基于數控技術的棉紡環錠細紗機創新發展

郭明瑞 高衛東

（江南大學，江蘇無錫，214122）

紡織工業化發展進程中，環錠細紗機起步時間早，技術發展較為成熟，市場占有率高，是目前主要的紡紗設備。據相關資料統計，全球仍有80%以上的細紗紡紗設備為環錠細紗機，而我國作為最大的紗線生產國，環錠紡紗錠的保有量過億錠，約占全球總量的一半。但是，環錠紡受其非自由端紡紗原理的限制，加捻過程與卷繞過程無法分離，其卷裝容量較小，且加捻過程存在紡紗氣圈，使得紡紗張力較大，限制了紡紗速度的大幅度提升。近年來，自由端紡紗技術得益于加捻過程與卷繞過程獨立進行，紡紗速度明顯高于環錠紡，得到了迅猛發展，其中轉杯紡技術和噴氣渦流紡技術已經占據了相當規模的紡紗市場。當然，環錠紡雖然紡紗速度較低，但其加捻過程紗線兩端受握持，對纖維原料的品種和長度適應性好，所紡號數范圍廣，同樣具有自身的優勢特點，在一定時期仍將占據較大的紡紗市場份額。

當前環錠細紗機制造水平居于領先地位的國外紡機公司，仍然為環錠細紗機的技術提升而努力。國內紡機公司近幾年發展速度同樣較快，無論是細紗機錠數、自動化水平、紡紗質量和設備可靠性方面都得到了顯著提升，與國外高水平細紗機的差距越來越小。同時，印度朗維公司的環錠細紗機水平也有明顯進步。近年來，環錠細紗機技術的顯著進步是自動化水平的提升，而這一進步主要源于數控技術的發展和應用，為今后進一步提高生產效率、減少用工數量、降低勞動強度提供支撐，以維持環錠紡技術的長遠發展［1-3］。數控技術是用數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點。本文將對環錠細紗機數控技術的創新應用作以系統梳理與分析。

1 國產環錠細紗機的發展歷程

國產環錠細紗機的發展大致可分為五個階段。

第一代：新中國建立初期，1954 年實現批量生產的1291、1301 型環錠細紗機，牽伸倍數14 倍～20 倍。20 世紀60 年代對1291 型細紗機進行了改進，將重力加壓改為前、中羅拉杠桿加壓，大鐵輥改為磁性輥，采用分離式彈性支承高速錠子，牽伸倍數提升至40 倍。

第二代：在紡紗實踐中，對細紗機的原料適紡性提出了新的要求，研究人員經過對牽伸機構的改造，于1965 年開發出A512 型細紗機，達到408錠/臺，采用三羅拉長短膠圈牽伸、彈簧擺動銷，牽伸倍數擴大至10 倍～50 倍。1974 年，推出A513型，錠數增加至480 錠/臺，所紡紗線產品質量有了更大提升。

第三代：20 世紀80 年代后期，相繼開發出FA502 型、FA503 型環錠細紗機，實現了羅拉中心距可調，改善了對不同長度纖維的適紡性，可紡棉纖維和中長纖維。前三代環錠細紗機主要是對牽伸裝置進行改進，并未對細紗機的橫斷面、結構、縱向布局等方面有較大改進。

第四代：改革開放以來，我國工業高速發展，國外先進紡機制造技術不斷引進，國產細紗機進入了快速發展階段，以集體落紗長車為代表的新機型使細紗機錠數規模有了顯著提升，各細紗機生產公司推出了多型集體落紗長車，有F1510 型、JWF1532 型、EJM128JL 型、TH578 型、DTM139型、ZJ798型、BS562型、SXF1599A 型和TM5263E型等。

