纬编单面均匀提花织物耗纱量预测模型

李冉冉，柯宝珠

(上海工程技术大学 纺织服装学院，上海 201620)

纬编提花织物美观大方，设计感强，受到越来越多人的喜爱[1-3]。然而在实际生产过程中，企业为了核算成本，通常要将设计好的花型上机试织后称量得到各色纱线的消耗量。该方式设计周期长、纱线损耗大，影响企业效益。因此，预测纬编提花织物各色纱线消耗量的研究意义重大[4-5]。

目前，关于纬编提花织物耗纱量的研究大多停留在计算各色纱线的消耗比例上，葛涛[6]分别用布板称量法和用纱比理论分析法详述了不同原料规格、种类及品种提花织物用纱比的计算公式和方法；吴益峰[7]采用织物平面投影面积来估算色纱用纱比例；冯杏清等[8]将提花织物分为4种基本单元，探讨花型意匠图与线圈长度的对应规律，建立了三维几何模型估算纬编双面2色提花织物的原料比，这些研究均计算花型循环较小的提花各色纱线消耗比例未涉及到各色纱线的具体消耗量。还有学者研究了纬编基本组织织物耗纱量的预测方法，罗璇等[9]利用累计线圈法建立含有基本组织结构毛衫的耗纱量预测模型，能够在设计阶段较为准确的预测毛衫的纱线消耗量，但未对提花织物的耗纱量做进一步研究。

本文以纬编单面均匀提花织物为例，根据其编织规律与编织时纱线形态，利用MatLab软件建立了纬编单面均匀提花织物耗纱量预测模型。为企业在纬编单面均匀提花织物设计阶段预估成本提供参考，也为纬编提花织物耗纱量预测软件的开发提供一定的研究思路。

1 纬编单面均匀提花织物特点

纬编单面均匀提花织物在1个针床上编织而成，主要由线圈和浮线组成，按照编织方法不同，分为单面均匀提花和单面不均匀提花2种类型[10]。本文所研究的单面均匀提花织物采用不同颜色的纱线编织，按照花纹要求，每种色纱有选择的在某些织针上成圈，且在不成圈的织针上以浮线的形式存在，下面将对其编织规律与编织时纱线形态做详细介绍。

1.1 编织规律

纬编单面均匀提花织物在电脑横机上编织时，主要采用不同颜色的纱线组合来形成相应的花型效果，按照提花花型图案要求，每种色纱有选择地在某些织针上成圈，且在不成圈的织针上以浮线的形式存在。图1为单面均匀提花织物编织规律示意图，图1(a)和图1(b)分别为2色和3色单面均匀提花编织规律示意图。如图1(a)所示，2色单面均匀提花在电脑横机上编织时，花型图案中的每个横列都有2种颜色的纱线参与编织，工艺编织图中一共出现2种编织动作。每个横列在出现某种颜色的位置处编织前针床成圈，另外一种颜色纱线则在该位置处前后针床都不成圈。如图1(b)所示，3色单面均匀提花在电脑横机上编织时，花型图案中的每个横列都有3种颜色的纱线参与编织，工艺编织图中一共出现2种编织动作。每个横列在出现某一种颜色的位置处编织前针床成圈，另外2种颜色纱线则在该位置处前后针床都不成圈。

—色纱1；—色纱2；—色纱3；—前后针床都不成圈；—前针床成圈。 图1 单面均匀提花织物编织规律示意图

1.2 编织形态

纬编单面均匀提花织物作为单面针织物，在电脑横机上编织时，后针床织针不勾取纱线，各色纱线在电脑横机前针床上主要存在2种编织动作，分别是前后针床都不成圈和前针床成圈。2色单面均匀提花编织纱线形态示意图见图2，3色单面均匀提花纱线编织形态示意图见图3。

