智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的研制

0 引言

環(huán)錠細(xì)紗機(jī)是一種紡紗的重要專用設(shè)備。環(huán)錠細(xì)紗機(jī)自動(dòng)化、智能化程度的高低對(duì)紡織企業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度都具有舉足輕重的影響。因此，新型環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的研發(fā)不僅是紡紗機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)的重要課題，也是紡織企業(yè)在技術(shù)改造和擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模時(shí)關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的發(fā)展歷史

機(jī)械化的紡紗技術(shù)已經(jīng)走過了200多年的歷史。國(guó)產(chǎn)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)從20世紀(jì)50年代的1291、1293型，70年代的A512、A513型，80年代的FA502、FA503型，到90年代的FA506、FA507型，都是短細(xì)紗機(jī)的一統(tǒng)天下。直到20世紀(jì)的90年代末至21世紀(jì)初，國(guó)產(chǎn)長(zhǎng)細(xì)紗機(jī)開始逐步進(jìn)入市場(chǎng)。一個(gè)時(shí)代跨越的同時(shí)，也伴隨著國(guó)產(chǎn)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)由短細(xì)紗機(jī)向長(zhǎng)細(xì)紗機(jī)的跨越式發(fā)展，這既是一種巧合，又是一種事物發(fā)展的必然規(guī)律在起作用。因?yàn)榇藭r(shí)的國(guó)產(chǎn)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)市場(chǎng)已經(jīng)呈現(xiàn)了百花齊放的態(tài)勢(shì)，無論是環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的品種，還是環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的生產(chǎn)商都一改計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代的那種一兩家廠商、一兩個(gè)產(chǎn)品獨(dú)步天下的局面。

經(jīng)過改革開放30年的飛速發(fā)展，今天的國(guó)產(chǎn)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)已經(jīng)大大縮短了同國(guó)外環(huán)錠細(xì)紗機(jī)產(chǎn)品之間的距離。首先是國(guó)產(chǎn)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)實(shí)現(xiàn)了從短細(xì)紗機(jī)向長(zhǎng)細(xì)紗機(jī)的跨越，1008錠的長(zhǎng)細(xì)紗機(jī)已經(jīng)成為公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)配置而為各方所采用。其次是國(guó)產(chǎn)集體落紗技術(shù)日益成熟并在長(zhǎng)細(xì)紗機(jī)上得到了普遍的應(yīng)用，長(zhǎng)細(xì)紗機(jī)不配集體落紗裝置而依靠人工落紗的狀況正在成為歷史。先進(jìn)的機(jī)、電、氣、儀技術(shù)在環(huán)錠細(xì)紗機(jī)上運(yùn)用，已經(jīng)使今天的環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的性能和自動(dòng)化程度大為提高。

然而，隨著IT技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，紡織機(jī)械裝備升級(jí)換代的趨勢(shì)已不可阻擋，設(shè)計(jì)制造自動(dòng)化程度更高、紡紗功能更全面、操作更便捷的智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)將成為未來市場(chǎng)的必然抉擇。

2 環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的結(jié)構(gòu)

環(huán)錠細(xì)紗機(jī)一般都具有如下的結(jié)構(gòu)特征：機(jī)架部件—主要是墻板、龍筋、機(jī)梁等結(jié)構(gòu)件；牽伸部件—主要是前中后上下羅拉、羅拉座等；升降機(jī)構(gòu)—主要是升降杠桿、升降分配軸、鋼領(lǐng)板、導(dǎo)紗板、氣圈環(huán)等；粗紗架部件—主要是紗架、吊錠等；傳動(dòng)部件—主要是錠子傳動(dòng)裝置、車頭傳動(dòng)裝置、牽伸傳動(dòng)裝置、同步牽伸傳動(dòng)裝置、升降傳動(dòng)裝置；電氣設(shè)備—主要是程控器、變頻器、電動(dòng)機(jī)（包括伺服電動(dòng)機(jī)）、氣動(dòng)部件、各類電子元器件、電源等。圖1所示即是上海二紡機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的M178JL型環(huán)錠細(xì)紗機(jī)。圖2所示的是環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的牽伸部件，在前、中、后和上、下羅拉的作用下粗紗被牽伸、加捻成細(xì)紗。

