新型粘貼式棉纖維長(zhǎng)度測(cè)試儀的研制

王 銘沈 驊李岸錦傅科杰郭會(huì)清

（1.青島海關(guān)，山東青島，266555；2.張家港海關(guān)，江蘇張家港，215600；3.寧波海關(guān)，浙江寧波，315100；4.鄭州海關(guān)，河南鄭州，450008）

棉纖維長(zhǎng)度是表征纖維性能的重要指標(biāo)，直接影響到纖維的加工性能和使用價(jià)值［1］。棉纖維長(zhǎng)度與棉纖維的可紡性、工藝參數(shù)制定、成紗質(zhì)量、車(chē)間飛花、生產(chǎn)穩(wěn)定性有密切的關(guān)系。現(xiàn)今國(guó)內(nèi)測(cè)量棉纖維長(zhǎng)度主要方法為手扯尺量法和儀器測(cè)量法［2］。進(jìn)口棉花一般使用手扯長(zhǎng)度進(jìn)行結(jié)算。手扯尺量法對(duì)人員手法要求較高，檢測(cè)速度較慢，在進(jìn)行大批量檢測(cè)時(shí)效率較低［3］。進(jìn)口棉花長(zhǎng)度檢測(cè)要求對(duì)抽取的樣品每包檢驗(yàn)，但由于人員配置達(dá)不到要求，在進(jìn)口棉花檢測(cè)工作中各實(shí)驗(yàn)室采用的部分代表性樣品檢驗(yàn)，存在較大的質(zhì)量隱患。

針對(duì)這種情況，2014年山東出入境檢驗(yàn)檢疫局技術(shù)中心設(shè)計(jì)出一種檢測(cè)儀器——粘貼式棉纖維長(zhǎng)度測(cè)試儀［4］。該儀器通過(guò)幾大模塊運(yùn)行，利用粘貼力代替人工捏合力，模擬手扯尺量法的測(cè)試過(guò)程，可以減少人體物理?yè)p耗，提高檢測(cè)效率。但由于該儀器自動(dòng)化程度不高，暫不具備大范圍推廣使用的條件。因此研究人員在原基礎(chǔ)上，對(duì)儀器進(jìn)行優(yōu)化，研制出新型粘貼式棉纖維長(zhǎng)度測(cè)試儀（以下簡(jiǎn)稱新型測(cè)試儀），使其自動(dòng)化程度和精確度進(jìn)一步提高，更利于在棉紡行業(yè)和棉花檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)推廣使用。

1 儀器結(jié)構(gòu)

新型測(cè)試儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。該儀器由三大模塊組成，按照功能性分為整理模組、活動(dòng)模組和測(cè)量模組。整理模組包括錫林模塊和毛刷模塊，活動(dòng)模組包括棉倉(cāng)模塊和夾板活動(dòng)模塊，測(cè)量模組包括夾持黏取模塊和測(cè)試模塊。

圖1新型測(cè)試儀整體結(jié)構(gòu)

1.1 錫林模塊

錫林的功能是對(duì)夾鉗握持的纖維叢頭端進(jìn)行梳理，提高纖維的分離度、伸直度、平行度，消除纖維的前彎鉤，把未被夾持緊固的纖維和纖維上的棉結(jié)、雜質(zhì)和疵點(diǎn)梳下來(lái)。錫林整體材料為碳鋼合金，規(guī)格：針片角度45°，前后針距3 mm，齒尖厚度0.01 mm，間隙0.5 mm。錫林齒形采用直線圓弧齒面折線齒背的結(jié)構(gòu)，齒底采用大圓弧連接。

1.2 毛刷模塊

毛刷的功能是把清理后的纖維刷直，使其平整，以便進(jìn)行下一步的粘貼步驟。毛刷的材料是硬棕櫚材質(zhì)，轉(zhuǎn)速75 r/min。毛刷兩端具有架設(shè)在活動(dòng)架上的轉(zhuǎn)軸，位置固定。毛刷下部設(shè)置刷理臺(tái)面。纖維束進(jìn)入刷理區(qū)域后，在毛刷和刷理臺(tái)相互作用下形成細(xì)長(zhǎng)平直的纖維束結(jié)構(gòu)。

