計算機技術在非織造材料工程中的應用

胡炳輝 焦曉寧，2 陳 康

(1.天津工業大學紡織學院，天津，300387;2.天津工業大學先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津，300387)

現代非織造技術具有原料來源廣泛、工藝簡單、勞動強度低，且生產速度快、效率高、工藝多變和產品適用范圍廣等特點，從而使非織造材料能夠迅速在服用、家用、醫療衛生、土工建筑、農業園藝和軍事國防等領域得到廣泛的應用。

推動非織造技術迅速發展的因素除了機械、化工等技術的發展外，計算機技術也是一個非常重要的因素。尤其是計算機技術在紡織領域得到應用后，為進一步提高非織造技術，改進產品工藝，技術人員逐步將計算機技術引入非織造領域，并得到了很好的應用推廣。

計算機技術是進行計算機硬件系統設計、制造和軟件開發并使其應用于各工程領域的新興技術，是信息社會的核心，也是實現現代化的關鍵技術之一［1］。計算機技術通常包括運算方法的基本原理與運算器設計、指令系統、中央處理器(CPU)設計、流水線原理及其在CPU設計中的應用、存儲體系、總線與輸入輸出。具體到工程領域，則可分為科學計算、信息處理、自動控制和輔助設計等。

隨著科技進步和工業的發展需求，自第一臺電子計算機在上世紀中葉誕生以來，計算機技術就獲得了迅猛的發展，功能不斷增強，所用電子器件不斷更新，可靠性能不斷提高，軟件不斷完善［2］。在短短半個多世紀的時間里，計算機技術的發展已經占據了人們工作、生產和生活等諸多領域，節約了資源，帶來了便捷。在非織造業的發展過程中，計算機技術同樣扮演著重要的角色。計算機技術不僅在非織造設備的自動控制方面有重要應用，在非織造的計算機模擬仿真、非織造在線監測、非織造庫存管理等領域也發揮著重要作用。

1 非織造生產中的計算機控制技術

計算機控制系統在工程領域的應用推動了工程技術的快速進步，降低了工人的勞動強度，提高了勞動生產率，提升了產品工藝精度和質量。在現代非織造生產加工過程中，從原料的喂入到最后產品卷繞下機，再到之后的后整理工藝，這些過程順利準確的進行大都離不開自動控制技術。

在目前的非織造領域中，對計算機控制系統的研究主要集中在生產線的自動監測與控制、均勻度檢測與控制、噴絲板的檢測與控制、非織造材料的計算機管理系統和自動化卷繞機等方面。

1.1 熔噴非織造生產線中的自動溫控與在線監測

尤娟娟［3］在研究了國內外熔噴非織造工藝的基礎上，針對國內熔噴非織造生產過程中，因設備對溫度參數采集和調節存在的不足而導致的非織造材料質量不穩定、能源的浪費等問題，設計出Eview觸摸屏上位機軟件系統。該系統采用PLC可編程控制器對多點溫控系統ST Mini SYSTEM進行控制，結合觸摸屏，實現了對整個系統的實時監測和控制，不僅克服了國產設備控制系統的缺陷和不足，而且該系統精度高、實時性好、抗干擾能力強。

1.2 紡黏非織造材料均勻度的自動檢測與控制

楊易［4］提出了計算機分布式控制系統(圖1)，用于紡黏非織造材料厚薄均勻度的在線檢測和自動控制。該系統由上下兩級計算機控制。上位工業控制計算機用于監控，主要包括系統組態、工藝流程輸出、數據分析、控制算法與參數的下裝及生產管理等功能;而下位工業控制計算機通過I/O循環的運行，實現實時控制。上位機與下位機分開運行，相互配合，使系統運行負荷降低，同時提高了系統的安全性和容錯性。

圖1 紡黏法非織造材料生產的計算機控制系統結構

1.3 熔紡非織造生產中噴絲板的自動檢測

在熔噴和紡黏非織造材料的生產加工過程中，噴絲板起著決定性作用，但由于紡絲液本身以及外界條件的不確定性，容易引起噴絲孔的變形、異位甚至堵塞，影響生產和產品質量，因此對噴絲孔進行定期檢測是非常有必要的。然而，目前國內設備自動化程度低，大部分檢測還依靠人工進行，而人為因素則存在著可靠性低、速度慢、勞動強度大，甚至漏檢和誤檢等不足。盡管國外公司已經研制出自動化檢測設備，但因價格昂貴，制約了國內發展需求。

