平割平圈地毯织机的工艺时序分析与设计

丁彩红， 崔亚飞(东华大学 机械工程学院， 上海 201620)

平割平圈地毯织机的工艺时序分析与设计

丁彩红， 崔亚飞
(东华大学 机械工程学院， 上海 201620)

针对我国地毯织造技术基础研究相对薄弱的现状，为给平割平圈地毯织机设计提供更多的理论指导，首先参考时间圆图设计方法和一般割绒地毯织机的工艺要求，提出平割平圈地毯织机簇绒针和成圈钩组件的运动时序关系。然后通过对连续圈绒、割绒和圈割绒交替簇绒时的成圈工艺分析，指出成圈绒时簧片的动作稍超前于成圈钩的远止点时刻，成割绒时簧片动作最晚时刻在成圈钩的远止点时刻，得出平割平圈地毯织机的运动时序关系图。由于平割平圈地毯织机的簧片运动由电气控制实现，独立于由主轴驱动的针、钩、刀的运动体系，因此，运动时序的分析和设计可为成圈机构的机械设计、电气控制系统的设计提供理论参考。

平割平圈； 地毯织机； 时序； 成圈运动； 远止点时刻

随着经济发展和生活水平的提高，地毯作为家居用品在近十年得到了普遍的使用，但相对于整个国民经济，地毯产业还是一个相对小众的产业，查阅2000年后与地毯织机、簇绒机相关的国内期刊文献发现，除去不少报道性文章，文献研究集中在机构设计及力学分析[1-2]、纱线张力分析[3]、提花控制系统的软硬件设计[4]等方面，缺少开展地毯机械设计所涉及的工艺基础研究。而地毯织造机械与纺织机械类似，具有机构复杂，工艺繁多，动作时序配合要求高的特征，例如阿克明斯特地毯织机[5]不仅有经纬编织底布工艺，还有植绒纱工艺，相比传统的织机有许多类似，但工艺复杂程度不同，因此，需要多开展工艺分析，为企业自主设计地毯织机提供必要的基础知识。

工艺时序反映纺织机械各工艺步骤、机构动作在时间节拍上的相互关系，正确的工艺时序是纺织机械设计的指导思想，因此，研究地毯织造机械的工艺时序是开展地毯织造机械设计的关键内容和基本依据。本文参考纺织机械设计中普遍采用的时间圆图设计方法，将簇绒针、成圈钩和成圈簧片的运动时序关系集合在同一时间坐标系中，根据成圈工艺要求，完成平割平圈(level-cut-loop，LCL)地毯织机的时序设计。

1 LCL地毯簇绒工艺分析

地毯簇绒织机种类多种多样，但地毯织造的原理基本相同[6]，通过将纱线植入移动着的底布形成一行行的绒圈而织成地毯。参与簇绒工艺动作的主要执行元件有簇绒针、成圈钩和割刀，对于既有圈绒又有割绒的地毯，一般在成圈钩上安装可控制成圈钩开口和闭口的成圈簧片元件。图1示出LCL的簇绒工艺简图。LCL地毯簇绒织机可生产出等高的圈割绒组合的花形图案，其工艺动作包括簇绒针的往复直线运动、成圈钩的往复回摆运动、割刀的上下回摆运动和簧片的直线伸缩运动。当簧片伸出时，成圈钩钩口被闭合，成圈钩上的纱线可以逃脱形成圈绒；当簧片缩回时，成圈钩钩口被打开，成圈钩上的纱线无法逃脱而被割刀割断形成割绒。纱线成圈绒还是成割绒主要取决于簧片的运动状态。

图1 LCL的簇绒工艺简图Fig.1 Schematic diagram of LCL tufting

簧片放置于成圈钩的侧面沟槽内，可沿沟槽做相对直线运动。由图1可知，小气缸、弹簧、助动片、簧片和成圈钩组合为一个LCL成圈钩组件，其作用相当于普通地毯机的成圈钩。簇绒针、LCL成圈钩组件和割刀的运动由一个主轴通过多组连杆机构分别驱动。成圈钩固定在LCL组件上，而簧片则以气缸为动力源相对于组件是运动的，因此，LCL地毯织机的成圈执行机构进行2种运动：同一主轴驱动的针、钩、刀的简谐运动和簧片的相对直线运动。成圈工艺时序关系主要表现为这2种运动之间的时序匹配关系。

2 成圈运动的针钩时序分析

参考时间圆图设计方法，将360°的圆展开为时间横轴，以主轴工作周期T为1个周期，分析簇绒针、成圈钩和簧片的动作时序关系。

主轴每转1周，完成1次“针送纱—钩勾纱—纱脱钩或者刀割纱”，形成1个圈绒或者割绒。如果纱线被成圈钩勾住后不脱钩，就会被割刀割断，因此，植绒的过程可以理解为“针送纱—钩勾纱—纱脱钩或者不脱钩”。

