无缝内衣机调线过程中的垫纱工艺

郭轩李，彭来湖，戴 宁,b，胡旭东

(浙江理工大学, a.浙江省现代纺织装备技术重点实验室;b.纺织科学与工程学院(国际丝绸学院)，杭州 310018)

无缝内衣机是生产无缝成型针织品的专用纬编纺织生产设备[1]，可用于各种基本服装，同时也可以使用不同材质原料的纱线用来编织款式多样的时装[2]。由无缝内衣机调线机构决定的垫纱位置对其参与编织的稳定性有着十分重要的作用，相关的垫纱工艺理论研究也不断有成果出现。周罗庆[3]结合圆袜机的编织工艺，得到了圆袜机垫纱位置的工艺参数，为圆袜机确定可靠的垫纱横纵角提供了理论计算公式。王智等[4]、顾媛菊等[5]和岑凌[6]具体分析了大圆机的垫纱工艺，为Z113型和UP372型大圆机推导出确定可靠的垫纱横纵角，计算出垫纱高度的可靠范围，并分析在不合适的垫纱高度对纱线的损坏情况。但上述研究仅限于圆袜机和部分老旧型号的大圆机，其调线机构从设备安装后，垫纱位置便是固定的，可是无缝内衣机的调线手指是可以变换的，其具有8路调线器，每路调线器又有8只可供选择的调线手指，不同号调线手指可以变换参与多样的编织，可以在同一行编织多种颜色或者不同材质的纱线。不同号调线手指变换后的运动特性会显著改变垫纱高度，垫纱高度直接决定了垫纱纵角，继而影响垫纱的可靠性，织针要选择合适的时机在调线手指垫纱高度平稳在一定范围内后开始参与编织，以保证纱线编织过程中不会漏纱，甚至是撞针的现象。

针对不同调线手指变换交替进入安全垫纱区域所需要的时间缺少量化研究的现状，本文在深入理解无缝内衣机的垫纱工艺的基础上，根据各号调线手指与纱线的几何关系，计算出各调线手指可靠的垫纱高度范围，搭建一种模拟实验平台，对各调线手指的运动学特性进行研究，采用高速相机来拍摄调线手指的纵向运动轨迹情况，确定不同调线手指变换交替进入安全垫纱区域所需要具体时间，并确定调线手指的合理搭配，为改进调线机构的结构提供了理论意见。

1 调线机构三维模型的建立

调线器主要由调线器底座组件、动作部件组件、两位送纱器组件、开舌器探针组件和分配器及电磁阀组件这五部分组成，具体模型如图1和图2所示。

图1 调线器组件

图2 调线器动作部件三维模型

调线器底座主要由支架臂(底座)和护针板组成，通过支架臂可以将整个调线器机构固定在内衣机上，护针板有稳定纱线运动及限制调线手指最低位置的作用。分配器及电磁阀组件主要负责控制调线器各个气路的开闭，使调线手指可以根据预设的程序到达指定工位。

调线器动作部件组件一共有8组调线手指。8组调线手指都有各自的运动路线，在预设的编织程序下，8组调线手指可以两两相互配合，从而编织出不同花型组织的针织产品。如图3所示，第1-3号调线手指主要负责输送地纱面料，有A、B、C 3种不同的工位，B、C为工作工位，A为退出工位；第4-5号调线手指则有A、B、C、D 4种工位，此时A和B为工作工位，C和D为退出工位；第6号调线手指有A、B、C、D、E、F 6种不同的工位，其中，C、D、E、F为工作工位，A、B为退出工位，4-6号调线手指主要负责输送面纱；最后的第7-8号调线手指主要负责输送色纱面料，仅有A、C两种不同的工位，C为工作工位，A为退出工位[7]。

图3 调线手指工位

2 调线指喂纱关键工艺点计算

2.1 第1-3号调线手指垫纱位置确定

图4 纱线运动轨迹示意

图5 纱线运动轨迹俯视图

(1)

(2)

则得到：

(3)

同理可得：

(4)

得出这一段折线总长L为：

(5)

式中：h1为调线手指末端(点A0)到护针板喂纱水平面垂直距离，mm；h2为实际喂纱点B0到织针针钩内点所在水平面垂直距离，mm；RA为调线手指末端纱管(点A0)到针筒圆心O的半径，mm；RB为护针板最外端圆弧半径，mm；RM为针钩内点到针筒圆心的半径，mm；θA为调线手指末端(点A0)到针钩内点M相对于针筒圆心O的转角，(°)；θB为点B0到针钩内点M相对于针筒圆心O的转角，(°)。