圖1 M178JL型環(huán)錠細(xì)紗機(jī)

圖2 環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的牽伸部件

3 智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的研制

近20年來，環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了傳統(tǒng)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)向數(shù)字環(huán)錠細(xì)紗機(jī)逐步轉(zhuǎn)型的時(shí)代。數(shù)字環(huán)錠細(xì)紗機(jī)無論在功能上還是在自動(dòng)化程度上都比傳統(tǒng)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)有了很大的拓展和提高，而未來環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的發(fā)展正在進(jìn)入智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的時(shí)代。

3.1 環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的階段特征

典型的傳統(tǒng)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)路線如圖3所示。它的全部動(dòng)力來源是一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，通過錠子傳動(dòng)裝置、車頭傳動(dòng)裝置、牽伸傳動(dòng)裝置、同步牽伸傳動(dòng)裝置、升降傳動(dòng)裝置使整臺(tái)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)起來。整個(gè)傳動(dòng)路線雖然精巧，但卻紛繁復(fù)雜，互相牽制，牽一發(fā)而動(dòng)全身。當(dāng)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)更換紡紗品種時(shí)，就需要通過人工變換電動(dòng)機(jī)的皮帶輪以及變換各級(jí)傳動(dòng)裝置中的齒輪來調(diào)整整個(gè)傳動(dòng)鏈中的傳動(dòng)比，用術(shù)語來說即是調(diào)整牽伸倍數(shù)、捻度和卷繞密度。

圖3 環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)路線

圖4 所示的是人工變換齒輪的情景。圖5所示為環(huán)錠細(xì)紗機(jī)中涉及的部分變換齒輪（用綠色顯示），整機(jī)共有7對(duì)變換齒輪。每次變換紡紗品種都需要用人工進(jìn)行齒輪的拆卸、變換、安裝。

圖4 人工變換環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的齒輪

圖5 環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的變換齒輪

隨著數(shù)字化浪潮的興起，通過程控器（PLC）控制的變頻器來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)速度的技術(shù)被應(yīng)用于傳統(tǒng)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)，使得環(huán)錠細(xì)紗機(jī)用人工變換電動(dòng)機(jī)皮帶輪的工作被取代了，但是每次變換紡紗品種仍然需要人工進(jìn)行齒輪的拆卸、變換、安裝。圖6是一種較普遍應(yīng)用的數(shù)字環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)的示意。

目前國(guó)產(chǎn)的絕大部分環(huán)錠細(xì)紗機(jī)都是這樣一種用液晶觸摸屏、程控器(PLC)、變頻器等數(shù)字化技術(shù)武裝傳統(tǒng)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的改良模式。這些經(jīng)過數(shù)字化技術(shù)改造的傳統(tǒng)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)已經(jīng)具備了相當(dāng)高的機(jī)電一體化程度，甚至也具備了部分智能化的功能。但是，這些環(huán)錠細(xì)紗機(jī)最多只能歸入數(shù)字環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的原因，在于這些環(huán)錠細(xì)紗機(jī)還沒有根本擺脫傳統(tǒng)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的桎梏，呈現(xiàn)的是部分先進(jìn)的數(shù)字化控制技術(shù)與部分繁瑣復(fù)雜落后的傳統(tǒng)操作方式共存的局面。

圖6 數(shù)字環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)示意

傳統(tǒng)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)方式，即一臺(tái)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)錠子傳動(dòng)裝置、車頭傳動(dòng)裝置、牽伸傳動(dòng)裝置、同步牽伸傳動(dòng)裝置、升降傳動(dòng)裝置等整臺(tái)機(jī)器的狀況在絕大部分?jǐn)?shù)字化環(huán)錠細(xì)紗機(jī)中未有根本的改變，使得數(shù)字環(huán)錠細(xì)紗機(jī)在更換紡紗品種時(shí)依然非常復(fù)雜和繁瑣，效率也顯得不高。

