緯編單面均勻提花織物耗紗量預測模型

李冉冉，柯寶珠

(上海工程技術大學 紡織服裝學院，上海 201620)

緯編提花織物美觀大方，設計感強，受到越來越多人的喜愛[1-3]。然而在實際生產過程中，企業為了核算成本，通常要將設計好的花型上機試織后稱量得到各色紗線的消耗量。該方式設計周期長、紗線損耗大，影響企業效益。因此，預測緯編提花織物各色紗線消耗量的研究意義重大[4-5]。

目前，關于緯編提花織物耗紗量的研究大多停留在計算各色紗線的消耗比例上，葛濤[6]分別用布板稱量法和用紗比理論分析法詳述了不同原料規格、種類及品種提花織物用紗比的計算公式和方法；吳益峰[7]采用織物平面投影面積來估算色紗用紗比例；馮杏清等[8]將提花織物分為4種基本單元，探討花型意匠圖與線圈長度的對應規律，建立了三維幾何模型估算緯編雙面2色提花織物的原料比，這些研究均計算花型循環較小的提花各色紗線消耗比例未涉及到各色紗線的具體消耗量。還有學者研究了緯編基本組織織物耗紗量的預測方法，羅璇等[9]利用累計線圈法建立含有基本組織結構毛衫的耗紗量預測模型，能夠在設計階段較為準確的預測毛衫的紗線消耗量，但未對提花織物的耗紗量做進一步研究。

本文以緯編單面均勻提花織物為例，根據其編織規律與編織時紗線形態，利用MatLab軟件建立了緯編單面均勻提花織物耗紗量預測模型。為企業在緯編單面均勻提花織物設計階段預估成本提供參考，也為緯編提花織物耗紗量預測軟件的開發提供一定的研究思路。

1 緯編單面均勻提花織物特點

緯編單面均勻提花織物在1個針床上編織而成，主要由線圈和浮線組成，按照編織方法不同，分為單面均勻提花和單面不均勻提花2種類型[10]。本文所研究的單面均勻提花織物采用不同顏色的紗線編織，按照花紋要求，每種色紗有選擇的在某些織針上成圈，且在不成圈的織針上以浮線的形式存在，下面將對其編織規律與編織時紗線形態做詳細介紹。

1.1 編織規律

緯編單面均勻提花織物在電腦橫機上編織時，主要采用不同顏色的紗線組合來形成相應的花型效果，按照提花花型圖案要求，每種色紗有選擇地在某些織針上成圈，且在不成圈的織針上以浮線的形式存在。圖1為單面均勻提花織物編織規律示意圖，圖1(a)和圖1(b)分別為2色和3色單面均勻提花編織規律示意圖。如圖1(a)所示，2色單面均勻提花在電腦橫機上編織時，花型圖案中的每個橫列都有2種顏色的紗線參與編織，工藝編織圖中一共出現2種編織動作。每個橫列在出現某種顏色的位置處編織前針床成圈，另外一種顏色紗線則在該位置處前后針床都不成圈。如圖1(b)所示，3色單面均勻提花在電腦橫機上編織時，花型圖案中的每個橫列都有3種顏色的紗線參與編織，工藝編織圖中一共出現2種編織動作。每個橫列在出現某一種顏色的位置處編織前針床成圈，另外2種顏色紗線則在該位置處前后針床都不成圈。

—色紗1；—色紗2；—色紗3；—前后針床都不成圈；—前針床成圈。 圖1 單面均勻提花織物編織規律示意圖

1.2 編織形態

緯編單面均勻提花織物作為單面針織物，在電腦橫機上編織時，后針床織針不勾取紗線，各色紗線在電腦橫機前針床上主要存在2種編織動作，分別是前后針床都不成圈和前針床成圈。2色單面均勻提花編織紗線形態示意圖見圖2，3色單面均勻提花紗線編織形態示意圖見圖3。

