短纖紗高速清潔化經編生產關鍵技術

李雪嬌，張 琦

(江南大學 針織技術教育部工程研究中心，江蘇 無錫 214122)

經編產業作為我國紡織工業中發展最快的產業之一，其產品因獨特的性能、極高的附加值以及花式多樣等優點廣泛應用于高端服裝、家紡裝飾及產業用增強復合材料等領域[1]。隨著經編產業結構的優化和國內外市場需求的拉動，經編服裝、裝飾類產品向功能化、高檔化及特種規格延伸，棉、毛等短纖紗類經編產品逐步在紡織行業中脫穎而出[2-3]，但由于經編機生產速度快，對紗線要求較高，短纖紗斷裂強度低、延伸性差以及毛羽多等物理特性，在高速編織過程中易斷紗，生產效率低下，因此，短纖紗經編高速生產成為亟待解決的問題。

“十三五”科技發展規劃將短纖紗經編產品列為重點內容深入研究，以期通過原料創新進行經編產品升級。隨著紡紗技術的不斷創新，緊密紡紗線可以滿足基本的編織要求，通過調整工藝參數，陳靜靜[4]在高機號經編機上開發了緊密紡純棉針織產品，楊淳等[5]以緊密紡毛紗為研究對象，生產出薄型羊毛經編面料，但是，目前還未能實現短纖紗低成本高速生產，于是研究人員著眼于經編機械設備優化設計，通過對經編織物生產技術的創新升級，達到短纖紗經編連續高速生產的目的。德國Karl Mayer公司[6]針對短纖紗開發了一款新式張力補償裝置，采用拉伸加載彈力片取代原彎曲彈片，來穩定紗線張力。徐穎[7]提出了飛花的控制方法，將分紗筘處的毛羽通過空氣流吹走，減少飛花在成圈機件上集聚，進而提高生產效率。由于短纖紗與化纖長絲的物理特性有較大不同，經局部改造經編機不能很好地保證織造效率，因此，有必要根據短纖紗物理特性，開發相應專用經編機。

本文針對短纖紗在高速經編機上織造時出現的問題，重點闡述了柔性成圈運動曲線的優化、經編電子橫移控制的優化、經紗張力調控、飛花清除、疵點檢測關鍵技術，以期對短纖紗高速經編機的開發設計提供理論參考和技術支持。

1 短纖紗經編裝備高速化關鍵技術

1.1 柔性成圈運動曲線優化

成圈運動是經編機的核心運動，采用曲軸連桿機構代替偏心連桿機構來驅動成圈機件，不僅可以提高機器的編織速度，而且可以降低機件的震動、能耗和噪聲[8]。針對短纖紗延伸性差、毛羽多的特性，需要對短纖紗進行更加柔和的加工，因此，對成圈運動曲線進行優化，圖1是柔性成圈曲軸連桿示意圖，通過改變成圈過程中沉降片與槽針之間的運動相位角配合，即當槽針下降進行套圈、彎紗成圈時，使沉降片提前向針背挺進，沉降片片喉提前進入作用而使得紗線在槽針下降到握持線前已完成彎紗(見圖2柔性成圈針床配合示意圖)，降低短纖紗彎紗成圈過程中紗線與紗線間的摩擦力，使得短纖紗的彎紗張力小而柔和。

圖1 柔性成圈曲軸連桿示意圖Fig.1 Schematic diagram of flexible ring forming crankshaft connecting rod

圖2 柔性成圈針床配合示意圖Fig.2 Schematic diagram of the coordination of the flexible loop-forming needle bed

1.2 基于滑模理論最優控制器設計

經編機電子橫移系統作為現代經編機電子控制系統中核心部分，其性能決定了經編機的生產速度和穩定性[9]。在經編機每一橫列編織過程中，導紗梳櫛需要完成針前、針背2次橫移運動，在此過程中，導紗梳櫛快速擺過織針平面時不允許擦傷紗線，因此導紗梳櫛得橫移運動表現為“運動—靜止—運動—靜止”，而梳櫛橫移時間段極為短暫，導致梳櫛一直處于頻繁的加減速運動狀態，電子橫移系統易受到外部機械振動干擾，影響橫移系統性能。

目前經編伺服控制系統中普遍采用比例積分微分(PID)控制，傳統的PID控制方法雖然算法簡單，可靠性較高，在目標參數不變且無外界干擾的情況下，系統具有很好的動靜態性能，但是在電動機內部參數發生變化或外界干擾過大時，均會對橫移系統的性能產生影響[10]。為克服參數設置以及機械部件之間的平行度、緊密度等因素對電子橫移系統的精度以及穩定性的影響，在原有的控制理論基礎上，引入滑模控制理論，以提升橫移系統的魯棒性。滑模控制是一種解決非線性系統問題的綜合方法，對系統數學模型要求不高，能自適應系統參數變化、內部攝動以及外界環境干擾。滑模變結構最顯著的特點就是滑動模態的存在使系統一旦進入滑模階段，系統的運動都能保持在切換面或其領域上，合適的滑模面可以使系統快速達到穩定[11]，因此，以線性最優控制設計為基礎，結合滑模控制理論，通過對合理滑模面進行設計，既可以保證最優線性控制的快速響應性和良好的跟隨性，也具有抗干擾性，能有效提高伺服系統的穩定性[12]。

1.3 自適應式張力調控技術

在經編成圈過程中，各成圈機件相對位置不斷變化，使經紗消耗量與紗線供紗量之間產生差異，導致經紗張力波動較大。為了穩定經紗張力，通常經編機設有彈性張力桿進行經紗張力補償。彈性張力桿補償裝置在經紗張力的作用下發生形變，并能依靠自身的彈性作用恢復，但是由于短纖紗自身的力學性能限制，不能承受過大的張力，因此，彈性張力補償裝置已不適用于短纖紗高速經編織造。

