智能化高速噴氣織機(jī)的設(shè)計(jì)

俞寶福 俞 凌 朱成龍 周 泓

（1．紹興紡織機(jī)械集團(tuán)有限公司，浙江 紹興312065；2．紹興市職教中心，浙江 紹興312000；3．浙江大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)系，浙江 杭州310027）

0 引言

現(xiàn)代噴氣織機(jī)具有速度快、自動(dòng)化控制水平高、品種適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是紡織工業(yè)中最重要的設(shè)備之一?，F(xiàn)介紹的噴氣織機(jī)包括引緯機(jī)構(gòu)、送經(jīng)機(jī)構(gòu)、開口機(jī)構(gòu)、打緯機(jī)構(gòu)、卷取機(jī)構(gòu)、織邊機(jī)構(gòu)、經(jīng)停機(jī)構(gòu)和啟制動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件，采用嵌入式控制系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測(cè)與控制，并通過織機(jī)內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)接口功能，實(shí)現(xiàn)了噴氣織機(jī)信息資源的共享與統(tǒng)一管理。

1 高速噴氣織機(jī)的研發(fā)現(xiàn)狀

經(jīng)過十幾年的不斷改進(jìn)，進(jìn)入21世紀(jì)后，現(xiàn)代噴氣織機(jī)已具有速度快、自動(dòng)化控制水平高、品種適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為無梭織機(jī)中發(fā)展最快的機(jī)型，并逐步替代傳統(tǒng)的有梭織機(jī)。

噴氣織機(jī)與其他織機(jī)一樣，主要由開口機(jī)構(gòu)、引緯機(jī)構(gòu)、打緯機(jī)構(gòu)、送經(jīng)機(jī)構(gòu)及卷取機(jī)構(gòu)5個(gè)部分構(gòu)成，所有機(jī)構(gòu)和裝置分別完成各自的工藝動(dòng)作，相互協(xié)調(diào)配合使織機(jī)形成一個(gè)有機(jī)的整體，以完成織物的織造。噴氣織機(jī)的最大特點(diǎn)是其引緯方式不同，將噴射壓縮空氣流作為引緯的柔性載體。目前，大多數(shù)噴氣織機(jī)以主噴嘴噴射壓縮空氣，并以輔助噴嘴分組、順序、定時(shí)噴射壓縮空氣來形成引緯氣流場(chǎng)。通過對(duì)引緯氣流場(chǎng)的研究進(jìn)行合理的主噴嘴與輔助噴嘴的分組設(shè)計(jì)，以提高噴氣織機(jī)運(yùn)行速度，成為提升噴氣織機(jī)質(zhì)量的重要手段。

由于噴氣織機(jī)具有高速、高效、高質(zhì)的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)紡織行業(yè)對(duì)其市場(chǎng)需求巨大。因此，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、運(yùn)行速度快、材料適應(yīng)性廣、具有網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展功能的智能化噴氣織機(jī)產(chǎn)品，不僅能夠提高紡織企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，而且對(duì)國(guó)內(nèi)噴氣織機(jī)技術(shù)的研究具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義，并將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2 智能化高速噴氣織機(jī)的設(shè)計(jì)方案

噴氣織機(jī)的工作流程圖如圖1所示。

噴氣織機(jī)包括引緯機(jī)構(gòu)、送經(jīng)機(jī)構(gòu)、開口機(jī)構(gòu)、打緯機(jī)構(gòu)、卷取機(jī)構(gòu)、織邊機(jī)構(gòu)、經(jīng)停機(jī)構(gòu)和啟制動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件，采用嵌入式控制系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測(cè)與控制。

本智能化高速噴氣織機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是高可靠性、智能化的電控系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖1 噴氣織機(jī)工作流程圖

圖2 電控系統(tǒng)框圖

采用基于ARM的嵌入式控制系統(tǒng)，首先通過對(duì)系統(tǒng)資源的分析為噴氣織機(jī)各部件分配系統(tǒng)資源；然后為噴氣織機(jī)自動(dòng)控制的各種操作創(chuàng)建任務(wù)線程；通過傳感器及攝像頭采集的信號(hào)和圖像，對(duì)噴氣織機(jī)的工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。其次調(diào)用機(jī)器視覺相關(guān)技術(shù)算法對(duì)噴氣織機(jī)生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行智能檢測(cè)；同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)噴氣織機(jī)信息資源的共享與統(tǒng)一管理。圖3為基于ARM的核心處理器硬件系統(tǒng)資源配置，圖4為基于ARM的控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件系統(tǒng)架構(gòu)。

