ocena stabilności ruchu nici szwalnej w strefie tworzenia ściegu

ocena stabilności ruchu nici szwalnej w strefie tworzenia ściegu

Materiały Konferencji Grantowej
_________________________________________________________________________________
Joanna ELMRYCH-BOCHEŃSKA
Politechnika Łódzka, Wydział Inżynierii
i Marketingu Tekstyliów, Katedra Odzieżownictwa
Projekt badawczy KBN nr:
4 T08E 071 24
OCENA STABILNOŚCI RUCHU NICI SZWALNEJ
W STREFIE TWORZENIA ŚCIEGU STĘBNÓWKI Z
WYKORZYSTANIEM CYFROWEJ TECHNIKI VIDEO
W pracy przedstawiono wyniki badań związanych z wizualną oceną ruchu nici
szwalnej w strefie tworzenia ściegu stębnówki. Zbadano stabilność zasilania strefy przez
nić igłową, wymuszanego w sposób cykliczny pracą podciągacza nici oraz wpływ
dynamiki procesu tworzenia ściegu na przepływ nici przez strefę. Uzyskane rezultaty
powiązano z zagadnieniem potencjalnych możliwości optymalizacji położenia przeplotu w
ogniwie ściegu czółenkowego. Badania prowadzono w ramach projektu badawczego,
promotorskiego nr 4 T08E 071 24.
THE ASSESSMENT OF STABILITY OF THE SEWING THREAD MOTION
IN THE STITCH FORMATION ZONE OF THE LOCKSTITCH MACHINE
USING A DIGITAL VIDEO TECHNIQUE
In the paper, the results of the research connected with the visual assessment of the
sewing thread motion in the lockstitch machine's stitch formation zone was presented. The
stability of the feeding of this zone by the needle thread, enforced with the thread take-up
cyclical action, and the influence the dynamic of the stitch formation process on the thread
flow along the stitch formation zone was analysed. The obtained results was connected with
the matter of the potential possibilities of the interlacement location optimisation in the
lockstitch link. The research was conducted within the confines of the research,
supervisor’s project nr 4 T08E 071 24.
1. WPROWADZENIE
Zagadnienie podjęte w ramach projektu badawczego dotyczy opracowania procedury
optymalizacyjnej, związanej z minimalizacją destrukcji nici igłowej w procesie szycia. Prace
prowadzone w tym zakresie, m.in. [1, 2, 5, 6 9], wskazują na dwa podstawowe czynniki
stanowiące o zmianach własności nici po przeszyciu, niekorzystnych z punktu widzenia
zarówno procesu produkcji, jak i użytkowania wyrobu odzieżowego. Są to: krotność
cyklicznego obciążania odcinków nici igłowej, wprowadzanych do ogniwa ściegu w
kolejnych cyklach pracy maszyny oraz wielkość dynamicznych sił generowanych w nici w
pojedynczym cyklu tworzenia ściegu. Okresowo-zmienny charakter dynamicznych napięć,
powstających w nici szwalnej w rezultacie oddziaływania narzędzi maszyny, wiąże się z
występowaniem w cyklu tworzenia ściegu lokalnych ekstremów napięciowych, dla których
charakterystyczne są wysokie wartości osiągane w relatywnie krótkim czasie. Wykazana w
pracy [10] możliwość rozłącznego modelowania wielkości ww. ekstremów ukierunkowuje
działania związane z minimalizacją destrukcji nici w procesie szycia na kształtowanie
Joanna ELMRYCH-BOCHEŃSKA
________________________________________________________________________________
62
dynamicznej siły zaciągania ściegu. W rezultacie, podstawowe założenia opracowywanej
procedury optymalizacyjnej można sprowadzić do modelowania położenia przeplotu w
ogniwie ściegu (predykcji struktury ściegu) w danych warunkach realizacji procesu szycia.
Badania nad strukturą ściegu czółenkowego, m.in. [2, 4, 7, 9], ukierunkowane są głównie na
analizę wielkości elementarnego zapotrzebowania nici w ogniwie, w warunkach
technologicznych zdeterminowanych stosunkiem statycznych sił hamowania nici.
