紡織機械智能化探究

黃 旭

（江蘇省設(shè)備成套有限公司，江蘇南京210009）

0 引言

智能制造是“中國制造2025”的主攻方向，紡織業(yè)的智能制造是實現(xiàn)行業(yè)技術(shù)升級、變革產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式與轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式的有效途徑，是近年來政府和行業(yè)大力推進(jìn)的一項系統(tǒng)工程。在國內(nèi)外實踐層面該工程尚處于起步階段，在理論和技術(shù)層面，研究還很不系統(tǒng)充分，尚不能為實踐提供有效的理論和技術(shù)指導(dǎo)。

紡織智能制造機械是紡織業(yè)實現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，本文在概述我國紡織智能制造相關(guān)領(lǐng)域現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重點探討了紡織智能制造機械涉及的若干關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)和發(fā)展方向，可為紡織智能制造機械的研究與應(yīng)用提供理論和技術(shù)支持。

1 智能制造內(nèi)涵及其關(guān)鍵技術(shù)

1.1 智能制造概念及其內(nèi)涵

20世紀(jì)80年代，美國賴特（Paul Kenneth Wright）、伯恩（David Alan Bourne）首次正式在其著作中提出智能制造的概念，隨后幾十年智能制造的概念不斷得到發(fā)展，特別是隨著21世紀(jì)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，智能制造的內(nèi)涵又有了新的發(fā)展和深化，現(xiàn)階段智能制造的內(nèi)涵描述為：智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。

智能制造是一個大系統(tǒng)工程，要從產(chǎn)品、生產(chǎn)、模式、基礎(chǔ)四個維度系統(tǒng)推進(jìn)，其中，智能產(chǎn)品是主體，智能生產(chǎn)是主線，以用戶為中心的產(chǎn)業(yè)模式變革是主題，以信息—物理系統(tǒng)（cyber physical system，CPS）和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)。需要指出的是，隨著科學(xué)和產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，智能制造的內(nèi)涵及其相關(guān)理論和技術(shù)也在不斷發(fā)展。

1.2 智能制造涉及的關(guān)鍵技術(shù)

從工業(yè)技術(shù)發(fā)展歷程來看，智能制造是新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)，隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，智能制造有著不同的表現(xiàn)形式，如：數(shù)字制造、網(wǎng)絡(luò)制造、云制造等，其集成運用了數(shù)字化、信息化、智能化技術(shù)的系列最新成果。

從宏觀層面分析，智能制造技術(shù)可概括為8個方面：智能產(chǎn)品、智能機械、智能產(chǎn)線、智能車間與工廠、智能物流與供應(yīng)鏈、智能研發(fā)、智能管理與決策、智能服務(wù)。

其中，智能制造機械是智能制造業(yè)的基礎(chǔ)，其是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程中能進(jìn)行智能活動，如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等。通過人與智能機器的合作共事，去擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動。智能制造機械最終要從以人為主要決策核心的人機和諧系統(tǒng)向以機器為主體的自主運行方向轉(zhuǎn)變。

從智能機械的角度來看，涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個方面：

（1）信號傳感與檢測；

（2）自動化與智能化技術(shù)——智能控制與自動化；

（3）工藝機械集成與自動連接技術(shù)；

（4）信息與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；

（5）大數(shù)據(jù)與建模技術(shù)。

2 紡織智能制造的現(xiàn)狀與發(fā)展方向

（1）紡織業(yè)作為我國制造業(yè)中的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，其智能制造是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主要途徑，紡織智能制造業(yè)的發(fā)展方向包括以下幾個方面：

