基于综框任意升降的随机织物设计方法

2018-08-23敖利民

纺织学报 2018年8期

敖利民，唐雯

(1. 嘉兴学院材料与纺织工程学院，浙江嘉兴 314001； 2. 嘉兴学院商学院，浙江嘉兴 314000)

经纬交织机织物的织造，引入纬纱时经纱的开口控制有2种方式：一种是将经纱分为若干组，每组经纱分穿在同一片综框的综丝上，在凸轮、连杆或多臂等开口机构的控制下，随综框作升降运动；另一种是每根经纱单独控制，在提花开口机构的控制下作升降运动[1]。综框分组控制经纱运动，分组越多，即综框的片数越多，经纬交织规律越复杂，可织造的织物组织就越复杂。

按照构造好的织物组织控制上机织造时，交织规律具有明确的循环特征，即经过一定次数的纬纱引入(1个纬纱循环)后，综框运动规律开始重复、循环，在织物表面形成规律性的织纹(或花纹)。这就引出了一个问题：织物织造时，如果每引入1根纬纱所有综框形成梭口的升降是随机的，织物交织也就是不循环的，将会交织出什么样的织物呢？本文研究即以实现经纬交织时经纱运动的二进制特征为基础，探讨经纬交织无重复规律织物的织造控制方法，并对其交织特征进行分析。

1 织物组织二进制表达与提综状态集

1.1 织物组织的二进制表达

采用综框控制经纱运动，在经纱形成梭口时，各片综框的状态只有2种：在上或在下。综框在上时，其所控制的经纱处于梭口的上层；综框在下时，其所控制的经纱位于梭口的下层。综框的这种运动特点具有二进制特征，因而可用二进制表示综框的运动状态：综框在上时，用二进制状态“1”表示；综框在下时，用状态“0”表示[2]。采用n片综织造，在引入1根纬纱形成梭口时，有些综框在上，有些在下，每片综框的二进制状态(1或0)，按综框从机前到机后(或从机后到机前)的排列次序排列起来，就形成一个n位二进制数，即引入1根纬纱时，所有综框的状态可用一个n位二进制数来表示。将这些二进制数按引纬次序排列起来，就构成了描述经纬交织规律的二进制数组。不难理解，数组中二进制数的数量，即为织物组织循环的纬纱循环数。同理，采用单根经纱控制的织造，经纬交织规律也可采用该种方法表示，但相应的二进制数位数及其形成的数组中二进制数的个数要大得多，尤其是织制的花纹图案复杂的时候。

用二进制数表示引入1根纬纱时各综片的提综状态，二进制数组表示经纬纱交织组织循环，简单而直观，实现了织物交织规律表示的数字化[3]。对于一些交织规律不是很复杂的织物，如用1组经纱、 1组纬纱交织织造的织物，二进制数组表达的经纬交织规律，在穿综方法采用顺穿时，与织物组织图具有简单的对应性。因为用织物组织图表达经纬交织规律，本身就有二进制特征：在组织图中，用带有×、○、●、▲、■等符号的方格表示经组织点，相当于二进制的1；用空白方格表示纬组织点，则相当于二进制的0。图1示出5枚3飞纬面缎纹的组织图及其对应的二进制数组。该组织的经、纬组织循环数均为5，织造该织物需要5片综，织入5根纬纱后完成一个完整的组织循环，每一横行表示引入1根纬纱时各片综框的状态，在上或在下。

图1 5枚纬面缎纹组织图与其对应二进制数组Fig.1 Weave pattern(a)and corresponding binary array(b)of five-shaft weft stain

二进制数组由组织图直接对应而来，组织图有5行，则二进制数组由5个二进制数组成，组织图有5列，则每个二进制数有5位，每个数位的值，当对应组织点为经组织点时为1，对应组织点为纬组织点时为0。二进制数组也可直接表示为(00100，00001，01000，00010，10000)[4-5]。用二进制数组表示织物组织，之所以采用自上而下、自左而右的方式，只是因为对应转换方便。

织物组织的二进制表示的逆转化应用，可将任何二进制数组转化为织物组织，这既可用于织物组织二进制表示的还原，也可将任意可表达为二进制数组的数字、字符信息转化为织物组织，赋予织物组织表达隐含信息的功能[3]。

