紡織生產(chǎn)和紡織產(chǎn)品智能化芻議

閻 迪

(西安工程大學(xué)，西安 710048)

1 智能化是紡織工業(yè)發(fā)展之必然

隨著現(xiàn)代通信與信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的不斷引入，紡織裝備自動(dòng)化、紡織生產(chǎn)連續(xù)化快速發(fā)展,紡織行業(yè)已進(jìn)入智能化生產(chǎn)。

紡織工業(yè)智能化的基礎(chǔ)是生產(chǎn)裝備自動(dòng)化、生產(chǎn)過程連續(xù)化、生產(chǎn)管理信息化的應(yīng)用和發(fā)展。其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為：提高自動(dòng)化程度，提高工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量；改善作業(yè)環(huán)境，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；提高設(shè)備的可靠性，提升故障診斷能力，降低維修保養(yǎng)成本；樹立環(huán)保、節(jié)能的綠色發(fā)展理念?？梢灶A(yù)見，智能化將會(huì)使紡織產(chǎn)業(yè)的技術(shù)含量愈來愈高，成為我國(guó)紡織工業(yè)技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志。

2 智能化在紡織生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1 異纖清除技術(shù)

原棉異纖是困擾紡織企業(yè)多年的一項(xiàng)管理和技術(shù)難題,與后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量息息相關(guān)。早期采用的人工清除方法是事前處理和事后補(bǔ)救，即對(duì)配棉待用的原棉中所含異纖進(jìn)行逐包人工識(shí)別清除，在產(chǎn)品入庫前對(duì)布面所含異纖進(jìn)行人工識(shí)別清除并對(duì)布面進(jìn)行修復(fù)。近年來，隨著圖像技術(shù)、傳感技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，異纖清除智能化裝置迅速開發(fā)應(yīng)用。目前，投入生產(chǎn)應(yīng)用的異纖清除智能化裝置可以配置在紡紗工程的3個(gè)環(huán)節(jié)：第一個(gè)環(huán)節(jié)是開清棉工序，即在抓棉機(jī)、開棉機(jī)、混棉機(jī)或清棉機(jī)后配置1臺(tái)或2臺(tái)異纖識(shí)別與清除裝置；第二個(gè)環(huán)節(jié)是并合工序，即在并條機(jī)導(dǎo)條架上配置異纖檢測(cè)與清除裝置；第三個(gè)環(huán)節(jié)是在絡(luò)紗工序擴(kuò)展絡(luò)筒機(jī)自動(dòng)清紗器的功能，使其同時(shí)具備檢測(cè)與清除異纖的能力。

開清棉工序的異纖清除裝置采用氣流噴射方法剔除異纖，而識(shí)別異纖的方法有3種：一是利用超聲波的穿透原理識(shí)別異纖；二是采用CCD高速彩色攝像機(jī)對(duì)棉流進(jìn)行掃描以識(shí)別異纖；三是根據(jù)異纖與棉花材質(zhì)不同反射的色差，采用光電傳感器來識(shí)別異纖[1]。3種方法各具優(yōu)勢(shì)，可以組合設(shè)計(jì)，綜合應(yīng)用，以進(jìn)一步提高識(shí)別能力。并條機(jī)導(dǎo)條架配置的異纖檢測(cè)裝置采用傳感器技術(shù)，當(dāng)檢測(cè)棉條通過專用設(shè)計(jì)的透明膠管時(shí)會(huì)發(fā)生亮度變化，以此來識(shí)別異纖(目前這種異纖清除方法國(guó)內(nèi)已很少使用)。絡(luò)筒機(jī)的異纖清紗器一般都基于光譜辨別原理設(shè)計(jì)，根據(jù)紗條投射、反射信號(hào)的差異，識(shí)別是否存在異纖并驅(qū)動(dòng)切刀對(duì)其進(jìn)行切除[2]。

2.2 自調(diào)勻整技術(shù)