1）紡織產(chǎn)品的智能化；

2）紡織制造機械的智能化；

3）紡織生產(chǎn)車間與工廠的智能化；

4）紡織生產(chǎn)供應(yīng)鏈的智能化；

5）紡織生產(chǎn)管理與服務(wù)的智能化。

（2）目前我國紡織智能制造（紡織生產(chǎn)的智能化）尚處于起步階段，政府和行業(yè)組織大力倡導(dǎo)，不少企業(yè)已開始了有益的實踐探索，目前來看，探索的主要內(nèi)容和特點表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）紡織生產(chǎn)工序間的自動連接。采用自動化運輸裝置將加工工序設(shè)備連接起來，實現(xiàn)工序間的無縫連接，從而減少或者消除工序間的物料人工運輸或者半自動、機械式的運輸。例如，清梳聯(lián)、粗細(xì)聯(lián)、細(xì)絡(luò)聯(lián)等工藝機械。

2）紡織生產(chǎn)車間與工廠的數(shù)字化與智能化。如棉紡車間的數(shù)字化、智能化，基本實現(xiàn)了生產(chǎn)設(shè)備數(shù)字化、生產(chǎn)過程數(shù)字化、管理過程數(shù)字化、分析應(yīng)用數(shù)字化等功能，具體包括紡紗機械設(shè)備的集成控制系統(tǒng)、車間環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)、智能物流系統(tǒng)、智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)等方面。

3）紡織生產(chǎn)管理與服務(wù)的智能化。該方面起步較早，少數(shù)企業(yè)信息化水平已經(jīng)較高。主要內(nèi)容包括：生產(chǎn)產(chǎn)品品種、規(guī)格；各工序設(shè)備運行狀態(tài)信息、故障診斷；各工序機臺主要工藝參數(shù)、各工序機臺產(chǎn)量、車間或工廠產(chǎn)量；車間設(shè)備實時耗電、耗水、耗氣等。

（3）縱觀目前我國紡織智能制造的應(yīng)用實踐現(xiàn)狀，其具有以下特征：

1）紡織智能制造尚處于自動化、數(shù)字化的發(fā)展階段，同時亦處于智能化的起步階段；至于以促進(jìn)加工質(zhì)量、提升綜合性能為主要目標(biāo)的智能化，則還有待深入研究和推進(jìn)。另外，紡織生產(chǎn)的車間物流、工廠物流、生產(chǎn)信息采集與管理、供應(yīng)鏈智能管理等方面涉及的技術(shù)基本成熟，可以加大試驗和應(yīng)用推廣范圍。

2）高端紡織機械與國際頂尖水平仍有明顯差距。如：高檔轉(zhuǎn)杯紡紗機、渦流紡紗機、全自動絡(luò)筒機、高檔噴氣織機與片梭織機、高檔數(shù)碼印花機等仍然是國外頂尖品牌占據(jù)技術(shù)優(yōu)勢，在機械的可靠性、加工質(zhì)量等方面，國產(chǎn)品牌仍然無法與國外國際頂尖品牌抗衡。

3）對紡織智能制造相關(guān)理論和技術(shù)基礎(chǔ)的研究很不充分，目前多數(shù)僅限于對制造業(yè)智能化現(xiàn)象的定性描述、轉(zhuǎn)型路徑的淺層分析和發(fā)展模式的簡單總結(jié)，未見理論上的深層次探討。關(guān)于紡織智能制造的實證與試驗研究、學(xué)科交叉研究還很缺乏，無法為紡織智能制造提供理論和數(shù)據(jù)支持。這些應(yīng)是學(xué)術(shù)界今后重點關(guān)注的研究領(lǐng)域。

3 紡織智能制造機械的理論技術(shù)基礎(chǔ)

3.1 紡織材料加工過程中的工藝作用機理

纖維、紗線、織物、相關(guān)介質(zhì)（空氣等流體）及其與紡織機械部件相互作用的力學(xué)問題，產(chǎn)品加工質(zhì)量及性能與工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系等。

3.2 智能紡織機械多物理場耦合作用機制

紡織智能機械是機-光-電-磁-流（體）高度集成一體化的復(fù)雜系統(tǒng)，存在著復(fù)雜的多場耦合問題，揭示耦合機理是設(shè)計智能紡織機械、建立紡織智能機械分析控制模型的需要。

