劉廣喜，倪 遠(yuǎn)

(1.北京眾仁智杰科技發(fā)展有限公司，北京 100176；2.紡之遠(yuǎn)(上海)紡織工作室，上海 200063)

1 紡紗自動(dòng)化信息化應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)今時(shí)代迎來紡紗工程自動(dòng)化、信息化和智能化創(chuàng)新研發(fā)應(yīng)用的熱潮，紡機(jī)裝備研發(fā)與工藝技術(shù)路線的結(jié)合度，將對(duì)研發(fā)成效和產(chǎn)品性價(jià)比起決定性作用。工藝技術(shù)路線是紡機(jī)裝備研發(fā)的靈魂，是研發(fā)工作的方向性抓手，這是因?yàn)榧彊C(jī)裝備包括主機(jī)、器材專件以及輔助機(jī)械，都是紡紗工藝技術(shù)的執(zhí)行者。從紡紗基礎(chǔ)層面看，紡紗工程是對(duì)纖維幾何位置和姿態(tài)的控制，主要加工過程包括抓取、開松、混合、排除、梳理、并合、牽伸、集聚、加捻、卷繞和成形等多個(gè)環(huán)節(jié)，而作為紡紗的輔助過程，包括原料和成品紗的輸送、工序聯(lián)接、卷裝裝卸與輸送、各工序的運(yùn)轉(zhuǎn)操作和器材的維護(hù)更新。這些加工環(huán)節(jié)與輔助操作的裝備，其運(yùn)行程序和參數(shù)都必須滿足相應(yīng)的工藝技術(shù)要求，并從可能優(yōu)化的方向與角度進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)。

創(chuàng)新的時(shí)代做變革的事。即便是傳統(tǒng)紡紗的各個(gè)加工環(huán)節(jié)，依然存在著變革的空間，不能用一成不變的思維完全沿襲傳統(tǒng)工藝。對(duì)于輔助環(huán)節(jié)的機(jī)械化自動(dòng)化開發(fā)，更不能完全按照原有人工操作的作業(yè)程序進(jìn)行“機(jī)械”的自動(dòng)化。

從自動(dòng)化的角度看，在基礎(chǔ)層面纖維幾何位置和姿態(tài)控制的各個(gè)單一環(huán)節(jié)，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化和自動(dòng)化，紡紗流程各工序單機(jī)分工明確、功能定制專業(yè)。但是紡紗生產(chǎn)工藝流程長(zhǎng)，工序連貫性差，人工干預(yù)依賴性高，并且全天候運(yùn)轉(zhuǎn)、全日制輪班是產(chǎn)業(yè)的固有特征。從紡紗工藝技術(shù)的整體層面上看，目前尚無重大的突破方向，但局部省電、省工、省消耗，升品質(zhì)、升效率和升管理(三省三升)，以及系統(tǒng)性改良工藝技術(shù)結(jié)構(gòu)，存在著優(yōu)化空間。

對(duì)紡紗輔助環(huán)節(jié)，自動(dòng)化普及應(yīng)用空間很大，創(chuàng)新研發(fā)項(xiàng)目很多，包括工序聯(lián)接、卷裝裝卸、物料輸送和各工序的運(yùn)轉(zhuǎn)操作，數(shù)十年前就有了不少解決方案，但由于產(chǎn)業(yè)屬性的制約使其發(fā)展緩慢，大部分依賴人工執(zhí)行和干預(yù)。從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度看，所謂“勞動(dòng)力紅利”優(yōu)勢(shì)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必將消失，機(jī)器換人是不可抗拒的必然。用工難，用工貴，用工降低體力消耗，用工符合人類作息規(guī)律，用工提高技能含量，是勞動(dòng)密集型紡織產(chǎn)業(yè)動(dòng)能轉(zhuǎn)換過程中必然要面對(duì)的重大問題。從近階段看，工序聯(lián)接和值車替代應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)將是減少用工的主要途徑?；蛘叻催^來說，當(dāng)下自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用在紡紗領(lǐng)域的重要功能之一，就是替換人工，這也是產(chǎn)業(yè)資本有意愿介入和具有較為確定性回報(bào)的環(huán)節(jié)，將從客觀上推動(dòng)紡紗輔助環(huán)節(jié)的自動(dòng)化進(jìn)程。

在信息化應(yīng)用方面，特別在纖維幾何位置和姿態(tài)的控制加工環(huán)節(jié)，針對(duì)專業(yè)功能的在線信息化應(yīng)用方面，十分缺乏；除了自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)較完備，異纖去除機(jī)、梳棉機(jī)和并條機(jī)有一些應(yīng)用外，其他機(jī)型數(shù)十年來幾乎沒有實(shí)質(zhì)性改變，這方面的技術(shù)進(jìn)步滯后于整體工業(yè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，未能為紡紗工藝技術(shù)管理提供有益于優(yōu)化進(jìn)步的手段。缺少對(duì)棉塊、棉束、棉網(wǎng)、須條和紗線各個(gè)階段和狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)，既有技術(shù)層面缺乏采集手段、缺少數(shù)據(jù)應(yīng)用效應(yīng)的問題，又有觀念層面對(duì)這些數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的必要性、投入產(chǎn)出的經(jīng)濟(jì)性等認(rèn)識(shí)問題。這就需要站在高一階的視角進(jìn)行思考和理念提升，利用信息時(shí)代的數(shù)據(jù)采集與加工技術(shù)手段，拓展和挖掘數(shù)據(jù)對(duì)生產(chǎn)技術(shù)與管理的應(yīng)用效應(yīng)。