1.3 棉倉(cāng)模塊

棉倉(cāng)模塊的主要作用是完成樣品的取樣步驟。其內(nèi)側(cè)為鋼板材質(zhì)，上面有幾十個(gè)分布均勻的棉倉(cāng)孔，孔徑8 mm，外側(cè)為可活動(dòng)推擋板，在電機(jī)作用下向前運(yùn)動(dòng)，將倉(cāng)內(nèi)棉花樣品壓緊，使其鼓出棉倉(cāng)孔，以便于取樣器夾取樣品。推擋板活動(dòng)距離為4 cm～5 cm。

1.4 夾板活動(dòng)模塊

夾板活動(dòng)模塊是整個(gè)儀器的核心部件，負(fù)責(zé)串聯(lián)儀器各部件之間聯(lián)動(dòng)功能。夾板活動(dòng)模塊主要包括夾鉗、夾鉗轉(zhuǎn)向板、夾鉗活動(dòng)桿、可升降滑塊。以上部件均在電機(jī)作用下自動(dòng)運(yùn)行。夾鉗為細(xì)齒形結(jié)構(gòu)，張開(kāi)狀態(tài)下齒間距3 mm，抓緊狀態(tài)下有兩檔力，一檔為整理模組下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，二檔為測(cè)量模組中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。一檔比二檔抓力更大。

夾鉗轉(zhuǎn)向板上有轉(zhuǎn)向指示器，控制夾鉗朝向位置。夾鉗活動(dòng)區(qū)間為0°～180°。其中，0°指向測(cè)量模組，90°指向棉倉(cāng)模塊，180°指向整理模組。

夾板活動(dòng)桿上有步進(jìn)電機(jī)控制的移動(dòng)裝置，推擋板在活動(dòng)桿上移動(dòng)，直至將棉倉(cāng)內(nèi)的棉花壓緊。

可升降模塊控制夾鉗的高低位置、夾鉗取樣位置、錫林刷理位置、毛刷整理位置、粘貼位置，高度的調(diào)節(jié)完全由可升降模塊控制。

1.5 夾持黏取模塊

夾持黏取模塊包括粘貼臺(tái)面、壓棉塊、膠帶輪架、膠帶輪和膠帶固定壓板。粘貼臺(tái)面寬度3 mm，長(zhǎng)度25 mm，壓棉塊上有感應(yīng)器，纖維頂端到達(dá)粘貼臺(tái)面區(qū)域后，感應(yīng)器會(huì)發(fā)出指令并停止夾鉗運(yùn)動(dòng)。膠帶輪由3D打印而成，中間可以加裝3 mm紙膠帶。

1.6 測(cè)試模塊

測(cè)試模塊包括鋼尺、鋼尺轉(zhuǎn)向板、可升降模塊、長(zhǎng)度檢測(cè)箱、標(biāo)度玻璃尺等。鋼尺轉(zhuǎn)向板活動(dòng)范圍為0°～90°，可升降模塊有三個(gè)檔位。鋼尺轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在一檔水平位置，取樣完畢后上升高于水平位置的二檔，轉(zhuǎn)向后下降低于水平位置的三檔進(jìn)行長(zhǎng)度檢測(cè)。長(zhǎng)度檢測(cè)箱內(nèi)設(shè)置負(fù)壓裝置，纖維束靠近檢測(cè)箱時(shí)將被負(fù)壓拉直，進(jìn)而可以進(jìn)行合理讀數(shù)。