圖3 嵌入式控制系統(tǒng)硬件框圖

圖4 嵌入式控制系統(tǒng)軟件框圖

智能化織機(jī)控制系統(tǒng)具有以下功能：（1）實(shí)現(xiàn)多色任意選緯，使噴氣織機(jī)具有更加廣泛的通用性。根據(jù)緯紗種類的不同，啟動(dòng)時(shí)第一緯和正常運(yùn)行時(shí)引緯系統(tǒng)的每路擋紗銷、輔助主噴嘴、主噴嘴、剪切噴嘴及副噴嘴的工作時(shí)間均能單獨(dú)設(shè)定，保證了織機(jī)的可靠啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了不同種類、不同支數(shù)緯紗的多色穩(wěn)定投緯，提高織物的質(zhì)量，同時(shí)可節(jié)省織機(jī)的能量消耗。由投緯控制的操作界面可知，完善而直觀的引緯監(jiān)控手段使手動(dòng)調(diào)整投緯角度有了更加可靠的參考。首先使所有電磁閥的工作區(qū)域均可在界面上實(shí)時(shí)直觀地顯示，同時(shí)配以緯紗飛行曲線，使引緯調(diào)整變得異常簡(jiǎn)單、方便；然后通過圖示顯示緯紗飛行狀態(tài)是否穩(wěn)定，引導(dǎo)正確的調(diào)整方向；最后實(shí)時(shí)顯示緯紗釋放、到達(dá)每組副噴嘴及緯紗完全到達(dá)的角度，實(shí)現(xiàn)緯紗飛行的數(shù)字化電子監(jiān)控。（2）引緯參數(shù)自動(dòng)設(shè)定系統(tǒng)。只需簡(jiǎn)單輸入緯紗條件和引緯條件，系統(tǒng)即可自動(dòng)設(shè)定引緯參數(shù)，提供可靠的參考數(shù)據(jù)，降低了引緯調(diào)整的難度。（3）自動(dòng)補(bǔ)緯和手動(dòng)換筒功能（相同品種和顏色緯紗的自動(dòng)和手動(dòng)替代功能）?？捎行p少換筒和斷頭停機(jī)時(shí)間，提高織機(jī)運(yùn)行效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。（4）雙探緯裝置，確保檢測(cè)出緯紗失誤。第一個(gè)探緯器檢測(cè)緯紗是否到達(dá)織機(jī)右端，第二個(gè)探緯器檢測(cè)緯紗是否斷頭，以防止織疵的出現(xiàn)。（5）自動(dòng)對(duì)梭口功能。發(fā)生引緯失誤時(shí)，織機(jī)在不引入下一根緯紗的狀態(tài)下停止，進(jìn)行自動(dòng)反轉(zhuǎn)，找出不良的梭口并停止。失誤緯紗處理和再啟動(dòng)的操作非常容易，可以防止操作失誤，并增加擋車工看車臺(tái)數(shù)。（6）電子送經(jīng)裝置：該裝置包括設(shè)置在張力輥處的測(cè)力傳感器信號(hào)采集裝置，信號(hào)檢測(cè)精度可達(dá)0．03g，采用具有高精度、準(zhǔn)確、反應(yīng)迅速的交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)送經(jīng)裝置，控制送經(jīng)量，可隨時(shí)保持均勻經(jīng)紗張力，確保出色的織物產(chǎn)品質(zhì)量。其次配備積極送經(jīng)裝置，對(duì)由于經(jīng)紗的開口動(dòng)作而產(chǎn)生的經(jīng)紗長(zhǎng)度變化，可以在開口時(shí)進(jìn)行積極的補(bǔ)償，有效穩(wěn)定織口并保證打緯力度。同時(shí)配備了上機(jī)張力自動(dòng)設(shè)定軟件，通過操作盤輸入經(jīng)紗條件和織物組織，系統(tǒng)即可自動(dòng)設(shè)定經(jīng)紗上機(jī)張力。（7）電子卷取裝置：采用交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)卷取裝置，通過電腦控制，使其與織機(jī)完全同步運(yùn)轉(zhuǎn)，控制打緯密度。打緯密度可在人機(jī)界面上進(jìn)行設(shè)定，而不需要變換齒輪。同時(shí)通過與電子送經(jīng)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)操作，使上機(jī)工作更加容易進(jìn)行?？筛鶕?jù)不同的組織需要設(shè)定多個(gè)不同緯密，編排成一個(gè)織造程序，實(shí)現(xiàn)變緯密織造。（8）具有完善的防止停車檔系統(tǒng)：該系統(tǒng)設(shè)置了電機(jī)啟動(dòng)方式的選擇。選擇三角形或星形啟動(dòng)方式可獲得不同的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以防止稀路和密路織疵。同時(shí)根據(jù)織物的不同品種和停車檔的不同狀態(tài)，可自由設(shè)定織機(jī)的停止及啟動(dòng)角度；根據(jù)織機(jī)停臺(tái)時(shí)間和停臺(tái)原因，在織機(jī)啟動(dòng)時(shí)，可自動(dòng)調(diào)整織口至合適位置，進(jìn)行高質(zhì)量的織造。該系統(tǒng)也具備織口緊隨功能，停車后立即向前移動(dòng)織口，防止緩慢反轉(zhuǎn)的鋼筘接觸織口，排除了誘發(fā)停車檔的原因。再次啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)調(diào)整織口以正常的位置開始打緯。