有割绒工艺的地毯机械的底布和成圈钩的前进方向相反，以利于纱线留在钩内被割断，但这不利于纱脱钩。以成圈钩上平面水平位置为簇绒针行程的零点，以针竖直线为成圈钩行程的零点。LCL地毯机成圈工艺的要点有：1)成圈钩进程到零点时开始勾纱，稍超前于簇绒针的下止点；2)成圈钩回程过零点时开始脱纱，脱纱结束时刻稍滞后于簇绒针的上止点，此时纱线具有较大张力，有利于纱脱钩回弹[7]。非简谐运动的连杆机构设计相对简谐运动更利于实现工艺要求[8]，但设计计算有一定的难度且存在刚性冲击。本文采用一个主轴通过多组连杆机构驱动簇绒针、成圈钩组件和割刀[9]，其运动均为简谐运动，根据工艺要点，通过设计连杆机构及布局、调整驱动偏心的相位角差值和连杆长度，得到LCL地毯织机的执行机构传动简图如图2所示。

图2 成圈机构示意图和结构点图Fig.2 Structure drawing and mechanism schematic of loop-forming motion

应用ADAMS运动仿真[10]，设定主轴工作转速为400 r/min，则主轴工作周期为0.15 s，取仿真时长为0.4 s，得到簇绒针和成圈钩组件的时序关系，如图3所示。图中反映出簇绒针和成圈钩机构的时间配合关系即相位差为105°，其中粗实线为簇绒针执行机构的运动路径曲线，细实线为成圈钩的运动路径曲线。

图3 簇绒针和成圈钩的运动时序Fig.3 Time sequence between needle and looper

由图3可知，针在底布下的时间约为0.095 s，占运动周期T(0.15 s)的63%，有利于勾纱动作。A点为LCL成圈钩组件进程过零点的时刻，根据成圈工艺要求，成圈钩开始勾纱；B点为成圈钩组件回程过零点的时刻，成圈钩开始脱纱，由于LCL地毯机底布进给方向和成圈钩组件的回程方向相同，所以不利于纱线迅速脱钩，在稍滞后于针上止点的时刻C点完成脱纱，取TBC=T/10。

3 成圈运动的簧片时序分析

簧片前进闭合和退回打开的动作时序必须和簇绒针、成圈钩的时序匹配，实现纱线脱钩或者不脱钩，从而得到正确的圈绒和割绒绒圈。

根据LCL簇绒工艺，提出簧片的动作时序设计要求：在一个工作周期内，当需要成圈时，簧片伸出，必须在某一时刻前闭合在成圈钩上，在某一时刻后才可以退回；当需要割绒时，簧片不参与成圈工艺，也即簧片退回，必须在某一时刻前在成圈钩上打开且保持退回状态。

为进一步理解LCL地毯成圈过程中簇绒针、成圈钩和簧片的时序关系，本文按3种情况的成圈形式进行详细分析：连续圈绒、连续割绒和一针圈一针割交替连续簇绒。

3.1 连续圈绒

图4示出LCL地毯机连续圈绒时簧片运动的时序图。如图所示，H点是簇绒针回程通过零点的时刻，簧片在H点时刻前必须闭合在成圈钩上，否则纱线会进入钩槽被割断而形成割绒。4 m幅宽的LCL地毯机大约有1 300个簧片，而簧片运动是单个控制的。由于机械摩擦或控制误差，簧片的运动一致性较难保证。为此，将H点时刻提前到N点时刻，也即簧片在N点时刻前必须闭合在成圈钩上，N点一般取A点和H点之间的中间时刻，接近于成圈钩远止点时刻。

图4 连续圈绒时簧片的运动时序Fig.4 Time sequence in continuous loop pile

连续圈绒时，只需满足簧片在N点时刻前闭合在成圈钩上，即簧片伸出并保持伸出状态，直到电磁阀收到(割绒)成圈驱动信号后失电，气路断开，簧片在弹簧作用下退回，连续圈绒工况结束。

3.2 连续割绒

如图3所示，在一个圈绒周期内，簧片至少保持伸出一段时间，当下一针为割绒时，簧片必须退回，成圈钩打开，则C点为簧片退回的最早时刻，并且在M点时刻簧片必须退回到零点，即M点为割绒时簧片退回的最晚时刻。