2 測(cè)試過(guò)程

將新型測(cè)試儀放置在水平桌面上，連接電源，打開(kāi)上蓋。將3 mm膠帶安裝至膠帶輪上，頭端固定于轉(zhuǎn)動(dòng)鋼尺內(nèi)陷槽中。把200 g左右的棉花放入棉倉(cāng)中，按下啟動(dòng)按鈕，推擋板將由起始位向外移動(dòng)，棉花呈現(xiàn)被壓迫狀態(tài)，部分纖維從棉倉(cāng)孔內(nèi)鼓出。夾鉗轉(zhuǎn)向板由起始位置移動(dòng)至活動(dòng)桿中部位置，夾鉗在夾鉗轉(zhuǎn)向板帶動(dòng)下逆時(shí)針轉(zhuǎn)向90°?？缮祷瑝KA升至取樣高度并沿滑桿前進(jìn)，至取樣位置后夾鉗閉合，抓緊棉倉(cāng)內(nèi)鼓出纖維，可升降滑塊A緩緩后退，將抓取纖維由棉倉(cāng)內(nèi)抽出。可升降滑塊A移動(dòng)至與錫林呈線狀水平，夾鉗轉(zhuǎn)向板沿夾鉗活動(dòng)桿向右移動(dòng)至固定位置，使夾鉗頂部與錫林外殼間距為2 mm左右。錫林順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，錫林針布拉扯夾鉗內(nèi)纖維，將纖維內(nèi)部較大雜質(zhì)和浮游纖維清除。可升降滑塊A移動(dòng)至與毛刷呈線狀水平，夾鉗轉(zhuǎn)向板移動(dòng)至夾鉗活動(dòng)桿頂部，高度調(diào)整至毛刷與刷理臺(tái)間隙位置，毛刷逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，夾鉗緩緩送入纖維，對(duì)棉束進(jìn)行刷理使其呈現(xiàn)平齊狀態(tài)。夾鉗轉(zhuǎn)向板順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)180°，可升降滑塊A移動(dòng)至粘貼臺(tái)前部，夾鉗緩緩向粘貼臺(tái)移動(dòng)，將棉束喂入壓棉塊下部粘貼軌道位置。當(dāng)壓棉塊上的感應(yīng)器感應(yīng)到纖維進(jìn)入粘貼區(qū)域，夾鉗停止送入，壓棉塊將向下運(yùn)動(dòng)，壓緊纖維，使纖維束下部被膠帶貼緊。夾鉗緩緩向后移動(dòng)，在相互作用力下，纖維被從夾鉗內(nèi)抽出，壓棉塊上升，纖維將停留在膠帶上。鋼尺在電機(jī)作用下轉(zhuǎn)動(dòng)一周（360°），膠帶連同粘貼牢固的纖維被卷至鋼尺上，同時(shí)新的膠帶在鋼尺拉力下進(jìn)入粘貼軌道。夾鉗再次向前送入纖維，重復(fù)粘貼步驟。鋼尺卷動(dòng)5次后，夾鉗逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°并開(kāi)口，剩余纖維將落入儀器底部驗(yàn)余樣品區(qū)域?？缮祷瑝KB上升1 cm，鋼尺轉(zhuǎn)向板逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°，滑塊B沿軌道緩緩向下移動(dòng)，使鋼尺進(jìn)入長(zhǎng)度檢測(cè)箱，當(dāng)鋼尺頂部到達(dá)玻璃尺0刻度位置時(shí)停止移動(dòng)。通過(guò)刻度玻璃尺觀察纖維長(zhǎng)度。長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)束后，按下復(fù)位按鈕，儀器各部件回歸起始位置。

3 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

3.1 夾鉗的活動(dòng)范圍

夾鉗活動(dòng)軌跡如圖2所示。

圖2夾鉗活動(dòng)軌跡

從俯視位置觀察，夾鉗初始時(shí)鉗口朝向正下方，儀器啟動(dòng)后，夾鉗方向不變，向下移動(dòng)至棉倉(cāng)前方固定位置進(jìn)行取樣。取樣完畢后，夾鉗逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°，夾鉗先后在錫林和毛刷模塊進(jìn)行纖維的清刷梳理。纖維清理過(guò)程完畢后，夾鉗順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)180°，夾鉗進(jìn)入夾持黏取模塊進(jìn)行纖維粘貼定長(zhǎng)步驟。待壓棉器取樣完畢，夾鉗逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°并移動(dòng)至初始位置。在不同的范圍上，夾鉗會(huì)有不同的運(yùn)行高度，這需要升降模塊實(shí)現(xiàn)。完成整個(gè)過(guò)程大約需要40 s。

3.2 膠帶輪結(jié)構(gòu)

膠帶輪細(xì)節(jié)如圖3所示。

圖3膠帶輪細(xì)節(jié)圖

膠帶輪材料為塑料材質(zhì)PP5，使用3D打印技術(shù)制作，結(jié)構(gòu)為可以對(duì)合的雙輪，左輪內(nèi)側(cè)有凹槽，右輪內(nèi)測(cè)有凸柄。雙輪并合后輪廓之間有3 mm寬度的內(nèi)陷區(qū)域，可將3 mm膠帶安裝入對(duì)應(yīng)位置固定。膠帶為單面紙膠帶。

