汝 欣， 彭來(lái)湖， 胡旭東， 史偉民， 宋賽賽

(1. 浙江理工大學(xué) 現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)教育部工程研究中心， 浙江 杭州 310018； 2. 浙江理工大學(xué) 浙江省現(xiàn)代紡織 裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310018； 3. 浙江方圓檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司， 浙江 杭州 310007)

長(zhǎng)毛絨緯編針織物在服裝、玩具、裝飾等方面有著廣泛的用途。毛條喂入式長(zhǎng)毛絨組織由纖維束與地紗一起喂入針鉤編織成圈，形成毛絨效果。編織完成后，經(jīng)初剪、上膠、定型等一系列后加工工藝，得到具有多種外觀效應(yīng)和用途的長(zhǎng)毛絨織物[1]。

與一般的針織圓機(jī)相比，長(zhǎng)毛絨編織機(jī)每一成圈系統(tǒng)上都配置一個(gè)梳理頭，其作用是梳理、喂入纖維毛條。梳理頭包括1對(duì)輸入輥，1個(gè)梳理輥，1個(gè)工作輥和1個(gè)清潔輥，各輥上包覆針布。編織過(guò)程一般分為2個(gè)階段[2]，鉤取纖維階段和成圈階段。在鉤取纖維階段，毛條喂入梳理頭后在各輥間梳理、開(kāi)松、轉(zhuǎn)移，形成均勻的纖維網(wǎng)附著在工作輥表面，織針鉤取纖維。成圈階段，成圈系統(tǒng)上噴嘴噴出的氣流將纖維束吹向針鉤背面以利于握持纖維，墊入地紗后一并彎紗成圈。纖維束的端頭露在長(zhǎng)毛絨組織的工藝反面，形成毛絨。

長(zhǎng)毛絨織物生產(chǎn)的問(wèn)題在于提花長(zhǎng)毛絨織物經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生提花邊界不清晰，視覺(jué)上纖維堆積呈現(xiàn)陰影，或纖維稀疏呈現(xiàn)光斑。在設(shè)計(jì)織物時(shí)，為規(guī)避這些現(xiàn)象，制版師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)修改梳理頭喂入動(dòng)作。這種設(shè)計(jì)方式雖然能夠改善織物品質(zhì)，但完全依賴于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，一方面設(shè)計(jì)過(guò)程需要反復(fù)打樣調(diào)整，另一方面不適用于技術(shù)推廣。有文獻(xiàn)指出造成這種現(xiàn)象的原因是由花型間隔導(dǎo)致梳理頭上存在余留纖維引起[3]。從根本上來(lái)說(shuō)，纖維在各輥間及織針間轉(zhuǎn)移不完全，纖維在梳理頭內(nèi)梳理傳輸存在滯后和循環(huán)，導(dǎo)致梳理頭上的纖維量不準(zhǔn)確。要解決這個(gè)問(wèn)題就需要建立梳理頭纖維轉(zhuǎn)移模型，定量研究纖維量變化。目前對(duì)梳理頭的研究很少，但是對(duì)梳理機(jī)的研究很多[4]，由于二者都依靠針布轉(zhuǎn)移纖維，可參考其研究文獻(xiàn)。對(duì)梳理機(jī)而言，為提高梳理品質(zhì)，學(xué)者從針布配置關(guān)系[5]、針布參數(shù)[6]、氣流場(chǎng)[7-8]等角度進(jìn)行研究，提出了一些纖維轉(zhuǎn)移模型[9-10]。然而梳理機(jī)的研究主要是以提高梳理質(zhì)量為目的，有時(shí)為提高梳理效果而降低轉(zhuǎn)移效率[11-12]。而梳理頭除梳理功能外，更重要的作用是喂入纖維，由于織針的鉤取，喂入纖維的量需要實(shí)時(shí)控制，這點(diǎn)與梳理機(jī)不同。