Przedstawiony w pracy [8] system monitoringu ruchu nici w strefie tworzenia ściegu
dostarcza m.in. oszacowania wielkości zapotrzebowania nici igłowej na długości ścieżki
przeszycia, nie daje jednak informacji dotyczących nierównomierności zasilania strefy przez
nić. Na zagadnienie braku stabilności zasilania strefy tworzenia ściegu zwrócono uwagę w
pracy [3], w której przedstawiono wyniki badań prowadzonych w warunkach quasistatycznych.
Zróżnicowanie elementarnej długości nici igłowej w kolejnych cyklach tworzenia ściegu
prowadzi do zróżnicowania położenia przeplotu w ogniwach ściegu na długości ścieżki
przeszycia. Przedstawione poniżej badania dokumentują to zagadnienie w dynamicznych
warunkach realizacji procesu szycia, stanowiąc równocześnie podstawę do prognozowania
optymalnego położenia przeplotu w kanale igłowym, określonego przedziałem wartości, z
racji wykazanego braku stabilności zasilania strefy nicią.
2. ANALIZA STABILNOŚCI ZASILANIA STREFY TWORZENIA
ŚCIEGU PRZEZ NIĆ IGŁOWĄ
Obok programowego ruchu nici igłowej w strefie tworzenia ściegu, o przepływie tej nici
przez strefę decydują dwa inne czynniki: długość odcinków nici wprowadzanych do strefy z
naprężacza talerzykowego oraz długość odcinków lokowanych w kolejnych ogniwach ściegu.
Obserwacje ruchu nici w strefie tworzenia ściegu maszyny, prowadzone przy niskich
prędkościach szycia ( n ≅ 500 min −1 ), wskazują na względnie stabilny przepływ nici przez
obszar, w którym tworzony jest ścieg. Wyższe prędkości utrudniają dalsze analizy z racji
dużej zmienności w czasie procesów zachodzących podczas formowania ogniwa ściegu.
Zwiększenie prędkości szycia do poziomu odpowiadającego przeciętnej prędkości
realizowania operacji na maszynach o otwartym cyklu technologicznym ( n ≅ 2100 min −1 ),
czy wreszcie do prędkości maksymalnej ( n ≅ 4500 min −1 ), charakterystycznej dla automatów
szyjących, oznacza bowiem zwiększenie częstotliwości pracy ogniwa sterującego nicią
igłową (podciągacza nici) do odpowiednio ok. 30 i 75Hz.
Oceny stabilności ruchu nici w strefie tworzenia ściegu w warunkach dynamicznych
dokonano w oparciu o szereg eksperymentów polegających na rejestracji i analizie obrazów
zmian położenia nici igłowej w strefie maszyny, w różnych warunkach technologicznych.
Rejestrację taką prowadzono przy użyciu cyfrowej techniki video (kamera Canon XL1s) oraz
stroboskopu, którego częstość dostrojona została do prędkości szycia.
Ocena stabilności ruchu nici szwalnej w strefie tworzenia ściegu stębnówki ...
63
________________________________________________________________________________
2.1. Dynamika procesu szycia a ruch nici w strefie tworzenia ściegu
Wpływ dynamiki procesu szycia na zasilanie strefy tworzenia ściegu nicią igłową
udokumentowano poprzez rejestrację i analizę położenia odcinków nici względem elementów
maszyny. Jako punkt odniesienia dla prowadzonej analizy przyjęto zdjęcia położenia nici
igłowej w obszarze strefy tworzenia ściegu, zarejestrowane w warunkach quasi-statycznych.