3.3 紡織機械的動力學(xué)與動態(tài)特性

智能紡織機械正向著高速化、精密化、輕量化、智能化方向發(fā)展，針對紡織機械動態(tài)優(yōu)化設(shè)計、動態(tài)概率設(shè)計等理論方法的研究還十分缺乏，揭示智能紡織機械的動力學(xué)與動態(tài)特性的機制問題，可為提升紡織機械設(shè)計水平和質(zhì)量提供理論與方法指導(dǎo)。

3.4 智能紡織機械與機器人的精度設(shè)計方法

目前國產(chǎn)智能機械手機器人的精度普遍不高，結(jié)合智能機械與機器人技術(shù)以及紡織新材料、新工藝，研究智能紡織機械與紡織機器人的精度設(shè)計與控制、軌跡規(guī)劃與控制方法，為提高國產(chǎn)智能紡織機械機器人的設(shè)計制造質(zhì)量提供理論支撐。

3.5 智能紡織機械故障診斷與預(yù)測

智能紡織機械的故障診斷與預(yù)測涉及信號檢測與分析、基于動態(tài)特性與紡織工藝機理的工藝機械系統(tǒng)建模、數(shù)據(jù)挖掘與驅(qū)動、人工智能、專家決策系統(tǒng)等理論方法和技術(shù)。

3.6 紡織機械動態(tài)可靠性分析與優(yōu)化設(shè)計

目前國產(chǎn)紡織機械與國際先進(jìn)水平的差距，突出表現(xiàn)在可靠性不高，產(chǎn)品加工質(zhì)量、機械使用壽命與國際先進(jìn)水平相比存在明顯差距。以自動織機為例，國產(chǎn)中低速劍桿織機、噴氣織機與國際先進(jìn)水平相比差別不大，但國產(chǎn)高速噴氣、片梭織機的可靠性、穩(wěn)定性與國際水平相比則有很大差距。以提高紡織機械可靠性和產(chǎn)品加工質(zhì)量、節(jié)能降耗為目標(biāo)，研究智能紡織機械動態(tài)可靠性設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計方法和理論是有待繼續(xù)深入研究的方向。

4 紡織智能制造機械關(guān)鍵技術(shù)

機械的智能化是智能制造的核心，紡織智能制造機械涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括：智能控制、網(wǎng)絡(luò)化與信息化、紡織智能裝置與機器人、紡織機械智能檢測與故障診斷、工序機械的自動連接、紡織機械的大數(shù)據(jù)與建模等。

4.1 紡織機械的智能控制

4.1.1 紡織機械智能控制的特點與主要類型

紡織機械的工況特點：紡織生產(chǎn)機械多為連續(xù)高負(fù)荷運轉(zhuǎn)（二班或三班運轉(zhuǎn)），工作環(huán)境一般為高溫、高壓、高濕、多塵。

紡織機械的典型控制類型包括以下幾個方面：

（1）均勻性控制：纖維束（紗線）的定量控制，如條干均勻度、細(xì)度不勻等。

（2）張力控制：纖維、紗線、織物的在線張力檢測與控制。

（3）速度、位置（軌跡）控制：如紗線卷繞成型控制。

（4）過程量在線檢測與控制：如染整、漿紗工藝機械的溫度、壓力、流量控制。

（5）工藝動作順序、循環(huán)控制：如自動織機五大運動的控制。

（6）多電動機協(xié)調(diào)控制：采用多電動機分別驅(qū)動各個工藝動作，實現(xiàn)紡織機械的“數(shù)控”。

4.1.2 紡織機械的智能控制器

紡織機械智能控制器及其系統(tǒng)，可以采取以下兩種技術(shù)途徑。

（1）針對某一紡織工藝設(shè)備開發(fā)專用智能控制器，即根據(jù)工藝設(shè)備的特點，基于嵌入式處理器等先進(jìn)控制器件與芯片技術(shù)，開發(fā)專門的控制系統(tǒng)硬件軟件。近年來，許多企業(yè)致力于開發(fā)基于ARM（Advanced RISC Machines)、復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）、控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線的高檔織機控制系統(tǒng)。其特點是控制速度快，控制精度高，實時性好，且軟件保護(hù)性好；缺點是控制器需專門制造，通用型與互換性差。

