棉纖維長度/強度測量中自動取樣裝置的設計與實現

■ 郭鵬輝

〔陜西長嶺紡織機電科技有限公司，陜西寶雞721013〕

棉纖維長度/強度測量中自動取樣裝置的設計與實現

■ 郭鵬輝

〔陜西長嶺紡織機電科技有限公司，陜西寶雞721013〕

探討棉花長度/強度的檢測方法，長度/強度測量中取樣裝置的發展過程及在相關產品中的應用，指出較早產品設計方案的缺陷，提出了新的設計方案，并在現有大容量棉纖維測試儀中進行應用，優越性表現明顯。

棉纖維；長度/強度；測量；取樣裝置；設計

棉花是關系到國計民生的戰略物資，是紡織工業的主要原料。隨著我國加入WTO，對外貿易加大，棉花檢驗的方法、標準和交易規則等必須與國際接軌。美國等發達國家，早已使用HVI（High Volume Inspection）大容量棉纖維測試儀對棉花進行逐包檢驗。近年來，瑞士Uster公司在全世界極力推廣其HVI系列產品，使用的國家越來越多，覆蓋面也越來越廣，影響越來越大。在國內，隨著棉花質量檢驗體制改革的展開，具有科學性、普遍性、權威性的全面儀器化公證檢驗正在參改企業逐步推行。

由陜西長嶺紡織機電科技有限公司研發的XJ128快速棉纖維性能測試儀，已于2010年3月完成了由中國纖維檢驗局組織的驗證考核試驗，并于2010年7月通過了由國家質量監督檢驗檢疫總局組織的產品鑒定，目前已投入批量生產。儀器各項指標的正確性、重復性、穩定性以及儀器長期運行的可靠性基本達到進口HVI產品的水平，其中長度/強度測量自動取樣裝置的設計與實現是一項關鍵技術，從大量的考核驗證試驗來看，應用于XJ128快速棉纖維性能測試儀的這套取樣裝置的設計是科學的、成功的。

1HVI大容量棉纖維長度/強度測量的基本原理

1.1 長度測量

采用光電照影法。根據所取的束纖維樣品在光學系統中運動時遮光量的變化過程輸出電信號，由此模擬出照影曲線，依據照影曲線計算棉纖維的平均長度、上半部平均長度和長度整齊度指數。

1.2 強度測量

采用CRE（等速拉伸）方式、3.18 mm隔距、束纖維拉伸方法，根據拉斷一定纖維量所需的力計算出棉纖維強度，根據拉斷距離計算出其伸長率。

2 棉纖維長度/強度測量樣品的取樣

2.1 棉纖維長度/強度測量樣品采樣的基本方法

在長度/強度測量的過程中，棉花纖維樣品取樣的質量和速度直接影響到大容量棉纖維測試儀樣品測量的準確性、一致性和測試效率。為此，原美國斯彬萊公司設計出了針梳式取樣梳夾，將棉纖維均勻一致的排開，以便于用照影法和等速拉伸方式測量棉纖維的長度和強度。從20世紀80年代開始，基于這種取樣方法的棉纖維長度/強度測量取樣裝置，保證了測量數據的一致性和準確性。

2.2 棉纖維長度/強度測量樣品取樣方法分類

目前，快速棉纖維測試儀使用的取樣裝置可分為三大類：一是原美國Spinlab公司20世紀90年代的HVI900儀、印度Premier公司的HFT9000儀和陜西長嶺紡織機電科技有限公司研制的XJ120棉纖維測試儀，這兩種儀器均采用手動取樣裝置；二是瑞士Uster公司的HVI CLASSING、HVI1000和陜西長嶺紡織機電科技有限公司研制的XJ128快速棉纖維測試儀，這些儀器均采用以滾筒為基礎實現棉樣的抓取和梳理；三是瑞士Uster公司的HVI Spectrum測試儀和印度Premier公司的ART棉纖維測試儀，這兩種儀器自動取樣裝置以平面為基礎實現。下面分別介紹幾種取樣裝置的性能及優缺點。

2.2.1 手動式取樣

早期的棉纖維測試儀產品在測量長度/強度時，以手動取樣裝置實現取樣。將棉纖維固定在一個多孔的裝有彈性針布的容器中，配合梳夾的旋轉運動來抓取樣品。由于這種取樣裝置夾雜了過多的人為因素，比如手壓棉樣的壓力大小和手動旋轉梳夾的速度與勻速性，難以保證取得樣品的一致性，測量數據的一致性和準確性較差；測試過程勞動強度高，取樣效率低，不利于大批量檢測。配有此取樣裝置的棉纖維測試儀市場雖有少量還在使用，但已全部停產。

2.2.2 平面式取樣

平面式取樣主要由針布清理裝置、梳理針布、梳夾、棉樣托盤和動作控制系統組成，其工作原理如圖1。

工作流程為：棉樣托盤輸送樣品→梳夾取樣→針布梳理梳夾棉樣→送梳夾棉樣到長度/強度測量模塊→針布清理裝置清理針布。

存在的缺陷：在工作過程中，由于梳夾取樣后在針布上進行平面運動，棉纖維的梳理過程沒有輕重和主次之分，梳理對樣品造成的損傷較大，影響樣品測量結果的準確性和一致性。

2.2.3 滾筒式取樣

滾筒式取樣以滾筒為基礎設計，輔助安裝偏心的針布，滾筒在伺服電機的帶動下按既定控制做圓周運動，梳夾相對滾筒靜止，從而實現棉樣的抓取。裝置主要由汽缸、錫林針布、四指壓板、連桿機構、梳夾、取樣窗口和動作控制系統組成。工作原理如圖2。

