編織簾織機的自動化改進設計

高志剛， 劉磊磊， 王 勇， 徐 陽

(1. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122；2. 江蘇友誠數控科技有限公司， 江蘇 泰州 225300)

緯向采用天然材料制成的編織簾(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2～5 mm，長度約為3 m。

目前編織簾織機主要是將舊式的劍桿織機進行改造，將原有的劍桿改換成可以開閉口的鱷魚夾，以便夾取緯料，實現引緯。該織機的卷取送經機構仍然為落后的消極式機械式卷取送經機構，加工誤差和機械磨損較大，控制精度不高；對緯密等織造參數進行調整時需調換齒輪、彈簧等，操作不便；動態響應差，限制了織機高速運轉[2-4]；對于選緯方式仍然沒有實現自動化，需要擋車工人根據產品工藝設計的要求，親自選取和喂入緯料，對工人的專業素質要求很高，造成人力耗費大，成本高，工作效率低等問題。目前，編織簾產品主要出口歐美，且需求量越來越大，國內市場也正在逐漸發展，產品供不應求，因此，對編織簾織機的升級改進具有重大的實際意義。

本文針對編織簾織機自動化水平低，主要包括無法自動選取緯料、緯密及經紗張力不勻等問題進行探索，通過對物料特征、自動選緯要求以及產品工藝的分析研究，自主研發設計了一種將緯料的存放、篩選、選取、輸送集于一體的自動選緯裝置，以及對卷取送經機構進行配套升級。

1 編織簾織機的改進方案設計

編織簾織機改進的主要目的是實現對單根緯料的自動選取并可以及時完成輸送過程，方便引緯。本文方案主要增加了緯料的自動選取裝置，并將原有的機械式卷取送經機構更換為電子卷取送經系統。緯料的自動選取裝置取代了傳統的人工選緯，提高了織機的自動化水平；電子卷取送經系統可實現變緯密織造，結構簡單，操作方便，控制精確。

1.1 自動選緯裝置機構組成

根據緯料特征，可以將緯料大致分為硬質緯料和軟繩狀緯料2種。由于2種緯料特征差別太大，故本文針對2種不同的緯料分別設計了對應的自動選緯裝置：硬質緯自動選緯裝置和軟繩狀緯料自動選緯裝置。

1.1.1 硬質緯自動選緯裝置

硬質緯自動選緯裝置的主要目的是對大長徑比硬質緯料的自動選取，擺動篩選機構可將堆集放置的硬質緯料進行振動，使其頭端變得松散，便于選料槽實現對單根緯料的選取，同時，緯料輸送機構會即時將已選出的緯料送入引緯鱷魚夾中，達到目的地后織機完成織造的其他動作。

硬質緯自動選緯裝置主要部件為選料機構、檢測傳感器、緯料輸送機構、擺動篩選機構、料槽支撐架等，使用SolidWorks軟件建立三維模型如圖1所示。

圖1 硬質緯自動選緯裝置Fig.1 Automatic selection device of hard weft

擺動篩選機構是由擺動桿、偏心軸、連接桿、驅動伺服電動機以及電動機座構成，如圖2所示。擺動桿呈“人”字形，有助于松散緯料；通過連接桿將擺動桿與偏心軸相連，偏心軸嵌套于驅動電動機的轉軸之上，構成了四連桿曲柄搖桿機構，電動機轉動帶動擺桿左右擺動，擊打緯料，達到篩選目的。