1.2 有效提综状态集

采用综框控制经纱运动，每片综框都有且只有在上和在下2种状态，每次经纱开口时对应的二进制数，都有1和0这2种可能。这样，n片综可形成的提综开口状态就有2n种。在这2n种可能中，有综框全部在上和综框全部在下2种状态，用二进制表示即所有数位均为1或0，这种状态无法形成经纬交织，是无效的，其他状态都是有效的。那么，n片综织造时，有效的提综状态就有2n-2种[6-7]。

所有有效的提综状态可按下列方法生成：以n位二进制数0(所有数位全为0)为初始状态，按二进制运算方法，等步长加1，直至2n-1(所有数位全为1)，形成完整的n位二进制数序列，再剔除所有数位全为0和全为1的二进制数0和2n-1，即可得到n片综织造时所有可行的二进制提综状态集，该集包含2n-2种有效提综状态。以3片综框为例，按上述方法形成的二进制数序列及对应形成的有效提综状态集如图2所示。完整的二进制序列包含8(23)个3位二进制数，而有效提综状态集包含去除了(000)和(111)的6(23-2)个3位二进制数。

图2 3片综对应的二进制数序列与有效提综状态集Fig.2 Binary sequence (a) and effective heddles state set (b) of 3 heald frames

在实际应用中，采用3片综织造的织物，其织物组织均是从有效提综状态集中抽取一定数量的提综状态组成的二进制数组生成，如图3所示。斜纹组织，即是由图2(b)所示3片综有效提综状态集中的第3、6、5行所对应的二进制数组成的二进制数组生成，是提综状态集的一个子集，该斜纹组织也只是 3片综可织造织物组织的一个特例。在现有的以三原组织为基础组织构造的织物组织中，一般不会包含对应综片数可产生的所有可能提综状态，因此均属于特例组织。

图3 斜纹组织及其对应二进制数组Fig.3 Twill weave (a) and its corresponding binary array (b)

2 随机织物及其织造方法

2.1 随机织物

如果在引入1根纬纱时综框的升、降运动是随机的，由综框片数决定的、完整二进制序列所对应的、有意义的各种提综状态都有可能出现(剔除所有综片都在上或在下状态的无效提综状态)，所形成织物的经纬交织就是不循环、无规律、不重复的。本文将这种由综框随机升降形成的无规律织物命名为随机织物。

2.2 随机织物的织造控制

2.2.1随机控制织造

现代织机都有电子提综装置，织物交织由计算机进行提综控制[8]。通过对电子提综装置进行软硬件改造，即可实现各片综框升降的随机控制。由于织入1根纬纱时每片综的升降是随机的，可由附加的随机装置或随机程序控制每片综框的升降。在电子提综织机上，每片综框由一个单独的气缸驱动升降。采用随机装置或程序控制综框升降时，每形成一次梭口时，各气缸的运动可由一个单独的随机控制装置进行控制，随机产生1或0状态，也可采用一个统一的随机控制装置或控制程序控制，随机产生各片综的状态参数1或0，控制所有综框气缸的升降运动。

随机控制织造需要解决的一个关键问题是，无效提综状态的检测与剔除。

解决这个问题的方法是在综框升降随机控制系统中，加入提综状态检测程序，即在各片综框随机控制装置产生信号(升或降)后，先进行检测，是否所有综片控制信号一致，同为0或1，如果同为0或1，则为无效控制信号，舍弃后重新产生随机信号；反之，执行系统开始执行开口操作。

2.2.2随机序列控制织造

在不改变现有电子提综系统的条件下，也可采用预先生成、输入提综顺序随机序列的方法，织造出随机织物。具体做法是：先根据所用综片数量，产生有效提综状态集，再按照一定的方法产生随机序列，将之同步或间歇写入电子提综系统的织物组织存储区，控制提综织造。

随机序列可一次产生也可分段产生。一次产生即根据所要织制的织物总长度及纬密，计算出所需引纬次数，一次性产生全部随机序列，储存并控制电子提综装置提综织造，每次引纬，电子提综装置读取一个提综状态。分段产生，亦即每次随机产生包含一定数量提综状态的提综状态集，其所包含的提综状态的数量，与电子提综系统所能储存的织物组织纬纱循环数相匹配，比如，电子提综装置只能存储200根纬纱循环数，则每次随机产生的提综状态集即包含引入200根纬纱的提综状态，储存在电子提综装置的织物组织存储区，控制提综织造。当该提综状态集全部读取完后，重新产生包含同样数量提综状态的提综状态集，写入电子提综装置的织物组织存储区，控制提综织造。

