現代經編電子提花斷點續織關鍵控制技術

張 琦， 羅 成， 曲超群， 魏 莉， 程 茜， 夏風林

(江南大學 教育部針織技術工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

電子賈卡提花與電子橫移提花作為全數字化經編機提花數控系統中關鍵的2種電子提花控制技術，前者通過對數千枚賈卡導紗針每枚針的獨立偏置動作實施電子控制，在布面上形成厚、薄、網孔基本提花組織以及各組織彼此之間的繁復組合來完成經編提花，是一種靈活的單針提花控制技術[1]，而后者通過對經編導紗梳櫛的橫移墊紗采用伺服電動機驅動，替代原有作為花紋載體的花板鏈塊與花盤凸輪，解除梳櫛橫移運動速度和橫移提花工藝受機械機構動力學特性與外形尺寸限制，進而利用導紗梳櫛高速柔滑的橫移墊紗動作變化與紗線的空穿排列組合，通過不同導紗梳櫛的紗線在布面上進行錯層交疊編織來實現經編提花，是一種高效的單梳提花控制技術[2]。根據經編機機型不同，2種經編電子提花控制技術可彼此單獨使用以形成風格迥異的經編提花產品，也可相互配合同時使用，從而形成提花效應與組織結構愈加復雜而獨特的經編織物。

作為一種電子提花控制技術，電子賈卡與電子橫移在提供靈活與高效的單針與單梳提花生產便利的同時，卻也引入了作為數字化電控系統本身自帶的天然缺陷，那就是數字化電控信號在系統斷電后控制狀態的消失與電氣傳動關系的截止，尤其是對于生產無縫服裝與立體鞋材等復雜類經編提花產品的現代經編電子提花控制系統，不僅集成了電子賈卡與電子橫移2種提花控制技術，而且系統中受控的提花元件數目與每編織橫列提花動作次數都發生倍增，當機器在運行狀態下遭遇意外斷電后，若不能精確恢復各種提花控制功能的斷點控制信息，則系統上電后的重啟編織將面臨復雜而棘手的人工參與和難以避免的斷電疵布。

對經編電子賈卡與電子橫移提花控制技術的研究，先后有德國Karl Mayer公司開發的KAMCOS系統[3]、江南大學開發的WKCAM經編機集成控制系統[4]、福建三明學院開發的混合異構賈卡通信系統[5]等，但前述研究均未見有對該系統的斷電續織處理方法展開討論與研究。為此，本文分析了經編電子提花斷點特征，設計任意斷點數據可重載流程，引導數控系統自動完成斷點現場數據恢復，系統性解決此類電控系統的斷點續織難題，避免人工參與，給用戶安全高效的生產應用體驗。

1 控制斷點特征與難點分析

現代經編電子提花控制系統斷點產生的直接原因是：采用電子式提花元件替代了原有的機械式花紋載體，用離散的數控伺服系統替代了原有連續的機械傳動機構，一旦系統電能斷失，已經實現的提花偏置控制狀態會消失、原本持續存在的數字耦合電氣傳動會截止，因此當控制系統上電重啟后，必然面臨著各種提花控制功能在斷點現場的數據恢復。但同時現代經編電子提花控制系統獨特的系統任務架構所對應的數據預處理機制，卻為其斷點現場控制信息的恢復增加了額外的困難。