第五代：以全數控技術為標志的細紗機區別于傳統機械傳動細紗機，自動化水平有了質的飛躍，如JWF1580 型、BS598EM 型、TH598J 型等。

2 環錠細紗機的數控技術應用

2.1 數控電子牽伸技術

2.1.1 主電機節能技術

電機一直是工業用電大戶，傳統的環錠細紗機均由一臺主電機作為主傳動的動力源，驅動錠子旋轉、羅拉牽伸、鋼領板升降等動作。在紡織業早期，主電機為單轉速電機，只能以恒定速度運行，無法實現變速；后來有雙轉速電機的出現，但變速范圍仍然限制較大，直至變頻技術在細紗機主電機上的應用，實現了細紗機錠速范圍和變化模式的靈活配置，在優化紡紗錠速的同時，實現了節能降耗［4-6］。細紗機的工作環境對電機的要求是發熱少、散熱好、效率高。目前，細紗機主軸電機由原來的三相異步電機改為永磁同步電機，在保證設備運行效率的同時降低能源消耗，增加設備使用壽命。永磁同步電機的定子為三相對稱繞組，與三相異步電機結構相同，轉子上置有磁鋼，在穩定運行時轉子上沒有電阻損耗，另外，由于永磁電機的磁場由永磁體產生，不需定子中的無功勵磁電流，通過合理設計可以使電機定子繞圈中的電流顯著降低，繞組銅耗明顯減小，達到減少總能耗、提高效率的目的。

瑞士立達G38 型環錠細紗機采用西門子IE4永磁變頻電機，效率比先前使用的IE3 電機高3%，比IE1 電機高14%。同時，IE4 主電機驅動專為高速運行設計，以達到節能效果［7］。除G38型環錠細紗機外，印度朗維公司的LRJ9SX 型環錠細紗機也采用IE4 永磁變頻電機［8］。

2.1.2 電子牽伸技術

傳統細紗機的牽伸機構是由主電機通過齒輪箱傳動，各羅拉之間的速比通過改變齒輪齒數配比來調整實現，結構繁瑣，變換工藝耗時。采用伺服或變頻驅動系統控制細紗機的牽伸羅拉運轉，對提高細紗機的自動化水平有重要意義［9-11］。細紗機牽伸機構包括左、右兩側，每側由前、中、后3根羅拉構成，電子牽伸就是將前、中、后3 根羅拉采用3 個獨立的伺服或變頻電機驅動，實現總牽伸倍數和后區牽伸倍數的數字化控制，無需再更換牽伸傳動齒輪，同時在一定意義上實現了牽伸倍數的連續調節。而細紗機驅動單元數量的配置通常跟全機錠數相關，對于600 錠以下的短車，通常采用車頭單側傳動；1 200 錠左右的細紗機通常分為兩段，采用車頭、車尾兩側傳動；而1 800 錠左右的細紗機多分為三段，采用車頭、中部（1/3 位置）、車尾三處傳動。

瑞士立達G38 型環錠細紗機的電子牽伸系統FLEXIdraft 采用變頻控制電機，另外其配置的FLEXIstart 裝置還可實現牽伸系統的分段啟停，這樣可提高機器啟動的效率。根據機器的長度，只需開啟機器的1/4 或1/2。德國青澤ZR72XL型環錠細紗機采用了DraftBox 封裝式電子牽伸驅動裝置，傳動機構完全密封設計，無需清潔或對齒輪加油潤滑，便于維護保養。

目前，電子牽伸技術面臨的難點主要是紡紗過程中，中途停車與再啟動時所產生紗線短片段粗、細節問題，這是由于電子牽伸裝置的前、中、后羅拉的伺服電機獨立，其運行過程中的轉速和扭矩差異較大，部分電子牽伸裝置的啟動和停止過程中各列羅拉的加、減速比例很難保持完全一致。并且這種由于中途停車與再啟動所產生的紗線短片段粗、細節在后道絡筒工序的處理難度較大。

2.1.3 錠子羅拉掉電同步停車技術

由于全數控細紗機的羅拉與錠子分離傳動，在突發停電時，兩者慣性差異較大，羅拉與錠子容易出現停車不同步的情況，造成全車斷頭。這一問題通過直流共母線技術得到了解決，實現多電機斷電同步停車及短時電壓波動不斷紗。直流共母線掉電同停技術是采用主變頻器負載主軸，將機械負載轉化為電能負載，在停電時，主電機反向作為發電機發電，通過直流共母線技術為錠子、羅拉、鋼領板的驅動電機提供所需電能，實現斷電同停，在突發停電情況下最大程度保持紗線不斷。