1—擺動桿；2—擺動電動機座；3—連桿；4—偏心軸；5—擺動電動機。圖2 擺動篩選機構Fig.2 Swing screening mechanism

選料機構是由1組選料槽和擋板構成，緯料輸送機構是由1組傳動軸、1組同步齒輪、軸承座以及送料電動機構成，如圖3所示。

1—選料槽座；2—選料槽；3—傳動軸。圖3 選料機構Fig.3 Mechanism of material selection

選料槽的2個選料槽座底面有一矩形凹槽用于容納圓盤，分別通過沉孔螺釘固定于軸承座上方，構成V型料槽，V型料槽底部留有一定間隙，便于物料下落，且前端的間隙距離大于后端的間隙距離，起到物料導入的作用；擋板通過螺釘固定于選料槽前端，起到防止多余的緯料擠出作用；U型檢測傳感器分別固定于軸承座的前后兩端，高度相等且保證單根剛好落入其檢測范圍之內；傳動軸上端呈圓盤狀，且沿豎直方向向圓盤內側切除部分實體，截面呈矩形；傳動軸中部通過軸承嵌套于軸承座內；傳動軸下端為圓柱狀，方便通過螺釘固定同步齒輪；初始階段2個圓盤的矩形截面相對且位于選料槽的正下方，保證只能輸送單根物料；軸承座和送料電動機分別通過沉孔螺釘固定于底座之上，從而連接于織機上。

1.1.2 軟繩狀緯料自動選緯裝置

軟繩狀緯料自動選緯裝置主要目的是將1種連續不斷的軟繩狀緯料自動引入鱷魚夾中，取代人工喂入，方便引緯。其主要由擺桿、單動氣缸、支撐墻板、短連桿、連接板、支撐座組成，如圖4所示。

1—擺桿；2—短連桿；3—單動氣缸；4—支撐墻板；5—連接板；6—支撐座。圖4 軟繩狀緯料自動選緯裝置Fig.4 Automatic selection device of soft rope weft

1.2 工作原理

在單片機的控制下，當料槽底端固定的傳感器無信號接收時，擺動篩選機構會以一定頻率開始左右擺動，使得纏結的物料變得松散，位于選料槽的物料一端會在重力和相互擠壓的作用下落入選料槽的間隙，同時落入2個傳動軸圓盤端矩形截面切口相對的間隙中，此時緯料也正好落入傳感器檢測范圍內，主控制器接收到傳感器的A/D信號變化后，啟動送料電動機，傳動同步齒輪組轉動，兩圓盤會反向旋轉，由于切口與圓周存在的半徑差，使得物料受到擠壓，通過摩擦力從而將物料向前輸送，實現單根緯料的自動選取。

當需要軟繩狀緯料時，硬質緯料選取裝置的送料裝置會暫停工作，選料裝置還會繼續工作。連接擺桿的小型單動氣缸工作，使得擺桿擺動一定角度，從而將穿套于擺桿末端圓環內的軟繩緯料帶入鱷魚夾中，與此同時，用于切斷軟繩緯料的刀片在氣缸帶動下上升，當鱷魚夾開始引緯時，緯料會剛好滑過刀片而被切斷，實現單根緯料的引入。

編織簾所用緯料包括硬質緯料和軟繩狀緯料，寬度或直徑較大，而且緯料排列方式多樣，不適合采用連續式的卷取方式，因此，本文采用間歇式的卷取方式，根據不同花型的要求，通過顯示界面設定1個周期每緯卷取伺服電動機的轉動角度所對應的脈沖數，配合打緯運動，每打1緯便卷取1次，實現間歇式的卷取，精確地控制緯密。同時，送經控制部分采用二重負反饋閉環控制：第1反饋為伺服驅動器通過光電編碼器獲得伺服電動機的轉速信息，以速度反饋控制方式達到高精度控制要求；第2反饋閉環為經紗張力控制，經紗S型應力傳感器輸出的平均值，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動機轉速，保持經紗張力穩定。

2 關鍵部件力學分析及參數設計

編織簾緯料種類多樣，為研究方便，本文主要選取直徑D1=2.2 mm的硬質緯料竹絲和直徑D2=5 mm 的軟繩狀緯料作為研究對象， 其他規格緯料引緯方式與其同理。

2.1 擺動篩選機構

用于松散物料的擺動篩選機構的效率直接影響著織機車速，至關重要，其主要利用四連桿曲柄搖桿機構的原理[5-7]，如圖5所示。驅動電動機帶動曲柄P′M′繞圓心P′轉動，通過連桿MM′帶動搖桿PM沿圓弧QN擺動，PQ、PN分別為搖桿PM的左、右極限位置。