3.3 夾持黏取模塊

夾持黏取模塊是整臺(tái)儀器的一個(gè)關(guān)鍵部件，其內(nèi)側(cè)效果圖如圖4所示。整個(gè)模塊類(lèi)似“U盤(pán)蓋”結(jié)構(gòu)，一端封閉，一端開(kāi)口有內(nèi)凹槽。凹槽內(nèi)有齒狀固定點(diǎn)，保證模塊與卷曲鋼尺結(jié)合緊密。模塊寬度為20 mm，與正常手扯長(zhǎng)度棉束寬度相同，保證黏取后纖維的分布呈現(xiàn)自然狀態(tài)。夾持黏取模塊使用3D打印技術(shù)制作，材質(zhì)為PP塑料。

圖4夾持黏取模塊細(xì)節(jié)圖

3.4 測(cè)試效率

粘貼式棉纖維長(zhǎng)度測(cè)試儀檢測(cè)過(guò)程模擬人工手扯，并結(jié)合HVI檢測(cè)儀器特點(diǎn)，檢測(cè)效率較高［5］。新型測(cè)試儀在技術(shù)上相比粘貼式棉纖維長(zhǎng)度測(cè)試儀做了較大改進(jìn)，在樣品抓取、測(cè)量定長(zhǎng)和不同模塊銜接過(guò)程中由機(jī)械部件作業(yè)，完成了由半自動(dòng)化向全自動(dòng)化的轉(zhuǎn)變。

經(jīng)測(cè)試，粘貼式棉纖維長(zhǎng)度測(cè)試儀檢測(cè)單個(gè)樣品的時(shí)間約2 min，每天可有效測(cè)試200個(gè)左右的樣品。新型測(cè)試儀檢測(cè)單個(gè)樣品的時(shí)間約80 s～90 s，每天可有效測(cè)試樣品300個(gè)以上。

4 測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度驗(yàn)證

棉纖維自身性質(zhì)決定了其質(zhì)量數(shù)值不穩(wěn)定，樣品檢測(cè)數(shù)據(jù)存在一定波動(dòng)性，標(biāo)準(zhǔn)樣品可看作是波動(dòng)性較小的纖維樣品，其數(shù)值為多次檢驗(yàn)后得到的平均值［6］。選取2019年年度國(guó)際長(zhǎng)度/強(qiáng)力標(biāo)準(zhǔn)棉樣作為測(cè)試樣品進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。樣品A：樣 品 類(lèi) 別Long/Strong，代 碼34645，長(zhǎng) 度24.9 mm，整齊度指數(shù)78.0%；樣品B：樣品類(lèi)別Short/Weak，代碼35086，長(zhǎng)度30.0 mm，整齊度指數(shù)84.1%。對(duì)兩種標(biāo)準(zhǔn)樣品使用新型測(cè)試儀分別進(jìn)行10次測(cè)試，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。使用t檢驗(yàn)法確定測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性［7］。

由表1計(jì)算可得，樣品A、B的t檢驗(yàn)值分別為0.752和-0.093，在95%置信區(qū)間下，自由度f(wàn)=9時(shí)，t95%=2.26。兩種標(biāo)準(zhǔn)樣品纖維長(zhǎng)度測(cè)試結(jié)果的t檢驗(yàn)均為|t|＜t95%=2.26，這說(shuō)明該新型測(cè)試儀對(duì)兩種標(biāo)準(zhǔn)樣品的測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值無(wú)顯著差異，本方法檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

表1樣品A、B測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的新型測(cè)試儀是一種自動(dòng)化程度較高的棉纖維長(zhǎng)度檢測(cè)儀器。該儀器以粘貼式棉纖維長(zhǎng)度測(cè)試儀的檢測(cè)原理為基礎(chǔ)，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上進(jìn)行升級(jí)改造，將儀器由半自動(dòng)化改進(jìn)為全自動(dòng)化，提升檢測(cè)效率，更為節(jié)省人工成本。經(jīng)驗(yàn)證，儀器檢測(cè)準(zhǔn)確度高，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方便，適合在行業(yè)內(nèi)推廣使用。