自調(diào)勻整技術(shù)是用于控制纖維條縱向均勻度的一項(xiàng)技術(shù)措施，采用在線控制形式，以輸出纖維條線密度的設(shè)計(jì)值為基準(zhǔn)值，實(shí)時(shí)檢測(cè)喂入品線密度或輸出品線密度的偏差值，再通過改變喂入部件或輸出部件線速度的方法，使輸出纖維條的線密度保持在設(shè)定區(qū)間；自調(diào)勻整裝置大多配置在并條機(jī)上，也可配置在梳棉機(jī)上。目前這項(xiàng)技術(shù)已相當(dāng)成熟，瑞士的立達(dá)公司和烏斯特公司推出的并條機(jī)自調(diào)勻整裝置，是通過調(diào)節(jié)并條機(jī)前牽伸區(qū)的牽伸倍數(shù)實(shí)現(xiàn)勻整功能的；而國(guó)內(nèi)并條機(jī)自調(diào)勻整裝置多通過調(diào)節(jié)并條機(jī)后牽伸區(qū)的牽伸倍數(shù)實(shí)現(xiàn)勻整功能。

并條機(jī)的自調(diào)勻整裝置根據(jù)檢測(cè)方式和控制方式分為開環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)和混合環(huán)系統(tǒng)3種形式[3]。開環(huán)系統(tǒng)根據(jù)補(bǔ)償原理設(shè)計(jì)，即“先檢測(cè)后勻整”，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)喂入纖維條線密度的變化，相應(yīng)調(diào)節(jié)某一牽伸區(qū)的牽伸倍數(shù)，從而使輸出纖維條線密度保持穩(wěn)定，該方式存在纖維條在檢測(cè)點(diǎn)到輸出點(diǎn)的延時(shí)精確控制問題，適應(yīng)于勻整較短片段。閉環(huán)系統(tǒng)根據(jù)反饋原理設(shè)計(jì)，即“先勻整后檢測(cè)”，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出的纖維條線密度變化，相應(yīng)調(diào)節(jié)某一牽伸區(qū)的牽伸倍數(shù)，從而使輸出纖維條線密度保持穩(wěn)定，該方式存在勻整滯后問題，適應(yīng)于勻整較長(zhǎng)片段?；旌檄h(huán)系統(tǒng)綜合運(yùn)用補(bǔ)償原理和反饋原理，兼顧開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，相對(duì)科學(xué)合理，但裝置設(shè)計(jì)復(fù)雜且成本較高。目前，投入實(shí)際應(yīng)用的并條機(jī)自調(diào)勻整裝置主要有開環(huán)系統(tǒng)和混合環(huán)系統(tǒng)。

2.3 紡紗工藝管理與紗線質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)

紡紗工程是一項(xiàng)多工序、多機(jī)臺(tái)并牽涉多品種的長(zhǎng)流程生產(chǎn)過程，傳統(tǒng)的配棉方案和生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)都是由經(jīng)驗(yàn)豐富的工藝技術(shù)人員根據(jù)生產(chǎn)品種和企業(yè)機(jī)型配置情況確定工藝流程，計(jì)算工藝參數(shù)，通過小樣試紡進(jìn)一步調(diào)整相關(guān)參數(shù)后再進(jìn)入正常生產(chǎn)環(huán)節(jié)。半制品和成品質(zhì)量控制則是在相關(guān)工序抽取樣本離線檢測(cè)，如超出偏差范圍則調(diào)整有關(guān)機(jī)臺(tái)工藝參數(shù)或機(jī)械狀態(tài)予以控制，這種方法效率低且在質(zhì)量控制方面存在滯后性。為了適應(yīng)市場(chǎng)多品種、小批量、快反應(yīng)的特點(diǎn)，紡紗工藝管理和質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用便成為一項(xiàng)熱點(diǎn)研究課題。

由于紡紗工藝流程復(fù)雜且企業(yè)間的機(jī)臺(tái)配置差異很大，再加上眾多工藝參數(shù)間相互關(guān)聯(lián)，這是工藝管理和質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)需要解決的技術(shù)難題。目前，國(guó)內(nèi)推出的紡紗工藝管理與紗線質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)，在工藝管理方面可根據(jù)庫存原料儲(chǔ)備情況實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配棉功能，并根據(jù)配棉方案中纖維原料的物理機(jī)械性能指標(biāo)和成紗質(zhì)量指標(biāo)要求制定具體的生產(chǎn)工藝參數(shù)，紗線質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)一般包括模型訓(xùn)練和紗線質(zhì)量預(yù)測(cè)兩部分。在模型訓(xùn)練之前，分析纖維原料物理機(jī)械性能指標(biāo)、紡紗各工序相關(guān)工藝參數(shù)與成紗質(zhì)量指標(biāo)的因果關(guān)系，建立成紗質(zhì)量指標(biāo)與原料性能指標(biāo)、各工序相關(guān)工藝參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后以纖維原料性能指標(biāo)和相關(guān)工藝參數(shù)為輸入，以成紗相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)為輸出，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型并進(jìn)行訓(xùn)練，使系統(tǒng)的預(yù)報(bào)偏差處于可接受的范圍內(nèi)[4]，最后將訓(xùn)練成功的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于實(shí)際生產(chǎn)管理中進(jìn)行紗線質(zhì)量預(yù)報(bào)。實(shí)踐證明，此舉有效提高了紡織企業(yè)生產(chǎn)過程中的智能化管理水平。