Zagadnienie wpływu prędkości szycia na sterowanie nicią uwidacznia się przy średnim i
maksymalnym poziomie prędkości obrotowej maszyny. Zwiększenie prędkości szycia
skutkuje obniżeniem poziomu kontroli nad przebiegiem nici w strefach między elementami
prowadzącymi nić. Jest to związane z występowaniem pewnych niekorzystnych zjawisk,
takich jak powstawanie tzw. balonu nici, w obszarze między naprężaczem talerzykowym a
oczkiem podciągacza nici, w fazie wybierania nici z układu chwytaczowego (rys. 1a,
n = 4500 min-1). Balon taki zostaje zniwelowany przed etapem zaciągania ściegu (rys. 1b),
może jednak opóźniać moment rozpoczęcia wprowadzania przeplotu w kanał igłowy i
powodować w efekcie obniżenie końcowego położenia przeplotu w ogniwie.
a
faza wybierania nici
z układu chwytaczowego
the stage of drawing the
thread from the bobbin
hook system
b
faza zaciągania ściegu
the stage of stitch
tightening
Rys. 1. Ilustracja wpływu prędkości szycia na stan nici igłowej w strefie tworzenia ściegu
Fig. 1. Illustration of sewing speed influence on the needle thread state in the stitch formation zone
2.2. Zasilanie strefy tworzenia ściegu nicią igłową
Analiza zasilania strefy tworzenia ściegu przez nić igłową przeprowadzona została w
oparciu o ocenę przemieszczania znacznika naniesionego na odcinek nici znajdujący się
między tzw. naprężaczem wstępnym a właściwym naprężaczem talerzykowym. Na rys. 2
przedstawiono serie kolejnych klatek zarejestrowanego obrazu, odpowiadających zmianom
czasu o ∆t = 0,01 s. Porównanie zmian położenia znacznika w funkcji czasu wskazuje, iż ruch
znacznika posiada charakter okresowy. Np. klatki oznaczone jako 2:19:15 i 2:19:16 nie
wykazują zmiany położenia znacznika pomimo przyrostu czasu o wartość ∆t. Można na tej
podstawie przyjąć hipotezę, iż nowe odcinki nici igłowej wprowadzane są do strefy tworzenia
ściegu w sposób cykliczny, nawet przy wysokich prędkościach obrotowych maszyny. To z
kolei pozwala sformułować założenie o okresowym charakterze pracy naprężacza nici,
Joanna ELMRYCH-BOCHEŃSKA
________________________________________________________________________________
64
uwzględnione na etapie opracowywania modelu procesu lokowania przeplotu w kanale
igłowym.
2:19:14
2:19:15
2:19:16
2:19:17
Rys. 2. Zasilanie strefy tworzenia ściegu przez nić igłową w kolejnych fazach pracy maszyny
Fig. 2. The feeding o the stitch formation zone by the needle thread in the successive machine working phases
2.3. Stabilność długości nici w strefie tworzenia ściegu
Pobieranie z naprężacza i wprowadzanie do strefy tworzenia ściegu kolejnych odcinków
nici wymuszone jest programowym ruchem podciągacza. Opisany wcześniej cykliczny
charakter zasilania strefy oznacza konieczność każdorazowego (tj. odpowiadającego każdemu
kolejnemu cyklowi tworzenia ściegu) pokonywania statycznych sił hamowania nici w
naprężaczu i, następnie, wyciągania odcinka nici przy oporach odpowiadających
kinetycznemu współczynnikowi tarcia. Proces ten, realizowany kilkadziesiąt razy w ciągu
sekundy, można analizować w oparciu o zmiany położenia kompensatora - sprężystego
elementu, ulokowanego na wejściu nici do strefy tworzenia ściegu. Na rys. 3 przedstawiono
uproszczony zapis pracy kompensatora w cyklu pracy maszyny.
Rys. 3. Schemat pracy kompensatora sprężynowego w cyklu tworzenia ściegu
Fig. 3. Diagram o the check-spring working in the stitch formation cycle
Przez większą część cyklu pracy maszyny kompensator sprężynowy zajmuje położenie
opisane minimalnym obciążeniem tego elementu (tzw. stan swobodny). Stan taki obserwuje
się począwszy od momentu, kiedy igła zagłębi się w przeszywany materiał (punkt A), a
skończywszy na etapie poprzedzającym zaciąganie ściegu (punkt D). W obszarze tym
Ocena stabilności ruchu nici szwalnej w strefie tworzenia ściegu stębnówki ...
