五通道數(shù)控環(huán)錠紡紗系統(tǒng)構(gòu)建及紡制花式紗機(jī)制分析

武 臣，薛 元，高林郁，李增潤(rùn)，劉曰興，王立強(qiáng)

(1.江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.經(jīng)緯智能紡織機(jī)械有限公司，山西 晉中 030601；3.愉悅家紡有限公司，山東 濱州 256623)

五通道數(shù)控環(huán)錠紡紗系統(tǒng)將不同原料或不同顏色的5根粗紗作為喂入對(duì)象，經(jīng)異步牽伸、交替組合、梯度配比、混合加捻的工序，可紡制出形態(tài)、色彩和結(jié)構(gòu)時(shí)序變化的紗線，如混色紗、段彩紗、漸變紗、竹節(jié)紗、段彩竹節(jié)紗以及雙漸變紗等，再通過后期織造工藝形成特殊的布面效果，是柔性化紡紗工藝技術(shù)的一大特色。

本文研究?jī)?nèi)容主要有五通道數(shù)控環(huán)錠紡紗系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、紡紗原理、紡紗機(jī)制，以及多通道紡紗混色模式與混色色譜，是對(duì)柔性化紡紗技術(shù)的補(bǔ)充，可為柔性化紡紗的發(fā)展提供參考。

1 五通道數(shù)控環(huán)錠紡紗系統(tǒng)的構(gòu)建

通過構(gòu)建9軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)組成機(jī)電一體化的五通道數(shù)控環(huán)錠紡紗系統(tǒng)，其主要由紡紗機(jī)械系統(tǒng)、紡紗控制系統(tǒng)和紡紗伺服系統(tǒng)構(gòu)成。紡紗機(jī)械系統(tǒng)是細(xì)紗機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括五通道異步牽伸機(jī)構(gòu)、加捻機(jī)構(gòu)和卷繞成型機(jī)構(gòu)。紡紗控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)觸摸屏、下位機(jī)及控制程序組成，根據(jù)工藝要求對(duì)9軸聯(lián)動(dòng)的紡紗系統(tǒng)實(shí)施協(xié)同控制。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由與各執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)的伺服電動(dòng)機(jī)、變頻電動(dòng)機(jī)及其伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器、編碼器、減速器等組成[1-2]。

1.1 機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)建

五通道數(shù)控環(huán)錠紡紗執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖1所示，數(shù)控多通道環(huán)錠紡紗執(zhí)行機(jī)構(gòu)是多自由度交互式牽伸—加捻—卷繞紡紗裝置。從空間區(qū)域來看，多通道數(shù)控紡紗執(zhí)行機(jī)構(gòu)包含多根粗紗的導(dǎo)紗集束與異步牽伸區(qū)、多根須條合并為單根須條的集聚區(qū)、紗線加捻區(qū)、紗線卷繞區(qū)等4部分。從完成的紡紗功能來看，多通道數(shù)控紡紗執(zhí)行機(jī)構(gòu)包含多通道集束導(dǎo)紗裝置、多通道異步牽伸裝置、多通道集聚裝置、加捻和卷繞裝置，分別完成對(duì)異步喂入的多根粗紗進(jìn)行集束導(dǎo)紗、異步牽伸、集聚、加捻、卷繞等功能。

圖1 五通道數(shù)控環(huán)錠紡紗執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖

五通道數(shù)控環(huán)錠紡紗系統(tǒng)通過PLC(中央處理器)協(xié)調(diào)控制9個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)5根后羅拉、1根中羅拉、1根前羅拉、1個(gè)錠盤和1個(gè)鋼領(lǐng)板完成牽伸、加捻、卷繞等紡紗工藝動(dòng)作，其中：由5個(gè)獨(dú)立后羅拉與對(duì)應(yīng)的獨(dú)立后皮輥組成5個(gè)后羅拉鉗口，中羅拉與中皮輥配合構(gòu)成中羅拉鉗口，前羅拉與前皮輥配合構(gòu)成前羅拉鉗口，由此構(gòu)成五通道牽伸機(jī)構(gòu)；由錠子、鋼絲圈、導(dǎo)紗鉤構(gòu)成加捻機(jī)構(gòu)，錠子與鋼領(lǐng)板構(gòu)成卷繞成型機(jī)構(gòu)。

5根粗紗由5個(gè)后羅拉鉗口以不同的速度喂入牽伸區(qū)，在后牽伸區(qū)與前牽伸區(qū)分別經(jīng)中羅拉和前羅拉的2次牽伸并通過中集合器和前集合器的2次集聚，將5根不同粗細(xì)的須條并合成一根須條經(jīng)前羅拉鉗口輸出進(jìn)入加捻區(qū)并被逐步加捻最后成紗，然后繞過導(dǎo)紗鉤并通過錠子、鋼絲圈及鋼領(lǐng)板的協(xié)同作用，將成型紗線卷繞在紗管上[3]。