譚志銀［5］在了解到噴絲板檢測存在的問題后，通過對微孔圖像處理技術、微孔自動定位技術、整板檢測自動定位技術、變形噴絲板自動對焦技術以及檢測系統軟硬件設計等的研究，利用機器視覺與微孔圖形處理算法、自動定位算法與自動走位算法以及基于自適應模糊控制的自動對焦技術，開發出熔噴和紡黏噴絲板自動檢測系統(圖2)。該系統克服了人工檢測的不足，提高了國內噴絲板檢測的工藝水平。

圖2 噴絲板自動檢測系統

1.4 非織造生產中應用的其他計算機技術

在國內非織造全自動卷繞機的設計與研究方面，王紅波［6］提出了利用PLC控制技術、傳感器控制技術、變頻控制技術和計算機控制技術開發全自動卷繞機的設計要點。劉海文等［7］對非織造材料的計算機管理系統進行了研究，利用VB語言搭建平臺，并結合ACCESS數據庫，開發出具有實時在線管理與調整功能的非織造材料綜合管理系統。

2 非織造生產中的計算機模擬仿真技術

計算機仿真又稱為計算機模擬，是分析和研究系統運行行為、揭示系統動態過程和運動規律的一種手段和方法［8］。計算機模擬技術的特點是靈活方便、經濟實用、安全可靠，而且具有多次執行和移植的性質，這使其在一些難以真正掌握實際情況，抑或對人有危害等復雜領域的應用成為可能。從現實的應用情況來看，計算機模擬技術已經逐步成為很多實際工程領域和理論研究中實驗設計與分析評估的有效手段。

在非織造技術的發展過程中，人們已經越來越重視工藝過程的精細化，但這些方面又難以掌控，而計算機模擬技術的應用使其成為可能。人們已經利用計算機模擬技術對紡黏非織造生產中的氣流場、紡黏非織造材料力學性能、非織造材料的過濾性能及分形結構等進行了研究。

2.1 紡黏非織造工藝中氣流場的計算機模擬

紡黏非織造材料的生產過程涉及高速氣流對初生絲條的牽伸，這關系著最終非織造材料的性能。該過程由于具有不穩定性而難以控制，因此可以通過仿真軟件進行模擬氣流場的情況，以對工藝過程進行優化調節。趙博［9］結合國內外對紡黏非織造工藝氣流牽伸的現狀，運用有限差分法，建立氣流牽伸的數值模型，并利用計算機數值模擬方法求解牽伸器的噴射流場，得出的預測值與實際值十分吻合。該方法便于對工藝過程的優化控制。

2.2 紡黏非織造材料熱黏合點力學性能的計算機模擬

紡黏非織造材料是通過長絲的熱黏合，形成黏合點而加固的。紡黏非織造材料的力學性能主要由纖維以及纖維之間的黏合點提供，由于纖維排列具有隨機性，為了獲得力學性能較好的紡黏非織造材料，可以通過仿真技術進行模擬。李泰坤［10］結合計算機輔助顯微鏡技術與圖像融合算法，捕獲所需試樣，然后測出設計的試樣參數(纖維線密度、熱黏合點大小和間距、熱黏合點面積比、纖維取向分布以及纖維與熱黏合點的位置)，并測出試樣的強力值。在上述工作的基礎上，通過Python語言編寫ABAQUS軟件，并在ABAQUS中建立紡黏非織造材料的有限元模型，進行了相關的模擬分析。

2.3 針刺非織造技術中刺針排布的模擬

針刺技術是一種機械加固非織造纖維網的方法，其工藝流程短，且工藝簡單，產品已經用于很多領域。在針刺非織造材料加工過程中，對產品影響最大的就是針板上刺針的排布及制造工藝參數。徐健等［11］根據針板上刺針的排布原則，針對刺針加工排布存在的問題，通過計算機技術對針板上刺針的排布進行模擬設計，實現了波浪形針板的算法，采用計算機編程獲得仿真效果，并根據圖形交互界面，對相關參數做出調整，以獲得最終理想的針刺效果。