2.4 其他紡織智能化裝置

烏斯特環(huán)錠紡專家系統(tǒng)(USTER RING EXPERT)，采用無線射頻識(shí)別技術(shù)進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信,跟蹤細(xì)紗機(jī)上每一錠位,當(dāng)發(fā)現(xiàn)有質(zhì)量缺陷的管紗時(shí)可以追溯到具體錠位,對(duì)目標(biāo)管紗加以識(shí)別、記錄和管理，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了細(xì)紗機(jī)和絡(luò)筒機(jī)間的信息交換。

烏斯特絡(luò)筒專家系統(tǒng)(USTER Quantum Expert Winding)，可自動(dòng)收集、整理配置在自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)上清紗器的數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行分析優(yōu)化、平衡紗線質(zhì)量和絡(luò)筒效率，成為生產(chǎn)質(zhì)量管理中在線質(zhì)量監(jiān)控的輔助系統(tǒng)；在此過程中，將離線檢測(cè)和在線檢測(cè)的質(zhì)量數(shù)據(jù)相結(jié)合，有效控制紗線質(zhì)量。

3 智能化在紡織品上的應(yīng)用

3.1 智能調(diào)溫紡織品

智能調(diào)溫紡織品可自動(dòng)感知外界溫度變化,以潛熱形式吸收儲(chǔ)存或釋放熱能，雙向調(diào)節(jié)溫度變化，從而使織物具有調(diào)溫功能[5]。智能調(diào)溫紡織品的實(shí)現(xiàn)途徑主要有制取調(diào)溫纖維，即從源頭上解決和對(duì)織物進(jìn)行功能性后整理兩種技術(shù)路線。目前，技術(shù)最為成熟的調(diào)溫纖維是美國(guó)太空公司為登月計(jì)劃而研發(fā)的Outlast空調(diào)纖維，其關(guān)鍵技術(shù)是在紡絲液中聚合了碳?xì)浠衔?HYDROCARBONWAX)微膠囊熱敏相變材料，使纖維制品能夠隨著環(huán)境溫度變化在人體皮膚上相應(yīng)反應(yīng)，對(duì)溫度變化起到緩沖作用。除此之外，還可以采用中空纖維填充法，將相變材料填充到纖維的中空部分來獲取調(diào)溫功能。第三種方法是在纖維表面鍍上具有調(diào)溫功能的粒子再進(jìn)行紡紗織造加工。

后整理途徑則是采用涂層或浸漬工藝，將相變材料包裹在微膠囊，再將含有相變材料的微膠囊整理到織物表面。智能調(diào)溫紡織品初期開發(fā)的目的是航天需要，用來制作航天員的服裝(手套、襪子、內(nèi)衣等)，后來發(fā)展到醫(yī)療用途(采用恒溫繃帶可避免局部溫度過高或過低，有利于傷口恢復(fù))和戶外裝備(滑雪服、登山服等)，現(xiàn)在又廣泛應(yīng)用于時(shí)裝和床上用品領(lǐng)域。

