针织圆机电子选针控制方式研究

孙华平,梁佳璐,丛洪莲

(1.常熟长润智能科技有限公司，江苏常熟 215511；2.江南大学 教育部针织技术工程研究中心，江苏无锡 214122)

随着人们生活水平的提高，人们不断对纺织面料，尤其是服装面料的质量、款式、色彩图案和风格等提出了新的要求，针织服装产品趋于品种多样化、个性化、时尚化和品牌化的方向发展，我国国内的针织服装面料的产品种类和总产量已经超过机织产品[1]。针织圆机是生产针织服装面料的主要设备，服装面料市场的不断变化，市场上的产品种类日新月异，为满足市场的需求，针织电脑提花圆机也逐渐成为大多数生产企业的必备机种。

目前，随着针织工艺技术及针织机制造技术的不断改进，针织提花圆机朝着高精、高效及高智能的方向发展，同时计算机控制技术的水平也在不断提高，电子选针器正向着高精度、高反应速度和高准确度的方向发展[2]。电子选针控制系统就是将电子控制技术应用于花型选针控制中，解析花型文件为具体的时序动作，接受电信号控制并上下摆动刀头选针编织，具有编织花型花高不受限制、花型变换迅速、丰富产品种类、简化机械操作的优点[3-5]。电子选针器通常采用两种驱动方式，即压电陶瓷驱动方式和电磁线圈驱动方式。压电陶瓷有一个明显的缺陷是“压电陶瓷片易疲劳”，导致其寿命比较短，所以在国内已基本不被采用；而电磁线圈被广泛采用，但因其能耗大、发热量高，从而影响到电子选针器长时间工作的稳定性，其使用寿命也因温度高而受到影响。因此需要对现有的电子选针控制方式进行研究和改进。

1 电子选针控制系统

电子选针控制系统就是根据花型文件通过机器参数转化为各个电子选针器的动作值，通过一系列步骤将花纹意匠图中的花型数据转化为电子选针器可识别的选针数据，从而控制选针刀片进行选针动作，从而完成花型的电子提花过程[6-9]。具体的步骤如下图1所示：

图1 电子选针控制系统流程图

针织圆机的电子选针控制系统主要包括嵌入式系统控制面板，接口驱动板和电子选针器，三个部分依靠并行总线进行数据连接。嵌入式系统控制面板主要负责进行花型文件的读取与解析，系统参数的设置与保存。接口驱动板将嵌入式系统控制面板发送的编织数据和编码器采集到的地址数据合并形成控制信息，同时负责故障检测和紧急停机控制。电子选针器主要负责根据控制信息将电信号换化为磁力从而使选针片采取相应的动作，从而实现最后的选针目的。

2 电子选针器控制原理

在织物编织过程中，根据花型文件的设计，喂入编织系统的纱线可经电子选针系统选择在某些织针上升编织，而未被选择的织针则处于工作低位进行编织[10]。电子选针器控制的工作原理是通电时采用控制系统发出电信号指令使线圈内铁芯磁场不断变化，带动选针片组件一端的选针刀作出选针动作[11]。

每个电子选针器包括壳体、逻辑控制单元、线圈组合件和选针片组件，其中，线圈结合件与选针片组件一对一选针驱动，选针片组件中还具有头部伸出壳体的选针刀。如下图2所示为电子选针器的结构示意图：

图2 电子选针器的结构示意图

逻辑控制单元将由接口分配板发送的控制数据发送给线圈组合件，如果对线圈组合件输出高电平(1)，即电磁线圈流入正向电流，则选针刀上摆处于工作状态，选针刀再作用于相应的提花片，使之压入针槽而退出工作，则对应的织针不参加编织；反之，如果对线圈组合件输出低电平(0)，即电磁线圈流入反向电流，则选针刀下摆而回复到非工作状态，则相应的提花片不被压入针槽，织针就被提花片顶起而参加编织[12]。

电子选针器具有工作稳定、可靠性高、响应快等特点[13]。但当电子选针器内的电磁线圈通电时间过长时，由于电压和时间的双重作用，电子选针器的发热量会增加，这样就会降低电子选针器的使用寿命。因此，可以从电压幅值和通电时间两个角度改善其发热量，从而增加电子选针器的寿命。

