基于數(shù)控技術的棉紡環(huán)錠細紗機創(chuàng)新發(fā)展

郭明瑞 高衛(wèi)東

（江南大學，江蘇無錫，214122）

紡織工業(yè)化發(fā)展進程中，環(huán)錠細紗機起步時間早，技術發(fā)展較為成熟，市場占有率高，是目前主要的紡紗設備。據(jù)相關資料統(tǒng)計，全球仍有80%以上的細紗紡紗設備為環(huán)錠細紗機，而我國作為最大的紗線生產(chǎn)國，環(huán)錠紡紗錠的保有量過億錠，約占全球總量的一半。但是，環(huán)錠紡受其非自由端紡紗原理的限制，加捻過程與卷繞過程無法分離，其卷裝容量較小，且加捻過程存在紡紗氣圈，使得紡紗張力較大，限制了紡紗速度的大幅度提升。近年來，自由端紡紗技術得益于加捻過程與卷繞過程獨立進行，紡紗速度明顯高于環(huán)錠紡，得到了迅猛發(fā)展，其中轉杯紡技術和噴氣渦流紡技術已經(jīng)占據(jù)了相當規(guī)模的紡紗市場。當然，環(huán)錠紡雖然紡紗速度較低，但其加捻過程紗線兩端受握持，對纖維原料的品種和長度適應性好，所紡號數(shù)范圍廣，同樣具有自身的優(yōu)勢特點，在一定時期仍將占據(jù)較大的紡紗市場份額。

當前環(huán)錠細紗機制造水平居于領先地位的國外紡機公司，仍然為環(huán)錠細紗機的技術提升而努力。國內(nèi)紡機公司近幾年發(fā)展速度同樣較快，無論是細紗機錠數(shù)、自動化水平、紡紗質(zhì)量和設備可靠性方面都得到了顯著提升，與國外高水平細紗機的差距越來越小。同時，印度朗維公司的環(huán)錠細紗機水平也有明顯進步。近年來，環(huán)錠細紗機技術的顯著進步是自動化水平的提升，而這一進步主要源于數(shù)控技術的發(fā)展和應用，為今后進一步提高生產(chǎn)效率、減少用工數(shù)量、降低勞動強度提供支撐，以維持環(huán)錠紡技術的長遠發(fā)展［1-3］。數(shù)控技術是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點。本文將對環(huán)錠細紗機數(shù)控技術的創(chuàng)新應用作以系統(tǒng)梳理與分析。

1 國產(chǎn)環(huán)錠細紗機的發(fā)展歷程

國產(chǎn)環(huán)錠細紗機的發(fā)展大致可分為五個階段。

第一代：新中國建立初期，1954 年實現(xiàn)批量生產(chǎn)的1291、1301 型環(huán)錠細紗機，牽伸倍數(shù)14 倍～20 倍。20 世紀60 年代對1291 型細紗機進行了改進，將重力加壓改為前、中羅拉杠桿加壓，大鐵輥改為磁性輥，采用分離式彈性支承高速錠子，牽伸倍數(shù)提升至40 倍。

第二代：在紡紗實踐中，對細紗機的原料適紡性提出了新的要求，研究人員經(jīng)過對牽伸機構的改造，于1965 年開發(fā)出A512 型細紗機，達到408錠/臺，采用三羅拉長短膠圈牽伸、彈簧擺動銷，牽伸倍數(shù)擴大至10 倍～50 倍。1974 年，推出A513型，錠數(shù)增加至480 錠/臺，所紡紗線產(chǎn)品質(zhì)量有了更大提升。

第三代：20 世紀80 年代后期，相繼開發(fā)出FA502 型、FA503 型環(huán)錠細紗機，實現(xiàn)了羅拉中心距可調(diào)，改善了對不同長度纖維的適紡性，可紡棉纖維和中長纖維。前三代環(huán)錠細紗機主要是對牽伸裝置進行改進，并未對細紗機的橫斷面、結構、縱向布局等方面有較大改進。