信息化是紡紗向智能化邁進(jìn)的基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)，紡紗在線信息化應(yīng)用的不足，將會(huì)制約紡紗主體工程的智能化進(jìn)程。因此，即使在主機(jī)裝備的機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)與能耗監(jiān)測(cè)都實(shí)現(xiàn)信息化覆蓋，仍然無法實(shí)現(xiàn)真正意義上的紡紗智能化[1]。

2 紡紗輔助自動(dòng)化工藝技術(shù)路線

紡紗輔助環(huán)節(jié)機(jī)械化自動(dòng)化應(yīng)用主要由以下3方面構(gòu)成：一是包括卷裝裝卸、物料輸送和容器周轉(zhuǎn)在內(nèi)的工序聯(lián)接技術(shù)，已有自動(dòng)化技術(shù)的推廣應(yīng)用補(bǔ)缺和創(chuàng)新升級(jí)；二是驅(qū)動(dòng)控制方面的升級(jí)和擴(kuò)展應(yīng)用；三是開發(fā)關(guān)鍵工序值車替代的自動(dòng)化新應(yīng)用。

對(duì)于已有自動(dòng)化技術(shù)的推廣應(yīng)用補(bǔ)缺，也應(yīng)在數(shù)十年前應(yīng)用模式的基礎(chǔ)上做出優(yōu)化，提高應(yīng)用性價(jià)比，特別是應(yīng)用性價(jià)比偏低、投資回報(bào)周期偏長(zhǎng)的技術(shù)項(xiàng)目更需要優(yōu)化。

對(duì)于工序聯(lián)接，應(yīng)該選擇合理的工藝技術(shù)路線，提升項(xiàng)目應(yīng)用性價(jià)比。在紡紗輔助自動(dòng)化應(yīng)用中，工序聯(lián)接是首要的?，F(xiàn)有紡紗技術(shù)中的工序聯(lián)接分為在制品物料流聯(lián)接和在制品卷裝流聯(lián)接2類，具體如下。

a) 在制品物料流聯(lián)接，如已經(jīng)成熟應(yīng)用的清梳聯(lián)，和正在進(jìn)入中試階段的梳并聯(lián)，以及與梳并聯(lián)同類技術(shù)應(yīng)用的精并聯(lián)。在制品物料流聯(lián)接是連續(xù)化紡紗生產(chǎn)的最佳形式，因其消除了卷裝裝卸、卷裝輸送、容器周轉(zhuǎn)、卷裝更換和接頭操作等工序或動(dòng)作，成為最值得推廣應(yīng)用的連續(xù)化自動(dòng)化生產(chǎn)項(xiàng)目。

清梳聯(lián)是一供多緩存式清棉、梳棉工序聯(lián)接技術(shù)，喂棉箱就是連續(xù)或間斷輸送物料流——棉塊的緩存器。梳并聯(lián)(精并聯(lián))是多供一緩存式梳棉(精梳)并條工序聯(lián)接技術(shù)，緩存器的功能是將連續(xù)輸送來的物料流——棉條進(jìn)行圈層、疊放、壓縮、輸送和調(diào)向。

從目前的環(huán)錠紡紗工藝流程看，能夠?qū)崿F(xiàn)在制品物料流聯(lián)接的工序，也只有清棉—梳棉、梳棉—并條和精梳—并條。

b) 在制品卷裝流聯(lián)接，按照應(yīng)用的成熟程度分別有細(xì)絡(luò)聯(lián)、粗細(xì)聯(lián)、卷精聯(lián)、絡(luò)包聯(lián)和并粗聯(lián)，這類工序聯(lián)接實(shí)際上是一種斷續(xù)的依賴卷裝容器的機(jī)械化卷裝裝卸和物流輸送。其特征與傳統(tǒng)人工操作基本相同，都存在著卷裝裝卸、卷裝輸送、容器周轉(zhuǎn)和卷裝更換，只不過是由機(jī)械來完成這些作業(yè)，從工藝技術(shù)路線的角度看，有很多模仿人工操作的機(jī)械化程序。在制品卷裝流聯(lián)接中，并粗聯(lián)是最麻煩、最復(fù)雜的項(xiàng)目。

另外，對(duì)原料和成品的自動(dòng)倉儲(chǔ)、自動(dòng)輸送以及智能化管理也越來越受到紡紗工廠管理者的重視，對(duì)紡紗工程而言將實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程自動(dòng)化、智能化覆蓋。

在工序聯(lián)接的技術(shù)應(yīng)用中，不管是物料流還是卷裝流聯(lián)接，總體上都使多工序的紡紗生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化或半連續(xù)化生產(chǎn)。