3 电子选针器控制方式

电子选针器完成的动作是将编织花型信息转换为选针片的机械动作，不同电子选针控制方式主要区别在于电子选针器内部的电磁线圈两端的电压激励方式不同。

3.1 全电压控制方式

传统的全电压控制方式的电压-时间图如下图3所示：

图3 全电压控制方式的电压-时间图

全电压控制方式的选针过程中，电子选针器中的电磁线圈是由正向或反向的额定激励电压来进行控制选针刀的选针方向。该控制方式使用的是长时额定激励电压，电子选针器的电磁线圈处于长时通电状态，电子选针器的选针刀运动稳定，选针准确度高，同时该控制方式的电路相对简单，成本较低。

但是，该控制方式下的电磁线圈处于额定激励电压持续通电的状态，随着通电时间的增加，电子选针器的功耗增加，产生的热量也会增加，从而影响电子选针器的工作稳定性。同时也会减少电子选针器的使用寿命，在实际生产中还需要通过调节机器参数来改善电子选针器的散热条件。

3.2 高低电压控制方式

由于全电压控制方式存在发热量大，使用寿命短的问题，可以通过降低电压幅值的方法来对该控制方式进行改善，即高低压控制方式，其电压-时间图如下图5所示：

图4 高低压控制方式的电压-时间图

高低压控制方式的选针过程中，电子选针器中的电磁线圈也是通过正向或反向的电压来进行控制，只是由额定激励电压和低保持电压两部分组成。在信号切换初始时，电子选针器中的电磁线圈使用短时额定激励电压使其进行快速有效的吸附动作，之后切换到低保持电压，且长时处于低保持电压状态，保证电磁线圈处于稳定的吸附状态，直到新的切换信号输入。虽然该控制方式下的电磁线圈处于长时通电状态，但是由于电压幅值的平均值减小，使其功耗降低，也就降低了电磁线圈的发热量，增加了电子选针器的使用寿命。

但是，该控制方式需要额外增加一组低保持电压的供电电源，另外还需增加相应的高低压切换电路，从而导致成本的上升。

3.3 全电压+持续PWM控制方式

降低电子选针器发热量的方法还可以通过减少发热时间来实现，可以采用全电压+持续PWM控制方式，其中PWM控制方式主要通过调节电磁线圈两端电压的占空比控制，也就是在一个周期内，一部分时间通电，另一部分时间断电，其中的通电时间与一个周期时间的比例也就是所谓的占空比。采用PWM控制后，电磁线圈的通电时间减少，其功耗也就相应的降低，从而达到改善电子选针器发热量的目的。全电压+持续PWM控制方式的电压-时间图如下图5所示：

图5 全电压+持续PWM控制控制方式的电压-时间图

当选针信号发出时，短时额定激励电压激励电子选针器中的电磁线圈进行快速有效的吸附动作，之后若输入电信号的方向不发生变化，则一直采用PWM控制方式，通过间隔的PWM额定激励电压，保证电磁线圈处于稳定的吸附状态；若输入电信号的方向发生改变，则产生相反方向的短时额定激励电压，改变选针电磁线圈的磁场方向，从而控制选针刀采取对应的选针切换动作。这种控制方式利用短时额定激励电压在电信号输入时保证选针刀的选针位置准确选针，利用PWM控制方式中的占空比使其功耗降低，从而减少电子选针器的发热量，延长电子选针器的使用寿命，同时采用额定激励电压幅值保证了选针动作的准确度。

该种控制方式也存在一定的不足，在电路中需要增加定时器来控制产生PWM电压波形，这样会增加控制系统的电路和成本。

为了验证该选针方式控制的电子选针器是否具有降低发热量的作用，对采用全电压控制方式控制的电子选针器和采用全电压+持续PWM控制方式控制的电子选针器进行了实验验证。在实验环境温度为28.2 ℃的情况下，通电2 h后，电子选针器均达到了热平衡状态，每种电子选针器测试了5个样品。最终得到的实验数据如下表1所示：

表1 不同控制方式的电子选针器实验数据汇总

从上表中可以看出，采用全电压控制方式的电子选针器温度是45.5℃，采用全电压+持续PWM控制方式的电子选针器温度是38.7℃，后者的温度比前者降低了6.8℃，说明采用这种控制方式的电子选针器具有减少电子选针器的发热量，降低能耗，延长使用寿命的作用。

4 结语

全电压控制方式具有电路简单的优点，但是其发热量高，电子选针器使用寿命短。高低压控制方式采用降低电压幅值的方法降低了电子选针器的发热量，延长了电子选针器的使用寿命，但是由于实验条件限制不能进行实验验证。全电压+持续PWM控制方式通过减少发热时间来实现降低电子选针器发热量的目的，并通过了实验验证，说明该方式可作为电子选针系统控制方式的优选方案。