第四代：改革開放以來，我國工業(yè)高速發(fā)展，國外先進紡機制造技術不斷引進，國產(chǎn)細紗機進入了快速發(fā)展階段，以集體落紗長車為代表的新機型使細紗機錠數(shù)規(guī)模有了顯著提升，各細紗機生產(chǎn)公司推出了多型集體落紗長車，有F1510 型、JWF1532 型、EJM128JL 型、TH578 型、DTM139型、ZJ798型、BS562型、SXF1599A 型和TM5263E型等。

第五代：以全數(shù)控技術為標志的細紗機區(qū)別于傳統(tǒng)機械傳動細紗機，自動化水平有了質(zhì)的飛躍，如JWF1580 型、BS598EM 型、TH598J 型等。

2 環(huán)錠細紗機的數(shù)控技術應用

2.1 數(shù)控電子牽伸技術

2.1.1 主電機節(jié)能技術

電機一直是工業(yè)用電大戶，傳統(tǒng)的環(huán)錠細紗機均由一臺主電機作為主傳動的動力源，驅(qū)動錠子旋轉、羅拉牽伸、鋼領板升降等動作。在紡織業(yè)早期，主電機為單轉速電機，只能以恒定速度運行，無法實現(xiàn)變速；后來有雙轉速電機的出現(xiàn)，但變速范圍仍然限制較大，直至變頻技術在細紗機主電機上的應用，實現(xiàn)了細紗機錠速范圍和變化模式的靈活配置，在優(yōu)化紡紗錠速的同時，實現(xiàn)了節(jié)能降耗［4-6］。細紗機的工作環(huán)境對電機的要求是發(fā)熱少、散熱好、效率高。目前，細紗機主軸電機由原來的三相異步電機改為永磁同步電機，在保證設備運行效率的同時降低能源消耗，增加設備使用壽命。永磁同步電機的定子為三相對稱繞組，與三相異步電機結構相同，轉子上置有磁鋼，在穩(wěn)定運行時轉子上沒有電阻損耗，另外，由于永磁電機的磁場由永磁體產(chǎn)生，不需定子中的無功勵磁電流，通過合理設計可以使電機定子繞圈中的電流顯著降低，繞組銅耗明顯減小，達到減少總能耗、提高效率的目的。

瑞士立達G38 型環(huán)錠細紗機采用西門子IE4永磁變頻電機，效率比先前使用的IE3 電機高3%，比IE1 電機高14%。同時，IE4 主電機驅(qū)動專為高速運行設計，以達到節(jié)能效果［7］。除G38型環(huán)錠細紗機外，印度朗維公司的LRJ9SX 型環(huán)錠細紗機也采用IE4 永磁變頻電機［8］。

2.1.2 電子牽伸技術

傳統(tǒng)細紗機的牽伸機構是由主電機通過齒輪箱傳動，各羅拉之間的速比通過改變齒輪齒數(shù)配比來調(diào)整實現(xiàn)，結構繁瑣，變換工藝耗時。采用伺服或變頻驅(qū)動系統(tǒng)控制細紗機的牽伸羅拉運轉，對提高細紗機的自動化水平有重要意義［9-11］。細紗機牽伸機構包括左、右兩側，每側由前、中、后3根羅拉構成，電子牽伸就是將前、中、后3 根羅拉采用3 個獨立的伺服或變頻電機驅(qū)動，實現(xiàn)總牽伸倍數(shù)和后區(qū)牽伸倍數(shù)的數(shù)字化控制，無需再更換牽伸傳動齒輪，同時在一定意義上實現(xiàn)了牽伸倍數(shù)的連續(xù)調(diào)節(jié)。而細紗機驅(qū)動單元數(shù)量的配置通常跟全機錠數(shù)相關，對于600 錠以下的短車，通常采用車頭單側傳動；1 200 錠左右的細紗機通常分為兩段，采用車頭、車尾兩側傳動；而1 800 錠左右的細紗機多分為三段，采用車頭、中部（1/3 位置）、車尾三處傳動。

