一種新型選針原理在電腦提花大圓機中的應用

宋小寧，李 寧

（武漢紡織大學，湖北 武漢 430073）

目前，常見的提花大圓機型號有XD／3F、RFT、RFP等，已有的選針原理是通過選針刀片的擺動間接控制織針沿著三角軌道運動，達到相應的編織高度，并在相應高度保持一段時間，實現三種編織動作即成圈、集圈和浮線，簡稱“三功位”。換句話說就是在選針器、提花片、挺針片和三角軌道的作用下，強迫織針沿著三角軌道上下往復運動，同時隨著針筒轉動，從而實現連續編織。

懸浮式選針裝置將傳統選針裝置中的選針器、三角軌道、提花片和挺針片都融合在一起，因此結構更加簡單，成本也更低。剔除了三角軌道，織針的運動軌跡實現了可編程，也可用軟件編程對應三角軌道，實現各種特殊織針工藝，是一種全新的選針原理。

1 傳統選針原理

傳統的針織設備主要采用機械零件間的接觸驅動織針，即利用三角軌道、提花片、挺針片、選針器等機械零件驅動織針實現編織和提花。其中關鍵部件是選針器，目前最常見的是電子選針器，從動作原理上分為電磁鐵式和壓電陶瓷式兩種。

1.1 電磁鐵式

電磁鐵式選針器（見圖1）是利用對電磁螺旋管通入不同方向的電流，使電磁螺旋管頭端的極性相應變化，或與永久性磁鐵配合使用，利用靠電磁鐵與永久性磁鐵間的吸力和斥力來實現選針頭擺動，即用壓針法實現選針或者直接通過電磁鐵的極性變化來控制選針器選針，使織針分走不同軌道，完成編織過程。

圖1 電磁鐵式選針器

電磁選針方式雖然簡單，電子化程度高，大大減少機械活動部件，動作可靠敏捷，磨損少，維修方便，但是這種電磁式選針裝置有其自身不可彌補的缺點：第一，電磁選針部分耗電量大；第二，電磁鐵在工作中產生的剩磁大并且不能完全及時排除；第三，抗衰減能力難以維持，矯頑力越大，永久磁鐵抗外加磁場影響的能力越大，但是當外加磁場較小時，很難做到不衰減；第四，織布車間中的電機、電燈及其他電器等在工作中電磁場的干擾以及提花機上的電磁鐵通、斷電時產生的電磁場的相互干擾，這些都會影響電磁選針裝置和其他控制機構的正常工作。

1.2 壓電陶瓷式

1.2.1 壓電陶瓷片的結構和變形原理

電子提花機選針裝置所采用的壓電陶瓷片，結構如圖2 所示，它是由上下兩片相同的壓電陶瓷片疊合而成。其工作原理是：在施加電場E后，由于壓電陶瓷片的上下兩片施加的電場方向相反，因此，根據逆壓電效應上片壓電陶瓷片產生沿O-O 方向的收縮，下片壓電陶瓷片產生沿O-O方向的伸長，于是壓電陶瓷片上片受壓而下片壓電陶瓷片受拉，即產生如圖方向的撓度變形uO和力FO。

圖2 壓電陶瓷片結構

1.2.2 壓電陶瓷的壓電效應與逆壓電效應

具有壓電效應的多晶體的壓電陶瓷是不同于一般陶瓷的。目前使用最多的壓電陶瓷如鈦酸鋇（BaTiO2）和鋯鈦酸鉛（簡稱PZT）等。壓電陶瓷的結構隨溫度變化而改變。當溫度高于居里溫度Tc時，晶格為立方晶格無壓電效應；當溫度低于Tc時，壓電陶瓷為四方晶格，此晶格具有壓電效應。即在低于居里溫度的條件下，對壓電陶瓷施加足夠強的直流電場，使晶體中極化小區（電疇）的極化方向與電場方向一致。當外電場去掉后仍有很強的剩余極化，所以當有外力作用時在垂直于極化方向的平面上則出現與外力成正比的電荷。壓電陶瓷不是在任何方向都存在壓電效應，只有垂直于極化方向的表面上才能產生電荷，如圖3所示。設極化方向為3，沿Z軸方向的作用力產生電荷Q3=d33F3；沿X、Y 軸方向的作用力F1和F2也在Z方向產生電荷，可寫為Q3=d31F1=d32F2。d的腳標：第一位表示壓電效應方向；第二位表示力的方向。而在X，Y 軸方向不產生電荷。

壓電陶瓷的逆效應，如圖4所示。若在陶瓷片上施加一個與極化方向相同的電場E，則電場的作用將使極化強度增大，陶瓷內的正負束縛電荷之間的距離也相應增大，即陶瓷片將沿極化方向伸長（圖4中虛線所示）；如果外加電場方向與極化方向相反，則陶瓷片將沿極化方向縮短。這種由電能轉化為機械能的現象，就是逆壓電效應。