目前的長(zhǎng)毛絨織物設(shè)計(jì)軟件[13-15]還無(wú)法解決上述問(wèn)題。本文針對(duì)長(zhǎng)毛絨織物加工中吃毛不勻問(wèn)題，提出纖維量預(yù)測(cè)方法，并在數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中進(jìn)行補(bǔ)償，以期達(dá)到提高編織品質(zhì)目的。

1 纖維質(zhì)量預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)方法

1.1 纖維轉(zhuǎn)移模型

由于纖維在兩輥之間轉(zhuǎn)移不完全，因而未被轉(zhuǎn)移的纖維與新喂入的纖維一同進(jìn)入下一次轉(zhuǎn)移過(guò)程。纖維在整個(gè)梳理頭內(nèi)的運(yùn)動(dòng)存在循環(huán)轉(zhuǎn)移的過(guò)程。在織針鉤取纖維時(shí)，梳理頭工作輥上工作區(qū)域內(nèi)的纖維量將直接影響到長(zhǎng)毛絨織物的品質(zhì)。梳理頭工作原理如圖1所示。

圖1 梳理頭工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of carding unit working principle

設(shè)輸入X(t)是織針鉤取纖維的信息序列，該序列是1個(gè)二值序列，0代表不鉤取纖維，1代表鉤取纖維。該序列由提花意匠圖解析出來(lái)的提花矩陣轉(zhuǎn)化得到。

記p、z為一對(duì)輸入輥，b為梳理輥，w為工作輥，c為清潔輥。兩輥間進(jìn)行纖維轉(zhuǎn)移的區(qū)域?yàn)楣ぷ鲄^(qū)，且當(dāng)纖維經(jīng)過(guò)分離點(diǎn)，離開(kāi)工作區(qū)時(shí)，已完成轉(zhuǎn)移過(guò)程。記A、B、C、D、F分別為梳理輥和工作輥，工作輥和清潔輥，清潔輥和梳理輥，輸入輥和梳理輥，兩輸入輥間的分離點(diǎn)。E為織針鉤取纖維點(diǎn)，kbw、kwc、kcb、kib為對(duì)應(yīng)角標(biāo)輥間的轉(zhuǎn)移因子，轉(zhuǎn)移因子可由實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到。mp(t) 為單位時(shí)間輸入梳理頭的纖維質(zhì)量g。mpF(t)、mpD(t)、mbD(t)、mbC(t)、mbA(t)、mwA(t)、mwE(t)、mwB(t)、mcB(t)、mcC(t)為對(duì)應(yīng)角標(biāo)梳理輥上分離點(diǎn)后的纖維質(zhì)量(g)。

Tp1為纖維由D點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)到F點(diǎn)所用的時(shí)間；Tp2為纖維由F點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)到D點(diǎn)的時(shí)間；Tb1、Tb2、Tb3、Tw1、Tw2、Tw3、Tc1和Tc2分別為纖維運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)角度(rad)；θb1、θb2、θb3、θw1、θw2、θw3、θc1和θc2分別為纖維運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間(s)。

各輥上纖維質(zhì)量及相互關(guān)系如式(1)～(10)：

mpF(t)=mp(t)+mpD(t-Tp1)

(1)

mpD(t)=(1-kpb)mp(t-Tp2)

(2)

mbD(t)=mpD(t)kpb+mbA(t-Tb3)

(3)

mbC(t)=mbD(t-Tb1)+mcB(t-Tc1)kcb

(4)

mbA(t)=mbC(t-Tb2)(1-kbw)

(5)

mwA(t)=mbC(t-Tb2)kbw+mwB(t-Tw3)

(6)

mwE(t)=mwA(t-Tw1)(1-koutX(t))

(7)

mwB(t)=mwE(t-Tw2)(1-kwc)

(8)

mcB(t)=mwE(t-Tw2)kwc+mcC(t-Tc2)

(9)

mcC(t)=mcB(t-Tc1)(1-kcb)

(10)

織針在E點(diǎn)鉤取纖維，轉(zhuǎn)移因子為ko。鉤取到織針上的纖維量為mout(t),g。

mout(t)=mwA(t-T)koX(t)

(11)

1.2 編織品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)