為了應對復雜經編提花織造系統內控制對象數量的不斷增加(電子賈卡梳櫛從1把增至2把，再到3把)、和控制對象提花動作次數的增多(賈卡提花針與電子橫移梳櫛在每個橫列內的提花動作次數從2次倍增到4次)，所帶來的提花控制數據量的劇增與提花動作允許時間的縮短，為確?？刂葡到y對大信息量提花數據的實時處理、以及高頻率賈卡偏置和橫移墊紗動作的精準控制，現代經編電子提花控制系統都會采用如圖1所示的將數據處理與動作控制相分離的系統任務架構[6]。即控制系統的管理層會通過高速通信總線將賈卡提花工藝每橫列偏置數據、橫移提花工藝每橫列墊紗數碼與橫移動作時間跨度結合后生成的電子凸輪運動數據對，在主軸啟動前分別預加載至直接驅動賈卡提花針的控制層，和直接控制橫移伺服電動機運動的控制層的先進先出數據緩沖區FIFO內；當主軸開始高速旋轉后，每次賈卡提花偏置信息的輸出由控制層跟蹤主軸角度位置直接觸發，每段橫移提花的墊紗運動由控制層跟蹤主軸角位置與角速度依特定的電子凸輪曲線同步旋轉。在系統高速運行時，管理層只負責監視控制層實時控制數據的消耗狀態，并做好后續控制數據的補充與裝載，而將賈卡偏置與橫移墊紗的實時動作控制分離給硬件實時性更好的控制底層。圖1示出現代提花控制系統任務架構，FIFO0與FIFO1分別為2個先進先出數據緩沖區。

圖1 現代提花控制系統任務架構

工藝數據的處理與實時控制任務的分離，使得管理層可以利用底層控制的雙數據緩沖區進行高效的數據預裝載與實時補充，但這也就意味著，系統管理層中當前正在處理的用于補充裝載的控制數據，在工藝數據文件中一定會超前于控制層中當前正在或還未輸出的控制數據，也即數據管理層與動作控制層當前正在處理的控制數據對象對應的并非同一個工藝動作，二者對工藝動作信息的處理是不同步的。正是管理層與控制層對控制數據的這種異步預處理機制，提高了系統高速運行狀態下的整體實時性，但卻使得當控制系統在機器處于運轉狀態下遭遇突然斷電時，已經預裝載到控制層內，位于控制現場的正在輸出以及正待輸出的控制數據會全部丟失并形成控制斷點，而在系統上電后，控制層因為自身數據丟失無法恢復斷點現場，管理層卻因為其處理的控制數據對象已經越過控制斷點，也不能直接采用當前控制數據對象進行斷點現場的數據恢復，也就是說，斷點處當前編織控制信息已經丟失，控制底層的編織工藝動作無法快速接續。

斷點數據恢復的難點就在于：系統管理層在斷電瞬間只能記錄少量與工藝編織進度相關的時序數據，而大量的電子賈卡提花偏置動作數據與電子橫移提花凸輪實時運動數據因生成并存在于現場執行控制層，以及工藝數據與實時控制數據之間因預裝載處理而導致的異步關系，以及為確保系統整體高速控制性能而不會在工作狀況下占有總線通信資源進行實時數據回饋的時序設計，都使得現代經編電子提花控制系統難以像采用集中式控制架構的系統那樣，在檢測到掉電瞬間通過備份所有設備現場數據的方式，完成上電后恢復系統斷點與設備狀態的數據準備。在此情況下，現代經編電子提花控制系統斷點處控制數據的恢復，只能利用斷電前系統管理層存儲的有限的現場數據工藝信息，以及經編機機械機構的某些物理信息，反向識別出斷電瞬間控制層正在執行的編織動作，進而反向求取控制斷點前后的控制數據，以接續坯布的斷點續織。

2 主軸角度與動作分區

2.1 主軸物理角度的利用

作為必須與復雜而精密的經編成圈機構精準配合完成提花動作的經編提花控制系統，其每個提花動作的實時控制都是按照每個編織橫列內經編機主軸轉過的圓周角度作為時序坐標嚴格執行。機器主軸既是整個編織機成圈機構的物理主軸，也是控制系統內所有提花電子元件必須嚴格跟隨的電氣主軸。既使在控制系統斷電后系統主軸的電氣信息消失，經編機主軸轉過的物理角度與位置還會持續存在，所以，對經編機主軸的基本編織周期，即1個橫列內360°的旋轉角度，依據電子賈卡提花與電子橫移提花的動作原理分別進行動作分區，再利用絕對值編碼器在系統斷電前后對主軸角度位置的物理性記錄，在系統斷電重啟后，即可根據主軸當前角度位置在各提花動作分區中的定位關系，反向識別出主軸停止轉動的瞬間，控制系統在布面上當前橫列位置正在執行的提花編織動作序號與類別。因此，主軸的物理角度，是提花控制系統成功實現斷點續織的關鍵性物理現場信息。