圖2 2色單面均勻提花編織紗線形態示意圖

圖3 3色單面均勻提花紗線編織形態示意圖

如圖2所示，2色單面均勻提花織物在編織時，每個花型都有2種紗線參與編織。紗線在針床上存在2種基本組織結構，分別是圖2(a)中織針F1,2上的浮線組織和織針F1,1上的前針床成圈組織，分別用l0和l1來表示浮線組織線圈長度(mm)和前針床成圈線圈長度(mm)。如圖3所示，3色單面均勻提花織物每個花型都有3種紗線參與編織，與2色單面均勻提花一樣也存在同樣的2種基本組織結構。下文中將利用幾何法建立這2種基本組織結構線圈長度模型，從而得到其線圈長度表達式。

2 單面均勻提花織物耗紗量預測模型

2.1 花型意匠矩陣的建立

在提花織造前，可將設計好的提花花型圖案導入到緯編針織物編織程序設計軟件中，編輯提花上機編織程序，然后將編織程序導入到電腦橫機上進行編織。所導入的提花花型圖案需為位圖格式，圖片中每個像素在編織時都對應提花織物正面的1個成圈線圈，每個像素的顏色對應提花織物正面的1個成圈線圈紗線的顏色。因此，本文用提花花型圖案中的顏色信息來表示單面均勻提花花型意匠信息，將設計好的提花花型圖案通過MatLab圖像處理，最終得到如式(1)所示的二維花型意匠矩陣P。

(1)

由于提花織物在編織時按照提花花型圖案從下往上編織，因此一般從提花花型意匠矩陣右下角第1個元素開始，分別向左增加列數，向上增加行數。式(1)中p(j,i)的j、i分別為矩陣行數與列數(j=1,2，…，m；i=1,2，…，n；m、n分別為花型意匠矩陣P的總行數與總列數，是利用MatLab軟件中的size函數求得的)，花型意匠矩陣各元素p(j,i)的值表示花型圖案中的顏色值,例如p(j,i)=1為第j行i列處的顏色值為1。

2.2 工藝編織矩陣的建立

根據上文所述緯編單面均勻提花織物的編織規律，在MatLab中編輯算法，將花型意匠矩陣P轉化為提花織物各色紗線的工藝編織矩陣。由于緯編單面均勻提花織物在編織時，每個花型行都是所有色紗均參與編織，所以本文將提花花型意匠矩陣P按照各類提花的工藝編織規律，轉化為與花型圖案中顏色數量相等的工藝編織矩陣。即將2色提花花型意匠矩陣分別轉化為如式(2)、(3)所示的色紗1和色紗2的工藝編織矩陣K1、K2，將3色提花花型意匠矩陣分別轉化為如式(2)～(4)所示的色紗1、2和3的工藝編織矩陣K1、K2和K3。

(2)

(3)

(4)

工藝編織矩陣中各元素的值表示色紗在該處的工藝編織動作，數值0和1分別表示前后針床都不成圈和前針床成圈這2種編織動作。

根據上述編織規律在MatLab中編織如表1和表2所示的2色和3色單面均勻提花轉換算法，將花型意匠矩陣P轉換為2色和3色單面均勻提花各色紗線的工藝編織矩陣K。

表1 2色單面均勻提花轉換算法

表2 3色單面均勻提花轉換算法

2.3 基本組織結構線圈長度模型

由單面均勻提花編織紗線形態可知，單面均勻提花的紗線形態主要可以分解為2種基本組織結構，分別為浮線組織對應線圈長度為l0，前針床成圈組織對應線圈長度為l1。下面將分別對浮線組織和前針床成圈組織建立線圈長度模型，求得l0和l1的線圈長度表達式。線圈長度模型中所涉及的參數如下所示：織針針頭截面e(mm)，織針針頭圓半徑r(mm)，織針間距離t(mm)，針床上沉降片厚度h(mm)，編織時織針的彎紗深度f(mm)，以及用于編織的紗線直徑d(mm)。

