戴 寧, 梁匯江, 胡旭東, 陸哲昊, 徐開心, 袁嫣紅, 屠佳佳, 曾志發(fā)

(1.浙江理工大學(xué) 浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點實驗室, 浙江 杭州 310018; 2.浙江理工大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院(國際絲綢學(xué)院), 浙江 杭州 310018; 3.浙江康立自控科技有限公司,浙江 紹興 312500; 4.浙江恒強(qiáng)科技股份有限公司, 浙江 杭州 310018)

緯編針織機(jī)是一種在織針與三角的相互作用下,完成退圈、墊紗、彎紗、成圈等工藝的專用紡織設(shè)備[1]。如何提高緯編針織機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的自感知、故障的自診斷能力是行業(yè)內(nèi)研究的重點。近年來,有關(guān)緯編針織機(jī)狀態(tài)及故障檢測相關(guān)的研究也在逐步展開,覃善霖等[2-3]以電磁式選針器為研究對象,分別通過檢測電磁線圈通斷過程中電流的變化及刀頭擺動規(guī)律,實現(xiàn)了電磁式選針器短路、斷路及刀頭異常故障的自診斷;Ma等[4]基于逆壓電效用實現(xiàn)了壓電式選針器選針過程中驅(qū)動梁的正反擺動;更進(jìn)一步地,Peng等[5]基于壓電陶瓷擺動過程的壓電效應(yīng),在壓電式選針器驅(qū)動梁擺動過程的同時實現(xiàn)了其位置的自檢測;李軍等[6]利用頻閃原理,設(shè)計了選針器頻率檢測系統(tǒng),實現(xiàn)了對選針器刀頭故障的有效檢測。以上研究是從選針器(電磁式、壓電陶瓷式)狀態(tài)的實時檢測層面展開的,在一定程度上提高了選針機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)的自感知、故障的自診斷能力。

戴昱昊等[7]、Heravi等[8]通過紅外感光原理,設(shè)計并開發(fā)了各自的紅外光電監(jiān)測系統(tǒng),分別實現(xiàn)了紗線狀態(tài)的在線檢測以及緯編針織機(jī)喂紗過程中紗線波動幅度的變化規(guī)律。此外,Li等[9-10]引入故障樹分析法以及統(tǒng)計學(xué)規(guī)律法,提高了緯編針織機(jī)紗線張力大波動、斷紗、走紗等故障診斷的準(zhǔn)確率。以上研究是從紗線檢測執(zhí)行器狀態(tài)的實時檢測層面展開的,在一定程度上提高了送紗機(jī)構(gòu)的自感知、故障的自診斷能力。在緯編針織機(jī)其它關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的自感知、故障自診斷能力提高的相關(guān)研究上,胡旭東等[11]將密度電動機(jī)的檢測裝置集成于一塊電路板上,實現(xiàn)了密度電機(jī)位置的在線檢測。

上述研究雖然從一定程度上提高了緯編針織設(shè)備自感知、故障自診斷的能力,但是其研究主要針對單一品種的執(zhí)行器(選針執(zhí)行器、紗線檢測執(zhí)行器、密度調(diào)節(jié)執(zhí)行器等),通用性較差。當(dāng)執(zhí)行器的種類參數(shù)發(fā)生改變(如緯編針織機(jī)選用壓電式選針器替換電磁式選針器或者紗線及織物品種改變)時,檢測方式需要重新研究、調(diào)試,且即使各個執(zhí)行器檢測結(jié)果均正常,也無法保證緯編針織機(jī)的終端控制環(huán)節(jié)——出針方式準(zhǔn)確,故從單一執(zhí)行器的層面提高緯編針織機(jī)性能往往具有很大的局限性。緯編針織機(jī)編織的過程,實際上是織針撞擊三角并沿三角軌道面作受迫升降運(yùn)動的過程[12]。張華等[13-14]通過對緯編針織機(jī)編織過程進(jìn)行動力學(xué)建模發(fā)現(xiàn),織針針踵在撞擊三角瞬時會產(chǎn)生振動,故由此可得,撞擊過程三角同樣會產(chǎn)生振動,且振動頻率與針筒轉(zhuǎn)速、出針方式相關(guān)。