3 智能化高速噴氣織機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)

本智能化高速噴氣織機(jī)具有以下設(shè)計(jì)特點(diǎn)：（1）建立了引緯氣流場(chǎng)仿真模型，確定固定主噴、擺動(dòng)主噴、輔助噴嘴與異形筘結(jié)合的引緯方式，保證引緯任務(wù)可靠完成。由氣流噴射方式與氣流引導(dǎo)方式來控制氣流場(chǎng)截面積；合理分布噴射壓力，以保證緯紗伸直與順利引入；噴嘴分組、噴射定時(shí)、合理啟閉噴嘴，在順利完成引緯任務(wù)的前提下降低能耗。（2）研究了引緯控制主輔噴嘴噴射的電磁閥特性并進(jìn)行智能化控制，保證高速引緯工作模式。通過研究控制主輔噴嘴定時(shí)噴射的電磁閥的高速響應(yīng)特性和準(zhǔn)確時(shí)間控制特性，設(shè)計(jì)電磁閥的智能化隨動(dòng)工作方式，實(shí)時(shí)采集織機(jī)運(yùn)行速度從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電磁閥工作時(shí)間，確保閥動(dòng)作時(shí)間可隨織機(jī)轉(zhuǎn)速的變動(dòng)而自行調(diào)整。設(shè)計(jì)把高性能的電磁閥與主噴嘴直接連接在一起，以加快噴射空氣的反應(yīng)速度，不致產(chǎn)生不必要的殘留壓縮空氣，減少和防止吹斷緯紗。同時(shí)，縮短電磁閥至輔噴嘴間的距離，提高輔噴噴射反應(yīng)速度。（3）研究開發(fā)了基于嵌入式系統(tǒng)的一體化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)引緯、打緯、送經(jīng)、卷取及參數(shù)設(shè)置的圖形化控制功能?；谇度胧教幚砥髋c實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)圖形化嵌入式控制系統(tǒng)，通過對(duì)系統(tǒng)資源的分析為噴氣織機(jī)各部件分配系統(tǒng)資源；創(chuàng)建噴氣織機(jī)自動(dòng)控制的各種操作任務(wù)線程；通過多傳感器采集信號(hào)，對(duì)噴氣織機(jī)的工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。（4）研究開發(fā)了織機(jī)內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)接口功能，實(shí)現(xiàn)噴氣織機(jī)信息資源的共享與統(tǒng)一管理。通過局域網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)一個(gè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)多臺(tái)織機(jī)的聯(lián)網(wǎng)工作，實(shí)現(xiàn)任務(wù)集中調(diào)度與網(wǎng)絡(luò)下傳以及多臺(tái)織機(jī)的工作狀況與故障信息上傳；通過廣域網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)織機(jī)生產(chǎn)廠家對(duì)應(yīng)用于各個(gè)紡織企業(yè)的織機(jī)的遠(yuǎn)程維護(hù)。

