郭軒李，彭來湖，戴 寧,b，胡旭東

(浙江理工大學(xué), a.浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點實驗室;b.紡織科學(xué)與工程學(xué)院(國際絲綢學(xué)院)，杭州 310018)

無縫內(nèi)衣機(jī)是生產(chǎn)無縫成型針織品的專用緯編紡織生產(chǎn)設(shè)備[1]，可用于各種基本服裝，同時也可以使用不同材質(zhì)原料的紗線用來編織款式多樣的時裝[2]。由無縫內(nèi)衣機(jī)調(diào)線機(jī)構(gòu)決定的墊紗位置對其參與編織的穩(wěn)定性有著十分重要的作用，相關(guān)的墊紗工藝?yán)碚撗芯恳膊粩嘤谐晒霈F(xiàn)。周羅慶[3]結(jié)合圓襪機(jī)的編織工藝，得到了圓襪機(jī)墊紗位置的工藝參數(shù)，為圓襪機(jī)確定可靠的墊紗橫縱角提供了理論計算公式。王智等[4]、顧媛菊等[5]和岑凌[6]具體分析了大圓機(jī)的墊紗工藝，為Z113型和UP372型大圓機(jī)推導(dǎo)出確定可靠的墊紗橫縱角，計算出墊紗高度的可靠范圍，并分析在不合適的墊紗高度對紗線的損壞情況。但上述研究僅限于圓襪機(jī)和部分老舊型號的大圓機(jī)，其調(diào)線機(jī)構(gòu)從設(shè)備安裝后，墊紗位置便是固定的，可是無縫內(nèi)衣機(jī)的調(diào)線手指是可以變換的，其具有8路調(diào)線器，每路調(diào)線器又有8只可供選擇的調(diào)線手指，不同號調(diào)線手指可以變換參與多樣的編織，可以在同一行編織多種顏色或者不同材質(zhì)的紗線。不同號調(diào)線手指變換后的運(yùn)動特性會顯著改變墊紗高度，墊紗高度直接決定了墊紗縱角，繼而影響墊紗的可靠性，織針要選擇合適的時機(jī)在調(diào)線手指墊紗高度平穩(wěn)在一定范圍內(nèi)后開始參與編織，以保證紗線編織過程中不會漏紗，甚至是撞針的現(xiàn)象。

針對不同調(diào)線手指變換交替進(jìn)入安全墊紗區(qū)域所需要的時間缺少量化研究的現(xiàn)狀，本文在深入理解無縫內(nèi)衣機(jī)的墊紗工藝的基礎(chǔ)上，根據(jù)各號調(diào)線手指與紗線的幾何關(guān)系，計算出各調(diào)線手指可靠的墊紗高度范圍，搭建一種模擬實驗平臺，對各調(diào)線手指的運(yùn)動學(xué)特性進(jìn)行研究，采用高速相機(jī)來拍攝調(diào)線手指的縱向運(yùn)動軌跡情況，確定不同調(diào)線手指變換交替進(jìn)入安全墊紗區(qū)域所需要具體時間，并確定調(diào)線手指的合理搭配，為改進(jìn)調(diào)線機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)提供了理論意見。

1 調(diào)線機(jī)構(gòu)三維模型的建立

調(diào)線器主要由調(diào)線器底座組件、動作部件組件、兩位送紗器組件、開舌器探針組件和分配器及電磁閥組件這五部分組成，具體模型如圖1和圖2所示。

圖1 調(diào)線器組件

圖2 調(diào)線器動作部件三維模型

調(diào)線器底座主要由支架臂(底座)和護(hù)針板組成，通過支架臂可以將整個調(diào)線器機(jī)構(gòu)固定在內(nèi)衣機(jī)上，護(hù)針板有穩(wěn)定紗線運(yùn)動及限制調(diào)線手指最低位置的作用。分配器及電磁閥組件主要負(fù)責(zé)控制調(diào)線器各個氣路的開閉，使調(diào)線手指可以根據(jù)預(yù)設(shè)的程序到達(dá)指定工位。