（2）基于通用控制器件的智能控制系統(tǒng)。紡織機械采用PLC、工控機等通用控制器件開發(fā)其智能控制系統(tǒng)，具有通用性好、編程方便、維護(hù)便捷、開發(fā)周期短、可靠性高等優(yōu)點。然而，其硬件成本一般會高于專用控制器，硬件軟件的可保護(hù)性也往往弱于專用控制器。究竟是采用專用控制器還是基于通用控制器進(jìn)行開發(fā)，需要綜合批量、復(fù)雜程度、成本等因素加以考慮和取舍。

4.2 紡織生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)化與信息化

紡織生產(chǎn)工藝路線長、工序多，機械種類多，為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化與信息化，進(jìn)而實現(xiàn)紡織制造的智能化，必須使各設(shè)備間通過網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，進(jìn)而實現(xiàn)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)控制。因此，制訂紡織設(shè)備的通信接口標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，開發(fā)接口模塊，顯得十分迫切和必要。

目前，中國紡織機械協(xié)會主持編制了《棉紡設(shè)備網(wǎng)絡(luò)管理通信接口和規(guī)范》，其他紡織機械的通信接口規(guī)范也在陸續(xù)編制中，尚需建立有力的機制，使得相關(guān)企業(yè)自覺執(zhí)行這些規(guī)范。

4.3 紡織生產(chǎn)智能裝置與機器人

在紡織制造過程中，存在許多由人工完成的動作，如：細(xì)紗機自動落紗上紗，粗紗機落紗，并條機換筒、送筒，梳棉機并條機的斷條接條，自動織造車間的落布、上經(jīng)軸，自動穿經(jīng)結(jié)經(jīng)，印染車間的布卷落卷與上卷等。這些工序動作，可以采用兩種方案實現(xiàn)自動化乃至智能化。

（1）根據(jù)工藝要求和結(jié)構(gòu)條件設(shè)計開發(fā)專門的自動化裝置。其優(yōu)點是工序動作可靠性高，可實現(xiàn)高速運行，控制便捷，有時還可以減少裝置占用的空間；缺點是裝置的結(jié)構(gòu)需要單獨設(shè)計制造。

（2）采用通用工業(yè)機器人（機械手），根據(jù)動作軌跡和速度等要求，編程實現(xiàn)。其優(yōu)點是可以減少專用機械結(jié)構(gòu)的開發(fā)試制；缺點是當(dāng)工序動作較為復(fù)雜時，機器人運動速度有限，同時工序動作的精度取決于機器人（機械手）的精度，有時難以保證高的運動精度要求。另外，通用機器人占用空間大，系統(tǒng)整體性、緊湊性不佳。

4.4 紡織機械智能檢測與故障診斷

（1）紡織加工工藝參數(shù)的在線檢測與控制。例如：異纖檢測、纖維與纖維束細(xì)度、纖維包密度、纖維束含水率；紗線張力、紗線運動姿態(tài)、捻度；斷紗檢測；上漿率、含水率、溫度壓力濃度等染整工藝參數(shù)；織物張力、織物運動姿態(tài)、織物緯斜與斷緯，等等。

（2）機械電氣性能的在線檢測與智能控制。主要包括運動部件的位移、軌跡、加速度，機械運行電壓、電流、功耗等電學(xué)參數(shù)的檢測與智能控制。

（3）紡織機械故障診斷。在紡織機械動態(tài)特性研究的基礎(chǔ)上，建立紡織機械故障分析與智能診斷方法與模型，通過檢測紡織機械工藝參數(shù)與機械電學(xué)參數(shù)，發(fā)出故障信號警報、輸出故障診斷報告等。