瑞士立達G38 型環(huán)錠細紗機的電子牽伸系統(tǒng)FLEXIdraft 采用變頻控制電機，另外其配置的FLEXIstart 裝置還可實現(xiàn)牽伸系統(tǒng)的分段啟停，這樣可提高機器啟動的效率。根據(jù)機器的長度，只需開啟機器的1/4 或1/2。德國青澤ZR72XL型環(huán)錠細紗機采用了DraftBox 封裝式電子牽伸驅(qū)動裝置，傳動機構完全密封設計，無需清潔或?qū)X輪加油潤滑，便于維護保養(yǎng)。

目前，電子牽伸技術面臨的難點主要是紡紗過程中，中途停車與再啟動時所產(chǎn)生紗線短片段粗、細節(jié)問題，這是由于電子牽伸裝置的前、中、后羅拉的伺服電機獨立，其運行過程中的轉速和扭矩差異較大，部分電子牽伸裝置的啟動和停止過程中各列羅拉的加、減速比例很難保持完全一致。并且這種由于中途停車與再啟動所產(chǎn)生的紗線短片段粗、細節(jié)在后道絡筒工序的處理難度較大。

2.1.3 錠子羅拉掉電同步停車技術

由于全數(shù)控細紗機的羅拉與錠子分離傳動，在突發(fā)停電時，兩者慣性差異較大，羅拉與錠子容易出現(xiàn)停車不同步的情況，造成全車斷頭。這一問題通過直流共母線技術得到了解決，實現(xiàn)多電機斷電同步停車及短時電壓波動不斷紗。直流共母線掉電同停技術是采用主變頻器負載主軸，將機械負載轉化為電能負載，在停電時，主電機反向作為發(fā)電機發(fā)電，通過直流共母線技術為錠子、羅拉、鋼領板的驅(qū)動電機提供所需電能，實現(xiàn)斷電同停，在突發(fā)停電情況下最大程度保持紗線不斷。

2.2 數(shù)控電子卷繞成形技術

卷繞成形機構是環(huán)錠細紗機的主要機構之一，傳統(tǒng)的細紗機卷繞成形都是通過機械結構來實現(xiàn)的。機械式的卷繞成形機構有以下缺點：機械部件配置參數(shù)固定，無法實現(xiàn)連續(xù)性變換卷繞參數(shù)；調(diào)整工藝參數(shù)時，需更換部件，工作量大，停機時間長；機械凸輪運行過程存在桃尖沖擊、桃底停頓等缺陷，凸輪磨損會造成桃尖和桃底部分紗線堆積，后續(xù)管紗絡筒高速退繞易出現(xiàn)脫圈和滑塌現(xiàn)象。數(shù)控電子卷繞成形技術很好地解決了上述問題，該技術的應用使得紡紗成形變得簡單，與傳統(tǒng)的機械凸輪機構相比，采用伺服驅(qū)動后，可以通過數(shù)學模型實現(xiàn)各種經(jīng)典凸輪曲線，最優(yōu)化紡紗過程的鋼領板運動規(guī)律，對于各品種紗線的管紗成形可以設置最優(yōu)化的成形曲線，優(yōu)化管紗卷裝容量和高速退繞性能［12-13］。使管紗成形工藝變得更加靈活，無需對機械組件進行變化，還消除了機械結構磨損所帶來的機器維護成本。

2.3 數(shù)控集體落紗技術

細紗機落紗是生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一，人工落紗工作強度高、效率低。隨著細紗機向“長車化”發(fā)展，數(shù)控集體落紗技術對提高細紗機自動化水平、降低人工勞動強度、減少用工，有重要作用［14］。目前，各廠家的細紗機長車均配備數(shù)控集體落紗裝置。數(shù)控集體落紗技術涉及電氣、機械、氣動和傳感器技術等。生產(chǎn)過程中，當系統(tǒng)接收到落紗信號后，集體落紗裝置會將空管插入中轉錠位，然后將滿管紗線一次性自動拔出，并轉移至下方輸送軌道的錠位上，再將中轉錠位的空管轉移至細紗機紡錠上，紡紗重新開始。集體落紗裝置多采用頂部抓管方式，以避免對紗線造成損傷，落紗效率高，紗線留頭率高，節(jié)約用工。目前，數(shù)控集體落紗時間可控制在3 min 以內(nèi)。

