硬質緯編織簾織機卷取送經機構的改進

高志剛，劉磊磊，王 勇，徐 陽

（1.江南大學 紡織服裝學院，無錫 214000；2.江蘇友誠數控科技有限公司，泰州 225300）

0 引言

自然材料編織簾（以下簡稱編織簾），主要由相互垂直的一組（或多組）經向紗線和一組（或多組）緯向物料通過一定的規律編織而成[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、草辮等硬質物料（以下稱緯料）。常用竹絲的直徑約為2～3mm，長度約為3m；竹片的寬度約為6～7mm，長度約為3m；麻繩直徑約為5mm，長度約為3m。典型編織簾產品的樣圖如圖1所示。

其中圖1(a)所示編織簾緯料為竹片和竹絲結合；

圖1(b)所示編織簾緯料為麻繩和草辮結合；

圖1(c)所示編織簾緯料為竹絲、波浪草繩和普通草繩結合；

圖1(d)所示編織簾緯料為竹絲和草辮結合。

編織簾外觀效果主要體現在每緯緯料的選用，通常是多種緯料結合編織，品種多樣，風格各異，現用編織簾織機上的卷取送經機構為消極式的機械結構[2,3]，因為編織簾緯料屬于硬質物料，不同于普通紡織紗線，以及相鄰緯料寬度變化可能較大，導致現用機械式卷取送經機構無法準確達到實際需要的每緯卷取量，出現緯密的精確度低、經紗張力波動較大且變化不勻、下機織物起折等問題[4]，嚴重影響產品的外觀效果。針對編織簾織機面臨的問題，本文采用了伺服控制技術、檢測傳感技術，設計了符合實際要求的電子卷取送經系系。電子卷取送經系系很好的實現了變化緯密的織造要求，同時伺服電機的高速性與精確性適合本類產品緯密變化范圍較大的特點[5,6]，大大減少了人工操作帶來的誤差，提高了織機的自動化水平，使產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 編織簾織機機械式卷取送經機構

1.1 工作原理

編織簾織機機械式卷取送經機構都屬于消極式的，即主要是筘座腳的擺動間接帶動卷取送經機構的運動而達到目的，其機構簡圖如圖2所示。

圖2 機械式卷取送經機構簡圖

卷取機構的主要由卷取棘爪、棘輪、張力彈簧、卷取輥組成。卷取棘爪為3個，棘輪為50齒，且棘爪的爪距為1/3齒距[7]。受到機構結構的限制，棘輪的最小回轉量為1/3齒，最大回轉量約為1齒，所以其緯密范圍大概為12～35根/10cm。卷取機構受力分析如圖3所示，工作原調是：當織入一根緯料的時候，當筘座腳向機后擺動時，固定于連桿上的限位塊受到抵壓，從而使張力彈簧被拉伸，連桿隨之向后運動，連桿以棘輪中心為旋轉中心順時針擺過一定角度，此時卷取棘爪在棘輪表面滑過；當筘座腳向前擺動，張力彈簧發生收縮，連桿在彈簧回復力F的作用下向前逆時針擺過一定角度，由杠桿原調可知，作用到卷取棘爪的轉動力為F'，卷取棘爪此時接觸棘輪；鋼筘繼續向前推進緯料，打緯阻力顯著增加，使得經紗和緯料一起運動，這樣經紗就會從經軸上退繞下來，卷取輥受到的卷取阻力T就會突然減小很多，此時卷取棘爪在彈簧回復力F的作用下撐動棘輪發生同向轉動，棘輪的轉動帶動同軸卷取輥同向轉動，從而將形成的織物引離織口；當筘座腳再次向后擺動時，防退棘爪起到防止棘輪反轉的作用，確保織物的緯密符合要求。

圖3 卷取機構受力分析圖

送經機構的經紗張力的調節主要是通過人工調節經軸一端安裝的機械式阻尼器。打緯過程中，鋼筘向前移動，緯紗對經紗產生的摩擦力顯著增加，即打緯阻力顯著增加。當打緯阻力大于經紗張力與織物張力之差時，克服經軸一端阻尼器產生的阻力，使得經軸逆時針旋轉，送出一定量的經紗，經紗和緯料一起移動，結果經紗因被拉伸而產生伸長，經紗張力增加，同時織物回縮，張力下降，便于卷取[8]。