本文結(jié)合緯編針織機(jī)編織過程中織針與三角間的受迫運(yùn)動特性,設(shè)計編織過程三角振動響應(yīng)特性測試平臺,將壓電陶瓷(PZT)貼于壓電三角表面,形成“三角+PZT”耦合體,得到耦合體在不同轉(zhuǎn)速、不同針法下的振動特性曲線,所得編織過程中三角的振動特性(振幅、頻率)與轉(zhuǎn)速、出針方式的數(shù)學(xué)關(guān)系對從振動層面實現(xiàn)緯編針織設(shè)備編織過程中工作狀態(tài)及故障的實時檢測具有一定借鑒意義。

1 工藝分析

織針的走針軌跡主要由選針器刀頭動作及三角工作狀態(tài)確定,進(jìn)而形成各種緯編組織織物,織針內(nèi)嵌于針筒左右兩側(cè)壁內(nèi),隨針筒做圓周運(yùn)動。在選針器刀片及三角的共同作用下,織針在織物編織過程中主要走埋針及出針2種軌跡。在出針軌跡下,織針未撞擊到三角前以速度V1水平運(yùn)動,撞擊三角后以速度V2繼續(xù)沿斜面運(yùn)動,并引起三角沿各個方向的衰減振動,如圖1所示,故不同的出針方式及針筒轉(zhuǎn)速將影響三角的振動響應(yīng)特性。

圖1 編織過程織針沿三角受迫運(yùn)動簡圖Fig.1 Diagram of forced movement of knitting needles along cam during knitting process

2 平臺搭建

編織過程中,在針筒的帶動下,參與編織的織針不斷撞擊工作三角引起其表面應(yīng)激振動,其振動基頻與織針撞擊的頻率一致,選用紹興某紡織裝備生產(chǎn)車間型號為RFSM20無縫內(nèi)衣機(jī)為研究本體,將PZT粘貼于三角表面,形成“三角+PZT”耦合體對織針撞擊頻率進(jìn)行捕獲。由緯編針織機(jī)編織工藝可知,與織針發(fā)生撞擊作用的三角主要有集圈三角、退圈三角、降針三角、成圈三角等,這4類三角與織針撞擊作用本質(zhì)上一致。為方便在研究本體上安裝PZT傳感器以及獲取較強(qiáng)的振動信號,將PZT安裝于退圈、中間針三角組件中,靠近降針三角位置,進(jìn)而對織針撞擊頻率進(jìn)行分析。圖2示出“三角+PZT”耦合體的整體示意圖、局部示意圖、實物圖。

圖2 “三角+PZT”耦合體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of "cam + PZT" coupling structure.(a) Overall schematic; (b) Partial schematic; (c) Physical map

由圖2可知,PZT矩形薄片通過粘膠薄層貼附于降針三角上表面,導(dǎo)線1、2通過焊點1、2分別焊接于PZT矩形薄片上表面及降針三角上表面,織針沿退圈三角上升至退圈高度后,撞擊降針三角下表面,并沿其下表面相對針槽做豎直下降動作?？椺樧矒艚滇樔撬查g產(chǎn)生沖擊波,沖擊波沿各個方向傳播,使“三角+PZT”耦合體產(chǎn)生垂直于表面的應(yīng)激振動,由于PZT矩形薄片的壓電效應(yīng),可將此時織針與三角的撞擊信號轉(zhuǎn)換為同頻率的電信號[15]。

3 三角振動響應(yīng)特性

將圖2中所示的導(dǎo)線1、2接入高性能示波器中,所研究對象RFSM20無縫內(nèi)衣機(jī)正常編織最高轉(zhuǎn)速為80 r/min,故在0～80 r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),以10 r/min的時間間隔進(jìn)行采樣,不同轉(zhuǎn)速下織針撞擊“三角+PZT”耦合體時的振動電信號如圖3所示。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下織針撞擊“三角+PZT”耦合體瞬時振動電信號特性Fig.3 Electrical signal characteristics of instantaneous vibration of knitting needle impacting "cam + PZT" coupling body at different speeds

對比圖3(a)～(h)可知,織針撞擊三角瞬間,振動電信號幅值在較短時間達(dá)到最大值,隨后逐漸衰減到0,且衰減時間周期基本一致,均在200 μs左右,與撞擊速度無關(guān)。緯編針織機(jī)的織針撞擊三角的頻率與針筒轉(zhuǎn)速及出針方式有關(guān),其中,在針筒轉(zhuǎn)速為80 r/min,全出針模式下撞擊頻率最大,以RFSM20無縫內(nèi)衣機(jī)(針數(shù)為1 152)機(jī)型為例,此時其撞擊頻率為1 536 Hz,即當(dāng)前針位2次因撞擊產(chǎn)生的振動時間間隔至少需要約651 ms,振動電信號持續(xù)時間遠(yuǎn)小于最高撞擊時間間隔,相比選針器周期更可忽略不計,故理論上不同轉(zhuǎn)速、不同針法下對應(yīng)的振動電信號滿足現(xiàn)有緯編針織機(jī)的實時性和靈敏性要求。