壓電陶瓷式選針器是以壓電陶瓷材料作為轉換元件，并利用控制器發送的脈沖信號，作用于壓電元件上，靠壓電材料的逆壓電效應，使壓電元件彎曲到預先記憶的形狀進行選針。壓電陶瓷式選針器目前廣泛應用于針織提花大圓機上，以滿足圓機針數多，響應速度快的要求。但是在元件的受力和防沖擊、震動等方面稍遜色一點，容易發生壓電元件失去記憶情況，這是不可避免的缺點。

1.3 傳統選針原理的缺點

無論是電磁鐵式還是壓電陶瓷式選針，織針都要依靠三角軌道的作用實現各種編織動作，其最終結果是三角軌道對織針造成沖擊摩擦、側向力，但當織針、三角軌道本身的強度、耐磨性等達到極限程度時就限制了織針速度和針筒轉速的提高，自然就限制了產量的提高。因此，必須設法擺脫織針與三角軌道的依賴與牽制關系。據此，要想進一步提高提花大圓機的工作效率，就必須從驅動原理上進行改變。軸向磁懸浮式驅動織針就是織針擺脫對三角的依賴，在懸浮狀態下按編織要求進行編織運動的一種新型裝置。

利用磁懸浮物體之間存在一對斥力或者吸引力，將被懸浮物體懸浮起來的原理，結合選針原理，建立懸浮式織針模型，可實現織針懸浮過程中無接觸、無摩擦、無需三角軌道等。

2 新型選針原理

2.1 懸浮織針原理

懸浮式織針原理是利用磁懸浮理論與技術，將織針進行軸向懸浮，如圖5所示。由電磁裝置產生電磁吸力和斥力控制織針上下往復運動，通過改變電磁裝置中加載電流的大小、方向、波形等參數，就可以改變織針上升的高度和運動的速度，加載連續的驅動電流即可實現連續編織，這樣就可以完成編織動作。

圖5 磁懸浮選針模型

懸浮式選針裝置不但將傳統選針裝置中的選針器、三角、提花片和挺針片都融合為一體，而且不再采用三角軌道，織針的運動軌跡實現了可編程化。用軟件編程對應三角軌道，可實現各種特殊編織工藝，是一種全新的選針驅動原理。

傳統的提花機采用了提花片、挺針片和織針完成編織過程，新型的提花機由于廢棄了三角軌道等復雜的機械結構，也就是說提花片、挺針片也沒有了，即下針筒也被剔除了，取而代之的就是保留了上針筒并換上了電磁裝置。

2.2 懸浮式選針裝置的結構設計

懸浮式選針裝置將電子選針裝置中的選針器、三角部件、提花片、挺針片和織針融合在一起，它是利用電磁裝置產生的電流來直接控制織針的上下往復運動，通過改變電磁裝置中驅動電流的加載方式控制織針的運動方式。

根據懸浮式織針特點，選針裝置外形采用圓柱形結構。如圖6所示，目前提花圓緯機上的織針達上千枚，為了使得如此多的織針能夠合理地分布排列，懸浮式織針的分布排列采用內中外三圈交錯分布形式，即織針分為三種：內側織針、中間織針和外側織針。中間織針采用直線型，內外側織針在頂部有一個折彎，如圖7所示，傳感器固定極片和動極片均鍍在選針裝置針筒的內表面和針織的外表面。

2.3 新型選針原理的優點

2.3.1 簡單化

首先是結構的簡單化。傳統的提花機由各種三角及提花片、挺針片等組成，這些就構成了上下針筒，結構相當復雜；而新型的提花機只保留了上針筒部分使得結構極其簡單，使得整體裝置中高度部分尺寸變小了，更有利于觀察紗線的各種編織動作。其次是傳動配合間的簡單化：在編織過程中，傳統的提花機單純地依靠機械結構間的傳動配合完成這個過程，這是一個多級傳動的過程；而新型的提花機直接用電磁裝置控制織針的運動，實現了直接控制，配合極其簡單。

2.3.2 增強了控制部分

在編織過程中，傳統提花機依靠各種機械結構間的配合控制織針的上下運動完成編織動作，屬于純機械控制；而新型的提花機直接用電磁裝置控制織針的運動，這也是機電一體化的體現。

2.3.3 提高了效率

傳統的提花機各級間的傳動浪費能量，而且部件一旦損壞也比較難更換，而新型提花機都不用考慮這些問題。

3 結論

本文提出了一種新型的懸浮式提花大圓機選針原理，設計了一種懸浮式選針裝置，它是一種不同于傳統的選針裝置，其具有結構簡單、控制方便、效率高、成本低等優點。

［1］朱文斌，吳曉光，等.懸浮式提花織針驅動模型的建立及結構的研究［J］.針織工業，2011，（6）：1—4.

［2］汪德潢.壓電陶瓷片式選針裝置結構與工作原理［J］.紡織學報，2003，24（6）：52—53.

［3］孫志宏，陳明，等.HARTING 電磁選針器［J］.針織工業，1997，（3）：23—24.