2.2 賈卡提花動作分區

由賈卡提花的提花原理可知，所有的賈卡提花針需要在主軸到達某個角度位置時快速完成左偏或右偏1針的偏置動作，隨后穩定保持在當前的偏置狀態，以配合賈卡梳櫛的整體橫移動作完成在不同縱行上的墊紗提花效應，直至到達下一個觸發角度[7]。對于每個編織橫列內存在4次提花偏置動作的雙針床雙賈卡提花系統，其提花控制動作時序分區如圖2所示。在沿著經編機主軸旋轉方向上每個編織橫列的旋轉周期內，依次存在4個觸發賈卡針執行提花偏置動作的角度θ1～θ4，每個觸發角度對應賈卡針的動作偏置時刻、每個角度區域對應著賈卡針的狀態保持時段，每個偏置時刻與緊隨其后的保持時段構成了一個動作分區，對應著特定的動作序號。

圖2 電子賈卡4次偏置動作時序分區圖

在采用數據異步預處理機制的現代經編電子賈卡提花控制系統中，系統管理層會在主軸啟動前將2個完整賈卡橫列所對應的8次控制數據分別依次預裝載進如圖1中FIFO0與FIFO1所示的數據緩沖堆棧內，在主軸開始旋轉后，當控制層輸出控制數據的指針在2個數據緩沖區之間輪流跳轉時，管理層持續監視這種數據耗空時的指針跳轉，并往耗空的那個FIFO中實時補充和裝載下一個橫列的賈卡控制數據，如此輪流，即可持續生產。

2.3 橫移提花動作分區

由橫移提花的動作原理可知，經編導紗梳櫛進行橫移墊紗運動的同時也在擺動，當導紗針平面擺動穿越織針平面時禁止橫移墊紗運動[8]，因此每橫列內在每個針床上往/復2次擺動的橫移墊紗提花動作，將每個主軸旋轉周期劃分成允許針前橫移與針背橫移的2個運動橫移區間，和禁止橫移運動的2個擺動過針區間，這4個動作分區也決定了電子橫移編織動作的類別：禁止橫移還是允許橫移，是針前橫移還是針背橫移。

圖3示出電子橫移提花在單個針床上每個主軸旋轉周期內的提花控制動作時序分區圖，但與電子賈卡提花動作不同，為最大限度地降低梳櫛橫移的運動沖擊，充分利用單次橫移動作允許的角度寬度和運動時間，每個電子橫移提花動作都是在橫移允許區域的起始角度θ2與θ4開始，在橫移允許區域的截止角度θ3與θ1結束，整個橫移墊紗動作以持續運動的形式橫跨整個橫移區間的角度區域。

圖3 電子橫移2次墊紗動作時序分區圖

與電子賈卡提花控制系統類似，在采用數據異步預處理機制的現代經編電子橫移提花控制系統中，管理層也會向控制層預先裝載部分橫移提花控制數據，并在系統運行過程中持續補充后續運動控制數據，但由于一般的高速電子橫移提花主軸對控制數據的消耗速度遠高于電子賈卡提花，而且電子橫移提花每橫列的控制數據量遠小于電子賈卡提花，因此預裝載到FIFO0與FIFO1中的是實現多個橫列橫移提花的控制數據，由于現代經編電子橫移大都是在控制底層采用電子凸輪控制算法，因此控制數據的表現形式是每個橫移動作所對應的橫移墊紗數碼與主軸角度動作分區寬度相結合生成的，作為電子凸輪曲線函數輸入參數的主/從軸位置坐標數據對(Pm，Ps)。