調(diào)線器動作部件組件一共有8組調(diào)線手指。8組調(diào)線手指都有各自的運(yùn)動路線，在預(yù)設(shè)的編織程序下，8組調(diào)線手指可以兩兩相互配合，從而編織出不同花型組織的針織產(chǎn)品。如圖3所示，第1-3號調(diào)線手指主要負(fù)責(zé)輸送地紗面料，有A、B、C 3種不同的工位，B、C為工作工位，A為退出工位；第4-5號調(diào)線手指則有A、B、C、D 4種工位，此時A和B為工作工位，C和D為退出工位；第6號調(diào)線手指有A、B、C、D、E、F 6種不同的工位，其中，C、D、E、F為工作工位，A、B為退出工位，4-6號調(diào)線手指主要負(fù)責(zé)輸送面紗；最后的第7-8號調(diào)線手指主要負(fù)責(zé)輸送色紗面料，僅有A、C兩種不同的工位，C為工作工位，A為退出工位[7]。

圖3 調(diào)線手指工位

2 調(diào)線指喂紗關(guān)鍵工藝點計算

2.1 第1-3號調(diào)線手指墊紗位置確定

圖4 紗線運(yùn)動軌跡示意

圖5 紗線運(yùn)動軌跡俯視圖

(1)

(2)

則得到：

(3)

同理可得：

(4)

得出這一段折線總長L為：

(5)

式中：h1為調(diào)線手指末端(點A0)到護(hù)針板喂紗水平面垂直距離，mm；h2為實際喂紗點B0到織針針鉤內(nèi)點所在水平面垂直距離，mm；RA為調(diào)線手指末端紗管(點A0)到針筒圓心O的半徑，mm；RB為護(hù)針板最外端圓弧半徑，mm；RM為針鉤內(nèi)點到針筒圓心的半徑，mm；θA為調(diào)線手指末端(點A0)到針鉤內(nèi)點M相對于針筒圓心O的轉(zhuǎn)角，(°)；θB為點B0到針鉤內(nèi)點M相對于針筒圓心O的轉(zhuǎn)角，(°)。

由式(5)可以推理出，在合理安裝的情況下，像h1、h2及θA等都是有確定尺寸的，測量出L和θA之后便可以據(jù)式(5)計算出第1-3號調(diào)線手指所對應(yīng)的轉(zhuǎn)角θB，從而得出實際喂紗點B0的位置。具體數(shù)值由表1所示(此處調(diào)線手指到達(dá)最低的工作工位C處)。

表1 1-3號調(diào)線手指主要參數(shù)數(shù)值

2.2 第4-6號以及7-8號調(diào)線手指墊紗位置確定

由實際工藝可知，紗線從第4-6號以及7-8號調(diào)線手指(設(shè)點B0)導(dǎo)出之后，如圖6所示，紗線不需要經(jīng)過護(hù)針板，直接折向握持點處織針針鉤內(nèi)點(點M)，即調(diào)線手指末端紗管位置就是實際喂紗點的位置。

圖6 紗線軌跡

(6)

式中：h2為實際喂紗點B0到織針針鉤內(nèi)點所在水平面垂直距離，mm；RB為護(hù)針板最外端圓弧半徑，mm；RM為針鉤內(nèi)點到針筒圓心的半徑，mm；θB為點B0到針鉤內(nèi)點M相對于針筒圓心O的轉(zhuǎn)角，(°)。

測量出紗線長度后，可以據(jù)式(6)推出，從而得出實際喂紗點的位置。具體數(shù)值如表2所示(此處調(diào)線手指到達(dá)最低工作工位F處)。

表2 4-8號調(diào)線手指主要參數(shù)數(shù)值

2.3 喂紗高度區(qū)域確定

根據(jù)《針織學(xué)》[8]中67頁中關(guān)于墊紗角度的內(nèi)容可知，實際喂紗點的高度決定了墊紗的可靠性，由圖7所示幾何關(guān)系可得墊紗縱角β：

圖7 墊紗縱角投影

(9)

以針筒直徑355.6 mm無縫內(nèi)衣機(jī)為例，針筒半徑R針筒=177.8 mm，彎紗角γ=42.935°，針鉤內(nèi)點到針舌銷距離Zeo=3.98 mm，M0(ε0,η0)和M(εq,ηq)分別為紗線進(jìn)入織針針鉤內(nèi)的兩點極限位置，墊紗縱角β繼續(xù)增加時，如圖8所示，M0位置會離開針鉤，容易勾不住紗線，墊紗縱角β繼續(xù)減小時，Mq位置會下降，舌針的閉合會夾持損壞紗線。經(jīng)過測量M0(0.203 mm,0.363 mm)，Mq(-0.403 mm，2.849 mm)。