65
________________________________________________________________________________
występują pewne niewielkie wychylenia kompensatora ze stanu swobodnego. Pierwsze z nich
przypada na początkowy moment wybierania nici z układu chwytaczowego (punkt B), drugie
natomiast poprzedza bezpośrednio proces wprowadzania przeplotu w kanał igłowy (punkt C).
W dalszej części cyklu tworzenia ściegu kompensator zostaje wychylony w położenie
odpowiadające maksymalnemu ugięciu jego części roboczej. W tym też czasie następuje
zasilanie strefy tworzenia ściegu nowym odcinkiem nici. Powrót analizowanego elementu do
stanu swobodnego jest następstwem kompensacji nadmiaru nici, jaki pojawia się przy
jednoczesnym ruchu ku dolnemu zwrotnemu położeniu dwóch narzędzi maszyny: igły oraz
podciągacza nici. Wielkość kompensowanego nadmiaru nici będzie zależeć w dużej mierze
od wielkości odcinka wprowadzonego do strefy we wcześniejszej fazie pracy maszyny.
W dalszej części eksperymentu przeprowadzona została analiza fazy kompensacji w
kilkudziesięciu zarejestrowanych kolejnych cyklach pracy maszyny. Na rys. 5 przedstawiono
przykładową sekwencję zmian położenia nici względem kompensatora na wejściu do strefy
tworzenia ściegu, tuż po wprowadzeniu nowego odcinka nici z naprężacza. Obserwowana w
badaniach zmienna długość kompensowanych odcinków nici igłowej wskazuje na
zmieniające się w następujących po sobie cyklach pracy maszyny zapotrzebowanie tej nici w
strefie tworzenia ściegu.
Rys. 5. Analiza kompensacji nici igłowej w kolejnych cyklach tworzenia ściegu
Fig. 5. Analysis of the needle thread compensation in the successive stitch formation cycles
2.4. Dynamiczne siły zaciągania ściegu
Przedstawiona powyżej analiza pozwala stwierdzić, iż o względnie stabilnym przepływie
nici przez maszynę można mówić jedynie przy niskich prędkościach szycia. Jednak nawet w
takich warunkach powtarzalność długości odcinków zasilających strefę maszyny uzależniona
jest od układu dynamicznych sił generowanych w nici igłowej oddziaływaniem narzędzi
maszyny. Szczególne znaczenie posiada w tym przypadku napięcie powstające w czasie
zaciągania ściegu kształtowane przez szereg czynników technologicznych i materiałowych.
Joanna ELMRYCH-BOCHEŃSKA
________________________________________________________________________________
66
I tak np. wzrost oporów tarcia w kanale igłowym zwiększa wartość napięcia zaciągania
ściegu, co przyspiesza moment wprowadzania do strefy tworzenia ściegu nowego odcinka
nici, zwiększając jednocześnie jego długość (wzrasta też wielkość elementarnego
zapotrzebowania nici igłowej w ogniwie ściegu). Zmniejszenie oporów tarcia w kanale
igłowym w następnym cyklu pracy maszyny oznacza spadek elementarnego zapotrzebowania
nici igłowej i, w efekcie, zwiększenie nadmiaru tej nici w strefie oraz ograniczenie zasilania
obszaru formowania ściegu. Zwiększenie prędkości do poziomu charakterystycznego dla
realizacji technologicznych operacji szycia, intensyfikuje niekorzystne zjawiska związane z
przepływem nici, wprowadzając dodatkowe zakłócenia do procesu lokowania przeplotu w
kanale igłowym. Zagadnienie to przedstawiono schematycznie na rys. 6.
k=f(Phi) - długość odcinka nici igłowej wprowadzanego z
naprężacza w cyklu pracy maszyny (funkcja siły
hamowania nici igłowej);
l0 - elementarne zapotrzebowanie nici w ogniwie ściegu;
Zi - zakłócenia przepływu nici przez strefę tworzenia ściegu
(m.in. zmiany oporów lokowania przeplotu w kanale
igłowym, zmiany prędkości szycia, etc.)