對(duì)于尚無成熟模式的自動(dòng)化應(yīng)用，如運(yùn)轉(zhuǎn)操作的紡紗輔助工作中，最主要的功能是值車替代，即機(jī)器換人。需要注意的是，機(jī)器換人并不等于以機(jī)器模仿人——以機(jī)器模仿人的直觀方法來研發(fā)機(jī)器換人的自動(dòng)化項(xiàng)目，一定不是高性價(jià)比的產(chǎn)品。判斷自動(dòng)化項(xiàng)目?jī)?yōu)劣的首要原則，就是工藝技術(shù)路線選擇是否合理。

目前，行業(yè)對(duì)紡紗自動(dòng)化的需求越來越迫切，特別是與替換人工相關(guān)的項(xiàng)目，包括工序聯(lián)接、卷裝裝卸、容器輸送和運(yùn)轉(zhuǎn)操作等，不論是存量市場(chǎng)還是增量市場(chǎng)，裝備升級(jí)的趨勢(shì)明確[2]。

3 紡紗信息化工藝技術(shù)路線

從某種角度看，信息化是自動(dòng)化通向智能化的橋梁。這里所述的紡紗信息化是指紡紗主體工程的信息化，見圖1。

紡紗工程主要環(huán)節(jié)信息化應(yīng)用的缺乏，是行業(yè)領(lǐng)域歷史性和廣泛性的存在，如何擴(kuò)展紡紗信息化應(yīng)用的深度和廣度，是紡紗主體工程能否從自動(dòng)化進(jìn)入智能化應(yīng)用的關(guān)鍵所在，這是行業(yè)領(lǐng)域必須認(rèn)真研究的問題。同紡紗自動(dòng)化一樣，工藝技術(shù)路線也是紡紗信息化應(yīng)用研發(fā)工作的方向性抓手。因此，拓展紡紗工程信息化應(yīng)用的深度和廣度，也應(yīng)該從工藝技術(shù)路線的研究入手。

對(duì)紡紗流程增加紡紗技術(shù)信息化應(yīng)用的前提，就是依據(jù)工藝技術(shù)路線判斷數(shù)據(jù)采集的可能性與有用性。數(shù)據(jù)采集的可能性包括采集位置和傳感方式的可行性，數(shù)據(jù)采集的有用性即數(shù)據(jù)對(duì)紡紗生產(chǎn)工藝技術(shù)管理的價(jià)值，可以是直接應(yīng)用的價(jià)值或深度挖掘的價(jià)值。它涵蓋2個(gè)方面，一是品質(zhì)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，包括對(duì)直接品質(zhì)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)、間接品質(zhì)項(xiàng)目的運(yùn)算換算、長(zhǎng)片段品質(zhì)項(xiàng)目的分類計(jì)數(shù)等；二是工藝優(yōu)化挖掘，即以相關(guān)性邏輯通過一項(xiàng)或多項(xiàng)數(shù)據(jù)判斷本工序或下游工序不同項(xiàng)目的品質(zhì)或工藝參數(shù)，如斷頭率及其變化率與錠速設(shè)置、牽伸力及其變化率與線密度均勻度、短絨增長(zhǎng)率與斷裂強(qiáng)度等。按照系統(tǒng)性理論分析，可以利用采集的數(shù)據(jù)對(duì)下游產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)；按照過程控制理論分析，可以利用采集的數(shù)據(jù)對(duì)采集點(diǎn)前后工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行干預(yù)，從而優(yōu)化下游產(chǎn)品質(zhì)量。

數(shù)據(jù)采集包括離線和在線采集，這里主要討論在線數(shù)據(jù)的采集。紡紗主體工程在信息化、智能化應(yīng)用中也會(huì)用到離線數(shù)據(jù)，而且某些品質(zhì)項(xiàng)目必須由離線數(shù)據(jù)提供，如紗線斷裂強(qiáng)度等破壞性試驗(yàn)數(shù)據(jù)。離線數(shù)據(jù)由試驗(yàn)室的測(cè)試儀器提供，不是實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)。

實(shí)時(shí)在線的大量數(shù)據(jù)，形成紡紗管理大數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的傳輸、儲(chǔ)存、運(yùn)算及挖掘與反饋，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

紡紗工程工藝技術(shù)數(shù)據(jù)的在線采集，應(yīng)盡可能利用已有器材專件，或者在不影響棉束、棉網(wǎng)、須條和紗線正常運(yùn)行的情況下，附加非接觸式的傳感器，也要考量選用傳感器的成本，并盡可能進(jìn)行多用途數(shù)據(jù)采集。

基于現(xiàn)狀和工藝技術(shù)判斷在線采集方法的歸納，可能僅為信息化與智能化初步應(yīng)用的部分?jǐn)?shù)據(jù)采集點(diǎn)與用途，特別對(duì)于數(shù)據(jù)深度挖掘的方法與效應(yīng)，存在著極大的不確定性和未知性，需要集中行業(yè)的力量，需要專業(yè)及跨專業(yè)領(lǐng)域的協(xié)同，及人工智能技術(shù)的運(yùn)用。

4 紡紗自動(dòng)化信息化創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)例

4.1 梳棉并條工序聯(lián)接技術(shù)

