真絲倍捻動態(tài)監(jiān)測及質(zhì)量控制方法研究

盛俏俏 蔣晶晶 林平 田偉 張紅霞 祝成炎

摘要： 針對真絲倍捻生產(chǎn)中捻度不勻率控制及設(shè)備管理問題，文章提出了一種基于控制圖技術(shù)的倍捻動態(tài)監(jiān)測及質(zhì)量控制方法。根據(jù)實(shí)際倍捻生產(chǎn)設(shè)計(jì)了錠速均值與錠速變異系數(shù)兩個監(jiān)控指標(biāo)，并對指標(biāo)進(jìn)行了變異源、獨(dú)立性及正態(tài)性分析，確定采用I-MR-R三向控制圖對指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控。結(jié)果表明：控制圖可直觀、有效地反映設(shè)備錠子轉(zhuǎn)速和錠子間錠速不勻率的情況;可從短期和長期兩個時間維度，監(jiān)控預(yù)報(bào)機(jī)臺錠速不勻率的小范圍變化，監(jiān)控捻度不勻變異情況;根據(jù)指標(biāo)波動反映出的漂移量和漂移趨勢，可為設(shè)備維修保養(yǎng)策略制定提供依據(jù)。I-MR-R三向控制圖可以監(jiān)控倍捻生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞： 倍捻;錠速不勻;捻度不勻;I-MR-R控制圖;質(zhì)量控制;漂移量;漂移趨勢

中圖分類號： TS142.222.522

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1001-7003（2021）05-0034-07

引用頁碼： 051106

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.05.006（篇序）

Abstract： To address the problem of uneven control of twist and equipment management problems in double twist production of silk， a method for dynamic monitoring of double twist and quality control was proposed based on control chart technology. According to the actual production of double twist， two monitoring indexes of spindle speed mean value and spindle speed variation coefficient were designed. The analysis of the variation source， independence and normality data of the indexes was performed. It was determined to monitor indexes using I-MR-R three-direction control chart. The results showed that the control chart can directly and effectively reflect the rotating speed of spindle and the unevenness of spindle speed between spindles. From two time dimensions， short-term and long-term monitoring of the small-range change of the spindle speed unevenness and twist unevenness variation could be implemented. The drift distance and drift trend reflected by the fluctuation of index data can provide a basis for formulating equipment maintenance strategy. I-MR-R three-way control chart is feasible for monitoring the production of double twist of silk.

Key words： double twist; uneven spindle speed; twist irregularity; I-MR-R control chart; quality control; drift distance; drift trend

倍捻是真絲織物產(chǎn)品生產(chǎn)中的重要工序，捻度不勻率是倍捻工序中需要控制的關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)。在實(shí)際生產(chǎn)中，不同錠子加捻會因錠速差異導(dǎo)致絲線間捻度不勻;在同一筒絲的不同區(qū)段會因單錠錠速波動導(dǎo)致絲線內(nèi)捻度不勻[1-2]。捻度會影響絲束間的緊密程度，進(jìn)而影響絲束吸收染料的速率和能力，捻度差異過大容易引起染色差異，影響真絲織物染色質(zhì)量，對多股絲線的影響作用更為明顯[3]。另外捻度差異大的絲線混織時，會因捻度不同造成定型回復(fù)差異而產(chǎn)生織物表面的不勻[4]。傳統(tǒng)的捻度及其不勻率控制通常采用事后抽樣檢驗(yàn)的質(zhì)量管理方法，存在質(zhì)量控制滯后的弊端。近年來，自動化技術(shù)及信息技術(shù)在倍捻工藝中逐漸得到應(yīng)用[5]，為倍捻工序的在線質(zhì)量控制創(chuàng)造了條件。當(dāng)前已有公司利用傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了錠子轉(zhuǎn)速的在線動態(tài)檢測[6]，這為動態(tài)監(jiān)控捻度不勻率方法的提出建立了現(xiàn)實(shí)支撐。