設∠QPP′=β，∠NPP′=γ，PM=a，MM′=b，M′P′=c，P′P=d，則在△QPP′中，QP′=b+c，PQ=a，PP′=d，由余弦定理得到：

同理，在△NPP′中

圖5 擺動篩選機構原理圖Fig.5 Schematic diagram of swing screening mechanism

圖6 緯料受力分析圖Fig.6 Force analysis diagram of weft-material

擺動篩選機構的主要部件尺寸包括擺桿上、下段的角度差Δθ、擺角θ0、搖桿長度LPM、曲柄長度LP′M′，以及連桿長度LMM′。在擺動篩選機構中，調整擺動角度θ0主要是調整曲柄P′M′和連桿MM′的長度，目前受到左、右2根料槽撐桿的限制，結合上述分析以及初步試驗，設計搖桿長度LPM=25 mm，曲柄長度LP′M′=8 mm，連桿LMM′=70 mm，所以擺角為θ0=32°，擺桿上段與豎直中心線的夾角為θ1=16°，擺桿下段與豎直中心線的夾角為θ2=22.5°，角度差Δθ=6.5°，同時，經過多次實際測試，擺動篩選機構驅動電動機轉速V=150 r/min較為合適。

2.2 硬質緯料輸送機構

緯料輸送主要是通過一對特殊形狀傳動軸的相對轉動，與緯料之間產生擠壓，從而將緯料送出。當送料電動機逆時針轉動時，在4個同步齒輪的傳動作用下，傳動軸分別以相反方向轉動，使夾在其中的緯料受到一定擠壓，從而在摩擦力的作用下被向前輸送出去。

輸送過程緯料運動受力分析如圖7所示。此時緯料的受力主要分2個階段：1)當單根緯料成功落入選料槽口底部后，傳動軸開始轉動，當傳動軸處于剛接觸到緯料的臨界狀態時，受力分析如圖7(a)所示，緯料兩邊分別受到傳動軸的擠壓力F1、F2，將其正交分解可知，緯料會在沿緯料方向分力的作用下向前運動；2)當傳動軸轉過臨界狀態后，緯料的受力分析如圖7(b)所示，由于圓盤被切除部分截面間距小于圓盤間距，形成半徑差，緯料兩側分別受到擠壓力P1、P2發生形變，在摩擦力f1、f2合力的共同作用下向前運動(由于緯料受力對稱，所以圖中僅標出左圓盤對緯料的作用力)。

圖7 緯料運動受力分析圖Fig.7 Force analysis diagram of weft-material movement. (a) Stress state Ⅰ; (b) Stress state Ⅱ

結合以上受力分析，參數設計需滿足以下3點要求：不損傷緯料(不影響織物成色)；每次僅輸送單根緯料；輸送穩定。

經過實際測量，初步選取了硬質緯自動選緯裝置的安裝位置，設計鱷魚夾夾持緯料的長度L1= 30 mm，緯料從選料槽出料口輸出的距離L2=150 mm，從而初步設計傳動軸上端圓盤直徑d1=24 mm，周長C=150.79 mm?？紤]到緯料自身的彈性回復能力，為不損傷緯料，經過多次的實際試驗，設計傳動軸之間的距離d2=50 mm，傳動軸沿豎直方向向圓盤內側切除部分實體后截面間距d3=4 mm，所切除實體寬度d4=1 mm，此時緯料被擠壓的形變量d5=0.2 mm。再次計算圓盤的實際輸送長度L3=137.34 mm，為保證夾持量，故將該裝置初步選取的安裝位置向前移動C-L3=13.45 mm。另外，設計圓盤厚度H=3 mm，圓盤底面與底座間距d6=0.2 mm，使得圓盤不僅與緯料中心相切，而且不會夾持2根緯料，保證了每次僅輸送單根緯料。