當(dāng)織針針筒轉(zhuǎn)速按10 r/min階梯遞增時,圖3中所示曲線的振幅值逐漸遞增,由兩剛體碰撞理論可知,撞擊瞬時,織針與三角間的沖擊力與速度成正比,故當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時,沖擊力也逐漸增大,最終導(dǎo)致“三角+PZT”耦合體瞬時振動電信號最大幅值增大。

緯編針織機(jī)的織針隨針筒作圓周運(yùn)動,其鏈條及花型動作按針位進(jìn)行控制,當(dāng)織針?biāo)俣确€(wěn)定時,每枚織針在各時刻的針位確定,本文實驗設(shè)置1×1、1×2、 1×3、2×2、平針等常見針織針法。在平針針法下,對“三角+PZT”耦合體瞬時的振動電信號進(jìn)行測量,其結(jié)果如圖4所示。圖中淺色矩形波信號為當(dāng)前路選針控制信號,其頻率大于或等于1個針位移動時間的倒數(shù)且只與無縫內(nèi)衣機(jī)總針數(shù)及針筒轉(zhuǎn)速相關(guān),藍(lán)色線為“三角+PZT”耦合體瞬時的振動信號。對比圖4(a)～(h)可知,“三角+PZT”耦合體檢測到的振動頻率及振動幅值與針筒轉(zhuǎn)速成正相關(guān),其大小與選針頻率相等。

圖4 平針針法時“三角+PZT”瞬時振動電信號特性Fig.4 "cam + PZT" instantaneous vibration electrical signal characteristics with flat needle method

當(dāng)緯編針織機(jī)設(shè)置1×1針法、1×2針法、1×3針法、2×2針法時,“三角+PZT”耦合體瞬時振動電信號測量結(jié)果如圖5～8所示。

圖5 1×1針法時“三角+PZT”瞬時振動電信號特性Fig.5 "cam+PZT" instantaneous vibration electrical signal characteristics with 1×1 stitching method

圖5～8所示橙、藍(lán)曲線的定義與圖4中橙、藍(lán)曲線的定義一致,研究本體所用選針器為16段選針器。當(dāng)緯編針織機(jī)做1×1針法時,當(dāng)前路選針器選針數(shù)據(jù)為0b1010101010101010;當(dāng)其做1×2針法時,當(dāng)前路選針器選針數(shù)據(jù)為0b1001001001001001;當(dāng)其做1×3針法時,當(dāng)前路選針器選針數(shù)據(jù)為0b1000100010001000;當(dāng)其做2×2針法時,當(dāng)前路選針器選針數(shù)據(jù)為0b1100110011001100;當(dāng)前路選針器選針數(shù)據(jù)中,二進(jìn)制“1”代表選針器對應(yīng)刀頭向上擺動,對應(yīng)織針出針,此時織針撞擊三角,“三角+PZT”耦合體可檢測到振動信號;二進(jìn)制“0”代表選針器對應(yīng)刀頭向下擺動,對應(yīng)織針埋針,此時織針針踵埋入針槽,“三角+PZT”耦合體無法檢測到振動信號。故當(dāng)做1×1針法(見圖5)時,選針頻率是“三角+PZT”耦合體檢測所得振動頻率的2倍;當(dāng)做1×2針法(見圖6) 時,選針頻率是“三角+PZT”耦合體檢測所得振動頻率的3倍;當(dāng)做1×3針法(見圖7)時,選針頻率是“三角+PZT”耦合體檢測所得振動頻率的4倍;當(dāng)做2×2針法(見圖8)時,選針頻率是“三角+PZT”耦合體檢測所得振動頻率的4倍。對比圖4～8中橙、藍(lán)2條曲線可知,緯編針織機(jī)出針方式確定后,選針頻率與振動頻率的比值關(guān)系一定,如下式所示:

圖6 1×2針法時“三角+PZT”瞬時振動電信號特性Fig.6 "cam+PZT" instantaneous vibration electrical signal characteristics with 1×2 stitching method