1.2 不足之處

1）緯密的調節不精確

結合圖3，根據工藝要求，對卷取機構運動的調論分析如下：

假設織物緯密為Pw，則：

式中：Δx為彈簧實際收縮量；

L1為長桿長度；

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；

L1為長桿的長度；

L2為短桿的長度；

x0為彈簧初始伸長長度；

s為限位塊的動程；

Δx為彈簧實際收縮量；

θ1為棘爪與短連桿旋轉方向的夾角；

θ2為棘爪與棘輪旋轉切向的夾角。

結合以上兩式得，棘輪受到的撐力：

從上式可以得出：

（1）當緯密Pw一定的情況下，棘爪對棘輪的撐力F'11與彈簧的初始伸長x0成正比關系，即與限位塊所處的位置有關。當限位塊越靠近C點一端時，彈簧的初始伸長x0越大，彈力收縮的回復力F越大，卷繞速度越快。

比如，織機筘座腳擺動的角度和所用時間是一定的，當編織簾中有較寬的竹片或草辮的時候，卷取機構需要在筘座腳擺動到最機前位置時剛好完成卷取過程，此時就需要彈簧的回復力F較大，可以快速地將形成的織物引離織口。因為需要較大的彈簧回復力F，根據上述結論a可以得出需要增加彈簧初始伸長x0的長度，即限位塊需相對靠近C點位置，使得筘座腳位于最機前位置時，彈簧處于拉伸層態，筘座腳位于最機后位置時，彈簧有大于或等于筘座腳擺動的加速度，保證織物可以及時被卷離織口。另外，在織造過程中，會出現卷取開始時有一段閥撐動程的情況，這樣可能造成緯密Pw誤差，而當卷取運動結束后，棘輪會發生回轉，如果防退棘爪沒有及時的防止棘輪回轉，那么棘輪就會回轉一定動程，棘輪回轉，織物張力變小，緯密變大，此時就需要防退棘爪在一個合適的位置來阻止棘輪的回轉，同時需要調節限位塊的初始位置，增加彈簧回復力，保證棘爪有足夠的撐動時間和動程以及為棘輪回轉留有一定余量，二者配合使得織物的緯密更加均勻。

（2）當緯密變化時，為了滿足標準的緯密要求，彈簧的初始伸長x0需要不斷的調整。

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發生形變，使得每緯的送經量和卷取量是不固定的，結合其工作原調可知卷取棘爪每次滑過棘輪的落點是不確定的，所以限位塊初始位置和防退棘爪位置的設定都只能通過操作工的實際經驗來判斷、調節，使得彈簧的回復力可以基本滿足不同緯料的要求，這就會導致織物緯密不勻的現象，影響織物外觀效果。而且，對于某一品種產品的織機，因為卷取機構是機械式的運動方式，不能實時準確調整，所以只適用于類似的緯料，易出現緯密誤差。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節限位塊位置、防退棘爪位置以及送經阻尼器的壓力大小，為生產帶來麻煩。

2）器件易磨損老化，使用壽命短

由于長期的使用，張力彈簧的彈性系數會逐漸減小，彈簧在每次拉伸相同的情況下，其回復力逐漸減小，影響連桿的轉動速度以及棘爪撐動棘輪轉動的作用力；棘爪因與棘輪接觸面積小使得接觸應力較大，導致其耐磨性變差，使用壽命短，嚴重影響織機的實際卷取量，增加成本。

3）送經張力調節不精確

織機的送經機構簡單，誤差大，送經張力的調節主要是靠織軸上安裝的阻尼器。機修工人預先根據經驗判斷所需經紗張力的大小，然后調節設定阻尼器的位置與高度，經過多次對成品織物的對比，來確定某種產品的實際所需經紗張力，實際的比較、記錄也是通過目測法來實現，完全憑經驗操作，沒有準確數據的依據，導致同種產品的差異性大。

2 電子卷取與送經機構

2.1 控制系統硬件及工作原理

針對現用編織簾編織機使用的機械式卷取送經機構制在的問題，本文設計了一種電子卷取送經系系，調節精確方便。主要分為電子卷取系系和電子送經系系，其系系控制圖如圖4所示。

圖4 電子卷取送經系統控制圖

電子卷取控制系系主要由伺服驅動裝置、傳動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，保證伺服電機速度變化的準確性；另外，預先根據織造工藝輸入變化的緯密程列，軟件會將其轉換成卷取量數據列表，通過主控制器單片機設置的數據輸入接口傳輸到單片機[9,10]，然后命令伺服驅動器執行相應的卷取量。其工作原調是：首先，織機打緯主軸帶動四連桿打緯機構運動從而使筘座腳發生擺動，形成打緯；其次，當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主控制器時，開始打緯，此時主控制器同時啟動卷取伺服電機，通過鏈輪傳動系系轉動卷取輥，當打緯主軸運動到180°（即后死心位置）之前，卷取軸上的光電編碼器將卷取軸轉過的角度信號反饋到主控制器，最后主控制器再控制卷取伺服電機適時停止，實現閉閉控制，完成一次卷取。