图2 2色单面均匀提花编织纱线形态示意图

图3 3色单面均匀提花纱线编织形态示意图

如图2所示，2色单面均匀提花织物在编织时，每个花型都有2种纱线参与编织。纱线在针床上存在2种基本组织结构，分别是图2(a)中织针F1,2上的浮线组织和织针F1,1上的前针床成圈组织，分别用l0和l1来表示浮线组织线圈长度(mm)和前针床成圈线圈长度(mm)。如图3所示，3色单面均匀提花织物每个花型都有3种纱线参与编织，与2色单面均匀提花一样也存在同样的2种基本组织结构。下文中将利用几何法建立这2种基本组织结构线圈长度模型，从而得到其线圈长度表达式。

2 单面均匀提花织物耗纱量预测模型

2.1 花型意匠矩阵的建立

在提花织造前，可将设计好的提花花型图案导入到纬编针织物编织程序设计软件中，编辑提花上机编织程序，然后将编织程序导入到电脑横机上进行编织。所导入的提花花型图案需为位图格式，图片中每个像素在编织时都对应提花织物正面的1个成圈线圈，每个像素的颜色对应提花织物正面的1个成圈线圈纱线的颜色。因此，本文用提花花型图案中的颜色信息来表示单面均匀提花花型意匠信息，将设计好的提花花型图案通过MatLab图像处理，最终得到如式(1)所示的二维花型意匠矩阵P。

(1)

由于提花织物在编织时按照提花花型图案从下往上编织，因此一般从提花花型意匠矩阵右下角第1个元素开始，分别向左增加列数，向上增加行数。式(1)中p(j,i)的j、i分别为矩阵行数与列数(j=1,2，…，m；i=1,2，…，n；m、n分别为花型意匠矩阵P的总行数与总列数，是利用MatLab软件中的size函数求得的)，花型意匠矩阵各元素p(j,i)的值表示花型图案中的颜色值,例如p(j,i)=1为第j行i列处的颜色值为1。

2.2 工艺编织矩阵的建立

根据上文所述纬编单面均匀提花织物的编织规律，在MatLab中编辑算法，将花型意匠矩阵P转化为提花织物各色纱线的工艺编织矩阵。由于纬编单面均匀提花织物在编织时，每个花型行都是所有色纱均参与编织，所以本文将提花花型意匠矩阵P按照各类提花的工艺编织规律，转化为与花型图案中颜色数量相等的工艺编织矩阵。即将2色提花花型意匠矩阵分别转化为如式(2)、(3)所示的色纱1和色纱2的工艺编织矩阵K1、K2，将3色提花花型意匠矩阵分别转化为如式(2)～(4)所示的色纱1、2和3的工艺编织矩阵K1、K2和K3。

(2)

(3)

(4)

工艺编织矩阵中各元素的值表示色纱在该处的工艺编织动作，数值0和1分别表示前后针床都不成圈和前针床成圈这2种编织动作。

根据上述编织规律在MatLab中编织如表1和表2所示的2色和3色单面均匀提花转换算法，将花型意匠矩阵P转换为2色和3色单面均匀提花各色纱线的工艺编织矩阵K。

表1 2色单面均匀提花转换算法

表2 3色单面均匀提花转换算法

2.3 基本组织结构线圈长度模型

由单面均匀提花编织纱线形态可知，单面均匀提花的纱线形态主要可以分解为2种基本组织结构，分别为浮线组织对应线圈长度为l0，前针床成圈组织对应线圈长度为l1。下面将分别对浮线组织和前针床成圈组织建立线圈长度模型，求得l0和l1的线圈长度表达式。线圈长度模型中所涉及的参数如下所示：织针针头截面e(mm)，织针针头圆半径r(mm)，织针间距离t(mm)，针床上沉降片厚度h(mm)，编织时织针的弯纱深度f(mm)，以及用于编织的纱线直径d(mm)。