針對(duì)長(zhǎng)毛絨織物吃毛不勻問(wèn)題，對(duì)一幅織物的編織品質(zhì)采用纖維質(zhì)量偏移方差S2進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(12)

式中：mef為織物上(e，f)處的纖維質(zhì)量,e∈[0,W],f∈[0,H]；m0為標(biāo)準(zhǔn)纖維質(zhì)量，g；W為織物寬度，針；H為織物高度，針。S2反映織物各點(diǎn)纖維質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量之間的偏離程度。

2 數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)長(zhǎng)毛絨織物的設(shè)計(jì)需求，本文設(shè)計(jì)的長(zhǎng)毛絨織物數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)包含花型設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、文件管理、預(yù)測(cè)補(bǔ)償4大模塊。長(zhǎng)毛絨織物編織時(shí)的動(dòng)作執(zhí)行部件有織針、梳理頭，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)模塊為選針圖設(shè)計(jì)、喂毛圖設(shè)計(jì)2部分，用以提高設(shè)計(jì)的靈活性、準(zhǔn)確性。提花花型的設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)既包含一般織物設(shè)計(jì)通用的工具如畫(huà)筆、曲線、旋轉(zhuǎn)等工具，又有針對(duì)長(zhǎng)毛絨織物設(shè)計(jì)的特殊功能工具，如重復(fù)出針、鏤空等。喂毛圖的設(shè)計(jì)方式有手工設(shè)計(jì)、自動(dòng)設(shè)計(jì)2種。自動(dòng)設(shè)計(jì)工具根據(jù)梳理頭模型自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，手工設(shè)計(jì)工具供人工設(shè)計(jì)修改喂毛圖試用。工藝設(shè)計(jì)包括織物參數(shù)、織針排列、梳理頭排列3個(gè)部分，用于設(shè)置提花顏色數(shù)量、織物尺寸等相關(guān)參數(shù)。文件管理提供文件導(dǎo)入導(dǎo)出、保存、編譯等功能。預(yù)測(cè)補(bǔ)償模塊提供織物預(yù)測(cè)及補(bǔ)償效果預(yù)覽。

圖2 長(zhǎng)毛絨緯編針織物數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of high-pile knitting digital design system

2.2 提花數(shù)據(jù)解析

提花長(zhǎng)毛絨織物是將不同顏色的纖維束按照花型要求墊入地組織特定行列的織物，因而提花長(zhǎng)毛絨織物常采用花型意匠圖來(lái)表示織物提花面的花型與圖案。梳理頭上的毛條根據(jù)織物顏色進(jìn)行配置，記長(zhǎng)毛絨編織機(jī)成圈系統(tǒng)數(shù)為P，織物顏色數(shù)為Q，則長(zhǎng)毛絨織物轉(zhuǎn)1圈所能編織的線圈行數(shù)為

(13)

則長(zhǎng)毛絨織物梳理頭M個(gè)一組，編織同一行。剩余不參與編織的成圈系統(tǒng)數(shù)為

R=P-Q×N

(14)

各顏色代號(hào)為Cm，m=1,2,…,C為集合{C1,C2, …,Cl}中的1個(gè)值。將織物每行列上的纖維束顏色作為矩陣中的元素，則整個(gè)織物表示為花型意匠矩陣為

(15)

式中：aij的值為集合{C1,C2, …,Cl}中的一個(gè)值，1≤i≤n，1≤j≤m。其中：m為長(zhǎng)毛絨織物總針數(shù)，n為織物總行數(shù)。其中Ai=[ai1,ai2,…,aim] 對(duì)應(yīng)織物一行的花型。

每一選提花顏色Cm對(duì)應(yīng)的提花矩陣為

Bm=[b1,b1,…,bk,…,bc]T

(16)

Di=[Bi1,Bi2,…,Bim]

(17)

初始狀態(tài)下，喂毛矩陣

Qi=Di

(18)

2.3 纖維量補(bǔ)償算法流程

長(zhǎng)毛絨編織機(jī)編織過(guò)程中需織針與梳理頭配合。采用補(bǔ)償算法的長(zhǎng)毛絨織物設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)解析過(guò)程如圖3所示。