3.2 形狀記憶智能紡織品

將具有形狀記憶功能的材料，通過纖維加工或織物整理的方式引入紡織品中，在溫度、機(jī)械力、光線、pH值等外界條件刺激下，織物具有智能性形狀記憶和高恢復(fù)功能，其產(chǎn)品稱為形狀記憶智能紡織品。獲取形狀記憶智能紡織品有兩條工藝技術(shù)路線，即制備形狀記憶纖維和對(duì)織物進(jìn)行形狀記憶后整理。制備形狀記憶纖維需要選擇記憶材料，如形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷、形狀記憶高聚物和形狀記憶水凝膠等，在紡織品領(lǐng)域已得到實(shí)際應(yīng)用的是記憶合金、記憶高聚物和記憶水凝膠。其中，形狀記憶合金纖維是將鈦鎳記憶合金和尼龍材料混合紡絲制備成記憶纖維；形狀記憶聚合物纖維是先制備出形狀記憶聚合物，再通過熔融紡絲工藝獲取形狀記憶纖維。形狀記憶紗線一般選擇混紡工藝技術(shù)路線。對(duì)織物進(jìn)行形狀記憶后整理主要包括樹脂整理、形狀記憶高分子整理、膠原整理等工藝技術(shù)。據(jù)相關(guān)資料報(bào)道[6]，一項(xiàng)新技術(shù)是將類似于過濾網(wǎng)纖維素須的生物適應(yīng)性和高彈性物體的彈性相結(jié)合制作形狀記憶紡織品，或?qū)煞N遇熱易變形的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進(jìn)行組合，利用其優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的特點(diǎn)制作記憶紡織品。形狀記憶紡織品可制成機(jī)織物，用于制作“懶人襯衫”、運(yùn)動(dòng)服、羽絨服和床上用品，還可用于針織物，克服保形性差的缺陷。

3.3 智能變色紡織品

智能變色紡織品可以隨著環(huán)境條件的變化使織物顯示出不同的顏色。其制作原理是將智能變色材料引入紡織品加工的某一環(huán)節(jié)。智能變色材料，包括溫致變色材料(也稱“熱敏變色材料”)、光致變色材料(也稱“光敏變色材料”)、濕敏變色材料、電致變色材料、壓致變色材料、溶劑致變色材料等。目前，技術(shù)較為成熟的智能變色紡織品主要有：在特定溫度下由于結(jié)構(gòu)變化而發(fā)生顏色變化的溫致變色紡織品和在某一波長(zhǎng)光線照射下產(chǎn)生顏色變化的光致變色紡織品。其制作途徑是利用特殊工藝將變色材料混入染料或顏料之中，通過染色或涂層整理的方法附著在紡織品上。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[7]，通過染色或涂層的方法將pH值指示劑與紡織品結(jié)合，可以制備出一種接近生理pH值的變色織物。目前正在研發(fā)的智能變色纖維，是應(yīng)用化學(xué)方法在纖維高聚物上進(jìn)行接枝，使其產(chǎn)生光、熱、壓力等刺激響應(yīng)變色效果的特種功能基團(tuán)。這種纖維可以從源頭上解決變色耐久性難題，有效提升變色紡織品的技術(shù)水平和應(yīng)用價(jià)值。實(shí)際應(yīng)用證明，變色紡織品具有良好的服用性能，用途甚廣，其最初的研發(fā)目的是用于軍事偽裝，而現(xiàn)在也廣泛應(yīng)用于時(shí)尚變色服裝。

3.4 智能抗菌紡織品

智能抗菌紡織品是一種對(duì)細(xì)菌具有選擇性控制功能的紡織品,不管是在靜止?fàn)顟B(tài)還是活動(dòng)狀態(tài)下,都能使皮膚表面某些微生物的生長(zhǎng)和繁殖保持在正常范圍內(nèi)。智能抗菌紡織品的獲取途徑有：制備出智能抗菌纖維進(jìn)行紡紗織造和對(duì)紡織品進(jìn)行后整理兩條工藝技術(shù)路線。制備智能抗菌纖維時(shí)，可采用共混紡絲法、復(fù)合紡絲法、接枝改性法等技術(shù)；對(duì)紡織品進(jìn)行后整理，可采用涂層、交聯(lián)、直接吸附等技術(shù)將智能抗菌劑整理到紡織品表面。智能抗菌紡織品在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可用于手術(shù)縫合線、敷料及防護(hù)服；在民用領(lǐng)域除廣泛用于床上用品(床單、枕套等)、衛(wèi)生用品(毛巾、浴巾等)和內(nèi)衣之外，還可用來制作兒童布玩具等。