為更全面、及時、可視化地監(jiān)控倍捻生產(chǎn)中捻度不勻情況，以及設(shè)備運(yùn)行狀況，并提高生產(chǎn)的管理效率和質(zhì)量，本文提出利用控制圖技術(shù)對倍捻工序進(jìn)行監(jiān)控。本文以達(dá)利絲綢（浙江）有限公司（以下簡稱達(dá)利絲綢）真絲倍捻車間為對象，設(shè)計(jì)相關(guān)監(jiān)控指標(biāo)，并通過對監(jiān)控指標(biāo)具體樣本數(shù)據(jù)的分析，建立適用于倍捻生產(chǎn)的控制圖，在后續(xù)生產(chǎn)中能利用控制圖達(dá)到判斷倍捻生產(chǎn)狀況的目的。

1 倍捻動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 倍捻動態(tài)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)路徑

倍捻動態(tài)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)路徑如圖1所示。

倍捻動態(tài)監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)主要分兩步：倍捻數(shù)據(jù)信息采集與倍捻動態(tài)監(jiān)控及分析。

1.2 倍捻生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息采集

倍捻設(shè)備數(shù)據(jù)信息先經(jīng)傳感器檢測，再由控制器對傳感器值完成讀取、處理和儲存，然后將處理后的數(shù)據(jù)通過總線上傳到總數(shù)據(jù)采集器中，最后通過路由器與服務(wù)器互聯(lián)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，最終在服務(wù)器端完成信息的儲存顯示[7]。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中包含諸多的生產(chǎn)信息要素，如機(jī)臺號、時間、班次等基本信息，設(shè)計(jì)錠速、設(shè)計(jì)捻度、旦數(shù)等工藝信息，錠號、錠子狀態(tài)、單錠錠速等運(yùn)行信息，以及產(chǎn)量效率、功率能耗、環(huán)境溫濕度等其他重要信息。

1.3 倍捻動態(tài)監(jiān)控分析數(shù)據(jù)庫

1.3.1 監(jiān)控對象選擇與指標(biāo)設(shè)計(jì)

為更好地對加捻質(zhì)量進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中選擇錠速及相關(guān)重要信息建立倍捻動態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫。其中主要包含兩類數(shù)據(jù)：一類是直接獲取的數(shù)據(jù)，如機(jī)臺號、錠號、錠子轉(zhuǎn)速等;另一類是計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，針對監(jiān)控對象計(jì)算的各類監(jiān)控指標(biāo)。實(shí)際生產(chǎn)過程中，選擇合適的監(jiān)控對象及控制指標(biāo)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量控制的關(guān)鍵。

1）監(jiān)控對象。捻度是倍捻加工的質(zhì)量特性值，但在生產(chǎn)中很難直接對捻度進(jìn)行監(jiān)控，此時可對影響質(zhì)量特性的主要因素進(jìn)行監(jiān)控。倍捻捻度的計(jì)算公式如下：

式中：T為捻度，T/m;n為錠速，r/min;v為線速度，m/min。

錠速是倍捻加工過程中影響捻度變化的重要因素，因此需將監(jiān)控絲線加捻質(zhì)量特性值轉(zhuǎn)化成監(jiān)控錠子轉(zhuǎn)速。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，達(dá)利絲綢采用的XB-318型倍捻設(shè)備（浙江泰坦股份有限公司）為雙面雙層，錠數(shù)為256錠/臺，上下層獨(dú)立控制。為保證監(jiān)控對象數(shù)量合適，全面反映錠子間的情況，確定以機(jī)臺一層（機(jī)層）128個錠子的錠速tier為單位作為本次過程控制的監(jiān)控對象。

2）監(jiān)控指標(biāo)。為表現(xiàn)機(jī)層總體錠速相對設(shè)計(jì)錠速的準(zhǔn)確性及機(jī)臺錠子間錠速不勻情況，確定錠速均值Ntier及錠速變異系數(shù)CVtier（下文簡稱錠速Ntier和錠速CVtier）兩個監(jiān)控指標(biāo)。錠速Ntier（r/min）及錠速CVtier（%）計(jì)算公式如下：