圖8 織針針鉤平面

根據(jù)《針織學(xué)》[8]中70與71頁中關(guān)于墊紗角度范圍的研究可知，墊紗橫角與墊紗縱角必須滿足：

(10)

(11)

根據(jù)實際工藝可知，調(diào)線器組件按照工藝要求，調(diào)線手指碰撞回彈的過程中，實際喂紗點主要是喂紗高度(h2)發(fā)生過大的變化，由式(12)可知h2的變化，將影響墊紗縱角β的大小，如果調(diào)線手指因為碰撞還在抖動時織針開始參與編織，容易導(dǎo)致針鉤勾不住紗線造成漏紗翻紗等情況，甚至于造成調(diào)線手指的導(dǎo)紗管與織針發(fā)生碰撞。

由式(11)計算可得：

βmax=34.52°,βmin=15.04°，

由式(9)轉(zhuǎn)換可得：

(12)

當(dāng)實際喂紗點B0在護(hù)針板上時，當(dāng)調(diào)線手指導(dǎo)出的紗線需經(jīng)過護(hù)針板外邊緣折向針鉤內(nèi)。經(jīng)過測量正常安裝時，RB=182 mm，將最大和最小墊紗縱角數(shù)值代入式(11)和式(12)可得，具體數(shù)值如 表3 所示。

表3 1-3號調(diào)線手指喂紗高度范圍

當(dāng)實際喂紗點不在護(hù)針板上時，紗線不經(jīng)過護(hù)針板直接折向針鉤內(nèi)，如圖3所示，當(dāng)4-6號調(diào)線手指紗管在前置位時(工位D和F)前端伸入針鉤內(nèi)，此時RB=179.5 mm，將最大和最小墊紗縱角代入式(11)和式(12)可得，如表4所示。

表4 4-8號調(diào)線手指喂紗高度范圍

2.4 不同調(diào)線手指的合理搭配建議

第1-8號調(diào)線手指的墊紗縱角大小分別為31.14°，25.06°，19.74°，19.69°，17.34°，15.34°，16.11°，15.10°。根據(jù)墊紗工藝?yán)碚摚婕喌奈辜啅埩Φ么笥诘丶?，面紗的墊紗橫角和縱角小于地紗，即“一大兩小的墊紗理論”[10]，如圖9所示，依據(jù)傳統(tǒng)墊紗工藝?yán)碚?，面紗進(jìn)入針鉤所處位置的高度要低于地紗，并且面紗要比地紗更靠近針桿；地紗和面紗的墊紗角相差越大越可以減少跳紗的產(chǎn)生，墊紗效果越好。據(jù)此可得面紗盡量使用墊紗角較小的6號調(diào)線手指，地紗盡量使用墊紗角較大的1號或者2號調(diào)線手指，3號的調(diào)線手指輸送地紗面料和4號調(diào)線手指墊紗角相差很小，不適合搭配在一起使用。

圖9 紗線在針鉤中的理想配置

3 實 驗

實際生產(chǎn)過程中，無縫內(nèi)衣機(jī)由于其緊密復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)與線路排布，一般無法直接在無縫內(nèi)衣機(jī)上拍攝紗線的運(yùn)動過程，為了便于實驗設(shè)計了以下用于模擬實驗測試設(shè)備來模仿無縫內(nèi)衣機(jī)的生產(chǎn)過程，如圖10所示，所用輸紗器、調(diào)線器組件、斷線觸發(fā)裝置、槽筒、筒子沿著紗線的走線方向依次布置。

1.儲紗器；2.調(diào)線器；3.斷紗觸發(fā)器；4.槽筒；5.紗筒子；6.槽筒電機(jī)；7.高速相機(jī)；8.紗線

無縫內(nèi)衣機(jī)調(diào)線機(jī)構(gòu)的八組調(diào)線手指固定在調(diào)線器組件上，并可以繞定軸轉(zhuǎn)動，傳統(tǒng)的基于加速度計等接觸式運(yùn)動測量方法并不可以使用，因此本實驗使用高速相機(jī)來拍攝調(diào)線手指的縱向運(yùn)動，并設(shè)計示蹤調(diào)線手指配合同步標(biāo)記紙實現(xiàn)調(diào)線手指處的縱向運(yùn)動的捕捉。