行業(yè)現(xiàn)有技術(shù)中，被稱為“梳并聯(lián)”的有2種工序組合形式。

一是早期日本豐田公司使用過的多供一無緩存梳棉—并條聯(lián)合機(jī)組(見圖2)。無緩存的梳棉—并條聯(lián)合機(jī)組只能在低產(chǎn)量低效率情況下工作，不適于規(guī)?；徏喩a(chǎn)。

二是瑞士立達(dá)、德國特呂茨勒和意大利馬佐里等公司推出的梳棉—牽伸組合機(jī)(見圖3)，立達(dá)和特呂茨勒公司稱為IDF，梳棉—牽伸組合機(jī)可以為自由端紡紗和其他特殊紗線提供短流程紡紗生產(chǎn)線裝備配套。

梳棉—牽伸組合機(jī)無棉條并合功能，也沒有較大倍率的棉條牽伸，不是真正意義上的梳并聯(lián)，不適用于普通環(huán)錠紡紡紗流程，更不可以用于紡制高品質(zhì)紗線。

經(jīng)緯智能紡織機(jī)械有限公司首創(chuàng)性地研發(fā)了一種多供一緩存式梳棉—并條聯(lián)接技術(shù)(見圖4)，可以視為真正意義上的梳并聯(lián)，其緩存器的功能是將連續(xù)輸送來的物料流——棉條進(jìn)行圈層、疊放、壓縮、輸送和調(diào)向。在梳并聯(lián)技術(shù)研發(fā)中，緩存器中棉片疊層的同步輸送技術(shù)，是梳并聯(lián)技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵性瓶頸突破。

梳并聯(lián)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：① 產(chǎn)品在梳棉—并條工序連續(xù)流水生產(chǎn)，棉條不調(diào)向，產(chǎn)品無工藝接頭；② 省去生條周轉(zhuǎn)盛放的容器，杜絕因容器頻繁周轉(zhuǎn)使用帶來的品質(zhì)損害和新舊容器管理問題；③ 在梳棉—并條工序間省卻一道操作工序，從而省卻生條的換筒、存放、人工搬運(yùn)等，節(jié)省操作工費(fèi)，減少人為差錯(cuò)；④ 固定的機(jī)臺(tái)搭配，有效并長(zhǎng)期穩(wěn)定抵補(bǔ)機(jī)臺(tái)之間的原料和梳理品質(zhì)臺(tái)差；⑤ 并條機(jī)部分省卻機(jī)后的條筒陣列以及備用條筒，大幅度減少廠房空間占用；⑥ 優(yōu)良的可操作性，生產(chǎn)操作與傳統(tǒng)工藝基本等同。

梳并聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用主要為紡紗企業(yè)在用工、容器和空間方面進(jìn)行節(jié)省，使品質(zhì)上的變異和意外因素的影響減少，通過管理上的便利等方面獲取效益。用工的節(jié)省和管理的便利，是紡紗企業(yè)在工本降低和管理進(jìn)步方面所提升的重要內(nèi)容。

該技術(shù)也可以使用在精梳—并條工序之間，成為“多供一緩存式精并聯(lián)合機(jī)組”。

4.2 條筒圈存容量擴(kuò)增技術(shù)

條筒圈存容量擴(kuò)增技術(shù)的研究工作，國外在數(shù)十年前就有開展，也有針對(duì)并條機(jī)和精梳機(jī)的若干產(chǎn)品投入生產(chǎn)運(yùn)行，但是早期的技術(shù)研發(fā)為純機(jī)械聯(lián)動(dòng)的條筒復(fù)合運(yùn)動(dòng)容量擴(kuò)增機(jī)構(gòu)，存在增容率不理想和棉條圈放的圈距不均勻等問題，該技術(shù)20多年來沒有延續(xù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，也無進(jìn)一步的研發(fā)進(jìn)展。

隨著紡紗技術(shù)的不斷進(jìn)步，前紡工序向著高速和重定量雙重增產(chǎn)的高效化方向發(fā)展，主機(jī)的出條速度、特別是高速并條機(jī)的標(biāo)稱最高出條速度已經(jīng)超過1200 m/min，直接增加了條筒卷裝的更換頻率；同時(shí)由于用工成本不斷升高，使條筒人工搬運(yùn)的物流成本增高，因而梳棉、并條和精梳工序，為了減少換筒頻率和降低物流成本，均采用了增大條筒直徑和高度的方法來增加條筒的棉條容量。目前，梳棉機(jī)和并條機(jī)條筒直徑已達(dá)1000 mm及以上，甚至已有1300 mm以上的應(yīng)用實(shí)例。

但是非常不利的是，大直徑條筒的應(yīng)用明顯增大了圈條器的尺寸，增大了機(jī)臺(tái)占地面積和廠房占用面積，并條機(jī)喂入部分大直徑條筒陣列也使值車操作難度增大，喂入部分導(dǎo)條工藝張力差異增大；大直徑圈條器和條筒的使用也大幅增加主機(jī)和條筒的投資及維護(hù)成本。

因此，研發(fā)在不增加條筒直徑和高度、不增大棉條圈距不均勻情況下，條筒圈存容量擴(kuò)增技術(shù)是一項(xiàng)在高速高產(chǎn)下降本增效、降低管理難度的課題。