2.3.1 浮線組織

由于浮線組織在編織時織針不勾取紗線，因此針距t即為單個浮線組織的線圈長度l0。浮線組織線圈長度模型如圖4所示。浮線組織線圈長度l0表達式如式(5)所示。

圖4 浮線組織線圈長度模型

l0=t

(5)

2.3.2 成圈組織

成圈組織線圈長度模型如圖5所示。

圖5 成圈組織線圈長度模型

由圖5可知，假設BC段為直線段，織針在勾取紗線時，點B與針板間存在1個起翹量，因此BC段可視作以GH為一直角邊的直角三角形的斜邊，故BC段長度如式(6)所示。

(6)

由圖5(b)側視效果圖可得GH段長度如式(7)所示。

(7)

根據圖5(a)中C點與沉降片的位置關系，假設紗線無形變，則CD段的近似長度如式(8)所示。

(8)

最終算得前針床線圈長度l1表達式如式(9)所示。

l1=2(AB+BC+CD)

(9)

2.4 預測模型的建立

根據上述緯編單面均勻提花各色紗線工藝編織矩陣與2種基本組織結構線圈長度，在MatLab編輯器中編輯如表3單面均勻提花紗線長度累加算法所示的算法，最終計算出各色紗線在編織過程中消耗的總長度。具體運算過程如下：首先以工藝編織矩陣的每行為1個循環來累加該行的紗線長度增加量Δs，在提花各色紗線工藝編織矩陣中，每當遇到數值0時，紗線長度就增加l0，遇到數值1時，紗線長度就增加l1。

結合上述各類提花織物的紗線長度累加算法與編織用紗線線密度，在MatLab中編輯如圖6耗紗量預測模型算法流程圖所示的算法預測提花各色紗線的消耗量。如圖6所示，該模型可以實現以下功能：在MatLab中輸入花型圖案、花型顏色數c、編織參數、紗線線密度ρ后，通過一系列的運算，最終可直接輸出提花織物各色紗線消耗量w，達到簡單快捷地預測提花織物耗紗量的目的。

2.5 預測模型驗證

圖7 提花花型圖案

為驗證上述所得緯編單面均勻提花織物各色紗線耗紗量預測模型的準確性，設置如下試驗對該模型進行驗證。分別將如圖7提花花型圖案所示的6個花型圖案，用紗線線密度均為41.66 tex的羊毛/腈綸混紡紗線，在型號為STOLL CMS530C077.2的電腦橫機上編織。提花工藝編織參數：紗線直徑d=0.28 mm，針頭截面直徑e=0.52mm，針頭圓半徑r=1.03 mm，沉降片厚度h=0.35mm，針距t=1.81 mm，彎紗深度f=1.73 mm。將每種花型圖案試織3次并分別稱量，取平均值作為這6種提花織物各色紗線消耗量的實際值，通過上文所得的提花耗紗量預測模型預測各色紗線消耗量，最后將實際值與預測值按照式(10)做誤差分析。試驗驗證結果與誤差分析結果如表4所示。

(10)

表4 試驗驗證結果與誤差分析

如表4所示，按照以上6種提花花型編織緯編單面均勻提花時，預測值與實際值誤差值范圍為-0.14～0.20 g，誤差率范圍為-1.96%～4.83%。該驗證結果表明，文中所建立的預測模型在預測上文中所示的2色和3色單面均勻提花織物各色紗線消耗量時，可以將誤差范圍控制在-1.96%～4.83%，相對準確地預測了緯編單面均勻提花織物在實際上機編織過程中各色紗線的消耗量。

3 結束語

本文利用MatLab編輯了緯編單面均勻提花織物耗紗量預測模型。該模型可實現以下功能：在MatLab中輸入花型圖案、花型顏色數、編織參數、紗線線密度后，通過運算可以直接輸出提花各色紗線消耗量。并通過試驗驗證了該模型在預測緯編單面均勻提花織物各色紗線的消耗量時可以將誤差范圍控制在-1.96%～4.83%之間，為企業在提花設計階段核算成本提供參考，也為緯編提花織物耗紗量預測軟件的開發提供一定的研究思路。