1.2 控制系統(tǒng)構(gòu)建

五通道數(shù)控環(huán)錠紡紗控制系統(tǒng)分為硬件部分與軟件部分。硬件部分由上位機(jī)、下位機(jī)及通訊接口組成。根據(jù)人機(jī)交互模式需求，上位機(jī)由遠(yuǎn)程電腦、中央控制室或本地工控機(jī)、觸摸屏等組成，上位機(jī)主要完成人機(jī)交互功能，通過鍵盤或觸摸屏輸入運(yùn)行環(huán)錠細(xì)紗機(jī)所需要初始參數(shù)(設(shè)備初始參數(shù)、原料初始參數(shù)、運(yùn)行初始參數(shù))、紗線的規(guī)格參數(shù)(線密度、混紡比、捻度、長(zhǎng)度)、紡紗工藝參數(shù)(牽伸倍數(shù)、捻系數(shù)、成型動(dòng)程及級(jí)升)及設(shè)備運(yùn)行參數(shù)(羅拉速度、錠子速度、鋼領(lǐng)板速度)等。

下位機(jī)由PLC組成，下位機(jī)接受上位機(jī)的指令并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)時(shí)序的信號(hào)并分別發(fā)送至相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器再將其轉(zhuǎn)換成脈沖電壓(或電流)信號(hào)，進(jìn)而對(duì)五通道數(shù)控環(huán)錠紡紗系統(tǒng)進(jìn)行精確控制。

上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信，如以觸摸屏為上位機(jī)，則采用RS232串口通信或RS485串行通信；如以微型計(jì)算機(jī)為上位機(jī)，則采用傳統(tǒng)D形式的串行通信或PROFIBUS-DP形式的雙線通信，使用程序開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)PLC和上位機(jī)的通信。

軟件部分包括上位機(jī)觸摸屏程序和下位機(jī)PLC程序[4-5]。

1.3 伺服系統(tǒng)構(gòu)建

五通道數(shù)控環(huán)錠紡紗伺服系統(tǒng)如圖2所示，五通道數(shù)控環(huán)錠紡紗系統(tǒng)的牽伸運(yùn)動(dòng)、加捻運(yùn)動(dòng)、卷繞運(yùn)動(dòng)是依托下位機(jī)PLC控制前羅拉、中羅拉、5個(gè)后羅拉的伺服驅(qū)動(dòng)器與鋼領(lǐng)板、錠盤的伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。通過人機(jī)交互界面發(fā)送指令到PLC，PLC將指令轉(zhuǎn)化為伺服驅(qū)動(dòng)器可以識(shí)別并接收的數(shù)據(jù)模擬量，伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)模擬量發(fā)送模擬信號(hào)到伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)而控制伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，編碼器再將電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況反饋給中央處理器完成九軸聯(lián)動(dòng)的五通道紡紗工作循環(huán)[6]，限位開關(guān)設(shè)計(jì)為機(jī)器操作按鈕進(jìn)行開、停紡紗機(jī)。

2 五通道數(shù)控環(huán)錠紡紗原理

2.1 工作原理

五通道數(shù)控環(huán)錠紡紗系統(tǒng)融合數(shù)字化技術(shù)與信息化技術(shù)，可在線控制伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)改變機(jī)器運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)5個(gè)后羅拉、1個(gè)中羅拉、1個(gè)前羅拉的獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，5根不同的紗線分別經(jīng)5個(gè)后羅拉同步喂入、異步牽伸、交互變色、梯度配色，然后經(jīng)中羅拉、前羅拉牽伸，并在前羅拉處形成加捻三角區(qū)，最終形成在形貌上有粗細(xì)變化、在顏色上有斑斕變化、在結(jié)構(gòu)上有松緊變化的花式紗線[7]。

2.2 成紗原理

2.2.1 異步牽伸原理

(1)

2.2.2 成紗線密度

牽伸后的5根須條合并加捻形成紗線，如果不考慮捻縮效應(yīng)，其線密度為ρy(tex)，見式(2)(3)。

(2)

(3)

2.2.3 各通道混紡比

經(jīng)五通道異步牽伸得到的5根須條合并后加捻形成紗線，各通道混紡比Ki,見式(4)(5)。

(4)

(5)