式中：ni為單錠錠速;m為機(jī)層錠子數(shù);S為標(biāo)準(zhǔn)差。

錠速Ntier表示機(jī)層錠子錠速的集中趨勢，其波動情況可表現(xiàn)機(jī)層總體錠子轉(zhuǎn)速的變化及其趨勢;錠速CVtier表示機(jī)層128錠錠子錠速的離中趨勢，表現(xiàn)錠子間的錠速不勻率，其波動情況可表現(xiàn)錠速不勻率的變異情況。絲線間捻不勻與錠速不勻是包含但不完全關(guān)系，錠速CVtier可以表征錠速不勻造成的紗線間捻度不勻情況，但無法判斷線速度不勻引起的捻度不勻。

1.3.2 樣本數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)預(yù)處理

根據(jù)控制圖對樣本數(shù)據(jù)的要求[8-9]，確定樣本數(shù)據(jù)獲取采用系統(tǒng)抽樣法，子組樣本采用連續(xù)抽樣：每天6組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)時間間隔10 min，收集25批次。樣本數(shù)據(jù)用集合表示如下：M表示收集的總體數(shù)據(jù)集，M={P1，P2，……，Px}，根據(jù)控制圖樣本量要求，x為25及以上數(shù)值;Pi表示每天收集的數(shù)據(jù)總和，Pi={Q1，Q2，……，Qy}，此次研究y值為6;Qi表示機(jī)層某時刻錠子轉(zhuǎn)速的集合，Qi={n1，n2，……，n128}。其中集合M、P、Q的關(guān)系為QPM。對Qi總集計(jì)算錠速Ntier及錠速CVtier得到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)集，分別記為樣本集合N和C。

以達(dá)利絲綢倍捻車間1號機(jī)臺下層加捻2股21旦廠絲，捻度要求2 600 T/m，工藝參數(shù)設(shè)定錠速8 200 r/min;線速度6.3 m/min生產(chǎn)數(shù)據(jù)為例，采集樣本數(shù)據(jù)集合M。分析具體錠速數(shù)據(jù)集發(fā)現(xiàn)：集合Qi包含兩個部分，Qi={QOBSi，QMISi}[10]，其中QOBSi是錠子錠速非零集，QMISi是由斷紗引起的錠速缺失集。無視缺失集QMISi直接計(jì)算監(jiān)控指標(biāo)，會影響統(tǒng)計(jì)值的可靠性，影響最終結(jié)果的判斷?，F(xiàn)基于倍捻生產(chǎn)中錠子運(yùn)行速度在多數(shù)情況下波動較小的特性，對缺失值采用填補(bǔ)法，用臨近時刻的錠速填補(bǔ)。為避免組中缺失值數(shù)量對結(jié)

果產(chǎn)生太大的影響，將每組數(shù)據(jù)缺失比重控制在8%以下，也即機(jī)層128錠錠子斷頭少于10錠，當(dāng)機(jī)層斷頭數(shù)占比超過8%時，該組數(shù)據(jù)不參與統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算。數(shù)據(jù)預(yù)處理后，用式（2）～（4）計(jì)算得到分析樣本集合N和C。

2 樣本數(shù)據(jù)分析及分析用控制圖建立

2.1 數(shù)據(jù)假設(shè)檢驗(yàn)

根據(jù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)屬性，控制圖主要可分為計(jì)量型控制圖和計(jì)數(shù)型控制圖兩類。根據(jù)樣本集合N和C中的數(shù)據(jù)屬性，確定控制圖類型為計(jì)量型控制圖。為選擇更合理、控制效果更好的控制圖，需要進(jìn)一步確定樣本數(shù)據(jù)特征及分布情況，分析集合N和C中樣本數(shù)據(jù)的變異來源、數(shù)據(jù)獨(dú)立性，以及正態(tài)分布情況。