針對(duì)現(xiàn)狀，北京瑪達(dá)恒力機(jī)電技術(shù)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“北京瑪達(dá)恒力”)和無錫經(jīng)緯紡織機(jī)械銷售服務(wù)有限公司于2017年聯(lián)合研發(fā)了條筒圈存容量擴(kuò)增技術(shù)，首創(chuàng)性地研制出了程序控制“條筒偏心距分級(jí)橫移+自轉(zhuǎn)分級(jí)變速驅(qū)動(dòng)+疊層比例配置”的增容模式，可以簡(jiǎn)稱為“PCC(Program Control Coiler)程控圈條器”，在實(shí)現(xiàn)大幅度增容的同時(shí)，還滿足在偏心距改變時(shí)實(shí)現(xiàn)圈條間距保持不變，從而確保棉條質(zhì)量穩(wěn)定，有效回避圈條高密度區(qū)的疊層(見圖5)，大幅度增大條筒內(nèi)棉條容量。

該技術(shù)采用了新的自轉(zhuǎn)加往復(fù)復(fù)合運(yùn)動(dòng)的增容機(jī)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)控制方式和機(jī)構(gòu)均有提升。在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)方面地盤(下圈條盤)完全獨(dú)立于主機(jī)，在運(yùn)動(dòng)控制方面地盤既跟隨主機(jī)又按增容工藝需要由獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)軟件控制。為了實(shí)現(xiàn)最佳的圈存容量擴(kuò)增效果，在探索普通圈條器徑向密度曲線形態(tài)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用上述增容模式，直徑為400 mm～500 mm的條筒計(jì)算圈存容量可擴(kuò)增約40%，直徑為600 mm的條筒計(jì)算圈存容量可擴(kuò)增約80%，直徑為1000 mm的條筒計(jì)算圈存容量可擴(kuò)增約120%。需要注意的是，其具體增容率視棉條定量與天盤(上圈條盤)的直徑優(yōu)化程度確定。

按照條筒圈存容量正比于條筒直徑的1.5次方推算，直徑為400 mm的末并條條筒增容后可以達(dá)到相當(dāng)于普通圈條器直徑為600 mm同等高度條筒的圈存容量，而直徑為600 mm條筒可以達(dá)到相當(dāng)于普通圈條器直徑為900 mm同等高度條筒的圈存容量。相同容量下，比較計(jì)算直徑分別為600 mm與900 mm的條筒，其圈條器、周轉(zhuǎn)條筒及并條機(jī)機(jī)后條筒陣列占地面積分別減少了55%，條筒投資降低60%以上，搬運(yùn)和操作更加便利，導(dǎo)條工藝更加合理。

對(duì)于直徑為1000 mm的條筒，經(jīng)過120%的圈存容量擴(kuò)增后，可以達(dá)到相當(dāng)于普通圈條器直徑為1690 mm同等高度條筒的圈存容量。

在沉寂了20多年后，圈條器條筒容量擴(kuò)增技術(shù)有了新進(jìn)展，創(chuàng)新的PCC程控圈條器增容技術(shù)方案破解了行業(yè)發(fā)展瓶頸，突破性地實(shí)現(xiàn)了在穩(wěn)定圈條狀態(tài)下的大幅度條筒容量擴(kuò)增，可以用于梳棉機(jī)、并條機(jī)和精梳機(jī)。

在2019 ITMA國際紡機(jī)展中，德國特呂茨勒公司開始宣傳其梳棉機(jī)條筒棉條容量擴(kuò)增技術(shù)，已在最新款TC19i型梳棉機(jī)圈條器T-MOVE2上獲得應(yīng)用(見圖6)，但其增容率僅為5%～8%。

4.3 電子圈條技術(shù)

電子圈條技術(shù)包括電子圈條盤及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。圖7為圈條盤的2種形式，電子圈條盤也稱為電子天盤(上圈條盤),見圖7b)。

隨著并條機(jī)的高速化發(fā)展，并條機(jī)標(biāo)稱最高出條線速度已經(jīng)提升到1200 m/min，天盤的轉(zhuǎn)速也相應(yīng)增到1200 r/min，天盤外周線速度達(dá)到24 m/s。這給傳統(tǒng)的天盤機(jī)械傳動(dòng)形式帶來了高速運(yùn)行中驅(qū)動(dòng)和控制方面的不利。

北京瑪達(dá)恒力和北京愛尼機(jī)電有限公司共同研發(fā)的電子圈條技術(shù)，包括電子圈條盤及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。電子圈條技術(shù)采用先進(jìn)的軸向磁場(chǎng)永磁同步電機(jī)(簡(jiǎn)稱“盤式電機(jī)”)加專用控制器驅(qū)動(dòng)模式，與主電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)。輕薄的盤式電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、低速大扭矩、驅(qū)動(dòng)無徑向力、動(dòng)態(tài)平衡好、運(yùn)動(dòng)控制精度高，開關(guān)車無沖擊。電子天盤的成功設(shè)計(jì)和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了天盤與電機(jī)的機(jī)電一體化構(gòu)造，使圈條器的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，圈條運(yùn)行平穩(wěn)。