經研究[13]發現，在每個成圈周期中，導紗梳櫛針前、針背橫移運動對經紗行程的變化是經紗張力波動的主要因素，其中導紗梳櫛針前橫移階段經紗張力波動產生最大峰值，導紗梳櫛針背橫移階段經紗張力波動產生第二大峰值，且經紗張力波動幅值曲線呈現較為對稱的形態。

自適應張力積極調控技術基于彈性張力桿補償方式進行升級，將被動補償改為主動調控，通過伺服電動機驅動張力桿的擺動方向和擺動位置，改變經紗分紗梳到導紗針的必須長度，減小經紗張力波動。自適應張力調控工作原理是根據經編機針前、針背橫移角度區域，結合當前主軸轉速與對應橫移角度區域內不同的墊紗數碼，可知成圈周期內經紗的平均消耗速度與張力峰值消耗速度之間的差距。通過主動控制張力桿位置與角度的變化，在紗線上精準施加與橫移墊紗運動造成的反向作用力，以自適應相同機型不同機速與不同工藝下的張力控制要求[14]。實現紗線張力峰值削減、波動減緩的動態調控效果，有效解決高速經編成圈過程中，因經紗張力峰值過大和張力波動加速度過大，而造成對短纖紗的彈性系數和斷裂強度要求過高的問題，具有良好的實用性，并促進經編機機速的進一步提高。

2 短纖紗經編裝備清潔化關鍵技術

在經編織造過程中，經紗經過多道導紗機件及平行排列的紗層間摩擦易使短纖紗表觀毛羽脫落形成飛花，飛花會滯留在成圈區域或機器間隙中，不僅阻礙經紗順利穿過成圈機件，還會影響成圈機件的使用壽命，此外，大量的飛花也會對工人的健康造成危害，因此，飛花是阻止短纖紗在經編廣泛應用的巨大障礙，在經編機上增加除塵裝置及時除去經編織造過程中產生的飛花極為重要。由于經編機自身結構復雜，可改造空間狹小，無法安裝巡航式除塵裝置，因此，選擇對產生飛花最多的區域進行除塵。

經研究[15]表明，短纖紗經過導紗針時，發生劇烈摩擦行為，導致毛羽在導紗針處脫落形成大量飛花，因此，在成圈區域搭建短纖紗飛花清除系統，該系統包含吹風系統和吸風系統，如圖3所示。通過在經編機織針針床、針芯床和沉降片床上開孔，并與負壓風機相連形成吹風系統，同時在成圈區域沉降片床的后側安裝吸風裝置，與吹風系統配合形成氣流，可將成圈編織過程中短纖紗與導紗針、織針和沉降片摩擦形成的飛花及時清理[16]，有效地解決了短纖紗經編成圈過程中飛花聚積于成圈區域的問題，實現了短纖紗高速經編的清潔化生產。

圖3 短纖紗飛花清除系統Fig.3 Spun yarn fly removal system

3 短纖紗經編裝備智能化關鍵技術

疵點檢測是提高短纖紗經編產品的保障。由于短纖紗相對于化纖長絲在經編織造過程中更容易產生疵點，且經編生產速度快、織物結構復雜，短纖紗經編織物的疵點分辨技術難度大，因此，采用機器視覺對布面疵點進行自動檢測。短纖紗針織物疵點檢測系統如圖4所示。

圖4 短纖紗針織物疵點檢測系統Fig.4 Short fiber yarn knitted fabric defect detection system

為了在大量毛羽背景下高效識別高噪聲和低弱強度的疵點信號，首先，通過對機上織物進行圖像采集獲取無疵點織物圖像，構造無疵點圖像Gabor濾波器，提取出濾波參數進行優化處理，然后根據上一階段獲取的參數建立Gabor濾波器，對待檢測織物進行Gabor卷積濾波，將織物圖像進行粗鑒處理，對于明顯無異常的圖像將予以舍棄，對可能存在異常的圖像才進行下一步精鑒數據處理，這樣可以明顯提升織物監測圖像的處理速度。再針對存在織疵的圖像數據進行進一步數據處理，通過分層特征提取等圖像特征處理算法，提取織物疵點的圖像特征準確識別出織疵類型，同時給出織疵類型代碼[17-18]。最后若確認為織疵，則據此執行報警或停車，并在管理層顯示織疵位置信息。將經編機作為網絡終端，把織物疵點在線快速檢測系統與經編生產管理系統集成，便于生產管理。為了更加準確地識別出各種織疵類型，建立全面的織疵種類特征數據庫，實現織疵種類學習與積累的智能化處理。使用神經網絡架構的自學習軟件算法，建立實時更新動態經編織物疵點圖像庫，以提高疵點識別的精度和速度，通過網絡接口連接至服務器進行定期上傳，自動統計織物疵點并且分析疵點產生的原因，優化生產工藝參數，進而減少疵點產生的可能性，最終實現經編織造過程中的產品質量智能監控和經編生產的網絡化管理[19-20]。

4 結束語

本文基于短纖紗的物理特性對經編裝備進行技術優化，短纖紗在經編機上高速編織是一項系統性工程，結合短纖紗高速編織時出現的問題，將紡織技術與控制技術、機械技術、計算機技術和網絡技術等多學科結合與交叉，提供了相應的解決方案。經編裝備通過成圈運動曲線優化、經編橫移控制優化、經紗張力控制、飛花收集以及疵點檢測等關鍵技術改進后，短纖紗可以在機速為1 200～1 800 r/min的經編機上高效編織，實現短纖紗經編高效、清潔、優質生產，這對我國經編行業可持續發展有著深遠而重大的意義。