當傳動軸中心間距確定之后，固定于傳動軸下端的同步齒輪的中心距即為d2，因為齒輪尺寸相同，為實際的加工方便，所以設計單個齒輪的分度圓直徑d=55 mm，設定齒輪的模數m=2.5，所以由文獻[5]中公式可知，齒輪齒數z=20，齒距p=7.8 mm。

(1)

式中：d為分度圓直徑，mm；p為齒距，mm；m為模數；z為齒數。

2.3 軟繩狀緯料擺動輸送機構

軟繩狀緯料擺動輸送機構原理如圖8所示。其中圖8(a)、(b)分別為該機構在織機上安裝的相對位置俯視圖和正視圖。圖8(a)中虛線O1DE表示軟繩狀緯料初始位置，O1為織口與布邊的交點，緯料在該點可視為固定點，D點為連續緯料穿過擺動桿OD上的圓環，E點為軟繩狀緯料張力施加點。擺動桿OD在氣缸的伸縮運動下以O點為擺動中心發生擺動，在不觸碰到鱷魚夾的前提下，為保證引緯鱷魚夾可以夾住緯料，擺動桿OD頭端的圓環需擺動到O1A的延長線AB上；∠O1CE的大小關系到緯料在引緯過程中與圓環的摩擦程度，∠O1CE越大，緯料在引緯過程中與圓環接觸所受摩擦越??；∠O1CE越小，緯料在引緯過程中與圓環接觸所受摩擦越大，所以選取EC段與硬質緯料選緯裝置接觸的臨界位置。

圖8 軟繩狀緯料擺動輸送機構原理圖Fig.8 Schematic diagram of soft rope weft swing conveyor mechanism. (a) Planform; (b) Front view

由于織機本身的機構位置限制，需要實際測量選定參數。為方便計算，根據設計圖，KH為△CDF的中位線，經過測量可得到當∠CDF=20°時，CD位置較為合適，所以LCD=105.50 mm，LFD=98.37 mm。

單動氣缸動程s=15 mm，由弧長計算公式為

L=αR

(2)

式中：L為弧長，mm；α為圓心角度數，rad；R為半徑，mm。

因為擺動桿的擺角α較小，所以將擺動桿擺動過程中所形成的弧F′D′的長度近似等于所對應的弦長s，由式(1)可得：

(3)

又

(4)

所以

(5)

為保證物料可以擺入夾口，圓弧FD的最低點應經過夾口的中心，同時氣缸需滿足小動程帶動擺動搖桿轉動大擺角的要求，為擺動搖桿提供足夠的擺動空間，經過實際測量與多次試驗后，結合式(2)～(4)，選定ROD′=25.5 mm，ROD=171 mm，從而得到LFD=100.60 mm，α=33.70°。

3 控制方案

3.1 織機工作周期設計

編織簾的緯料不同于普通紗線，所以織機的車速就受到一定的限制，為研究方便，本文選用的織機為兩頁綜框，使用氣缸開口，利用二位三通道電磁閥來控制氣缸的伸縮，從而實現綜框的上下運動，即開口運動。圖9示出編織簾織機五大運動的時間配合周期圖。

圖9 織機工作周期圖Fig.9 Work periodogram of loom. (a) Opening; (b) Weft insertion; (c) Beating up weft; (d) Weft feeding and selection

在編織之前，擋車工人首先將大長徑比的硬質物料一端整齊地抵住擋板2，放入一對選料槽座1組成的選料槽之中，待織機啟動后，設定工藝參數，然后織機開始運行。由圖9可以看出，首次運行時，在0～t1(0.1 s)內，織機開口，即一頁綜框上升，一頁綜框下降，形成織口等待緯料的引入；在t2～t3(1 s)內，引緯鱷魚夾會從織機左端運動到右端，準備夾持緯料；在t3～t4(1 s)內，引緯鱷魚夾靜止，夾口張開，同時送料裝置會將緯料喂入；t4～t5(1 s)內引緯鱷魚夾夾持緯料穿過織口，完成引緯；t5～t6(0.1 s)內，主軸電動機通過連桿打緯機構實現打緯；待打緯結束后，引緯鱷魚夾會從織機左端運動到右端，準備夾持緯料，開始下一周期工作。