Rys. 6. Kształtowanie zapotrzebowania nici w strefie tworzenia ściegu
Fig. 6. Shaping of thread demand in the stitch formation zone
Zróżnicowanie wielkości dynamicznych sił zaciągania ściegu w kolejnych cyklach
tworzenia ściegu zilustrowano na rys. 7. Na wykresie przedstawiono przykładowe sekwencje
zmian wartości sił zaciągania ściegu w 50 cyklach pracy maszyny (n = 2100 min-1).
Zróżnicowanie wartości, wyrażone rozstępem, kształtuje się na przeciętnym poziomie
r ≅ 0.5N, co stanowi ok. 25% wartości średniej napięcia Pz. Analiza uwidacznia również
wpływ poziomu statycznej siły hamowania na zmiany wartości dynamicznych napięć
zaciągania ściegu. Dla relatywnie niskich poziomów sił statycznych (rys.7a, b)
charakterystyczne jest występowanie obszarów niskich wartości sił dynamicznych, których to
obszarów nie obserwuje się przy wysokiej sile statycznej (rys. 7c).
a
b
c
Rys. 6. Analiza zmian wartości sił dynamicznych powstających w czasie zaciągania ściegu
Fig. 6. Analysis of changes the values of the dynamic forces arising during the stitch tightening
Występowanie na prezentowanych wykresach sekwencji niskich wartości dynamicznych
sił zaciągania ściegu można tłumaczyć nadmiarem nici igłowej w strefie tworzenia ściegu.
Ocena stabilności ruchu nici szwalnej w strefie tworzenia ściegu stębnówki ...
67
________________________________________________________________________________
Zróżnicowanie długości nici w kolejnych cyklach pracy maszyny niwelowane jest przy
wyższych wartościach siły hamowania nici igłowej, jako że wyższa wartość siły przykładanej
do nici w naprężaczu opóźnia moment zasilania strefy nowym odcinkiem nici i skraca czas
zasilania, co w rezultacie prowadzi do zmniejszenia długości odcinka nici wprowadzanego do
strefy tworzenia ściegu w cyklu pracy maszyny. Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, iż
warunki technologiczne, korzystne w aspekcie stabilności zasilania strefy tworzenia ściegu,
generują w nici dynamiczne siły na wyższym poziomie. Analogiczne relacje zachodzą w
procesach szycia realizowanych przy prędkości maksymalnej. Dynamika procesu formowania
ściegu zwiększa nierównomierność zasilania strefy nicią igłową, pogłębiając dysproporcje
między obszarami nadmiaru nici i stanami zrównoważonej jej długości, proporcjonalnie do
poziomu prędkości szycia. Zagadnienie to zilustrowano poprzez analizę nadmiarowej
struktury ściegu, tworzonej przy stałym stosunku sił hamowania nici igły i chwytacza i
zróżnicowanej prędkości obrotowej maszyny szyjącej. I tak, strukturę tworzoną w warunkach
quasi-statycznych (n = min, rys. 8) charakteryzuje naprzemienne występowanie obszarów,
gdzie przeplot lokowany jest w materiale (A) oraz obszarów, w których pozostaje on pod
powierzchnią przeszywanego pakietu (B).
a
b
c
-1
-1
a. n=500min b. n=2100min c. n=4500min
-1
Rys. 8. Nadmiarowa struktura ściegu formowana przy różnych poziomach prędkości szycia
Fig. 8. Excessive stitch structure formed by different sewing speed levels
Wzrost prędkości obrotowej do przeciętnego poziomu, przy którym realizowane są
operacje szycia w otwartym cyklu technologicznym (n = 2100min-1) nie powoduje
zauważalnej zmiany udziału obszarów typu A w całkowitej długości ścieżki przeszycia.
