淺談紡紗流程智能化發(fā)展的現(xiàn)狀

郭明瑞 韓晨晨 盧雨正 高衛(wèi)東

（江南大學(xué)，江蘇無錫，214122）

國家提出《中國制造2025》，從工業(yè)4.0、工業(yè)信息化到人工智能時代，實現(xiàn)人工智能，基礎(chǔ)是實現(xiàn)工業(yè)自動化，然后需要實現(xiàn)設(shè)備的信息化，而信息化是實現(xiàn)智能化的必要條件。中國紡織工業(yè)現(xiàn)在還沒有完全自動化，從總體看，在技術(shù)裝備、能源、原材料消耗和產(chǎn)品質(zhì)量等方面與紡織強國相比仍有較大差距，尤其是裝備的差距最為突出。在傳統(tǒng)設(shè)備存量巨大的前提下，設(shè)備無法實現(xiàn)大范圍更新；維持現(xiàn)狀，則競爭力不足，只有對現(xiàn)有設(shè)備完成自動化技術(shù)改造，才能有效地提高我國紡織行業(yè)競爭力。這就是在中國經(jīng)濟增速整體下滑的情況下，中國紡織制造業(yè)領(lǐng)域?qū)I(yè)自動化技術(shù)需求持續(xù)增長的原因［1-3］。

目前，紡織企業(yè)生產(chǎn)成本增加，特別是用工成本增加等問題日益凸顯，企業(yè)往往基于成本壓力，主要從“機器換人推動產(chǎn)業(yè)升級”的角度去看待紡織工業(yè)的自動化、信息化和智能化。同時，紡織企業(yè)中部分工序簡單重復(fù)的重體力勞動以“機器換人”成為必然的選擇［4-6］。紡紗企業(yè)的自動化主要集中在各工序設(shè)備的自動化，以及各工序半制品銜接的自動化，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的信息化。利用信息技術(shù)對設(shè)備運轉(zhuǎn)情況、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)、倉儲數(shù)據(jù)、用戶采購信息和市場需求等數(shù)據(jù)進行分析，依據(jù)產(chǎn)能自主安排生產(chǎn)時間和進度，實現(xiàn)智能化排班。

第十九屆上海國際紡織工業(yè)展覽會以“智匯紡織，跨出更好生活”為主題，匯集了大量全球紡織業(yè)頂尖設(shè)備、配件及其領(lǐng)先技術(shù)。但紡紗主機設(shè)備較少，主要展出了紡紗流程自動化、信息化和智能化升級的相關(guān)技術(shù)與設(shè)備。本文將從前紡和后紡兩個方面進行詳細(xì)的闡述。

1 前紡工序的智能化發(fā)展現(xiàn)狀

前紡工序包含從開清棉到粗紗的全部過程，是紡紗流程的前端。前紡工序中物料的傳輸是智能化改造的一個重要方向，同時由于后紡細(xì)紗工序?qū)Υ旨嗁|(zhì)量要求的提升，使得粗紗工序的智能監(jiān)控也成為前紡工序智能化的體現(xiàn)方式。因此，此次展會中展出的前紡工序智能化主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

1.1 紡紗物料轉(zhuǎn)運機器人

由于紡紗流程長，各工序受機臺速度和產(chǎn)能不匹配的制約無法直接銜接，存在大量半制品容器的轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)，以往這些工作都需要人工完成。自動導(dǎo)引車AGV（Automatic Guided Vehicle）是指依靠電磁或光學(xué)等自動導(dǎo)引裝置，能夠按照預(yù)先設(shè)定的導(dǎo)引路線自動行駛的多功能運輸小車。條筒轉(zhuǎn)運過程無需人工參與，可以輸送不同直徑的條筒。小車裝有自動避障、故障報警等功能，保證工作過程安全可靠。AGV 物料轉(zhuǎn)運系統(tǒng)主要包括車載驅(qū)動系統(tǒng)、車體結(jié)構(gòu)、導(dǎo)航系統(tǒng)、安全輔助系統(tǒng)。

1.1.1 車載驅(qū)動系統(tǒng)

