制方式的電子選針器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

從上表中可以看出，采用全電壓控制方式的電子選針器溫度是45.5℃，采用全電壓+持續(xù)PWM控制方式的電子選針器溫度是38.7℃，后者的溫度比前者降低了6.8℃，說(shuō)明采用這種控制方式的電子選針器具有減少電子選針器的發(fā)熱量，降低能耗，延長(zhǎng)使用壽命的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

全電壓控制方式具有電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是其發(fā)熱量高，電子選針器使用壽命短。高低壓控制方式采用降低電壓幅值的方法降低了電子選針器的發(fā)熱量，延長(zhǎng)了電子選針器的使用壽命，但是由于實(shí)驗(yàn)條件限制不能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。全電壓+持續(xù)PWM控制方式通過(guò)減少發(fā)熱時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)降低電子選針器發(fā)熱量的目的，并通過(guò)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，說(shuō)明該方式可作為電子選針系統(tǒng)控制方式的優(yōu)選方案。