2.1.1 變異源分析

變異源分析是指通過對過程收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出變異來源的結(jié)論[11]。變異的來源主要可以分為兩個方面：隨機(jī)誤差和組間差，其中組間差主要考慮原料、環(huán)境及時間因素形成的變異。多變異圖可以判斷數(shù)據(jù)中的波動是否全部來自隨機(jī)波動，對樣本數(shù)據(jù)作監(jiān)控指標(biāo)對于批次的多變異圖，如圖2、圖3所示。

各批次內(nèi)6組間的差異為組內(nèi)差，批次間的差異為組間差。從圖2可以看出，錠速Ntier指標(biāo)組內(nèi)差小，組間差大。從圖3可以看出，錠速CVtier指標(biāo)組內(nèi)差與組間差相差不大。組內(nèi)抽樣時間間隔短，因此組內(nèi)差異主要由隨機(jī)誤差造成。組間抽樣時間間隔長，因此組間波動經(jīng)?？紤]環(huán)境、設(shè)備、人員操作及原料等之間的差異，可以歸為批次不同引起的差異。

為進(jìn)一步確定隨機(jī)誤差產(chǎn)生的變異在總變異中的占比，本文對兩監(jiān)控指標(biāo)的變異源進(jìn)行定量分析，確定隨機(jī)誤差與批次的方差分量，結(jié)果見表1。

一般只有當(dāng)隨機(jī)誤差的方差分量占比達(dá)到90%以上時，才認(rèn)為隨機(jī)誤差為唯一變異源[12]。從表1可以看出，錠速Ntier和錠速CVtier的隨機(jī)誤差占比分別為5.2%和80.3%。因此，錠速Ntier及錠速CVtier兩個監(jiān)控指標(biāo)都無法認(rèn)為隨機(jī)誤差是唯一的變異源。此外還可以得到結(jié)論：錠速Ntier指標(biāo)

波動主要受非隨機(jī)誤差因素影響，而錠速CVtier指標(biāo)波動受隨機(jī)誤差影響大，但也存在其他影響因素。

2.1.2 獨(dú)立性及正態(tài)性分析

正確判斷樣本數(shù)據(jù)的獨(dú)立性及分布情況是選擇合適控制圖的前提。本文對兩個監(jiān)控指標(biāo)的子組均值進(jìn)行獨(dú)立性及正態(tài)性檢驗(yàn)，獨(dú)立性檢驗(yàn)采用游程檢驗(yàn)方法[13]，結(jié)果見圖4和圖5;正態(tài)性檢驗(yàn)采用Anderson-Darling（AD）檢驗(yàn)方法[14]，結(jié)果見圖6和圖7。

數(shù)據(jù)獨(dú)立性判斷看P值，當(dāng)P<0.05時，認(rèn)定拒絕數(shù)據(jù)相互獨(dú)立的假設(shè)。圖4和圖5中P≥0.05，因此認(rèn)為錠速Ntier及錠速CVtier樣本數(shù)據(jù)是相互獨(dú)立的。

數(shù)據(jù)正態(tài)性判斷看P值，判斷條件與獨(dú)立性判斷條件一致。圖6和圖7中P>0.05，因此認(rèn)為樣本子組均值服從正態(tài)分布。

2.2 控制圖確定

傳統(tǒng)休哈特控制圖理論是以μ±3σ為控制限將隨機(jī)因素和其他因素區(qū)分開。而倍捻樣本數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示除隨機(jī)因素以外，還存在其他因素一起對監(jiān)控指標(biāo)波動產(chǎn)生影響，且在錠速Ntier指標(biāo)中其他因素的影響作用比隨機(jī)因素大，然而在實(shí)際中這種數(shù)據(jù)的波動又是可被生產(chǎn)容許的。控制圖控制