由式(5)可以推理出，在合理安装的情况下，像h1、h2及θA等都是有确定尺寸的，测量出L和θA之后便可以据式(5)计算出第1-3号调线手指所对应的转角θB，从而得出实际喂纱点B0的位置。具体数值由表1所示(此处调线手指到达最低的工作工位C处)。

表1 1-3号调线手指主要参数数值

2.2 第4-6号以及7-8号调线手指垫纱位置确定

由实际工艺可知，纱线从第4-6号以及7-8号调线手指(设点B0)导出之后，如图6所示，纱线不需要经过护针板，直接折向握持点处织针针钩内点(点M)，即调线手指末端纱管位置就是实际喂纱点的位置。

图6 纱线轨迹

(6)

式中：h2为实际喂纱点B0到织针针钩内点所在水平面垂直距离，mm；RB为护针板最外端圆弧半径，mm；RM为针钩内点到针筒圆心的半径，mm；θB为点B0到针钩内点M相对于针筒圆心O的转角，(°)。

测量出纱线长度后，可以据式(6)推出，从而得出实际喂纱点的位置。具体数值如表2所示(此处调线手指到达最低工作工位F处)。

表2 4-8号调线手指主要参数数值

2.3 喂纱高度区域确定

根据《针织学》[8]中67页中关于垫纱角度的内容可知，实际喂纱点的高度决定了垫纱的可靠性，由图7所示几何关系可得垫纱纵角β：

图7 垫纱纵角投影

(9)

以针筒直径355.6 mm无缝内衣机为例，针筒半径R针筒=177.8 mm，弯纱角γ=42.935°，针钩内点到针舌销距离Zeo=3.98 mm，M0(ε0,η0)和M(εq,ηq)分别为纱线进入织针针钩内的两点极限位置，垫纱纵角β继续增加时，如图8所示，M0位置会离开针钩，容易勾不住纱线，垫纱纵角β继续减小时，Mq位置会下降，舌针的闭合会夹持损坏纱线。经过测量M0(0.203 mm,0.363 mm)，Mq(-0.403 mm，2.849 mm)。

图8 织针针钩平面

根据《针织学》[8]中70与71页中关于垫纱角度范围的研究可知，垫纱横角与垫纱纵角必须满足：

(10)

(11)

根据实际工艺可知，调线器组件按照工艺要求，调线手指碰撞回弹的过程中，实际喂纱点主要是喂纱高度(h2)发生过大的变化，由式(12)可知h2的变化，将影响垫纱纵角β的大小，如果调线手指因为碰撞还在抖动时织针开始参与编织，容易导致针钩勾不住纱线造成漏纱翻纱等情况，甚至于造成调线手指的导纱管与织针发生碰撞。

由式(11)计算可得：

βmax=34.52°,βmin=15.04°，

由式(9)转换可得：

(12)

当实际喂纱点B0在护针板上时，当调线手指导出的纱线需经过护针板外边缘折向针钩内。经过测量正常安装时，RB=182 mm，将最大和最小垫纱纵角数值代入式(11)和式(12)可得，具体数值如 表3 所示。

表3 1-3号调线手指喂纱高度范围

当实际喂纱点不在护针板上时，纱线不经过护针板直接折向针钩内，如图3所示，当4-6号调线手指纱管在前置位时(工位D和F)前端伸入针钩内，此时RB=179.5 mm，将最大和最小垫纱纵角代入式(11)和式(12)可得，如表4所示。

表4 4-8号调线手指喂纱高度范围

2.4 不同调线手指的合理搭配建议

第1-8号调线手指的垫纱纵角大小分别为31.14°，25.06°，19.74°，19.69°，17.34°，15.34°，16.11°，15.10°。根据垫纱工艺理论，面纱的喂纱张力得大于地纱，面纱的垫纱横角和纵角小于地纱，即“一大两小的垫纱理论”[10]，如图9所示，依据传统垫纱工艺理论，面纱进入针钩所处位置的高度要低于地纱，并且面纱要比地纱更靠近针杆；地纱和面纱的垫纱角相差越大越可以减少跳纱的产生，垫纱效果越好。据此可得面纱尽量使用垫纱角较小的6号调线手指，地纱尽量使用垫纱角较大的1号或者2号调线手指，3号的调线手指输送地纱面料和4号调线手指垫纱角相差很小，不适合搭配在一起使用。