電子圈條技術(shù)的應(yīng)用，具有高速適應(yīng)性好、圈條工藝變更方便、維護(hù)保養(yǎng)少和節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，使現(xiàn)代并條機(jī)在電子牽伸、電子勻整技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，又邁出了突破性的一步。

更具優(yōu)勢(shì)的是，直接驅(qū)動(dòng)的電子天盤還具有采集圈條成形系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)與工藝信息的功能，可以獲得圈條容量、圈條長(zhǎng)度、條筒彈簧剛度與天盤壓力等相關(guān)性數(shù)據(jù)，以及在應(yīng)用條筒圈存容量擴(kuò)增技術(shù)時(shí)，獲得增容參數(shù)設(shè)置合理性等圈條成形系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)與工藝信息，為并條機(jī)圈條成形環(huán)節(jié)信息化打下基礎(chǔ)，也為更好地應(yīng)用條筒圈存容量擴(kuò)增技術(shù)創(chuàng)造檢測(cè)反饋信息化控制的條件。

4.4 并條機(jī)自調(diào)勻整數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)

在并條機(jī)自調(diào)勻整系統(tǒng)中，檢測(cè)并條機(jī)纖維條厚度，是自調(diào)勻整功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。國內(nèi)外主流并條機(jī)大都采用檢測(cè)凹凸羅拉鉗口的相對(duì)位移來檢測(cè)喂入棉條的厚度(見圖8)。凹羅拉固定在主機(jī)上，當(dāng)喂入纖維條經(jīng)過凹凸羅拉鉗口時(shí)，其厚薄(粗細(xì))變化引起凸羅拉位移量變化，從而使位移傳感器發(fā)出模擬量信號(hào)。該信號(hào)必須經(jīng)過比較、放大、A/D轉(zhuǎn)換等處理后才能得到采樣棉條厚度數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過去噪、低通濾波等數(shù)字濾波處理，才能供計(jì)算機(jī)后期處理。然而，現(xiàn)在的紡紗設(shè)備上，變頻、伺服等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，在提高紡紗設(shè)備整體性能的同時(shí)，也給紡紗車間的電氣環(huán)境、空間電磁環(huán)境帶來很大污染，對(duì)弱電系統(tǒng)特別是微小變化的檢測(cè)系統(tǒng)帶來了非常大的負(fù)面影響。

在工控技術(shù)領(lǐng)域，高精度與穩(wěn)定性及抗干擾性是非常顯性的系統(tǒng)性矛盾。對(duì)自調(diào)勻整檢測(cè)系統(tǒng)而言，棉條厚度的變化是非電量的微弱變化，檢測(cè)系統(tǒng)要將其放大并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，無論是采用模擬量傳感器還是采用數(shù)字量傳感器，都要準(zhǔn)確地識(shí)別出假信號(hào)，精確地過濾掉干擾信號(hào)，這在電氣與電磁環(huán)境被污染的車間里是非常難以做到的。不同紡紗廠的干擾源、干擾類型與干擾強(qiáng)度都不盡相同，靠經(jīng)驗(yàn)值來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性是不可靠的。因此，在現(xiàn)有技術(shù)的自調(diào)勻整檢測(cè)系統(tǒng)中，對(duì)棉條厚度變化量進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，如何提高檢測(cè)的精確度、檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及過濾干擾信號(hào)，是自調(diào)勻整檢測(cè)系統(tǒng)一直未能很好解決的3個(gè)技術(shù)難題。特別是在大幅度提高檢測(cè)精確度的情況下，檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾問題更為突出，這些都是制約自調(diào)勻整技術(shù)進(jìn)步的瓶頸。

北京瑪達(dá)恒力研發(fā)的并條機(jī)自調(diào)勻整數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)(見圖9)，直接采用數(shù)字化傳感器，在機(jī)械位移與脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中消除傳動(dòng)誤差。將纖維條厚度位移由機(jī)械杠桿、光電信號(hào)和數(shù)字脈沖高倍放大，使自調(diào)勻整位移傳感器對(duì)棉條厚度檢測(cè)的最小分辨率為0.5 μm，其檢測(cè)精度大大超過了現(xiàn)有應(yīng)用技術(shù)中的檢測(cè)精度。

同時(shí)對(duì)凸羅拉位移換向和設(shè)備振動(dòng)對(duì)傳感器產(chǎn)生的抖動(dòng)干擾脈沖，通過數(shù)字硬件技術(shù)+FPGA芯片實(shí)現(xiàn)優(yōu)化處理，很好地濾除干擾脈沖。

并條機(jī)自調(diào)勻整數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)解決方案，將機(jī)械位移穩(wěn)定放大和線性轉(zhuǎn)換為編碼器的數(shù)字信號(hào)，并通過多倍頻和干擾信號(hào)的過濾，構(gòu)建成并條機(jī)自調(diào)勻整數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)，從而克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，突破3個(gè)技術(shù)制約瓶頸，獲得高精度、高穩(wěn)定性和消除干擾的檢測(cè)信號(hào)。

4.5 紡紗品質(zhì)信息追蹤系統(tǒng)