2.2.4 成紗捻度

設(shè)錠子轉(zhuǎn)速為nd(r/min,)鋼絲圈速度為nt(r/min),管紗卷繞半徑為dx(cm)，紗線卷繞速度為nw(r/min)，則紗線卷繞方程見式(6)，紡紗時(shí)紗線捻度方程見式(7)。

nw=nd-nt×Vq/(πdx)

(6)

Tw=nd/Vq-1/(πdx)

(7)

3 五通道數(shù)控環(huán)錠紡紗調(diào)控機(jī)制

3.1 五通道牽伸比調(diào)控機(jī)制

五通道數(shù)控環(huán)錠紡紗系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)控前羅拉、中羅拉及5個(gè)后羅拉的線速度，若5個(gè)后羅拉和中羅拉、前羅拉的線速度分別為V1、V2、V3、V4、V5、Vq，則各通道牽伸比見式(8)。

(8)

因此，只需通過伺服控制系統(tǒng)調(diào)控7個(gè)羅拉的線速度V1、V2、V3、V4、V5、Vq，即可調(diào)控各通道牽伸比及總牽伸比。

3.2 成紗線密度調(diào)控機(jī)制

五通道環(huán)錠紡紗系統(tǒng)成紗線密度見式(9)。

(9)

因此，通過調(diào)控5個(gè)通道的牽伸比e1、e2、e3、e4、e5，即可調(diào)控五通道環(huán)錠紡紗系統(tǒng)的成紗線密度。

3.3 成紗混紡比調(diào)控機(jī)制

將不同原料或不同顏色的5根粗紗ρ1、ρ2、ρ3、ρ4、ρ5喂入五通道環(huán)錠紡紗牽伸系統(tǒng)，5根粗紗經(jīng)牽伸、并合、加捻后成紗線密度為ρy，各通道混紡比見式(10)。

(10)

因此，通過調(diào)控5個(gè)通道的牽伸比e1、e2、e3、e4、e5，即可調(diào)控五通道環(huán)錠紡紗系統(tǒng)的成紗混紡比形成多彩紗線。

3.4 成紗捻度調(diào)控機(jī)制

五通道環(huán)錠紡紗系統(tǒng)紗線的捻度見式(11)。

Tw=nd/Vq-1/(πdx)

(11)

因此，通過調(diào)控錠子的轉(zhuǎn)速nd和前羅拉的線速度Vq，即可調(diào)控五通道環(huán)錠紡紗系統(tǒng)的成紗捻度。

4 五通道數(shù)控環(huán)錠紡紗五基色混色色譜構(gòu)建

4.1 五通道異步牽伸環(huán)錠紡紗成紗顏色值

4.2 五通道環(huán)錠紡紗五基色混色模式構(gòu)建

選取五基色彩色纖維α、β、γ、δ、ε，分別進(jìn)行單通道、二通道、三通道、四通道、五通道紡紗，可分別得到五基色的一次色、二次色、三次色、四次色、五次色。五基色混色紡紗模式如表1所示[8]。

表1 五基色混色紡紗模式

4.3 五通道環(huán)錠紡紗五基色混色色譜構(gòu)建

針對(duì)五基色彩色纖維α、β、γ、δ、ε，其顏色值為α(Rα,Gα,Bα)、β(Rβ,Gβ,Bβ)、γ(Rγ,Gγ,Bγ)、δ(Rδ,Gδ,Bδ)、ε(Rε,Gε,Bε)，每種彩色纖維取樣質(zhì)量為Mα、Mβ、Mγ、Mσ、Mε，且Mα=Mβ=Mγ=Mσ=Mε。

將各彩色纖維質(zhì)量Mα、Mβ、Mγ、Mσ、Mε進(jìn)行離散化處理并構(gòu)建如下質(zhì)量序列：

0,1/255×Mα,2/255×Mα,…,(i-1)/255×Mα,…,254/255×Mα,Mα0,1/255×Mβ,2/255×Mβ,…,(j-1)/255×Mβ,…,254/255×Mβ,Mβ0,1/255×Mγ,2/255×Mγ,…,(τ-1)/255×Mγ,…,254/255×Mγ,Mγ0,1/255×Mδ,2/255×Mδ,…,(ξ-1)/255×Mδ,…,254/255×Mδ,Mδ0,1/255×Mε,2/255×Mε,…,(ω-1)/255×Mε,…,254/255×Mε,Mε

(i,j,τ,ξ,ω=1,2,3,...,254,255,256)。

設(shè)Eα、Eβ、Eγ、Eδ、Eε為五基色纖維混合比，則：

Eα=[(i-1)]/[(i-1)+(j-1)+

(τ-1)+(ξ-1)+(ω-1)]

Eβ=[(j-1)]/[(i-1)+(j-1)+

(τ-1)+(ξ-1)+(ω-1)]