2.2 數控電子卷繞成形技術

卷繞成形機構是環錠細紗機的主要機構之一，傳統的細紗機卷繞成形都是通過機械結構來實現的。機械式的卷繞成形機構有以下缺點：機械部件配置參數固定，無法實現連續性變換卷繞參數；調整工藝參數時，需更換部件，工作量大，停機時間長；機械凸輪運行過程存在桃尖沖擊、桃底停頓等缺陷，凸輪磨損會造成桃尖和桃底部分紗線堆積，后續管紗絡筒高速退繞易出現脫圈和滑塌現象。數控電子卷繞成形技術很好地解決了上述問題，該技術的應用使得紡紗成形變得簡單，與傳統的機械凸輪機構相比，采用伺服驅動后，可以通過數學模型實現各種經典凸輪曲線，最優化紡紗過程的鋼領板運動規律，對于各品種紗線的管紗成形可以設置最優化的成形曲線，優化管紗卷裝容量和高速退繞性能［12-13］。使管紗成形工藝變得更加靈活，無需對機械組件進行變化，還消除了機械結構磨損所帶來的機器維護成本。

2.3 數控集體落紗技術

細紗機落紗是生產環節之一，人工落紗工作強度高、效率低。隨著細紗機向“長車化”發展，數控集體落紗技術對提高細紗機自動化水平、降低人工勞動強度、減少用工，有重要作用［14］。目前，各廠家的細紗機長車均配備數控集體落紗裝置。數控集體落紗技術涉及電氣、機械、氣動和傳感器技術等。生產過程中，當系統接收到落紗信號后，集體落紗裝置會將空管插入中轉錠位，然后將滿管紗線一次性自動拔出，并轉移至下方輸送軌道的錠位上，再將中轉錠位的空管轉移至細紗機紡錠上，紡紗重新開始。集體落紗裝置多采用頂部抓管方式，以避免對紗線造成損傷，落紗效率高，紗線留頭率高，節約用工。目前，數控集體落紗時間可控制在3 min 以內。

經緯紡機JWF1580 型細紗機配置的數控集體落紗技術，實現了1 824 錠長車精準快速集體落紗，解決了長車氣架升降和里外擺運動一致性問題，傳動管采用無間隙連接技術，通過脹套擠壓安裝在兩傳動管之間的方式，調節螺釘來壓緊傳動管脹套，消除各氣架傳動管之間的間隙，提高了長車氣架集體落紗可靠性。并設計滾珠絲杠驅動集落氣架，傳動效率高，定位準確，落紗時間縮短至2.5 min，實現精準、快速落紗。同時優化了滿紗輸送及空管落管技術，空管走管率由28 個/min提升至最高45 個/min，滿足了粗號紗落紗頻繁對管紗輸送效率的高要求。日本豐田自動織機株式會社RX300 型環錠細紗機自動落紗后的空管走管率為40 個/min［15］。

2.4 單錠監測與自動接頭機器人

細紗紡紗斷頭是影響生產連續化的重要因素，目前只能通過人工巡回檢查，發現斷頭進行人工接頭，由于紡紗斷頭具有一定隨機性，無法預測，傳統的細紗機只能人工按巡回路徑巡查，工作強度高，看臺數不多。環錠細紗機單錠監測技術是反饋紡紗斷頭、弱捻的有效手段，從原理上主要分為光電式和電磁式，都是通過檢測鋼絲圈的運行情況獲取紡紗信息，進而判斷紡紗斷頭和弱捻情況［16］。現有單錠檢測裝置多安裝在鋼領板上，紡紗狀態下實時檢測鋼絲圈運行狀態，檢測細紗斷頭情況，在斷頭處及車頭車尾進行燈光提示，可通過電子屏顯示機臺斷頭數量和位置，給予擋車工指引，降低擋車工勞動強度，提高看臺率。同時，基于單錠監測技術，還發展出粗紗停喂裝置，安裝在后羅拉后方位置，在紡紗斷頭后，粗紗自動停喂，有助于節約原料和生產管理。