连续割绒时簧片的运动时序如图5所示。图中显示簧片在M点时刻必须退回到零点并保持退回状态，成圈钩的开口完全打开，此时簇绒针在回程且带纱的针眼还处于成圈钩的下方。直到电磁阀收到(圈绒)成圈驱动信号后得电，气路导通，气缸推动簧片伸出并闭合在成圈钩上，连续割绒工况结束。

图5 连续割绒时簧片的运动时序图Fig.5 Time sequence in continuous cut pile

3.3 圈割交替连续簇绒

结合连续圈绒和连续割绒工艺时的时序匹配关系，得到圈割交替连续簇绒时的时序关系，如图6所示。在成圈绒时，簧片伸出并保持伸出时间至少为TNC即可完成圈绒工艺；在成割绒时，簧片最晚在M点退回到零点。在图中着阴影的TCM时间区域内，簧片既可是伸出状态，也可是退回状态。

图6 圈割绒交替时簧片的运动时序图Fig.6 Time sequence in alternating loop and cut pile

4 电磁阀控制指令发送时刻分析

由图1可看出：通过上位机发送指令给每个电磁阀，当电磁阀得到上位机的动作指令后，使小气缸的活塞杆伸出，推动助动片克服弹簧压力后，推动簧片前行闭合在成圈钩上；当电磁阀得到上位机的断开指令后，小气缸活塞杆退回，助动片在弹簧作用回退，然后拉动簧片退回到零点，使成圈钩处于打开状态。

如图1所示，厚度为1.2 mm的成圈钩固定放置在线切割加工的固定座上，而簧片沿成圈钩的侧面沟槽做相对直线运动，对应的助动片间隙放置在线切割的固定座上，可往复运动，因此，在助动片和簧片的前行和退回过程中，需要克服机械摩擦和气缸内部阻力。

LCL簇绒织机成圈过程中，簧片前进到位的时间主要由气缸响应时间和活塞伸出到位时间决定；簧片回退到位的时间主要由气缸响应时间和助动片的回退时间决定。由于电磁阀至气缸的锦纶聚酯管较短，气体通过其中的时间可以忽略不计，所以气缸的响应时间也即电磁阀的响应时间，高频电磁阀的响应时间约为0.03 s[11]，与用SMC官方提供的选型软件ModelSelectionVer.4.0测定的结果相符。以工作转速为400 r/min的LCL机械为例，文献[12]通过建立力学方程、动力学分析和仿真得出3个过程的时间值，如表1所示。

表1 LCL成圈钩组件各部件运动所需时间Tab.1 Running time of parts in LCL looper assembly

结合图6所示的簧片时序可知：圈绒时，发送电磁阀控制指令的时刻应提前N时刻0.044～0.071 s；割绒时，发送电磁阀控制指令的时刻应提前M时刻0.046 s。

5 结 语

各执行机构的工艺时序关系是进行纺织机械设计的基本依据。LCL地毯织机的针、钩、刀的执行机构之间具有一般地毯织机的运动时序关系，而簧片作为一个由电气控制的独立运动单元，它的动作时序和针、钩、刀运动时序之间的关系，决定了LCL地毯织机成圈工艺的正确性。本文参考一般割绒织机的成圈工艺要求和时间圆图设计方法，提出了簇绒针、成圈钩组件和簧片之间的时序关系，完成了LCL地毯织机设计的基本理论依据研究，为成圈机构的机械设计、电气控制系统的设计提供了理论参考。

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Time series analysis and design for level-cut-loop carpet tufting machine

DING Caihong, CUI Yafei
(CollegeofMechanicalEngineering，DonghuaUniversity，Shanghai201620，China)

The basic research on carpet tufting technology is relatively weak in China, and the guiding ideology and basic theory of tufting machine design were provided. The sequential relation of needle and looper in level-cut-loop (LCL) tufting machine was proposed according to the design method of phase circle and the technological requirements of general cut carpet tufting machine. The sequence chart of LCL carpet tufting machine was acquired by studying the loop-forming process under the circumstances in continuous loop pile, continuous cut pile and alternating loop and cut pile. It is showed that the latch should close upon the looper at the time which is slightly ahead the looper′s far stop time when a loop pile is tufted, and open from the looper at least before the looper′s far stop time when a cut pile is tufted. Owing to the motion of latch in the LCL carpet tufting machine is electrically controlled, and it is independent from the spindle drive movement system of needle, looper and knife, and the time sequence analysis and design provides the foundation for the machine design of loop-forming mechanism and the electrical design of control system.

level-cut-loop; carpet tufting machine； time sequence; loop-forming motion； looper′s far stop time

2016-03-24

2017-02-18

丁彩红(1973—)，女，副教授，博士。主要研究方向为地毯织造装备技术、机电一体化和故障诊断技术。E-mail:dingch@dhu.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20160304905

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