3 斷點數據反求與流程

3.1 數據反求依據與內容

依據當前主軸角度位置在電子賈卡提花與電子橫移提花的動作時序分區中的定位，可反向識別出掉電瞬間提花元件在當前橫列中正在執行的編織動作序號與類別，但是如果要明晰該賈卡動作序號所對應的偏置控制數據是左偏還是右偏，該橫移動作類別是允許橫移還是禁止橫移，若是允許橫移是針前橫移還是針背橫移，那么對應的橫移墊紗數碼值具體又是多少，還需進一步明確當前橫列在整個工藝數據文件中的準確位置。

在圖1所示的系統任務架構中，管理層預裝載和后續實時補充裝載到控制底層的控制數據，必然是依據控制層讀取雙FIFO的指針跳轉信號，即某橫列賈卡控制數據輸出完畢時，或者某幾橫列橫移控制數據輸出完畢時產生的FIFO數據耗空，也即控制層當前的編織橫列序號發生遞增，來觸發管理層從工藝數據文件中提取在當前編織橫列序號的基礎上超前若干橫列的工藝數據來轉換為控制數據后裝載。由此可知，控制層當前正在編織的工藝橫列在工藝文件中的橫列序號，是管理層提取工藝數據的關鍵引導信息，是管理層一定會實時存儲，且系統斷電重啟后依然可以得到的變量，故此變量可認為是管理層存儲的唯一的現場數據工藝信息。

有了可以索引工藝數據文件中編織動作數據信息的當前編織橫列序號，以及可以表征當前橫列內提花編織動作序號與類型的主軸物理角度這2個關鍵信息依據，即可進行斷點現場的數據反求；因此，現代經編電子提花系統斷點現場的數據反求內容，就是在系統斷電重啟后根據主軸當前角度在不同角度分區中的位置，以及當前編織橫列在工藝數據文件中的橫列序號，反求出控制系統在斷電瞬間正在執行的提花動作及其對應的工藝數據，進而反求其在斷點前已完成的賈卡針偏置狀態或橫移凸輪軌跡起始段信息，以及在斷點后需續接完成的預裝載提花信息或橫移凸輪軌跡剩余段數據，從而使得控制系統在斷電前后完成控制斷點處編織控制信息的銜接和坯布斷點處提花編織動作的續接。

3.2 電子賈卡斷點數據反求

電子賈卡提花的控制斷點數據反求具體流程如圖4所示。在系統上電后，系統會首先讀取經編機主軸當前角度值θ,通過其與系統斷電前存儲的主軸角度θ0進行對比，以判斷機器主軸在控制系統斷電期間是否被外力轉動過。如果發現主軸異動，則表示主軸當前的物理角度與布面上斷點處的編織動作在時序分區圖上已經錯位，已不能再用于表征斷電前控制系統內的編織動作信息。既使按照后續的斷點反求控制算法也無法實現坯布上的斷點續織，故給出系統報警后退出；因此，所有使用電子提花控制系統的經編機在斷電期間，禁止人為盤動機器主軸。

圖4 電子賈卡提花斷點數據反求流程

在機器主軸無異動前提下，根據其當前值θ與4個偏置觸發角度θ1～θ4的相對位置關系，可反向判識出當前賈卡提花針在1～4個動作分區中的分區序號P的取值，由電子賈卡提花動作原理與賈卡控制層雙FIFO數據讀取指針跳轉規律可知，當分區序號P的取值為1～3時，表示斷點前賈卡提花針已經完成的偏置動作，即應該恢復的偏置狀態控制數據data0，對應為當前第H橫列的第P次工藝偏置數據，但是如果P的取值為4，則表示賈卡控制系統在斷點瞬間將第4次偏置數據輸出后發生了指針跳轉即當前橫列序號遞增，因此賈卡針當前的偏置狀態應該對應當前第H橫列的前一橫列，即第H-1橫列中的最后一次工藝偏置數據[9]。在判識并求出正確的工藝偏置數據對應的控制數據data0后，不予加載但直接輸出到賈卡針上，以恢復斷電前賈卡針已經處于保持的偏置狀態。