3 非織造領域中的圖像處理與分析技術

計算機圖像處理是指將圖像信號轉換成數字格式，并利用計算機對其進行處理的過程，主要是由數字圖像變形技術、圖像的傅立葉分析技術、圖像分割、邊緣提取、形狀描述、形態學分析、圖像壓縮編碼、彩色圖像處理等技術組成［12］。近年來，計算機圖像處理技術已經逐步進入非織造的科學研究和生產過程中。

楊云［13］在研究非織造材料厚度均勻性的過程中提出了采用基于機器視覺技術來檢測非織造材料厚度均勻性。機器視覺系統包括特性采集和處理兩個模塊，在合適光源下用數碼相機采集圖像試樣，然后利用在MATLAB下自行開發的檢測分析系統對采集的試樣進行分析處理，實現了非織造材料厚度均勻性的自動檢測。此技術的不足之處是，當被測的非織造材料厚度或者面密度較大時，會因透光性差而無法完全表征厚度均勻度，所以該技術主要適用于厚度或者面密度較小的非織造材料的檢測。

此外，圖像處理技術還可以用于非織造材料纖維取向的分析。由于數碼相機采集的圖像不能完全表征較厚非織造材料的特征，因此李彩蘭［14］提出了利用全自動光學顯微鏡對同一視野下的一組多交面圖像進行采集，運用圖像融合技術實現多層多交面圖像的實時融合，獲得清晰圖像試樣，然后對采集的試樣進行處理分析，獲取相應的纖維取向。

4 結語

信息化是21世紀的一個重要標志，而信息化的一個重要載體就是計算機技術。計算機技術的長足發展，帶來了工業工程、科學技術的深刻變化。非織造材料工程技術發展到今天，非織造材料的生產、加工、檢測以及管理都已離不開計算機技術。隨著國內科研人員對計算機技術在非織造材料工程中應用的進一步研究、探索，以及計算機技術的進一步推廣，國內的非織造材料工程技術必將進一步縮小與國外先進技術的差距。

［1］何文瑤.計算機技術發展態勢分析［J］.科技創業月刊，2007(5)：73-74.

［2］陸銘，徐安東.計算機應用技術基礎［M］.北京：中國鐵道出版社，2013：4.

［3］尤娟娟.MB1600熔噴法非織造布生產線自動控制系統［D］.天津：天津工業大學，2005.

［4］楊易.紡黏法非織造布厚薄均勻度在線檢測與自動控制系統［D］.天津：天津工業大學，2000.

［5］譚志銀.非織造熔紡噴絲板自動化檢測與加工技術的研究［D］.上海：東華大學，2009.

［6］王紅波.國產化全自動非織造布卷繞機的設計要點［J］.產業用紡織品，2010，28(4)：24-26.

［7］劉海文，劉廣平，朱俊萍，等.非織造布計算機管理系統的開發［J］.產業用紡織品，2006，24(2)：26-30.

［8］張鋒.計算機仿真技術及其應用［J］.電腦知識與技術：學術交流，2007(19)：233-238.

［9］趙博.紡黏非織造氣流牽伸工藝理論研究［D］.上海：東華大學，2010.

［10］李泰坤.紡黏熱軋點黏合非織造材料力學性能有限元分析［D］.上海：東華大學，2013.

［11］徐健，盧怡.非織造針刺機針板的計算機設計方法及分析［J］.產業用紡織品，2011，29(11)：32-37.

［12］丁雪榮，宋廣禮.計算機圖像處理技術在紡織品測試中的應用［J］.上海紡織科技，2005(6)：59-61.

［13］楊云.基于機器視覺的非織造材料厚度均勻性檢測系統的研究［D］.武漢：武漢紡織大學，2011.

［14］李彩蘭.基于圖像融合技術的非織造材料纖維取向分析［D］.上海：東華大學，2013.