經(jīng)緯紡機JWF1580 型細紗機配置的數(shù)控集體落紗技術，實現(xiàn)了1 824 錠長車精準快速集體落紗，解決了長車氣架升降和里外擺運動一致性問題，傳動管采用無間隙連接技術，通過脹套擠壓安裝在兩傳動管之間的方式，調(diào)節(jié)螺釘來壓緊傳動管脹套，消除各氣架傳動管之間的間隙，提高了長車氣架集體落紗可靠性。并設計滾珠絲杠驅(qū)動集落氣架，傳動效率高，定位準確，落紗時間縮短至2.5 min，實現(xiàn)精準、快速落紗。同時優(yōu)化了滿紗輸送及空管落管技術，空管走管率由28 個/min提升至最高45 個/min，滿足了粗號紗落紗頻繁對管紗輸送效率的高要求。日本豐田自動織機株式會社RX300 型環(huán)錠細紗機自動落紗后的空管走管率為40 個/min［15］。

2.4 單錠監(jiān)測與自動接頭機器人

細紗紡紗斷頭是影響生產(chǎn)連續(xù)化的重要因素，目前只能通過人工巡回檢查，發(fā)現(xiàn)斷頭進行人工接頭，由于紡紗斷頭具有一定隨機性，無法預測，傳統(tǒng)的細紗機只能人工按巡回路徑巡查，工作強度高，看臺數(shù)不多。環(huán)錠細紗機單錠監(jiān)測技術是反饋紡紗斷頭、弱捻的有效手段，從原理上主要分為光電式和電磁式，都是通過檢測鋼絲圈的運行情況獲取紡紗信息，進而判斷紡紗斷頭和弱捻情況［16］?，F(xiàn)有單錠檢測裝置多安裝在鋼領板上，紡紗狀態(tài)下實時檢測鋼絲圈運行狀態(tài)，檢測細紗斷頭情況，在斷頭處及車頭車尾進行燈光提示，可通過電子屏顯示機臺斷頭數(shù)量和位置，給予擋車工指引，降低擋車工勞動強度，提高看臺率。同時，基于單錠監(jiān)測技術，還發(fā)展出粗紗停喂裝置，安裝在后羅拉后方位置，在紡紗斷頭后，粗紗自動停喂，有助于節(jié)約原料和生產(chǎn)管理。

單錠監(jiān)測是細紗自動接頭機器人的基礎，只有準確獲取斷頭信息，自動接頭機器人才能精確定位實施接頭操作。細紗自動接頭機器人是對細紗工序自動化具有重要意義的一項數(shù)控技術，為實現(xiàn)細紗無人值守車間提供了可能［17-18］。目前，環(huán)錠紡細紗接頭機器人產(chǎn)品主要由瑞士立達和西班牙品特兩家公司推出，這兩家公司的產(chǎn)品均具有較高的原創(chuàng)性。例如，瑞士立達公司推出的自動接頭機器人ROBOspin，可以模仿人工自動完成整個接頭循環(huán)，從尋找管紗上的紗線開始，將紗線穿套鋼絲圈、導紗鉤，并采用繞膠輥形式接頭，另外也可以借助輔助紗線實現(xiàn)空管生頭。該接頭機器人須在機器兩側各配置一臺，從集成單錠監(jiān)測系統(tǒng)接收紗線斷頭信息，發(fā)起接頭操作。

雖然現(xiàn)階段接頭機器人的技術難度和設備成本都較高，影響了其推廣的速度，但面對企業(yè)招工難的現(xiàn)狀，在機器換人大背景下，相信細紗接頭機器人會成為必然選擇。