3.2 智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的研發(fā)

智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)比數(shù)字環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的自動(dòng)化功能更完整、操作更便捷、紡紗工藝的調(diào)整更方便。智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)應(yīng)該是一種完全顛覆了傳統(tǒng)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)傳動(dòng)方式的環(huán)錠細(xì)紗機(jī)。

一是重視過程性評(píng)價(jià)和開放性測(cè)試。小測(cè)試、綜合寫作、閱讀筆記、角色表演和發(fā)言時(shí)的表現(xiàn)、提問和解答問題的時(shí)體現(xiàn)的思維品質(zhì)等，都是教師評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)的依據(jù)。筆者見到一堂歷史考試中有兩道論述題，每題都含兩到三個(gè)觀點(diǎn)，全是開放性的、需要學(xué)生發(fā)表獨(dú)立觀點(diǎn)的思辨性問題。

EJM158型環(huán)錠細(xì)紗機(jī)是上海二紡機(jī)股份有限公司研發(fā)的一臺(tái)智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)。它在環(huán)錠細(xì)紗機(jī)動(dòng)力的傳動(dòng)方式上徹底顛覆了傳統(tǒng)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的設(shè)計(jì)理念和思路，形成了一種全新的模式。它與傳統(tǒng)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)和數(shù)字環(huán)錠細(xì)紗機(jī)相比有兩個(gè)顯著的區(qū)別。第一，它的錠子傳動(dòng)裝置、牽伸傳動(dòng)裝置、同步牽伸傳動(dòng)裝置、升降傳動(dòng)裝置全部分開各自用獨(dú)立的伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，如圖7所示；第二，它的程序控制系統(tǒng)比普通的數(shù)字環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的程控器具有更強(qiáng)大的功能和作用。

圖7 智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)示意

圖8 即電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)錠子的模型，如果與車頭和牽伸傳動(dòng)斷開，就成為獨(dú)立的錠子傳動(dòng)。錠子轉(zhuǎn)速的調(diào)整不再受到其他機(jī)構(gòu)傳動(dòng)速度的影響。這也是智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)必須具備的錠子傳動(dòng)形式。

圖8 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)錠子的模型

圖9 是一種獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的升降傳動(dòng)裝置的模型。這種獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的升降傳動(dòng)裝置即是通常說的電子凸輪技術(shù)，即通過軟件編程的方法來控制伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和方向的變換，從而使升降傳動(dòng)裝置按照紡紗和管紗成型的要求展開各自的升降運(yùn)動(dòng)。電子凸輪也是智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)必須具備的技術(shù)特征。

圖9 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的升降傳動(dòng)裝置

圖10 是獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的牽伸傳動(dòng)裝置、同步牽伸傳動(dòng)裝置的模型。獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的牽伸傳動(dòng)裝置、同步牽伸傳動(dòng)裝置的特征是由伺服電動(dòng)機(jī)分別通過同步帶輪和同步帶直接帶動(dòng)前、中、后羅拉旋轉(zhuǎn)，前、中、后羅拉各自獨(dú)立，而伺服電動(dòng)機(jī)則由程控器的程序控制。

圖10 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)同步牽伸傳動(dòng)裝置

圖11是智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的控制系統(tǒng)示例。該示例較為直觀地表達(dá)了智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理。智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的所有操作可通過觸摸顯示屏輸入指令來控制現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控裝置、紡紗配套裝置（如集體落紗裝置）、錠子傳動(dòng)裝置、牽伸傳動(dòng)裝置、卷繞升降傳動(dòng)裝置之間的協(xié)調(diào)和動(dòng)作。