車載驅(qū)動系統(tǒng)是AGV 的核心部分，保證小車在同一路徑上穩(wěn)定、高效地運行，有利于節(jié)省空間，提高效率。

1.1.2 車體結(jié)構(gòu)

車體結(jié)構(gòu)是AGV 小車的基礎(chǔ)，用于安裝輪子、各種傳感器、驅(qū)動電機、各種控制和通訊設(shè)備，以及操作機構(gòu)。

1.1.3 導(dǎo)航系統(tǒng)

導(dǎo)航系統(tǒng)的功能是保證AGV 小車沿正確路徑運行，對精度有較高要求。根據(jù)導(dǎo)航形式可以分為以下類型:磁條導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航、光學(xué)導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航及圖像視覺導(dǎo)航。

1.1.4 安全與輔助系統(tǒng)

為了避免AGV 小車在系統(tǒng)故障或有障礙物出現(xiàn)時發(fā)生碰撞，AGV 小車通過主動探測實現(xiàn)避撞，并設(shè)置有警音、警視、緊急停止等裝置。

主要生產(chǎn)企業(yè)有經(jīng)緯智能紡織機械有限公司、杭州銳冠科技有限公司等。

1.2 全數(shù)控粗紗機

全數(shù)控粗紗機具有多軸聯(lián)動智能控制、牽伸和捻度參數(shù)任意設(shè)定、張力參數(shù)設(shè)定、自動調(diào)節(jié)（CCD 張力感應(yīng)和智能控制）等功能。

可以實現(xiàn)紡紗恒張力、紡紗成形、滿管自動落紗、空滿交換、自動生頭紡紗等全過程自動化控制，紡紗的同時粗細(xì)聯(lián)交換機向細(xì)紗工序自動輸送粗紗滿紗紗管。全自動落紗粗紗機可以降低紡紗工人勞動強度，減少用工數(shù)量，同時進一步提高了紡紗質(zhì)量、紡紗效率、紡紗速度，降低了運轉(zhuǎn)噪聲。

主要生產(chǎn)企業(yè)有青島環(huán)球集團股份有限公司、常州同和紡織機械制造有限公司、無錫宏源機電科技股份有限公司等。

2 后紡工序智能化發(fā)展現(xiàn)狀

后紡工序包含細(xì)紗和絡(luò)筒兩個環(huán)節(jié)，而紡紗機可以分為環(huán)錠紡細(xì)紗機、轉(zhuǎn)杯紡紗機以及噴氣渦流紡紗機等。對于環(huán)錠紡細(xì)紗機而言，數(shù)控驅(qū)動以及全自動落紗、單錠檢測等技術(shù)成為其智能化發(fā)展的重要趨勢；轉(zhuǎn)杯紡及噴氣渦流紡等新型紡紗機，由于其較為突出的生產(chǎn)效率優(yōu)勢，其智能化發(fā)展方向主要為進一步提升整機的生產(chǎn)效率［7］；而絡(luò)筒工序則突出表現(xiàn)為智能投紗以及后續(xù)的全自動包裝等。

2.1 環(huán)錠紡細(xì)紗機的智能化發(fā)展

2.1.1 全數(shù)控驅(qū)動

全數(shù)控細(xì)紗機主要包括電子牽伸系統(tǒng)、電子卷捻系統(tǒng)以及單電機驅(qū)動錠子。電子牽伸系統(tǒng)將前、中、后羅拉分別由伺服電機單獨傳動，實現(xiàn)了各牽伸區(qū)牽伸倍數(shù)的數(shù)字化設(shè)置。電子卷捻系統(tǒng)是采用伺服電機和電子模擬凸輪運行軌跡，實現(xiàn)了鋼領(lǐng)板規(guī)律升降，確保精確的管紗成形。單電機驅(qū)動錠子對降低能耗、減少管紗捻度差異以及弱捻紗方面有明顯優(yōu)勢。