在完成賈卡針偏置狀態的恢復后，下一步還要為經編機主軸在斷點處啟動后的順利續織做好數據預裝載準備，即將當前第H橫列對應的4次偏置控制數據全部預裝載進賈卡控制層的FIFO0，將第H+1橫列對應的4次偏置控制數據全部預裝載進FIFO1中，但在完成雙緩沖區的數據寫入后，一定要將系統讀取賈卡控制數據的指針定位，指向FIFO0內當前偏置動作的下一個偏置動作所對應的分區序號和所對應的那一次偏置控制數據。若當前分區序號為4，則下一個偏置動作分區序號P值為1。

3.3 電子橫移斷點數據反求

在基于電子凸輪運動控制算法的經編電子橫移提花控制系統中，管理層預裝載到控制層數據緩沖區中的控制數據(Pm，Ps)，是提供給電子凸輪曲線函數作為輸入參數來規劃速度曲線的位移數據對。Pm表示經編機主軸在某個動作分區里角度寬度的脈沖量化值；而Ps則表示在此寬度的動作分區內，驅動導紗梳櫛的伺服電動機凸輪從軸要完成特定工藝墊紗數碼值的某次橫移提花動作，必須完成的目標角度位移脈沖量化值。電子橫移提花斷點數據反求的本質，就是要在橫移提花運動的某一個凸輪曲線段上的斷點處，通過電子凸輪曲線函數反求出提花凸輪主/從軸在斷點前已經完成的位移量(Pm0，Ps0)，以及在斷點后完成該曲線段還剩余的目標位移量(Pm1，Ps1)，并完成二者的精確銜接[10]，示意圖如圖5所示。

注：T為時間軸； V為速度軸； θ為角度軸。

由圖5可知，控制斷點(Pm0，Ps0)處的數據反求應包括如下步驟：第1步是確定斷點處的動作分區與該分區內橫移從軸的工藝墊紗數碼值，即根據上電后主軸的當前角度來判識橫移從軸當前提花運動的類型與運動段數值。若類型為位于擺動過針區間內的擺動過針運動，則此凸輪曲線段上凸輪從軸的目標位移量恒為0；若類型為位于針前或者針背橫移區間內的橫移墊紗運動，則根據當前橫列序號反查工藝數據文件后可得當前橫移區間內不同的墊紗數碼脈沖量化值；在4個不同的動作區間內，主軸的目標位移量均由對應的4個角度寬度脈沖量化值決定。結合圖5與圖3可知，斷點(Pm0，Ps0)當前位于針前橫移動作區間，假設該區間內針前橫移墊紗數碼值對應的位移目標值為L，主軸角度寬度為W，主軸脈沖當量為P，電子凸輪曲線函數表達式為f()，則

(1)

式中：W為針前橫移區間主軸角度寬度，(°)；θ2與θ3分別為針前橫移區間的起始角度與終止角度，(°)；Pm為針前橫移區間內主軸轉動對應脈沖量，個；L為墊紗數碼對應的脈沖量，個；Ps為從軸在針前橫移區間內完成針前墊紗的對應脈沖量，個；P為主軸旋轉1圈的脈沖當量，個。

第2步的重點是求取斷點前電子凸輪從軸已經完成的位移量，即利用機器主軸在當前動作分區的角度寬度內已經轉過的比例、電子凸輪曲線函數表達式f()，和在第1步中已經求得的整個曲線運動段上主/從軸間速度的比例曲線，即可反求出凸輪從軸在主軸角度θ處對應的從軸位移量。根據式(1)，在斷點處式(2)同樣成立，結合式(1)求得的同一凸輪曲線段上的主/從軸間速度比例曲線，可通過式(2)完成斷點前電子凸輪主軸與從軸的位移反求計算。圖5中V-T坐標系中的陰影部分面積，即提花凸輪從軸在斷點前走過的位移量Ps0值。W0為主軸在當前動作分區內已經轉過的角度寬度。