本文提出的产生随机序列的方法有2种：限制型随机法和非限制型随机法。2种方法均采用从有效提综状态集中随机抽取提综状态，即采用概率论中的随机抽样方法，从有效提综状态集中抽取提综状态，直至达到要求的纬纱根数(引纬次数)，形成提综控制随机序列。这样做的优势是，由于有效提综状态集中已剔除了无效提综状态，因此，可保证产生的提综状态集均由有效提综状态组成，不用再对提综状态的有效性进行检测。

限制型随机法采用概率论中非放回式抽样方法，从有效提综状态集中抽取提综状态，每次抽取一个提综状态，不放回，有效提综状态集中所有的提综状态抽完后，再从一个完整提综状态集中继续抽取，直至达到指定的纬纱根数，形成提综控制序列。给定拟织入纬纱数w，按照非放回式抽样的方法，从有效提综状态集中抽取w个提综状态，即形成控制织造用提综序列。非限制型随机法采用概率论中的放回式抽样方法产生提综控制随机序列。给定拟织入纬纱数w，按照放回式抽样的方法，从有效提综状态集中抽取w个提综状态，形成织造用提综序列。抽样产生随机提综序列的过程可通过编制程序实现。图4 示出本文编制的放回式抽样和非放回式抽样随机序列产生小程序。输入综框片数和拟织入纬纱根数，即可输出随机序列(提综序列)。

图4 放回式抽样和非放回式抽样随机序列产生程序Fig.4 Random sequence generating program of put back sampling (a) and non-return sampling(b)

3 随机织物的交织特征

3.1 多纬

从2种随机序列产生方法原理可看出，限制型随机法产生的随机序列具有某种意义的循环性，以一个完整的有效提综状态集所含提综状态数为1个循环。在每次循环中，提综状态集中的每种提综状态都会出现且仅出现1次(被抽取1次，且仅被抽取1次)，但在每个循环中，各提综状态的排列次序却完全是随机的，这也是限制型随机命名的来源。

3.2 经纬浮长

在有效提综状态集中，每种提综状态纬纱所形成浮长是不同的，当采用n片综织造时，最小的纬浮长为1个组织点，最大的纬浮长为n-1(二进制序列横向连续n-1个0或1)个组织点，这使得在织物表面或反面上呈现出不同长度纬向浮长。图5示出4片综提综状态集及其对应的织物组织图。在不同的横行最大纬浮长为3，而最小的纬浮长为1。如组织图的第1、2、4、8行在织物正面形成长度为3个组织点的纬浮长，在织物反面形成1个组织点的纬浮长，第7、11、13、14行在织物反面形成长度为第3个组织点的纬浮长，在织物正面形成1个组织点的纬浮长；第3、6、9、12行在织物正反面均形成长度为2个组织点的纬浮长；第5和10行在织物正反面形成的纬浮长均为1。

图5 4片综有效提综状态集及对应织物组织图Fig.5 Effective heddles state set (a) of 4 heald frames and its corresponding fabric weave (b)

由此可见，较大的纬浮长是随机织物的交织特征之一，且大的纬浮长出现的概率大于小的纬浮长。织造所用综片数越多，最大纬浮长长度越大，各纬纱纬浮长差异也越大，意味着交织次数差异越大，导致松紧程度差异也就越大。交织次数多的纬纱张紧，而交织次数少的纬纱则较松弛，松弛的纬纱凸起，会在织物纬向形成立体条纹外观。这种立体条纹的产生，还有利于增加织物的通透效果。张力较小的纬纱，在织物受到经向撕裂作用时，易于产生滑移，从而使撕裂三角形增大，增加撕裂强力。

一般地，出现其他长度经浮长的概率为

式中，m为经浮长所占组织点数，m<2n-1-1。

如图5所示，对于4片综织造而言，出现最大经浮长的情况，即为最左一片综框的情形，最大经浮长为7个组织点，而不会再大。出现最大经浮长的概率为1/3 432，依次地出现浮长为6、5、4、3、2、1个组织点的概率分别为1/429、3/286、5/143、5/52、3/13及1/2。