EJM158型環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的各個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的獨(dú)立，為機(jī)器實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)調(diào)整牽伸倍數(shù)和捻度帶來了方便，過去需要人工變換齒輪的工作，今天只需在觸摸屏上輕輕點(diǎn)幾下就可以完成。

圖11 智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的控制系統(tǒng)

3.3 智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的發(fā)展空間

上海二紡機(jī)股份有限公司研發(fā)的EJM158型環(huán)錠細(xì)紗機(jī)，作為第一代的智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)，雖然在整機(jī)結(jié)構(gòu)上以及智能化技術(shù)的應(yīng)用上已經(jīng)大大超越了傳統(tǒng)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)和數(shù)字環(huán)錠細(xì)紗機(jī)，但是作為一種智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)，才剛剛起步。

未來的智能化技術(shù)在智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)上的應(yīng)用還具有廣闊的發(fā)展空間。在線斷紗監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用，產(chǎn)量、質(zhì)量狀況統(tǒng)計(jì)匯總以及現(xiàn)場(chǎng)信息反饋和信息聯(lián)網(wǎng)共享，變現(xiàn)場(chǎng)操作人員的巡查監(jiān)控為機(jī)器自身的全面監(jiān)控，而當(dāng)出現(xiàn)機(jī)器自身無法排除的故障時(shí)，機(jī)器可以迅速作出判斷并及時(shí)指引現(xiàn)場(chǎng)操作人員去排除故障。

目前已經(jīng)得到應(yīng)用的如單錠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過三級(jí)監(jiān)測(cè)掌控環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的斷紗情況，可以及時(shí)指引操作者到達(dá)斷紗的錠位。如圖12所示，當(dāng)操作者看到哪臺(tái)車的第一級(jí)監(jiān)測(cè)指示燈亮了，就知道哪臺(tái)車出現(xiàn)了斷紗，于是他可以及時(shí)到達(dá)這臺(tái)車，通過第二級(jí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)迅速找到這臺(tái)車的哪一段監(jiān)測(cè)指示燈亮了，就知道車的哪一段出現(xiàn)了斷紗（見圖13），于是他就可以到達(dá)這段車(一般以24錠或36錠為一段)，繼續(xù)通過第三級(jí)監(jiān)測(cè)指示燈找到是哪一錠出現(xiàn)了斷紗，從而接好斷紗。單錠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心技術(shù)在第三級(jí)監(jiān)測(cè)，它監(jiān)測(cè)每一錠的鋼絲圈，當(dāng)鋼絲圈停止運(yùn)行時(shí)，說明該錠斷紗，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)立即點(diǎn)亮指示燈并逐級(jí)向上發(fā)信號(hào)。

圖12 第一級(jí)監(jiān)測(cè)指示燈亮

圖13 第二級(jí)監(jiān)測(cè)指示燈亮

未來的紡紗生產(chǎn)向粗細(xì)絡(luò)流水線的方向發(fā)展將是一種趨勢(shì)，而智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的應(yīng)用可以促使粗細(xì)絡(luò)流水線的自動(dòng)化功能得到更加淋漓盡致的發(fā)揮，最終實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化和無人化生產(chǎn)。

4 結(jié)語

當(dāng)前，智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)在國(guó)內(nèi)的紡織行業(yè)應(yīng)用較少，絕大部分的紡紗機(jī)械還是傳統(tǒng)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)，數(shù)字環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的應(yīng)用也就十來年的時(shí)間。智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)作為一種新型的環(huán)錠細(xì)紗機(jī)，肩負(fù)著降本增效、節(jié)能減排、智能化、無人化和徹底改變紡織行業(yè)落后面貌的重任，必將引起紡織行業(yè)各方有識(shí)之士的關(guān)注和矚目。隨著時(shí)間的推移，智能環(huán)錠細(xì)紗機(jī)逐步成為新一代環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的標(biāo)桿應(yīng)當(dāng)是沒有任何懸念的。