生產(chǎn)的實(shí)質(zhì)是監(jiān)控生產(chǎn)過程是否穩(wěn)定，雖然對于倍捻兩個監(jiān)控指標(biāo)而言隨機(jī)誤差不是唯一變異源，組間差比組內(nèi)差大，各組均值之間有較大波動的情況，但這種波動狀態(tài)若能保持穩(wěn)定，也可認(rèn)為生產(chǎn)處于穩(wěn)定正常狀態(tài)，可用控制圖對其進(jìn)行控制，只是在控制線的估計(jì)方法上要根據(jù)樣本數(shù)據(jù)特征進(jìn)行確定。

倍捻兩個監(jiān)控指標(biāo)因變異源不唯一且組間差比組內(nèi)差大得多，無法使用傳統(tǒng)Xbar-R控制圖中用組內(nèi)極差估計(jì)總體標(biāo)準(zhǔn)差獲得的控制線[15]。不然會導(dǎo)致計(jì)算的控制線偏小，大部分點(diǎn)會落在控制線外，以致結(jié)果顯示生產(chǎn)過程不受控。采用組間差對總體標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行估計(jì)相對比較合理，I-MR控制圖總體的標(biāo)準(zhǔn)差是采用組間的移動極差進(jìn)行估計(jì)的。又為滿足組內(nèi)和組間同時監(jiān)控的目的，本文在I-MR控制圖基礎(chǔ)上增加子組內(nèi)樣本極差R或標(biāo)準(zhǔn)差S的控制圖用于監(jiān)控組內(nèi)變異情況。本文子組樣本數(shù)為6（少于8），組內(nèi)監(jiān)控采用R控制圖，因此最終確定采用I-MR-R（組間/組內(nèi)）三向控制圖監(jiān)控倍捻的兩個監(jiān)控指標(biāo)。

2.3 I-MR-R三向控制圖的建立與分析

I-MR-R（組間/組內(nèi)）控制圖中主要包含三張控制圖：子組均值單值控制圖、子組均值移動極差控制圖、子組樣本極差控制圖。其中前兩張控制圖用于監(jiān)控組間變異情況，最后一張控制圖用于監(jiān)控組內(nèi)的變異情況。圖8、圖9分別為錠速Ntier和錠速CVtier兩個監(jiān)控指標(biāo)的I-MR-R控制圖。

圖8和圖9中，UCL和LCL分別表示控制上下線;子組均值控制圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)表示一批次中6組數(shù)據(jù)的均值;子組均值MR控制圖中的一個數(shù)據(jù)點(diǎn)表示相鄰兩批子組均值差的絕對值;樣本極差控制圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)表示一批次內(nèi)6組數(shù)據(jù)間的極差。子組均值及子組均值移動極差控制圖表現(xiàn)組間情況，也即表現(xiàn)長時間（不同批次）的變化情況;樣本極差控制圖表現(xiàn)組內(nèi)情況，也即表現(xiàn)短時間的變化情況。

觀察圖8和圖9可知：

1）圖8中的樣本極差控制圖顯示25批次的數(shù)據(jù)點(diǎn)均落在控制線4.19之內(nèi)，表明機(jī)層在短時間內(nèi)錠子運(yùn)行速度穩(wěn)定，波動差在4 r/min以內(nèi)。圖8中的子組均值及子組均值移動極差控制圖顯示子組均值數(shù)據(jù)點(diǎn)均落在[8 179.98，8 195.62]內(nèi)，且前后批差異量小于9.61，表明批次之間錠速Ntier存在差異，差異量大于短時間內(nèi)的波動差，但都處于8 180～8 196 r/min，前后批次的機(jī)層錠速漂移量10 r/min。錠速Ntier小于設(shè)定值8 200 r/min，說明機(jī)層多數(shù)錠子轉(zhuǎn)速小于設(shè)定值。