W obszarach typu B można z kolei zaobserwować większą długość nici igłowej
przypadającej na pojedyncze ogniwo ściegu (wyraźne pętle nici pod płaszczyzną materiału).
Najwyższe zróżnicowanie długości nici igłowej obserwuje się w przypadku struktury ściegu
tworzonej przy maksymalnej prędkości pracy maszyny szyjącej. Pętle nici igłowej zwiększają
swoją długość, zaś elementarne zapotrzebowanie tej nici osiąga poziom odpowiadający co
najmniej dwóm ogniwom ściegowym.
Podsumowując omawiane zagadnienie można powiedzieć, iż zmienność warunków, w
jakich formowany jest ścieg czółenkowy, prowadzi do braku zróżnicowania długości
odcinków nici igłowej zasilających strefę tworzenia ściegu. Prowadząc postępowanie
Joanna ELMRYCH-BOCHEŃSKA
________________________________________________________________________________
68
optymalizacyjne pod kątem destrukcji nici, związane z położeniem przeplotu, należy
zabezpieczyć takie warunki technologiczne, w których brak stabilności zasilania strefy
tworzenia nicią igłową nie będzie prowadzić do tworzenia nadmiarowych struktur ściegu
(struktur spoza obszaru dopuszczalnych postaci fazowych).
LITERATURA
1. Гарбарук B.П., Расчет и конструирование основных механизмов челночных
швейных машин; Издательство„Машиностроение“, Ленинград 1977, c. 230
2. Więźlak W., O pewnych możliwościach optymalizacji pracy maszyn ściegu czółenkowego;
Odzież [XXXIV], 1984, nr 7, ss.192-196
3. Orawiec G., Rejestracja zasilania nicią strefy tworzenia ściegu stębnówki; Odzież, 1987,
nr 9, ss.256-259
4. Mahar T.J., Ajiki I., Postle R., Fabric mechanical properties relevant to clothing
manufacture: Part I – structural balance, breaking elongation and curvature of seams;
International Journal of Clothing Science and Technology [1], 1989, nr 2, ss.5-10
5. Gersak J., Knez B., Reduction in thread strength as a cause of loading in the sewing
process; International Journal of Clothing Science and Technology [3], 1991, Nr 4,
ss.6-12
6. Ferreira F.B.N., Harlock S.C., Grosberg P., A study of thread tensions on a lockstitch
sewing machine; International Journal of Clothing Science and Technology [6], 1994, part
I - Nr 1, pp.14-19; part II - Nr 5, pp.26-29; part III - Nr 5, pp.39-42
7. Amirbayat J., Alagha M.J., Further studies on balance and thread consumptions of
lockstitch seams; International Journal of Clothing Science and Technology [5], 1993,
Nr 2
8. Dorrity J. Lewis, Olson L. Howard, Thread motion ratio used to monitor sewing
machines; International Journal of Clothing Science and Technology [8], 1996, Nr 1,
pp.24-32
9. Sundaresan G., Hari P.K., Salhotra K.H., Strength reduction of sewing threads during
high speed sewing in an industrial lockstitch machine; part I - International Journal of
Clothing Science and Technology [9], 1997, Nr 4/5, pp.334-345; part II - [10], 1998, Nr 1,
pp.64-79
10. Elmrych-Bocheńska J., Relationship between the tension impulses of needle thread in the
lockstitch machine; Zeszyty Naukowe PŁ, Włókiennictwo z.57, 1999, ss.11-22
ABSTRACT
In the paper, the results of experiments connected with a visualization of the needle thread
flow, by the stitch formation zone, are presented. A stability of this zone’s feeding with the
thread was studied. The analysis of motion of the mark, placing on the thread shows a
periodic character of zone’s feeding, even at the high level of the sewing speed. The analysis
of the thread compensation phase, in the consecutive machine’s working cycles, also was
made. A changing length of compensated needle thread’s sections shows that the thread
demand in the stitch formation zone is changing, as well. The lack of stability of the zone’s
feeding was confirmed by the sequence analysis of the stitch tightening dynamic tension
values.