提供全數(shù)控細(xì)紗機主機的生產(chǎn)企業(yè)包括:經(jīng)緯紡機股份有限公司、常州同和紡織機械制造有限公司等。具備細(xì)紗機全數(shù)控化改造的企業(yè)包括江陰市華方新技術(shù)科研有限公司、南通金馳機電有限公司、無錫市和展機械技術(shù)有限公司等。

2.1.2 細(xì)紗自動落紗

細(xì)紗自動落紗方式包括智能落紗小車和集體落紗系統(tǒng)。由于環(huán)錠紡細(xì)紗管紗容量較小，落紗周期較短，落紗工作量巨大，需要配置大量的落紗工。智能落紗小車可以實現(xiàn)落紗工作的半自動化，有利于減少用工、降低工人勞動強度，并提高生產(chǎn)效率。細(xì)紗集體落紗是伴隨著細(xì)紗機長車的出現(xiàn)而興起的，為解決用工難的問題，企業(yè)對細(xì)紗機短車進行集體落紗改造的需求也越來越迫切。集體落紗的優(yōu)勢比較明顯，可以替代細(xì)紗落紗工，避免了手拔紗造成的紗線沾污和損壞，同時還為管紗質(zhì)量追蹤提供條件。

具備集體落紗技術(shù)的企業(yè)主要有經(jīng)緯紡機股份有限公司、常州同和紡織機械制造有限公司、江陰市華方新技術(shù)科研有限公司、南通金馳機電有限公司、江蘇海馬紡織機械有限公司等。

2.1.3 細(xì)紗單錠檢測與粗紗自停

細(xì)紗單錠檢測技術(shù)有電磁式和光電式，具有實時探測細(xì)紗斷頭和紗線弱捻等功能，可以直接提高擋車工巡回的目的性，提升看臺能力。在檢測到細(xì)紗斷頭的同時，粗紗自停裝置控制粗紗停喂，減少吸風(fēng)花，提高制成率。粗紗自停還可以消除因細(xì)紗斷頭而產(chǎn)生的纖維繞膠輥繞羅拉現(xiàn)象，也能避免斷頭錠位前羅拉輸出纖維影響臨近錠子的成紗質(zhì)量。因此，細(xì)紗單錠檢測與粗紗自停配合能夠起到改善成紗質(zhì)量的作用。

細(xì)紗單錠檢測系統(tǒng)與企業(yè)的ERP 系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，可提供細(xì)紗產(chǎn)量、設(shè)備運轉(zhuǎn)效率等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，且保證統(tǒng)計數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實性，便于企業(yè)管理人員實時了解車間的運行狀態(tài)。

目前能夠提供細(xì)紗單錠檢測系統(tǒng)的企業(yè)主要包括烏斯特技術(shù)有限公司、普瑞美（江蘇）紡織電子儀器有限公司、日照品特裕華紡織科技有限公司、浙江浩銘機械科技有限公司、無錫萬寶紡織機電有限公司、杭州凱悅電子有限公司等。

2.2 新型紡紗設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

在此次展會上，新型紡紗設(shè)備整機展出較少，轉(zhuǎn)杯紡主要展示了意大利Savio 公司的HelioS 型轉(zhuǎn)杯紡紗機，而噴氣渦流紡只展示了村田公司的VORTEX 870 EX 型噴氣渦流紡紗機。

HelioS 型轉(zhuǎn)杯紡紗機運用多種高科技優(yōu)化了生產(chǎn)效率，減少了停機時間，品種更換靈活，能耗也有所減少。采用新型Savio 紡紗箱的轉(zhuǎn)杯速度可達125 000 r/min，而卷繞速度可達250 m/min。此外，筒紗形狀采用電子調(diào)控；兩側(cè)獨立傳動，可生產(chǎn)不同品種；整車可多達520 錠。

VORTEX 870 EX型噴氣渦流紡紗機比VORTEX Ⅲ870型速度更快，設(shè)計速度從500 m/min 提高到550 m/min，使單機生產(chǎn)效率提高近30%。展會上VORTEX 870 EX 型噴氣渦流紡紗機紡粘膠14.8 tex 紗的演示速度達到550 m/min，生產(chǎn)效率仍在95%以上。該機型具有較高自動化水平，使生產(chǎn)一線用工大幅度減少。國內(nèi)已使用這種新型紡紗設(shè)備企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，每噸紗的加工成本可比環(huán)錠紡減少1 000 元以上。以年產(chǎn)5 000 t 紗計算，每年可為企業(yè)降低加工成本500 萬元以上。這是國內(nèi)近幾年噴氣渦流紡新型紡紗技術(shù)快速發(fā)展的重要原因。