2）圖9中樣本極差控制圖顯示25批次的數(shù)據(jù)點(diǎn)均落在控制限0.229 1%以內(nèi)，表明同一批次內(nèi)機(jī)層錠子間轉(zhuǎn)速不勻率差異小。圖9中的子組均值及移動極差控制圖顯示錠速不勻率小于0.476 9%，批次間存在的差異值小于0.097%，表明錠子間錠速差異造成的絲線間捻不勻率在0.48%以內(nèi)，且差異變化穩(wěn)定。

從圖8和圖9控制圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)均落在控制限內(nèi)可判斷該倍捻設(shè)備當(dāng)前處于統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)，因此可將分析用控制圖轉(zhuǎn)化成控制用控制圖，在隨后的生產(chǎn)中可隨時對檢測到的機(jī)層錠子轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算，添加到控制圖中進(jìn)行分析，確認(rèn)倍捻生產(chǎn)是否維持統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)落在控制限內(nèi)時，表明倍捻生產(chǎn)穩(wěn)定;當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)落入控制限外時，表明倍捻生產(chǎn)脫離穩(wěn)定狀態(tài)，可能發(fā)生異常，及時報(bào)警提醒管理人員關(guān)注調(diào)整，達(dá)到倍捻生產(chǎn)的控制和設(shè)備管理的目的。

錠速Ntier控制圖和錠速CVtier控制圖可分別觀察機(jī)層錠子轉(zhuǎn)速及其漂移量，機(jī)層錠子間的錠速不勻率及其變化量，并能利用控制線判斷是否發(fā)生異常，從機(jī)層錠子轉(zhuǎn)速及錠子間不勻率兩方面實(shí)現(xiàn)對倍捻生產(chǎn)穩(wěn)定的判斷。另外，依據(jù)錠速的漂移量和漂移趨勢，還可分析判斷機(jī)臺運(yùn)行狀態(tài)，如當(dāng)機(jī)層潤滑效果變差時，錠子錠速會因阻力增大而呈下降趨勢;反過來當(dāng)控制圖錠速Ntier呈下降趨勢且臨近邊界時，可及早提出預(yù)警對設(shè)備進(jìn)行潤滑方面的維修保養(yǎng)。

3 結(jié) 論

本文提出利用控制圖技術(shù)對倍捻生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控，確定了機(jī)層錠速均值和機(jī)層錠速變異系數(shù)兩個監(jiān)控指標(biāo)，并圍繞達(dá)利絲綢倍捻設(shè)備收集的樣本進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，最后基于數(shù)據(jù)分析結(jié)果對控制圖進(jìn)行了優(yōu)選，得到以下結(jié)論：

1）通過對錠速均值與錠速變異系數(shù)兩個監(jiān)控指標(biāo)樣本數(shù)據(jù)的獨(dú)立性檢驗(yàn)、正態(tài)性檢驗(yàn)及變異源分析，得到樣本數(shù)據(jù)相互獨(dú)立且符合正態(tài)分布，但隨機(jī)誤差不是唯一變異源，且錠速均值指標(biāo)波動受非隨機(jī)誤差因素影響大。

2）采用I-MR-R三向控制圖對兩個監(jiān)控指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，能同時實(shí)現(xiàn)短期和長期的穩(wěn)定性判斷，監(jiān)控全面且相對合理，具備可行性。

3）控制圖可反映倍捻設(shè)備錠子轉(zhuǎn)速情況及機(jī)臺內(nèi)的錠速不勻率，依據(jù)數(shù)據(jù)的波動可得到錠速的漂移量和漂移趨勢，科學(xué)地為設(shè)備制定維修保養(yǎng)策略。

該方法能通過錠速不勻率分析預(yù)報(bào)捻度不勻率的小范圍變化，監(jiān)控捻度不勻變異情況，當(dāng)生產(chǎn)處于不受控時及時報(bào)警，提示生產(chǎn)管理人員采取措施，這對絲線倍捻質(zhì)量控制及設(shè)備管理都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。另一方面，提高了紡織數(shù)字化過程中數(shù)據(jù)資源的利用率，對紡織智能化進(jìn)程具有一定的推動作用。

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