4.5 紡織生產(chǎn)各工序機械的自動連接

（1）根據(jù)各工序設(shè)備及其在車間的空間布局，設(shè)計專門的輸送裝置系統(tǒng)，紡織品從一臺工序設(shè)備到另一臺工序設(shè)備自動輸送。其特點是傳送效率高，可靠性易于保證，但針對不同工序設(shè)備需專門設(shè)計制造不同的輸送裝置系統(tǒng)，互換性差。

（2）基于自動導(dǎo)引小車的輸送系統(tǒng)。其通用性好，運動路徑根據(jù)實際需要編程控制，可適應(yīng)不同工序間設(shè)備的輸送需要。不過，自動導(dǎo)引小車與工序設(shè)備之間還需設(shè)置轉(zhuǎn)接裝置。

4.6 紡織智能制造機械的大數(shù)據(jù)與建模

大數(shù)據(jù)是智能機械控制模型與算法的基礎(chǔ)，紡織智能機械大數(shù)據(jù)技術(shù)的主要內(nèi)容包括：紡織機械的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括振動、噪聲、主要運動部件的加速度、電流及其波動、電壓及其波動、功耗等；紡織加工的工藝數(shù)據(jù)包括紗線織物的張力、速度、姿態(tài)，紗線及纖維條的細(xì)度、捻度、條干及其不勻率、溫度、濕度、含潮率、產(chǎn)量、斷紗率等。

值得指出的是，紡織機械大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用和研究應(yīng)當(dāng)注意以下問題：

（1）多數(shù)紡織企業(yè)在數(shù)據(jù)采集、信息化等應(yīng)用方面雖取得了一定的成效，然而，針對大數(shù)據(jù)的深入分析和有效應(yīng)用面臨諸多難題，采集的大數(shù)據(jù)如何運用，如何為提升生產(chǎn)質(zhì)量、產(chǎn)品檔次、設(shè)備可靠性服務(wù)，真正實現(xiàn)智能化生產(chǎn)，缺乏理論和技術(shù)支持。

（2）導(dǎo)致紡織機械大數(shù)據(jù)運用存在困難的主要原因在于相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)和技術(shù)界對于紡織機械的工作機理研究還不夠深入，缺乏紡織智能制造機械的分析建模理論方法與技術(shù)，難以為大數(shù)據(jù)的有效運用提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。

5 結(jié)語

（1）紡織智能制造是一個多領(lǐng)域交叉的系統(tǒng)工程，應(yīng)從產(chǎn)品、生產(chǎn)、模式、基礎(chǔ)四個維度系統(tǒng)推進(jìn)，其研究和應(yīng)用目前尚處于初級階段，可以先從數(shù)字化、信息化、自動化入手，逐步推進(jìn)到智能化。

（2）紡織智能制造機械屬于高端機械，其是實現(xiàn)紡織智能生產(chǎn)的基礎(chǔ)，而工藝機械的多領(lǐng)域建模是實現(xiàn)智能控制的基礎(chǔ)，也是對大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運用的核心，為此，必須加強紡織智能制造機械相關(guān)理論技術(shù)基礎(chǔ)的研究，為紡織智能制造機械的設(shè)計和實踐提供理論技術(shù)支持。

（3）紡織智能制造機械的生產(chǎn)質(zhì)量、效率與可靠性是其是否具有競爭力的根本，加強產(chǎn)學(xué)研合作，在理論研究的基礎(chǔ)上，潛心開展紡織智能制造機械的試驗和實證研究，積累充足的大數(shù)據(jù)（工藝機械數(shù)據(jù)），是保障機械可靠性、提升加工質(zhì)量的有效手段，甚至可能形成企業(yè)獨特的技術(shù)優(yōu)勢和產(chǎn)品的核心競爭力。