3 環(huán)錠細紗機的發(fā)展趨勢

3.1 高速化

環(huán)錠細紗機受加捻卷繞原理的限制，相對于新型紡紗技術，其紡紗速度處于弱勢。因此，提升環(huán)錠紡紗速度將長期伴隨環(huán)錠細紗機的發(fā)展。在現(xiàn)有條件下，通常錠速每提高2 000 r/min 左右，細紗產(chǎn)能可以提高10 %左右。隨著錠子、鋼領、鋼絲圈等配件為適應高速化的發(fā)展，以及氣圈環(huán)等配件的應用，為細紗機高速化創(chuàng)造了一定條件。雖然，細紗機提速后不可避免地會增加斷頭率，增加對成紗質(zhì)量和斷頭率的控制難度，但通過進一步的工藝優(yōu)化是可以克服的。

在環(huán)錠細紗機高速化發(fā)展方面，德國青澤公司推出的Z72XL 型環(huán)錠細紗機［19］，設計錠速高達26 000 r/min，是目前設計錠速最高的環(huán)錠細紗機，在部分紗線品種紡紗時，實際生產(chǎn)速度可達20 000 r/min，并且單臺錠數(shù)突破了2 000 錠，達到了前所未有的2 016 錠，也是目前錠數(shù)最多、機臺長度最長的環(huán)錠細紗機。瑞士立達公司的G38型環(huán)錠細紗機設計錠速也達到了25 000 r/min 的高速，生產(chǎn)9.8 tex 機織紗時，最高運轉速度達到了22 500 r/min。另外，印度朗維公司的LR9/SX型環(huán)錠細紗機設計錠速同樣達到了25 000 r/min，在設備高速化上也已經(jīng)達到了較高水平。隨著國產(chǎn)環(huán)錠細紗機技術的不斷進步，機器設計錠速也在逐步提高，如中國經(jīng)緯紡機的JWF1580 型、JWF1590 型環(huán)錠細紗機，設計錠速也達到了25 000 r/min，國產(chǎn)細紗機高速化方面取得了長足發(fā)展。幾種環(huán)錠細紗機性能參數(shù)對比如表1所示。

3.2 長車集體落紗與粗細絡聯(lián)

在我國紡織行業(yè)結構調(diào)整和轉型發(fā)展時期，企業(yè)對紡織設備的自動化和連續(xù)化要求進一步增強，所以需要大力發(fā)展自動化設備、聯(lián)合設備，以減少半制品流通和操作的勞動強度，提高生產(chǎn)效率。細紗工序生產(chǎn)過程涉及到粗紗原料的換裝和管紗成品的下機與運輸，這些環(huán)節(jié)的自動化是細紗工序降低勞動強度、減少用工的有效方式。而采用細紗機長車及粗細絡聯(lián)是紡紗自動化、連續(xù)化的具體表現(xiàn)，可以替代運輸和落紗的工作。細紗機長車化是降低集體落紗裝置和粗細絡聯(lián)成本的有效途徑，目前，新建紗廠多選用配置集體落紗的細紗機長車，以減少用工數(shù)量。而粗細絡聯(lián)可以實現(xiàn)粗紗、細紗、絡筒工序間原料與制品的自動化輸送，顯著提高生產(chǎn)效率［20］。

德國青澤公司的Z72XL 型細紗機錠數(shù)達到了2 016 錠，其自動落紗系統(tǒng)CoWeMat 可以在2 min 內(nèi)完成整機臺全自動落紗。同時，瑞士立達公司的G38 型、日本豐田公司的RX300 型、印度朗維公司的LR9/SX 型，以及中國經(jīng)緯紡機的JWF1580 型環(huán)錠細紗機均達到了單臺1 824錠，自動落紗時間都可控制在3 min 內(nèi)，代表了環(huán)錠細紗機長車化發(fā)展的方向。