紡紗品質(zhì)信息追蹤系統(tǒng)，在行業(yè)中也稱為品質(zhì)追蹤系統(tǒng)、電子標(biāo)簽紗管或電子紗管。

從目前的電子標(biāo)簽技術(shù)應(yīng)用看，RFID射頻標(biāo)簽技術(shù)有著無源、無接觸、低成本、長(zhǎng)壽命和高可靠性等特點(diǎn)，是紡紗卷裝容器電子標(biāo)簽非常適宜的應(yīng)用。紡紗卷裝容器電子標(biāo)簽可以用于前紡工序的條筒和粗紗管，也可用于細(xì)紗工序的細(xì)紗管或紗管托盤，以追蹤管理各工序在制品品質(zhì)。下面以比較典型的細(xì)紗管或紗管托盤追蹤管理細(xì)紗機(jī)錠位品質(zhì)信息作分析。

細(xì)紗管品質(zhì)追蹤系統(tǒng)，涉及2種RFID芯片和2種卷裝設(shè)置方式(見圖10)。2種芯片為RFID只讀芯片和RFID讀寫芯片，2種卷裝設(shè)置方式是細(xì)紗管內(nèi)置芯片和細(xì)絡(luò)聯(lián)紗管托盤內(nèi)置芯片。細(xì)絡(luò)聯(lián)紗管托盤內(nèi)置芯片的卷裝設(shè)置方式，只適用于細(xì)絡(luò)聯(lián)工作模式，對(duì)細(xì)紗機(jī)到絡(luò)筒機(jī)非托盤輸送供應(yīng)的工作模式都無法應(yīng)用。在細(xì)絡(luò)聯(lián)工作模式中，采用只讀芯片或讀寫芯片2種，讀寫芯片與讀寫器價(jià)格數(shù)倍于只讀芯片。現(xiàn)有技術(shù)一般都采用讀寫式RFID細(xì)紗管品質(zhì)追蹤系統(tǒng)，其信息記錄與讀取方式，是在細(xì)紗機(jī)端由讀寫器將錠位信息寫入記錄在細(xì)紗管或紗管托盤的讀寫芯片中，在絡(luò)筒機(jī)端需要時(shí)由讀寫器從細(xì)紗管或紗管托盤中讀出細(xì)紗錠位信息，完成管紗信息追蹤。

北京瑪達(dá)恒力優(yōu)化了細(xì)紗機(jī)電子紗管應(yīng)用工藝技術(shù)路線，研發(fā)了只讀式RFID細(xì)紗管品質(zhì)追蹤系統(tǒng)，在細(xì)紗機(jī)端由只讀器讀出細(xì)紗管ID或紗管托盤ID，并將ID及錠位信息一同輸送儲(chǔ)存在上位機(jī)數(shù)據(jù)庫中；在絡(luò)筒機(jī)端按需要時(shí)間和位置由只讀器讀出細(xì)紗管ID或紗管托盤ID信息，并從上位機(jī)數(shù)據(jù)庫中調(diào)出該細(xì)紗管ID或紗管托盤ID的細(xì)紗錠位信息，完成管紗信息追蹤。同時(shí)，只讀式RFID芯片的感應(yīng)線圈為與紗管或托盤中心對(duì)稱設(shè)置，因而感應(yīng)靈敏、信息響應(yīng)快速準(zhǔn)確。

只讀式RFID細(xì)紗管品質(zhì)追蹤系統(tǒng)，主要以上位機(jī)數(shù)據(jù)庫作為錠位和紗管ID的軟件集中信息儲(chǔ)存中心，代替讀寫式RFID細(xì)紗管品質(zhì)追蹤系統(tǒng)中各紗管或紗管托盤中讀寫式RFID芯片的硬件分散信息儲(chǔ)存，具有高效、低成本和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)。同時(shí)，只讀式RFID細(xì)紗管品質(zhì)追蹤系統(tǒng)，可以應(yīng)用于多種機(jī)械化落紗方式，如細(xì)絡(luò)聯(lián)和集體落紗，甚至移動(dòng)式落紗小車；也可以應(yīng)用于各種絡(luò)筒機(jī)，如紗庫式和托盤式自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)，甚至非自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)。更進(jìn)一步，可以在每個(gè)絡(luò)筒機(jī)錠位設(shè)置只讀器，實(shí)現(xiàn)每個(gè)筒紗內(nèi)所有細(xì)紗管紗的構(gòu)成信息儲(chǔ)存和追溯。

對(duì)細(xì)紗管內(nèi)置芯片的卷裝設(shè)置方式，由于細(xì)紗管的用量約為紗錠數(shù)量的5～8倍，是紡紗流程中應(yīng)用流轉(zhuǎn)量最大的器材，因而RFID芯片或電子標(biāo)簽紗管的價(jià)格對(duì)投資成本非常敏感。

所以，只要選擇好工藝技術(shù)路線，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔邏輯合理，功能全面適用性好，采用只讀式RFID細(xì)紗管電子標(biāo)簽的品質(zhì)追蹤系統(tǒng)，是品質(zhì)追蹤系統(tǒng)最高性價(jià)比的應(yīng)用。

4.6 絡(luò)筒機(jī)自動(dòng)投紗系統(tǒng)