图9 纱线在针钩中的理想配置

3 实 验

实际生产过程中，无缝内衣机由于其紧密复杂的机械结构与线路排布，一般无法直接在无缝内衣机上拍摄纱线的运动过程，为了便于实验设计了以下用于模拟实验测试设备来模仿无缝内衣机的生产过程，如图10所示，所用输纱器、调线器组件、断线触发装置、槽筒、筒子沿着纱线的走线方向依次布置。

1.储纱器；2.调线器；3.断纱触发器；4.槽筒；5.纱筒子；6.槽筒电机；7.高速相机；8.纱线

无缝内衣机调线机构的八组调线手指固定在调线器组件上，并可以绕定轴转动，传统的基于加速度计等接触式运动测量方法并不可以使用，因此本实验使用高速相机来拍摄调线手指的纵向运动，并设计示踪调线手指配合同步标记纸实现调线手指处的纵向运动的捕捉。

调整高速相机的帧率为7000帧/s，设定镜头焦距为100 mm，如图11所示，定位点1和定位点2的连线为Y轴，并设定定位点1和定位点2之间的距离为5 mm。标记点3标记在调线手指的陶瓷管上，随调线手指的运动而运动，即标记点3的运动反映的是调线手指的运动。

图11 高速相机拍摄界面

实验时使用空气压缩机控制输入气压的气压大小，气压大小控制在60 kPa之间，观察调线手指的运动，分析调线手指落下后碰撞回转抖动的过程；对得到的数据利用Matlab强大的运算效率，得到调线手指末端纵向碰撞抖动的运动轨迹图12。

如图12中所示，各组调线手指变换到达工位后，调线手指继续运动与护针板发生碰撞回弹，不会马上稳定在工位上，正是回弹抖动过程引起垫纱位置的不稳定，因此确定调线手指进入安全垫纱区域所需时间对无缝内衣机的编织工艺具一定参考价值。

图12 调线手指运动轨迹

两条虚线为最大和最小垫纱纵角所对应的喂纱高度，在两条虚线之间的区域为之前理论计算所得安全喂纱高度，虚线与纱嘴运动轨迹线的交点M所对应的横坐标代表着在调线手指变换后进入安全垫纱区域所需要的时间。可以得出第1-8号调线手指变换后分别需要19.76、14.90、13.50、23.50、24.86、33.50、14.88、15.20 ms后才能保证垫纱的可靠性，考虑到1-3号手指输送的地纱面料需要和 4-8 号手指的输送面纱色纱面料两两搭配，可以得出在调线手指变换大约35 ms之后其垫纱角度趋于稳定，此时织针开始参与编织，可以保证垫纱的可靠性。

4 结 论

调线器组件作为包括无缝内衣机的主要喂纱机构，研究其运动学特性丰富了垫纱工艺理论。结合通过调线机构的几何关系计算出的实际喂纱高度可靠区域和实验测试平台捕捉到的调线手指运动轨迹，得到调线手指变换后保证垫纱可靠性所需要的时间。通过对无缝内衣机的调线机构的深入研究，得出以下结论。

a)第1-8号调线手指安全进入垫纱区域分别需要19.76、14.90、13.50、23.50、24.86、33.50、14.88、15.20 ms，无缝内衣机编织添纱组织要同时使用地纱和面纱面料，这便要求调线手指两两搭配使用，大体上调线手指换纱后35 ms，其垫纱角度趋于稳定，织针开始参与编织，可以保证垫纱的可靠性，减少翻纱等情况的发生。

b)根据垫纱工艺理论，即“一大两小的垫纱理论”结合数学模型计算出第1-8号调线手指的垫纱纵角大小分别为31.14°、25.06°、19.74°、19.69°、17.34°、15.34°、16.11°、15.10°。根据研究结果可知，面纱可以多使用6号手指，地纱多使用1号或者2号手指，3号手指和4号手指垫纱角相差很小，不建议一同使用。

c)1-3号调线手指的实际喂纱点都在护针板上，但其各自的垫纱纵角各不相同，可以适当增加2和3号手指喂纱点所在的护针板厚度(以不漏纱为基础)，使护针板喂纱平面呈阶梯状分布，可以减少织物跳纱现象的产生。