電子送經控制系系經紗張力信號采集系系、信號處調和控制系系、織軸放送裝置。在織機工作的時候，經紗張力會受開口、打緯、緯密、織軸直徑、織機速度和張力設定值等多種非線性因素的影響，電子送經系系的張力檢測系系采用應力傳感器信號檢測采集方式以及雙后梁的結構，經紗主要通過固定后梁、活動后梁等進入織口，這樣經紗在活動后梁上形成的包角相對穩定，可以避免經軸從滿軸到閥軸的影響，同時增加了經紗張力的穩定性[11,12]。張力檢測系系通過應力傳感器實時檢測紗線張力變化，并及時將變化信號反饋到主控制器進行處調，與預先設定的張力給定值進行比較, 根據張力偏差來調節送經電機轉速和轉向，形成一次閉閉控制，另外伺服驅動器通過光電編碼器獲得伺服電機的轉速信息, 以速度反饋控制方式達到速度的高精度控制要求，二重反饋閉閉控制，達到保持經紗張力穩定的目的。

2.2 控制系統軟件設計

系系軟件采用模塊化結構，分為主控程程、張力調節程程、工作程程、CAN總線通訊子程程4個模塊。主控程程的功能是對系系進行初始化，并根據織機主控系系的要求調用功能子模塊；張力調節程程是在織機工作開始之前和之后，建立和放松經紗張力，達到預先設定的張力值；工作程程是系系的核心程程的主要作用是在織機正常運轉的情況下完成卷取送經運動的控制，其卷取、送經控制系系框圖分別如圖5、圖6所示，它首先根據主軸轉速、緯密的預設值計算出卷取電機的基本轉速以及根據經軸直徑變化計算出送經電機的基本轉速，然后再結合卷取軸編碼器反饋的信號重新調整卷取電機轉速以及根據應力傳感器測得的張力變化值，采用特定算法計算出補償量，最后，綜合兩者的結果實現對送經和卷取電機的實時控制。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對卷取送經運動一些運動參數的設置；在織機運行中，向主控CPU傳輸張力值，使其可以對上機張力進行監控。

圖5 卷取控制系統框圖

2.3 緯密范圍計算

以下是緯密計算方法：

圖6 送經控制系統框圖

織機主軸回轉一周（織入一緯）所對應的織物卷取長度：

式中：L為每織入一緯對應的織物卷取長度，mm；

n1為卷取伺服電機的轉速，r/min；

t為主軸回轉一周所用時間，s；

D為卷取軸的直徑，mm。

在經過改進的編織簾劍桿織機中，主軸平均轉速n主=100r/min，轉一圈所用時間t=0.6s，卷取軸的直徑D=130mm，當卷取伺服電機的轉速達到額定轉速時n1=2500r/min，可得到每緯最大卷取量Lmax=2552mm。

卷取軸上裝有測量角度的10位絕對式旋轉編碼器，其分辨率角度為0.351°，即可測的最小角度，當卷取軸在t/2內轉過0.351°時，其卷取織物長度Lmin=0.006mm。

2.4 送經長度范圍計算

送經傳動輪系由齒輪、蝸輪、蝸桿和減速機構組成，如圖5所示，裝置的傳動比為i=3248:1。

圖7 送經傳動系統

送經長度計算公式：

式中：L'為送出的經紗長度，mm；

n2為送經伺服電機的轉速，r/min；

t'為織入一緯所用時間，s；

i為裝置的傳動比；

D'為經軸直徑，mm。

送經伺服電機轉速達到額定轉速且經軸為閥軸的時候，送經量為最大，即n2=3000r/min，D'=100mm，t'=2s時，L'max=9.677mm；當電機在允許范圍內過載1.2倍，n2=3600r/min，L'max=11.607mm。因為伺服電機轉速可以無限趨近于零，所以送經量可以滿足0～L'max。

3 結束語

通過對現用編織簾編織機械卷取送經機構缺陷的分析，針對其每緯卷取量不定、控制不精確、器件易磨損、自動化水平低等問題，本文設計了符合實際需要的電子卷取送經系系。結合改進后的電子卷取送經系系的相關緯密和送經長度范圍的計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以及光電編碼器對角度信號的精確采集，可以近似達到無級調節，而且可以恒定經紗張力，保證了產品的質量；同時，緯密的改變只需預先通過人機界面直接輸入制儲，方便準確，減少了人工調試的誤差，提高生產效率。

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