2019年第十九屆上海國際紡織工業(yè)展覽會(huì)展出的產(chǎn)品中，有多種紗庫式自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)自動(dòng)投紗裝備，現(xiàn)已進(jìn)入用戶試用階段。自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)自動(dòng)投紗系統(tǒng)替代人工絡(luò)筒值車，成為最受行業(yè)關(guān)注的紡紗自動(dòng)化項(xiàng)目之一。

在紗庫式自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)自動(dòng)投紗系統(tǒng)加裝或改造方案中，大部分研發(fā)企業(yè)選擇了改造方案，即拆除原機(jī)紗庫，將通過輸送軌道輸送來的管紗，由每個(gè)錠位的機(jī)械手投放到工位上，或者由輸送軌道導(dǎo)入替代設(shè)置的緩存器中。采用不同的工藝技術(shù)路線，設(shè)計(jì)出截然不同的自動(dòng)投紗機(jī)構(gòu)。

銅陵松寶智能裝備有限公司的紗庫式自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)自動(dòng)投紗系統(tǒng)(見圖11)，在基本不改動(dòng)原機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，加裝了整理、找頭、輸送和投紗機(jī)構(gòu)。將原機(jī)紗庫作為大容量緩存器，不僅完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)投紗功能，而且還實(shí)現(xiàn)人工與自動(dòng)投紗的兼容，也便于自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)的單錠維護(hù)修理。該項(xiàng)目具有保留原紗庫、人機(jī)兼容性好、整理效率高、找頭能力強(qiáng)、適應(yīng)多品種、系統(tǒng)體積小、改造工時(shí)少以及單錠維護(hù)方便等特征[3]，應(yīng)用性價(jià)比高。

5 紡紗工程信息化智能化發(fā)展展望

紡紗工程信息化智能化，可分為紡紗管理信息化智能化、紡紗主機(jī)信息化智能化、紡紗輔助信息化智能化以及紡紗主體工程信息化智能化4個(gè)環(huán)節(jié)。

5.1與其他工業(yè)制造信息化管理的共性應(yīng)用接近，規(guī)?；募徏喥髽I(yè)在紡紗管理信息化智能化環(huán)節(jié)的應(yīng)用不斷推進(jìn)，在供、產(chǎn)、銷、財(cái)、物、人、能等方面應(yīng)用ERP，MIS，OA，HR等計(jì)算機(jī)輔助管理工具，不斷向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化、信息化乃至智能化的方向發(fā)展[4]。

5.2紡紗主機(jī)信息化智能化應(yīng)用方面，主機(jī)廠除了增加機(jī)與電的運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)控信息采集，單機(jī)的信息聯(lián)網(wǎng)、同類機(jī)臺(tái)的集中控制都在普及應(yīng)用中；積極擴(kuò)展工藝參數(shù)管理應(yīng)用，為工藝操作和品種管理提供便利。

主機(jī)機(jī)械、電氣、能源和工藝狀態(tài)的信息化，使紡紗生產(chǎn)管理進(jìn)入一個(gè)新階段。

5.3值車操作與輔助崗位人工替換也在積極推進(jìn)中，其中細(xì)紗機(jī)值車與維護(hù)、車間清潔等紡紗輔助自動(dòng)化需求也將提到議事日程上來。驅(qū)動(dòng)控制方面的自動(dòng)化升級(jí)，將帶來節(jié)能、操控便利、系統(tǒng)信息化及品種質(zhì)量方面的有益效應(yīng)。

5.4紡紗主體工程信息化還缺少基礎(chǔ)信息采集，這方面的拓展是智能化紡紗的基本需求和基礎(chǔ)條件，目前還存在著發(fā)展規(guī)劃缺失、研發(fā)方向不明確、技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件不具備等制約，由于還難以評(píng)估如何產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益及投資回報(bào)情況，對(duì)于研發(fā)所需人力財(cái)力的投入，當(dāng)下也恐難以形成共識(shí)。

因此，紡紗工程的自動(dòng)化應(yīng)用方向較為明確，紡紗輔助信息化也在擴(kuò)大應(yīng)用中，紡紗主體工程的信息化需要逐步論證，以尋機(jī)推進(jìn)紡紗主體工程的智能化應(yīng)用。

6 結(jié)語

紡紗工程基礎(chǔ)層面對(duì)纖維主要加工過程基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，紡紗輔助環(huán)節(jié)自動(dòng)化應(yīng)用空間大、研發(fā)項(xiàng)目多，其中工序聯(lián)接是紡紗輔助自動(dòng)化中最重要的部分。

在紡織行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀中，已有的“智能化應(yīng)用”，絕大部分處于邏輯化和程序化階段，缺少對(duì)纖維在棉塊、棉束、棉網(wǎng)、須條和紗線各個(gè)階段和狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)，并未實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能化。由于紡紗主體工程信息化的缺乏，難以全面推進(jìn)紡紗智能化，紡紗智能化任重道遠(yuǎn)。應(yīng)將工藝技術(shù)路線作為紡紗自動(dòng)化信息化技術(shù)研發(fā)的方向性抓手，由行業(yè)管理部門組織引導(dǎo)，發(fā)動(dòng)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和行業(yè)聯(lián)盟參與行動(dòng)，著力提升紡紗領(lǐng)域工業(yè)化能級(jí)。