Eγ=[(τ-1)]/[(i-1)+(j-1)+

(τ-1)+(ξ-1)+(ω-1)]

Eδ=[(ξ-1)]/[(i-1)+(j-1)+

(τ-1)+(ξ-1)+(ω-1)]

Eε=[(ω-1)]/[(i-1)+(j-1)+

(τ-1)+(ξ-1)+(ω-1)]

則五基色纖維混合后的顏色值求解如下：

或：

5 基于五通道數(shù)控環(huán)錠紡紗系統(tǒng)生產(chǎn)特種花式紗

5.1 紗線的結(jié)構(gòu)參數(shù)

表達(dá)紗線宏觀形貌特征的參數(shù)稱為紗線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，具體包含：紗線的線密度ρ(tex)；捻度Tw(捻/m)；色纖維混紡比Eα、Eβ、Eγ、Eδ、Eε；粗細(xì)節(jié)長(zhǎng)度L(mm)。

5.2 數(shù)字化紗線模型構(gòu)建

紗線是細(xì)而長(zhǎng)的纖維集合體，其結(jié)構(gòu)參數(shù)(線密度、混紡比、捻度)決定了紗線的形貌(粗細(xì)變化)、色彩(混紡比)、力學(xué)性能(捻度)等性質(zhì)[9]。表示紗線宏觀形貌特征的參數(shù)稱為紗線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，具體包含：紗線的線密度ρi(tex)，捻度Tw(捻/m)，色纖維混紡比Eα、Eβ、Eγ、Eδ、Eε，粗細(xì)節(jié)長(zhǎng)度L(mm)，則紗線的數(shù)字化模型可表示為：(ρi,Twi,Eαi,Eβi,Eγi,Eδi,Eεi,Li)，(i=1,2,…,n),或者表示為如下矩陣：

5.3 基于結(jié)構(gòu)參數(shù)的紗線分類

五通道數(shù)控環(huán)錠紡紗系統(tǒng)采用在線方式調(diào)節(jié)紗線結(jié)構(gòu)參數(shù)(紗線線密度、捻度、色纖維混紡比、段長(zhǎng)等)可以在色彩、粗細(xì)、捻度3個(gè)維度沿長(zhǎng)度方向進(jìn)行規(guī)律變化，將多種色彩、形態(tài)及結(jié)構(gòu)集成在1根紗線上生產(chǎn)特種花式紗線。

基于上述機(jī)制和紡紗平臺(tái)，可精準(zhǔn)控制五色粗紗混紡比保持恒定，以任一混色比紡制線密度恒定的全色譜彩色紗；可精準(zhǔn)控制五色粗紗混紡比按照指定規(guī)律變化，紡制色彩分段分布、線密度恒定的全色譜段彩紗；可精準(zhǔn)控制五色粗紗混紡比按照漸變方式變化，紡制色彩漸變分布、線密度恒定的全色譜漸變紗；可精準(zhǔn)控制五色粗紗混紡比按照漸變方式變化，紡制色彩漸變分布、線密度分段變化的全色譜雙漸變紗；可精準(zhǔn)控制五色粗紗混紡比恒定不變，紡制色彩恒定分布、線密度分段分布的全色譜竹節(jié)紗；可精準(zhǔn)控制五色粗紗混紡比及線密度分段變化，紡制色彩、線密度均分段變化的全色譜段彩竹節(jié)紗[10]。

基于Photoshop軟件模擬紗線外觀，紗線外觀模擬圖見圖3。

圖3 紗線外觀模擬圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以發(fā)展柔性化紡紗技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，研討了五通道數(shù)控環(huán)錠紡紗系統(tǒng)，系統(tǒng)采用PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器數(shù)字化協(xié)調(diào)控制的方式，以紡紗原理與混色模式、混色色譜為理論依據(jù)，通過線密度調(diào)控機(jī)制、混紡比調(diào)控機(jī)制等成紗機(jī)制控制成紗的形狀、顏色，可以實(shí)現(xiàn)多品種紗線的一體化加工，生產(chǎn)混色紗、段彩紗、漸變紗、竹節(jié)紗、段彩竹節(jié)紗以及雙漸變紗等花式紗，較現(xiàn)有紡紗技術(shù)，五通道數(shù)控環(huán)錠紡紗系統(tǒng)生產(chǎn)的彩色紗混配顏色更加多彩，紗線形狀更加多樣，但此系統(tǒng)并不完善，依然存在人工智能化程度低，紡紗生產(chǎn)參數(shù)控制不精確，五基色混色色譜的可視化、花式紗線的品種設(shè)計(jì)等亟待解決的問題。