調(diào)整高速相機(jī)的幀率為7000幀/s，設(shè)定鏡頭焦距為100 mm，如圖11所示，定位點1和定位點2的連線為Y軸，并設(shè)定定位點1和定位點2之間的距離為5 mm。標(biāo)記點3標(biāo)記在調(diào)線手指的陶瓷管上，隨調(diào)線手指的運(yùn)動而運(yùn)動，即標(biāo)記點3的運(yùn)動反映的是調(diào)線手指的運(yùn)動。

圖11 高速相機(jī)拍攝界面

實驗時使用空氣壓縮機(jī)控制輸入氣壓的氣壓大小，氣壓大小控制在60 kPa之間，觀察調(diào)線手指的運(yùn)動，分析調(diào)線手指落下后碰撞回轉(zhuǎn)抖動的過程；對得到的數(shù)據(jù)利用Matlab強(qiáng)大的運(yùn)算效率，得到調(diào)線手指末端縱向碰撞抖動的運(yùn)動軌跡圖12。

如圖12中所示，各組調(diào)線手指變換到達(dá)工位后，調(diào)線手指繼續(xù)運(yùn)動與護(hù)針板發(fā)生碰撞回彈，不會馬上穩(wěn)定在工位上，正是回彈抖動過程引起墊紗位置的不穩(wěn)定，因此確定調(diào)線手指進(jìn)入安全墊紗區(qū)域所需時間對無縫內(nèi)衣機(jī)的編織工藝具一定參考價值。

圖12 調(diào)線手指運(yùn)動軌跡

兩條虛線為最大和最小墊紗縱角所對應(yīng)的喂紗高度，在兩條虛線之間的區(qū)域為之前理論計算所得安全喂紗高度，虛線與紗嘴運(yùn)動軌跡線的交點M所對應(yīng)的橫坐標(biāo)代表著在調(diào)線手指變換后進(jìn)入安全墊紗區(qū)域所需要的時間。可以得出第1-8號調(diào)線手指變換后分別需要19.76、14.90、13.50、23.50、24.86、33.50、14.88、15.20 ms后才能保證墊紗的可靠性，考慮到1-3號手指輸送的地紗面料需要和 4-8 號手指的輸送面紗色紗面料兩兩搭配，可以得出在調(diào)線手指變換大約35 ms之后其墊紗角度趨于穩(wěn)定，此時織針開始參與編織，可以保證墊紗的可靠性。

4 結(jié) 論

調(diào)線器組件作為包括無縫內(nèi)衣機(jī)的主要喂紗機(jī)構(gòu)，研究其運(yùn)動學(xué)特性豐富了墊紗工藝?yán)碚摗＝Y(jié)合通過調(diào)線機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系計算出的實際喂紗高度可靠區(qū)域和實驗測試平臺捕捉到的調(diào)線手指運(yùn)動軌跡，得到調(diào)線手指變換后保證墊紗可靠性所需要的時間。通過對無縫內(nèi)衣機(jī)的調(diào)線機(jī)構(gòu)的深入研究，得出以下結(jié)論。

a)第1-8號調(diào)線手指安全進(jìn)入墊紗區(qū)域分別需要19.76、14.90、13.50、23.50、24.86、33.50、14.88、15.20 ms，無縫內(nèi)衣機(jī)編織添紗組織要同時使用地紗和面紗面料，這便要求調(diào)線手指兩兩搭配使用，大體上調(diào)線手指換紗后35 ms，其墊紗角度趨于穩(wěn)定，織針開始參與編織，可以保證墊紗的可靠性，減少翻紗等情況的發(fā)生。

b)根據(jù)墊紗工藝?yán)碚?，即“一大兩小的墊紗理論”結(jié)合數(shù)學(xué)模型計算出第1-8號調(diào)線手指的墊紗縱角大小分別為31.14°、25.06°、19.74°、19.69°、17.34°、15.34°、16.11°、15.10°。根據(jù)研究結(jié)果可知，面紗可以多使用6號手指，地紗多使用1號或者2號手指，3號手指和4號手指墊紗角相差很小，不建議一同使用。

c)1-3號調(diào)線手指的實際喂紗點都在護(hù)針板上，但其各自的墊紗縱角各不相同，可以適當(dāng)增加2和3號手指喂紗點所在的護(hù)針板厚度(以不漏紗為基礎(chǔ))，使護(hù)針板喂紗平面呈階梯狀分布，可以減少織物跳紗現(xiàn)象的產(chǎn)生。