由此可见，对于限制型随机织物而言，布面上可能出现的理论最大经浮长较非限制型随机织物要短得多，出现较大经浮长的概率也小得多。

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由于织物经向也随机分布着一定数量的不同长度的经浮长，也会增加受到纬向撕裂作用时经纱滑移的幅度，可提高撕裂强力，但不如纬向明显。

4 随机织物的模拟与织造

利用图4所示随机序列生成程序，给定综框片数和纬纱根数，生成随机序列，并将之输入织物设计软件，可实现织物模拟；将随机序列作为织物组织输入电子提综织物打样机，可控制织造相应的织物。

采用限制型随机法和非限制型随机法，综片数均为4片，纬纱根数均为300根，生成随机序列，分别进行模拟和上机织造。本文已将生成的随机序列转化为织物组织，略去生成的随机序列本身。

4.1 织物模拟与可织性分析

4.1.1织物模拟

图6为采用浙大经纬CAD织物模拟软件生成的限制型随机织物组织图和模拟图(局部)。模拟主要参数为：经纬纱的线密度均为27.7 tex，经纱采用4种颜色，排列为1A1B1C1D，纬纱采用1种颜色，排列为1a，经密为300根/(10 cm)，纬密为 270根/(10 cm)。图7为非限制型随机织物模拟图，模拟参数与限制型随机织物相同。

图6 4片综限制型随机织物组织图与模拟图Fig.6 Fabric weave (a) and partial simulating (b) ffigure for limited random fabric of 4 heald frames

图7 4片综非限制型随机织物模拟图Fig.7 Fabric weave (a) and partial simulating (b)figure for non-limited random fabric of 4 heald frames

从图6、7的织物模拟图中均可看出，随机织物表面经纬纱浮长的不均匀分布特征，即在织物的经向和纬向，随机分布着不同长度的经浮长和纬浮长。选定一定区域进行经浮长的统计，结果如表1所示。

表1 4片综随机织物经浮长统计结果Tab.1 Calculation results of warp floats for random fabric of 4 heald frames

从表1可看出，在统计范围内，2种随机织物未发现大于5个组织点的经浮长，相对于限制型随机织物而言，非限制型随机织物出现较大浮长的次数和比例较大。

4.1.2可织性分析

随机织物的可织性问题，主要可能由各片综经纱在织造过程中交织次数的差异过大造成的，交织次数较小的经纱(综片)，机上张力会变小，易于造成经停片停车，使织造不能进行[9-10]。而织造的随机性，又使得在织造时不能提前做好经纱张力控制的措施(如双轴织造)。

表2示出统计得出的2种织物各片综的经纬交织次数。可看出，2种随机织物各片综的交织次数差异并不大，不会发生由于各片综交织次数差异较大，而引起的各片综经纱张力差异大，造成可织性较差的现象。

表2各片综交织次数统计

Tab.2Statisticsresultofinterlacingnumbersforeachhealdframe

综片非限制型随机织物限制型随机织物第1片145151第2片143153第3片148149第4片156152

这只是一种综片数，一种纬纱根数的一次统计结果。为探讨随机织物的可织性，对不同综片数、不同纬纱根数多次生成2类随机序列，并对各片综的交织次数进行了统计分析，这里只给出2个统计结果，如表3所示的5片综500纬的5次统计结果和表4所示的7片综2 000纬的5次统计结果。每片综的统计结果均按次序排列，自左至右一一对应。

表3 5片综500纬各片综经纬交织次数统计Tab.3 Statistics result of interlacing numbers for each heald frame with 5 heald frames and 500 weft insertion

表4 7片综2 000纬各片综经纬交织次数统计Tab.4 Statistics result of interlacing numbers for each heald frame with 7 heald frames and 2 000 weft insertion

从表3、4的经纱交织次数统计结果可看出，虽然随机织物织造时的经纱升降运动是随机的，但因只有2种运动状态，当引纬次数足够多时，各片综的经纱交织次数差别并不大；同时，2种不同随机序列生成方法之间差别也不大。各片综的交织次数大致为纬纱数的1/2，即平纹织物交织次数的1/2(平纹组织的交织次数等于纬纱根数)，随机织物的平均经浮长大致为2个组织点左右。