工作流程為：將適量棉纖維樣品放入A區域內→發命令給電磁閥→汽缸拉動連桿機構繞其回轉軸旋轉→連桿機構推動四指壓板向右壓下棉纖維樣品→滾筒在伺服電機的帶動下按既定控制做圓周運動，從而實現樣品的抓取和梳理以及針布、梳夾的清理動作。

2.3 滾筒式取樣裝置的設計與特點

2.3.1 裝置的技術關鍵點

此裝置的技術關鍵點是四指壓板壓下的剩余空間的調整。棉纖維長度/強度測量所需束纖維樣品的形成對測量結果至關重要，四指壓板模仿人的手指壓住樣品，就像人的手指一樣來工作。雖然沒有壓力傳感器，但是只要將壓下的剩余空間調整到合適的位置（經驗得到），所需測量的樣品就很少，單筒內濕態樣品一般不超過8 g。

2.3.2 樣品質量保證

合理設計連桿機構，有效地利用空間，使整個取樣機構緊湊合理。樣筒的旋轉使用一體化伺服電機和微型精密行星減速器定量控制，定位準確，工作可靠，運轉平穩，梳夾抓取樣品形成的束纖維更加均勻一致；再經過針布梳理，最終得到的束纖維長度一致、薄厚均勻，這樣對測量結果的準確性、一致性起到重要作用。

2.3.3 裝置解決的技術難題

①使用滾筒裝置，以實現滾筒旋轉而梳夾固定，從而完成自動抓取棉纖維的功能；②使用汽缸驅動連桿機構帶動壓板運動，以此來模仿人的四根手指按壓棉纖維，實現對被測對象的按壓功能；③使用專用錫林針布對抓取的樣品進行梳理，以梳去過多的浮游纖維、棉結和雜質；④使用一體化伺服電機和精密行星減速器定量控制滾筒的旋轉，可靠實現每一個動作。

2.3.4 裝置的優點主要表現在以下兩個方面

一是在工作過程中，由于梳夾取樣后在針布上進行曲線梳理，梳理過程由輕至重，先主要梳理浮游在梳夾上的棉纖維，再做精細梳理，梳掉棉結、雜質和夾雜在束纖維中的浮游短纖維，使得對樣品梳理既無損傷又起到完全梳理的作用，且易于清理針布上殘留的廢棉，這樣便達到了設計的效果，使得所取樣的束纖維長度、均勻性得到較大提高，為后續測量長度/強度打下堅實基礎；二是取樣效率高，整個動作的完成大約只需4 s，大大提高了整機的測試效率。

3 不同取樣裝置采樣整齊度和測量數據的比較

下面結合三種取樣裝置實際取樣的形態和得到的測量數據，比較不同取樣裝置采樣整齊度和測量數據的。

3.1 手動取樣裝置

3.1.1 手動取樣裝置樣品形態，如圖3。手動取樣裝置所采樣品在長度上基本一致，但容易形成須狀。圖中較粗線條的地方是特別厚實或浮游纖維較集中的區域，從放大后的剖切圖中也可以看出，取樣的薄厚均勻程度比較低，這樣極易造成長度/強度測量值的異常，數據不穩定。

3.1.2 手動取樣裝置棉纖維的取樣量（Amount）測量值

手動取樣裝置中，取樣量的設置范圍為700~ 1 200，一組測量值如表1。在這110個數據中，符合此范圍的數有89個，成功比例約為81%，這樣將會影響測量的效率，且數據的一致性不是很好，接近中值

950±100的數據只占成功取樣比例的52.8%。

3.2 平面取樣裝置

3.2.1 平面取樣裝置樣品形態，如圖4。

表1

平面取樣裝置由于梳理方法的缺陷，梳理后的棉纖維前端長度不整齊易形成鋸齒狀，從放大后的剖切圖中還可以看出，取樣的薄厚均勻程度較低，這樣在測量中極易造成長度的異常，數據差異性較大。

3.2.2 棉纖維的取樣量（Amount）測量值

平面取樣裝置中，由于對光學系統的改進，取樣量的設置范圍為650~1500，較手動取樣裝置相對寬松。一組測量值如表2。在這110個測量數據中，符合此范圍的數有100個，成功比例約為90.9%，但接近中值1075±100的數據只占成功取樣比例的29%。雖然整機測量效率有所提高，但長度測量數據的一致性并不好。

表2

3.3 滾筒取樣裝置

3.3.1 滾筒取樣裝置樣品形態，如圖5。

滾筒取樣裝置在梳理方法上較為先進，梳理后的棉纖維前端部長度很整齊，且在從放大后的剖切圖中也可以看出，取樣的薄厚均勻程度比較高，這樣在長度/強度測量中數據的正確性和一致性得到了保證，為大容量棉纖維性能測試儀的全面推廣和應用打下堅定基礎。

3.3.2 棉纖維的取樣量（Amount）測量值

滾筒取樣裝置中，取樣量的設置范圍也為650~ 1 500。一組樣品的測量值如表3。在這110個測量數據中，符合此范圍的數有109個，取樣成功比例約為99.1%，接近中值1075±100的數據占成功取樣比例的58.7%。這樣整機測量效率就得到了較大提高，長度/強度測量數據的準確性和一致性得到了保證。

表3

4 結束語

從以上分析可以看出，在設計棉纖維取樣裝置時，既要考慮機械設計的可行性，又要考慮棉纖維的性狀特異性，還要考慮整個測試系統的綜合性能、效率以及電器方面的可控性。將滾筒式取樣器運用到大容量棉纖維測試儀中，快速獲得棉纖維樣品，就能夠實現其“高效、快捷、準確和穩定可靠”的設計宗旨，是后續長度/強度準確高效測量的基礎。這種技術突破為建立新型棉花收儲和紡織配棉體系提供了堅實的技術與裝備支撐。