2.3.1 浮线组织

由于浮线组织在编织时织针不勾取纱线，因此针距t即为单个浮线组织的线圈长度l0。浮线组织线圈长度模型如图4所示。浮线组织线圈长度l0表达式如式(5)所示。

图4 浮线组织线圈长度模型

l0=t

(5)

2.3.2 成圈组织

成圈组织线圈长度模型如图5所示。

图5 成圈组织线圈长度模型

由图5可知，假设BC段为直线段，织针在勾取纱线时，点B与针板间存在1个起翘量，因此BC段可视作以GH为一直角边的直角三角形的斜边，故BC段长度如式(6)所示。

(6)

由图5(b)侧视效果图可得GH段长度如式(7)所示。

(7)

根据图5(a)中C点与沉降片的位置关系，假设纱线无形变，则CD段的近似长度如式(8)所示。

(8)

最终算得前针床线圈长度l1表达式如式(9)所示。

l1=2(AB+BC+CD)

(9)

2.4 预测模型的建立

根据上述纬编单面均匀提花各色纱线工艺编织矩阵与2种基本组织结构线圈长度，在MatLab编辑器中编辑如表3单面均匀提花纱线长度累加算法所示的算法，最终计算出各色纱线在编织过程中消耗的总长度。具体运算过程如下：首先以工艺编织矩阵的每行为1个循环来累加该行的纱线长度增加量Δs，在提花各色纱线工艺编织矩阵中，每当遇到数值0时，纱线长度就增加l0，遇到数值1时，纱线长度就增加l1。

结合上述各类提花织物的纱线长度累加算法与编织用纱线线密度，在MatLab中编辑如图6耗纱量预测模型算法流程图所示的算法预测提花各色纱线的消耗量。如图6所示，该模型可以实现以下功能：在MatLab中输入花型图案、花型颜色数c、编织参数、纱线线密度ρ后，通过一系列的运算，最终可直接输出提花织物各色纱线消耗量w，达到简单快捷地预测提花织物耗纱量的目的。

2.5 预测模型验证

图7 提花花型图案

为验证上述所得纬编单面均匀提花织物各色纱线耗纱量预测模型的准确性，设置如下试验对该模型进行验证。分别将如图7提花花型图案所示的6个花型图案，用纱线线密度均为41.66 tex的羊毛/腈纶混纺纱线，在型号为STOLL CMS530C077.2的电脑横机上编织。提花工艺编织参数：纱线直径d=0.28 mm，针头截面直径e=0.52mm，针头圆半径r=1.03 mm，沉降片厚度h=0.35mm，针距t=1.81 mm，弯纱深度f=1.73 mm。将每种花型图案试织3次并分别称量，取平均值作为这6种提花织物各色纱线消耗量的实际值，通过上文所得的提花耗纱量预测模型预测各色纱线消耗量，最后将实际值与预测值按照式(10)做误差分析。试验验证结果与误差分析结果如表4所示。

(10)

表4 试验验证结果与误差分析

如表4所示，按照以上6种提花花型编织纬编单面均匀提花时，预测值与实际值误差值范围为-0.14～0.20 g，误差率范围为-1.96%～4.83%。该验证结果表明，文中所建立的预测模型在预测上文中所示的2色和3色单面均匀提花织物各色纱线消耗量时，可以将误差范围控制在-1.96%～4.83%，相对准确地预测了纬编单面均匀提花织物在实际上机编织过程中各色纱线的消耗量。

3 结束语

本文利用MatLab编辑了纬编单面均匀提花织物耗纱量预测模型。该模型可实现以下功能：在MatLab中输入花型图案、花型颜色数、编织参数、纱线线密度后，通过运算可以直接输出提花各色纱线消耗量。并通过试验验证了该模型在预测纬编单面均匀提花织物各色纱线的消耗量时可以将误差范围控制在-1.96%～4.83%之间，为企业在提花设计阶段核算成本提供参考，也为纬编提花织物耗纱量预测软件的开发提供一定的研究思路。