3.5 電子信息智能紡織品

電子信息智能紡織品是傳統(tǒng)紡織工藝技術(shù)與現(xiàn)代電子信息技術(shù)跨學(xué)科融合,將傳感、通信、人工智能等新技術(shù)引入紡織品加工過程形成的高科技產(chǎn)品。紡織領(lǐng)域的攻關(guān)課題是如何將傳感器、存儲(chǔ)器元件、電子線路板與紡織品巧妙地形成一體，最直觀的方法是改進(jìn)編織、針織和機(jī)織工藝，將相關(guān)元器件嵌入到紡織品相關(guān)部位。欲使紡織品具有良好的感知外界環(huán)境之功能，應(yīng)用金屬纖維、光導(dǎo)纖維等新型纖維材料紡紗、織造也是電子信息智能紡織品的一項(xiàng)基礎(chǔ)性研究和開發(fā)工作。未來的研究課題是開發(fā)出電子智能紡織纖維，使電子信息智能紡織品更具服用性、便捷性和實(shí)用性。電子信息智能紡織品的應(yīng)用范圍很廣，在醫(yī)用保健方面可用于人體器官監(jiān)測(cè)的智能化服裝；在體育運(yùn)動(dòng)方面可用于運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練時(shí)心肺功能監(jiān)測(cè)的智能背心；在軍事方面可用于移動(dòng)物體和人員的位置偵察；此外在航空航天科學(xué)研究中也發(fā)揮著重要作用。

4 紡織智能化發(fā)展趨勢(shì)與展望

4.1 實(shí)現(xiàn)紡織生產(chǎn)高度智能化任重道遠(yuǎn)

放眼全球紡織行業(yè)生產(chǎn)過程,近年來取得的技術(shù)成果主要體現(xiàn)在工序間的連續(xù)化、操作過程的自動(dòng)化、生產(chǎn)管理的信息化等方面。在智能化方面的技術(shù)進(jìn)步僅在某些環(huán)節(jié)取得了突破，包括智能化自調(diào)勻整裝置、智能化異纖清除裝置、智能化自動(dòng)配棉系統(tǒng)、智能化紗線質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)等應(yīng)用，這些僅處于初級(jí)智能化階段。紡織工業(yè)屬于傳統(tǒng)民生產(chǎn)業(yè)，工序多、流程長(zhǎng)，且企業(yè)間設(shè)備型號(hào)和生產(chǎn)品種差異很大，再加上生產(chǎn)中操作動(dòng)作隨機(jī)且復(fù)雜，如環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的自動(dòng)接頭裝置就因操作動(dòng)作復(fù)雜至今未能突破。生產(chǎn)過程智能化是建立在生產(chǎn)過程自動(dòng)化、信息化基礎(chǔ)之上的高新技術(shù)，目前的首要任務(wù)是有序做好技術(shù)支撐工作，首先攻克生產(chǎn)過程關(guān)鍵環(huán)節(jié)的自動(dòng)化難題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能化。同時(shí)，加大智能機(jī)械手、智能機(jī)器人的開發(fā)和推廣力度，對(duì)已推廣應(yīng)用的初級(jí)智能化裝置和智能化系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，進(jìn)一步提高智能化程度。總之，實(shí)現(xiàn)紡織生產(chǎn)全流程的智能化是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，任重道遠(yuǎn)。

4.2 多學(xué)科融合是智能紡織品的升級(jí)之路

智能紡織品隨現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生，是多學(xué)科新技術(shù)高度融合、交叉應(yīng)用的成果，其意義不僅體現(xiàn)在提升紡織產(chǎn)品技術(shù)含量和附加值、滿足服裝和服飾用紡織品的智能化功能要求，更重要的是對(duì)軍事、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、體育運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域的技術(shù)貢獻(xiàn)和推動(dòng)作用。智能紡織品作為目前的一項(xiàng)研究熱點(diǎn)已引起了業(yè)界內(nèi)外的高度關(guān)注，但也存在以下問題：一是產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)途徑相對(duì)單一，大多采用后整理工藝技術(shù)路線，在功能持久性、服用性和實(shí)用性上還存在不少缺陷，從源頭研制推出智能性紡織纖維材料的成果不多；二是產(chǎn)品功能相對(duì)單一，多功能復(fù)合型的智能紡織品并不多見；三是研究力量主要是紡織科研人員且研究目標(biāo)相對(duì)分散，需要借助政府力量組織相關(guān)學(xué)科技術(shù)人員，統(tǒng)籌科技資源協(xié)同攻關(guān)?？梢灶A(yù)見，隨著紡織新技術(shù)、新材料的進(jìn)步和相關(guān)學(xué)科新成果的不斷引入，智能紡織品的發(fā)展前景非常廣闊。

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