本智能化高速噴氣織機(jī)在設(shè)計(jì)方面具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：（1）根據(jù)空氣場(chǎng)理論進(jìn)行噴嘴分組，組數(shù)與引緯色紗數(shù)相同，每組設(shè)置各自的固定主噴嘴、擺動(dòng)主噴嘴和電子儲(chǔ)緯器，并配置一個(gè)獨(dú)立的高速電磁閥，采用隨動(dòng)方式控制噴嘴中某色主噴嘴的電磁閥及其儲(chǔ)緯器進(jìn)行噴射引緯，就可實(shí)現(xiàn)某色緯紗引進(jìn)梭口。該方法可有效提高多色引緯過程中的運(yùn)行速度，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能。（2）提出張力控制自適應(yīng)與反饋控制方法。通過對(duì)不同織物的判別，自動(dòng)設(shè)置張力預(yù)定值；對(duì)雙軸送經(jīng)機(jī)構(gòu)的張力差異進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，一旦檢測(cè)到左右兩側(cè)存在差異，控制系統(tǒng)分別調(diào)整2個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)的速度，使兩側(cè)一致，實(shí)現(xiàn)張力的自動(dòng)調(diào)節(jié)。（3）提出基于織機(jī)故障電子病歷的診斷方法，對(duì)監(jiān)測(cè)到的織機(jī)故障先在嵌入式病歷數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行匹配搜索，一旦發(fā)現(xiàn)同類故障首先進(jìn)行提示以加快診斷過程。一旦故障定位處理完成，將故障信息與處理方法自動(dòng)存儲(chǔ)到電子病歷中。（4）提出織機(jī)內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)接口方式，織機(jī)不再是一個(gè)獨(dú)立的工作單元，其可通過局域網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)一個(gè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)多臺(tái)織機(jī)的聯(lián)網(wǎng)工作，實(shí)現(xiàn)任務(wù)集中調(diào)度與網(wǎng)絡(luò)下傳及多臺(tái)織機(jī)的工作狀況與故障信息上傳；或可通過廣域網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)織機(jī)生產(chǎn)廠家對(duì)應(yīng)用于各個(gè)紡織企業(yè)的織機(jī)的遠(yuǎn)程維護(hù)。該方式在最大程度上實(shí)現(xiàn)了信息共享，可有效提升科學(xué)化管理水平。

4 結(jié)語

本智能化高速噴氣織機(jī)已研發(fā)完成，并通過了專業(yè)權(quán)威機(jī)構(gòu)測(cè)試，主要實(shí)現(xiàn)了織機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)，最大轉(zhuǎn)速可達(dá)1 000r／min；可實(shí)現(xiàn)最多8色選色；采用主輔噴嘴與異型鋼筘組合引緯方式，并采用電磁閥控制引緯與電控式儲(chǔ)緯器；采用探緯器自動(dòng)檢測(cè)緯紗斷頭與經(jīng)紗斷頭，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)停車。本智能化高速噴氣織機(jī)功能與性能指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求，本文介紹的技術(shù)方案對(duì)于織機(jī)設(shè)備的研發(fā)具有很好的借鑒意義。

［1］洪海滄．國(guó)產(chǎn)噴氣織機(jī)技術(shù)選型的幾個(gè)問題探析［J］．紡織導(dǎo)報(bào)，2008（7）：117～118

［2］洪海滄．近期國(guó)內(nèi)織造技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展方向［J］．紡織導(dǎo)報(bào)，2011（2）：44～49

［3］趙芳．噴氣織機(jī)電氣控制系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)研究［D］．浙江大學(xué)，2009

［4］何佳鋒．噴氣織機(jī)引緯控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］．青島大學(xué)，2013

［5］鄧玉文．基于CAN總線和Web技術(shù)的智能噴氣織機(jī)網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)的研發(fā)［D］．青島大學(xué)，2014

［6］譚保輝．噴氣織機(jī)輔助噴嘴流場(chǎng)分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化［D］．蘇州大學(xué)，2012

［7］袁曾燕．高速噴氣織機(jī)定張力卷取機(jī)構(gòu)優(yōu)化及其改進(jìn)設(shè)計(jì)［D］．蘇州大學(xué)，2008