2.3 絡(luò)筒設(shè)備智能化發(fā)展現(xiàn)狀

2.3.1 絡(luò)筒機智能投紗系統(tǒng)

絡(luò)筒機智能投紗系統(tǒng)適用于紗庫式絡(luò)筒機的改造升級，可代替人工找頭和投紗，實現(xiàn)管紗入庫后自動提升、自動識別并整理大小頭、自動找頭、識別多品種、自動輸送、自動投紗入庫，可有效降低勞動強度。人機交互系統(tǒng)可實現(xiàn)各部件速度參數(shù)可調(diào)，實現(xiàn)人工值車與自動化系統(tǒng)的兼容，系統(tǒng)具有容錯性，對各類品牌絡(luò)筒機具有良好的適應(yīng)性。

2.3.2 筒紗自動包裝系統(tǒng)

筒紗包裝作為紡紗企業(yè)生產(chǎn)的最后一個環(huán)節(jié)，是單調(diào)重復(fù)而又繁重的工作。因此，采用全自動筒紗包裝系統(tǒng)來降低紡紗企業(yè)的用工成本和減輕工人的勞動強度，具有較大經(jīng)濟價值和社會效益。包裝流程主要包括絡(luò)筒存紗、取紗轉(zhuǎn)運、筒紗分類、整垛包裝、取筒喂入、稱重配包、包膜倒頭、筒紗裝袋、收包縫紉、捆包輸送、自動碼垛、掃描驗碼、智能運紗、紗庫管理等功能。

采取模塊化技術(shù)的筒紗自動包裝線，可自由配套組合，品種、空間適應(yīng)性好，有效提高了紡紗生產(chǎn)線后道工序的自動化水平。

3 展望

綜上所述，從整機智能化改造的整體來看，國內(nèi)產(chǎn)品近年來有了長足的進步，但與國外先進整機相比尚有一定差距；而在許多智能化改造的細(xì)節(jié)方面，國內(nèi)創(chuàng)新水平不斷提升。目前，紡紗流程智能化改造已經(jīng)成為政府和企業(yè)的廣泛共識，即以機器換人推動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新升級以及自動化進程，通過整合資源，在系統(tǒng)層次上尋求創(chuàng)新突破。紡紗流程的智能化主要是通過實現(xiàn)紡紗設(shè)備的自動化、各工序銜接的自動化、紡紗流程數(shù)據(jù)信息化和智能化，進而實現(xiàn)紡紗全流程的智能化。

面向紡紗行業(yè)智能制造的產(chǎn)業(yè)升級不是某項單一技術(shù)，而是以新的技術(shù)、系統(tǒng)、運行方式重塑整個紡紗工業(yè)體系。不久的將來，紡紗全流程將會是具有高度自動化的紡紗設(shè)備，各工序自動聯(lián)接技術(shù)，以及數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理一體化的現(xiàn)代智能化流程。

4 結(jié)語

隨著用工成本的快速增長，對于勞動密集型的紡紗行業(yè)而言，實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化、智能化迫在眉睫。由于我國紡紗產(chǎn)業(yè)規(guī)模巨大，存量設(shè)備數(shù)量龐大，所以紡紗流程智能化主要從兩方面發(fā)展:一是存量設(shè)備的智能化改造和工序連接的智能化改造；二是采用新型智能化設(shè)備替換舊設(shè)備。筆者認(rèn)為，對于紡紗行業(yè)這種產(chǎn)業(yè)規(guī)模巨大，且新舊產(chǎn)能替換周期較長的行業(yè)，對現(xiàn)存紡紗設(shè)備和工序連接的智能化改造將長期伴隨行業(yè)發(fā)展。