圖3 補(bǔ)償算法流程圖Fig.3 Flow chart of compensation algorithm

輸入花型意匠圖后，對(duì)花型意匠圖根據(jù)上述方法進(jìn)行解析，解析完成生成對(duì)應(yīng)的提花矩陣、喂毛矩陣，分為對(duì)應(yīng)織針、梳理頭喂入毛條動(dòng)作。將這2組數(shù)據(jù)作為輸入量，根據(jù)梳理頭模型計(jì)算編織結(jié)果，可得到對(duì)應(yīng)織物的提花意匠矩陣，該矩陣元素由(Cm,M)二元元素表示，其中M為歸一化后的當(dāng)前行列纖維質(zhì)量。原提花矩陣中元素?cái)U(kuò)充為(Cm, 1)。將2個(gè)矩陣的纖維進(jìn)行比較，根據(jù)此誤差作誤差補(bǔ)償，補(bǔ)償完成后重新計(jì)算編織結(jié)果，直至此結(jié)果與設(shè)計(jì)圖的誤差小于給定的誤差，即停止計(jì)算，輸出提花矩陣、補(bǔ)償后的喂毛矩陣。

2.4 纖維質(zhì)量可視化方法

長(zhǎng)毛絨織物設(shè)計(jì)過(guò)程中，提花顏色是纖維簇在織物中1個(gè)線圈上的顏色，對(duì)應(yīng)花型意匠圖1格。通常使用1個(gè)像素點(diǎn)代表花型意匠圖的1格。然而，由于編織中機(jī)械結(jié)構(gòu)及工藝問(wèn)題，編織的織物常存在纖維疏密不一，在視覺(jué)上呈現(xiàn)出顏色深淺不一。為將這種稀疏現(xiàn)象呈現(xiàn)出來(lái)，本文使用量化色彩表示每一針上纖維簇呈現(xiàn)出的顏色。由于長(zhǎng)毛絨織機(jī)所能編織的顏色有限，因而使用不同的色系代表梳理頭所喂入毛條的顏色。每個(gè)色系中，顏色由深到淺到白色代表纖維量由多到少再到無(wú)的情況。

色號(hào)Cm所對(duì)應(yīng)的顏色為T(mén)0(R0,G0,B0)到白色W (255,255,255)之間的顏色。對(duì)應(yīng)歸一化后纖維量為Mm與0。選取對(duì)應(yīng)歸一化纖維量M=1的顏色值作為標(biāo)準(zhǔn)參照色。則纖維量M對(duì)應(yīng)的顏色為T(mén)(R,G,B)，其中

(19)

3 長(zhǎng)毛絨緯編針織物設(shè)計(jì)實(shí)例

本文使用C#語(yǔ)言與Visual studio 2015實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)毛絨織物數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 長(zhǎng)毛絨緯編針織物數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)Fig.4 High-pile knitting digital design system

選用圖4所示系統(tǒng)界面中的花型進(jìn)行測(cè)試。該花型總針數(shù)為1 184針，花型高度810針，提花顏色數(shù)為3色，各轉(zhuǎn)移因子kin、kbw、kwc、kcb、ko分別設(shè)置為0.95、0.46、0.2、0.96、0.9。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)毛條喂入式長(zhǎng)毛絨織物在生產(chǎn)過(guò)程中吃毛不勻問(wèn)題，通過(guò)分析編織原理、纖維在梳理頭間的轉(zhuǎn)移原理，建立了纖維轉(zhuǎn)移模型。根據(jù)此模型提出織物預(yù)測(cè)及補(bǔ)償算法、編織品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)、數(shù)據(jù)可視化方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)毛絨緯編針織物數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用補(bǔ)償算法可顯著提高纖維量偏移方差，即提高編織品質(zhì)。

本文模型中使用的轉(zhuǎn)移因子需通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出，由于設(shè)備使用過(guò)程中存在磨損，轉(zhuǎn)移因子可能會(huì)發(fā)生變化，對(duì)此可進(jìn)一步研究。