圖7 1×3針法時“三角+PZT”瞬時振動電信號特性Fig.7 "cam+PZT" instantaneous vibration electrical signal characteristics with 1×3 stitching method

圖8 2×2針法時“三角+PZT”瞬時振動電信號特性特性Fig.8 "Cam+PZT" instantaneous vibration electrical signal characteristics with 2×2 stitching method

式中:f為在出針方式為n時,耦合體檢測所得振動頻率,Hz;F為選針頻率,Hz;n1,n2為出針方式的組合整數(shù)變量。

可見:當(dāng)n2=0時,代表全出針,此時選針頻率與“三角+PZT”耦合體檢測所得振動頻率相等;反之,當(dāng)織針做n1×n2針法時,選針頻率是“三角+PZT” 耦合體檢測所得振動頻率的(n1+n2)倍。利用這一規(guī)律結(jié)合緯編織針機(jī)花型工藝,可實現(xiàn)特定出針方式下的提花編織故障診斷。同理,對圖4～8中相同轉(zhuǎn)速下的振動曲線幅值最大值取平均值,并繪制其在不同針法下與針筒轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線,如圖9所示?？梢钥闯?不同針法下,振幅最大值與針筒轉(zhuǎn)速曲線幾乎重合;且隨針筒轉(zhuǎn)速的增大而增大,其振動幅值僅與當(dāng)前時刻針筒轉(zhuǎn)速有關(guān),而與具體針法無關(guān)。

圖9 振幅-轉(zhuǎn)速曲線Fig.9 Amplitude-speed curve

對圖4～8中所測不同轉(zhuǎn)速下的振幅最大值進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖10所示。

圖10 振幅擬合曲線Fig.10 Amplitude fitting curve

由圖10可知,當(dāng)緯編針織機(jī)的針筒轉(zhuǎn)速在0～80 r/min的范圍內(nèi)增加時,“三角+PZT”耦合體檢測所得振動信號最大值呈線性遞增。這表明當(dāng)針筒轉(zhuǎn)速增加時,織針撞擊在三角上的力增加,可利用振動信號最大值與振動轉(zhuǎn)速的規(guī)律曲線,從振動的層面對緯編針織機(jī)編織過程轉(zhuǎn)速的遲滯性及穩(wěn)定性進(jìn)行在線檢測。

4 結(jié) 論

緯編針織機(jī)作為緯編織物生產(chǎn)的專用設(shè)備,其編織過程中工作狀態(tài)及故障的實時檢測對提高其編織性能和穩(wěn)定性具有重要意義。本文結(jié)合緯編針織機(jī)編織過程實際是織針沿三角軌道做受迫運(yùn)動的通用工藝本質(zhì),搭建緯編針織機(jī)編織過程三角振動響應(yīng)特性測試平臺,得到“三角+壓電陶瓷(PZT)”耦合體在不同轉(zhuǎn)速、不同針法下其振動特性(振幅、頻率)與轉(zhuǎn)速、出針方式的數(shù)學(xué)關(guān)系,主要得到如下結(jié)論。

1)織針撞擊三角瞬間,振動電信號幅值在較短時間(相比選針器周期可忽略不計)達(dá)到最大值,隨后逐漸衰減到0,且其衰減時間周期基本一致,均在 200 μs 左右,與撞擊速度無關(guān),故理論上可根據(jù)“三角+PZT”耦合體的振動衰減特性,實現(xiàn)在5 kHz以內(nèi)撞擊頻率下的故障檢測。

2)緯編針織機(jī)全出針狀態(tài)時,選針頻率與“三角+PZT”耦合體檢測所得振動頻率相等;反之,當(dāng)織針做n1×n2針法時,選針頻率是“三角+PZT”耦合體檢測所得振動頻率的(n1+n2)倍,故利用這一規(guī)律結(jié)合緯編織針機(jī)花型工藝,可實現(xiàn)特定出針方式下的提花編織故障診斷。

3)不同針法下,“三角+PZT”耦合體檢測所得振動信號最大值隨針筒轉(zhuǎn)速線性遞增,而與具體針法無關(guān),故可利用振動信號最大值與振動轉(zhuǎn)速的規(guī)律曲線從振動的層面對緯編針織機(jī)編織過程轉(zhuǎn)速的遲滯性及穩(wěn)定性進(jìn)行在線檢測。