3.3 細紗質(zhì)量在線檢測

目前細紗在線監(jiān)測技術已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，但是現(xiàn)有的細紗在線監(jiān)測技術所能獲取的紡紗信息仍比較有限，只能獲得紡紗斷頭和弱捻信息，還不能對紗線質(zhì)量進行在線檢測，而對紗線質(zhì)量的在線檢測可以提前獲取紗線質(zhì)量信息，為控制紗線質(zhì)量、調(diào)整紡紗工藝、發(fā)現(xiàn)不良錠位提供即時信息，避免紗線質(zhì)量離線抽樣檢測的滯后性和難以追溯性。發(fā)展細紗質(zhì)量在線檢測技術對促進紡紗智能化有重要意義，將會成為未來細紗機智能化發(fā)展的必要途徑。細紗質(zhì)量在線檢測技術需要集成傳感器技術、信號分析技術、網(wǎng)絡通信技術、控制技術和紡紗專家系統(tǒng)等多項技術，其難度較大，目前有兩種技術路線：一種是巡回檢測，另一種是單錠檢測。紡紗生產(chǎn)過程中工藝參數(shù)的在線檢測、自動控制、自動調(diào)節(jié)和網(wǎng)絡監(jiān)控，智能化管理、數(shù)據(jù)分析及遠程診斷等信息化管理技術和系統(tǒng)的應用更加深入和廣泛，使整個紡紗流程更加自動化和智能化。

3.4 自動接頭

在國內(nèi)各類生產(chǎn)要素成本逐漸提高，保持產(chǎn)品市場競爭力的壓力下，紡紗企業(yè)對紡紗設備的要求集中在減少用工、降低工人勞動強度和提高生產(chǎn)效率上。提高設備連續(xù)化和智能化，是近年來紡紗設備發(fā)展的主題。紡織智能制造的發(fā)展過程是從機械化到自動化，再到數(shù)字化，最終實現(xiàn)智能化。細紗機自動接頭機器人作為實現(xiàn)紡紗自動化的機器裝置，需具有感知、決策、行動和交互的功能，能協(xié)助或取代人工，是實現(xiàn)紡紗智能制造的重要手段之一，也是未來的發(fā)展趨勢。

3.5 紗線產(chǎn)品柔性化

隨著環(huán)錠細紗機實現(xiàn)全數(shù)字化控制，可紡紗線品種進一步增加，提高細紗機的柔性化水平，發(fā)展可以同時兼容竹節(jié)紗、包芯紗、段彩紗、復合捻度紗等更多花式紗品種的細紗機是必然趨勢?；诨ㄊ郊喚€開發(fā)所需要的模型模擬軟件對提高產(chǎn)品開發(fā)效率，優(yōu)化花形設計具有重要作用。日本豐田公司的細紗機已經(jīng)可以配置附屬軟件進行花樣模擬，并記錄和管理設定數(shù)據(jù)。而瑞士立達公司的G38 型細紗機也可選配竹節(jié)紗系統(tǒng)VIRIOspin，用來紡制竹節(jié)紗，同時也具備包芯紗功能。印度朗維公司的LR9/SX 型細紗機也配置了竹節(jié)紗和段彩紗功能及附屬軟件。

4 結語

數(shù)控技術對促進環(huán)錠細紗機的自動化、柔性化和智能化發(fā)展起著重要作用。雖然環(huán)錠紡紗原理未能有所突破，但環(huán)錠紡紗技術仍然得到較快發(fā)展，縱觀細紗機近十年的發(fā)展創(chuàng)新，依托數(shù)控技術的節(jié)能主電機、電子牽伸技術、電子卷繞技術已經(jīng)得到了廣泛應用。帶集體自動落紗裝置的細紗機長車已經(jīng)成為主流，粗細絡聯(lián)技術逐漸發(fā)展完善。細紗機的自動接頭技術從原理上已經(jīng)成熟，其工業(yè)化設備已被證明可以實現(xiàn)，未來必將得到大范圍推廣。同時，依托環(huán)錠紡紗技術的花式紗線品種得到廣泛應用。

展望環(huán)錠細紗機的未來，高速化、長車化、柔性化、自動接頭、紗線質(zhì)量在線檢測等方面將成為環(huán)錠細紗機的發(fā)展方向。未來紡紗廠的萬錠用工數(shù)量將進一步減少，工人勞動強度降低。智能化車間、無人車間將成為現(xiàn)實。