(2)

式中：θ為針前橫移區間內任一點上的主軸角度，(°)；θ2為針前橫移區間的起始角度，(°)；Pm0為主軸已轉過的脈沖量，個；Ps0為從軸已轉過的脈沖量，個；L為墊紗數碼對應的脈沖量，個。

第3步是計算主/從軸在斷點后完成當前凸輪曲線段還需繼續完成的位移量(Pm1，Ps1)，是管理層開始后續數據預裝載的第1對控制數據，具體計算如式(3)所示。

(3)

式中：θ3為針前橫移區間的終止角度，( °)；θ為針前橫移區間內任一點上的主軸角度，( °)；Pm1為主軸在針前橫移區間還需轉過的脈沖量，個；Ps1為從軸在針前橫移區間還需轉過的脈沖量，個；L為墊紗數碼對應的脈沖量，個。

完成了在斷點處(Pm0，Ps0)與(Pm1，Ps1)數據對的計算，就完成了凸輪曲線段在斷點前后的控制數據銜接，管理層在將曲線段剩余位移數據對(Pm1，Ps1)寫入FIFO0后，即可按順序從工藝數據文件中直接提取后續工藝墊紗數碼值進行完整凸輪曲線段位移數據對的轉換與預裝載；主軸在啟動編織后，提花從軸會先走完斷點處剩余的凸輪曲線段，完成斷電瞬間未完的墊紗提花動作，從而實現控制系統內斷點現場的數據恢復與坯布上斷點處的提花續織。

4 實驗驗證

實驗室1臺RDJ6/2型經編機擁有8根采用伺服驅動的電子橫移從軸，分別用來驅動4把具備電子橫移提花功能的普通導紗梳櫛，與2把分別采用半機號配置的具備電子賈卡與電子橫移組合提花功能的賈卡導紗梳櫛，可用來生產經編無縫服裝與雙面提花立體經編鞋材等高檔產品，在該機使用的現代經編提花集成控制系統中，采用了本文所述的斷點續織控制技術。在控制系統上電后的初始化程序段里，系統會依次對8根電子橫移伺服從軸，依據每把梳櫛各自的電子橫移動作角度分區(雙針床電子橫移每把梳為8個角度分區)采用橫移斷點反求算法分別依次進行斷點現場數據恢復，對2把電子賈卡梳櫛分別依照各自賈卡提花動作角度分區(雙針床均偏置的電子賈卡每把梳為4個角度分區)，采用賈卡斷點反求算法分別依次進行斷點現場數據恢復。

點動RDJ6/2經編機慢車運行主軸至任意角度停車，控制系統斷電至電能耗盡后再上電重啟并點動主軸再次運行，檢測坯布布面斷點是否續織正常。經多次任意角度斷電重啟測試，以及該機長期的打樣生產運行驗證，該系統均能在主軸任意停車角度位置上斷電重啟，并準確完成坯布斷點續織。

5 結 論

本文針對采用電子賈卡提花與電子橫移提花的現代經編電子提花控制系統的斷點續織關鍵控制算法進行了研究與分析，經生產驗證后得出如下結論：

1)當前編織橫列序號是斷點數據反求算法必需的工藝數據信息，需要管理層實時存儲；主軸當前物理角度是斷點數據反求算法的時序定位基礎，要求主軸在控制系統斷電期間嚴禁被外力轉動。

2)對經編機主軸角度依據經編提花動作時序需求進行動作分區，再根據斷點處主軸物理角度反向判識出提花元件在斷點前已完成的動作序號與類型，最后計算出在斷點后續織當前橫列提花動作需持續執行的控制數據的反求控制算法，準確有效。

3)所述賈卡提花斷點續織數據反求算法同樣適用于每橫列偏置1次、2次與4次的電子賈卡提花系統；所述橫移提花斷點續織數據反求算法適用于每橫列橫移墊紗1次、2次與4次的電子橫移提花系統。