3.2 選料控制方案設計

本文采用STC型單片機作為核心控制器，為保證系統運行的穩定性，硬質緯料選料控制系統使用 2個 U型微型光電傳感器作為信號反饋原件，分別安裝于選料槽的前后兩端，后置傳感器1和前置傳感器2。采用PM-K45型U型微型光電傳感器，檢測距離為 6 mm，大于選料槽之間的距離，不影響物料下落；最小檢測物體為0.8 mm×1.2 mm不透明體，小于緯料直徑2.2 mm，滿足使用要求；同時，該傳感器采用獨特的整體成型法使得檢測面和主體之間沒有任何間隙，大大減少了因水滴飛濺、灰塵等造成故障的可能性。選緯控制思路流程圖如圖10所示。

圖10 選緯控制流程圖Fig.10 Control flow chart of weft selection

由圖10可知，緯料篩選機構的運動由后置傳感器1的信號變化控制。緯料未落入選料槽底部時，后置傳感器1指示燈處于點亮狀態，控制篩選的伺服電動機工作；當緯料下落成功后，后置傳感器1間的對射光線受到物料遮擋，指示燈處于熄滅狀態，控制篩選的伺服電動機驅動器會接收到后置傳感器1所發生的信號改變，停止電動機工作，物料等待輸送，所以緯料的篩選過程并不受織機其他動作的影響。

3.3 卷取送經控制方案設計

卷取和送經是織機五大運動的2大關鍵部分，關系到織物的緯密和經紗上機張力。本文針對編織簾所用的特殊緯料，設計了配套的間歇式控制方法。首先，通過對不同編織簾產品的緯密要求進行分析，確定對應緯料的每緯卷取量；然后，織機開始工作之前，通過人機界面提前輸入織物的緯密。每次打緯，以單片機為核心控制器的控制系統會根據設定的緯密參數控制伺服電動機驅動卷取軸轉動相應的角度，從而實現變緯密織造[8]。

在織機工作時，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，能否將張力變化控制在一定范圍內，直接關系到織物質量的好壞。電子送經系統的張力檢測系統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空軸的影響，增加了經紗張力的穩定性[9-10]。同時，由于編織簾織機車速較慢，經紗放送裝置有足夠的時間調節經紗張力，電子送經系統的控制思路流程圖如圖11所示。

圖11 電子送經系統控制流程圖Fig.11 Control flow chart of electronic let-off system

4 編織簾織機實際生產測試

在完成天然材料編織簾織機的整機控制系統設計之后，為驗證其工作情況，本文針對簡單的天然材料編織簾品種進行上機試驗。試驗分3個品種，每個品種選用100根竹絲和一種若干連續軟繩狀緯料，緯料規格如表1所示。產品組織設計為緯向一硬一軟交替織造。經過上機測試，硬質桿狀緯料自動選緯裝置運行良好，軟繩狀緯料自動送緯裝置可以準確地完成緯料的輸送，織機的電子卷取送經機構基本可實現織造要求，但仍需要后續進一步調試，最后織機對每一品種完成200緯的織造共用時約420 s，效率約為30緯/min，效果較為理想。

表1 上機試驗品種規格表Tab.1 Variety specification table for on-board test

5 結束語

本文針對編織簾織機存在的問題，自主研發設計了一種將緯料的存放、篩選、選取、輸送集于一體的自動選緯裝置，通過對機構進行力學分析，確定了各關鍵零件合理的參數及結構；并利用SolidWorks軟件自動生成的相應二維圖紙，進行零件的加工和裝配，搭建了自動選緯裝置，對下一步進行各種影響自動選緯裝置性能參數的試驗奠定了基礎；利用電子卷取送經系統取代了現有的機械式卷取送經機構，可解決織物緯密不勻、經紗張力不勻等問題，提高織物質量；結合織造工藝特點設計了整機的控制方案，提升編織簾織機的自動化水平。