單錠監測是細紗自動接頭機器人的基礎，只有準確獲取斷頭信息，自動接頭機器人才能精確定位實施接頭操作。細紗自動接頭機器人是對細紗工序自動化具有重要意義的一項數控技術，為實現細紗無人值守車間提供了可能［17-18］。目前，環錠紡細紗接頭機器人產品主要由瑞士立達和西班牙品特兩家公司推出，這兩家公司的產品均具有較高的原創性。例如，瑞士立達公司推出的自動接頭機器人ROBOspin，可以模仿人工自動完成整個接頭循環，從尋找管紗上的紗線開始，將紗線穿套鋼絲圈、導紗鉤，并采用繞膠輥形式接頭，另外也可以借助輔助紗線實現空管生頭。該接頭機器人須在機器兩側各配置一臺，從集成單錠監測系統接收紗線斷頭信息，發起接頭操作。

雖然現階段接頭機器人的技術難度和設備成本都較高，影響了其推廣的速度，但面對企業招工難的現狀，在機器換人大背景下，相信細紗接頭機器人會成為必然選擇。

3 環錠細紗機的發展趨勢

3.1 高速化

環錠細紗機受加捻卷繞原理的限制，相對于新型紡紗技術，其紡紗速度處于弱勢。因此，提升環錠紡紗速度將長期伴隨環錠細紗機的發展。在現有條件下，通常錠速每提高2 000 r/min 左右，細紗產能可以提高10 %左右。隨著錠子、鋼領、鋼絲圈等配件為適應高速化的發展，以及氣圈環等配件的應用，為細紗機高速化創造了一定條件。雖然，細紗機提速后不可避免地會增加斷頭率，增加對成紗質量和斷頭率的控制難度，但通過進一步的工藝優化是可以克服的。

在環錠細紗機高速化發展方面，德國青澤公司推出的Z72XL 型環錠細紗機［19］，設計錠速高達26 000 r/min，是目前設計錠速最高的環錠細紗機，在部分紗線品種紡紗時，實際生產速度可達20 000 r/min，并且單臺錠數突破了2 000 錠，達到了前所未有的2 016 錠，也是目前錠數最多、機臺長度最長的環錠細紗機。瑞士立達公司的G38型環錠細紗機設計錠速也達到了25 000 r/min 的高速，生產9.8 tex 機織紗時，最高運轉速度達到了22 500 r/min。另外，印度朗維公司的LR9/SX型環錠細紗機設計錠速同樣達到了25 000 r/min，在設備高速化上也已經達到了較高水平。隨著國產環錠細紗機技術的不斷進步，機器設計錠速也在逐步提高，如中國經緯紡機的JWF1580 型、JWF1590 型環錠細紗機，設計錠速也達到了25 000 r/min，國產細紗機高速化方面取得了長足發展。幾種環錠細紗機性能參數對比如表1所示。

3.2 長車集體落紗與粗細絡聯

在我國紡織行業結構調整和轉型發展時期，企業對紡織設備的自動化和連續化要求進一步增強，所以需要大力發展自動化設備、聯合設備，以減少半制品流通和操作的勞動強度，提高生產效率。細紗工序生產過程涉及到粗紗原料的換裝和管紗成品的下機與運輸，這些環節的自動化是細紗工序降低勞動強度、減少用工的有效方式。而采用細紗機長車及粗細絡聯是紡紗自動化、連續化的具體表現，可以替代運輸和落紗的工作。細紗機長車化是降低集體落紗裝置和粗細絡聯成本的有效途徑，目前，新建紗廠多選用配置集體落紗的細紗機長車，以減少用工數量。而粗細絡聯可以實現粗紗、細紗、絡筒工序間原料與制品的自動化輸送，顯著提高生產效率［20］。

德國青澤公司的Z72XL 型細紗機錠數達到了2 016 錠，其自動落紗系統CoWeMat 可以在2 min 內完成整機臺全自動落紗。同時，瑞士立達公司的G38 型、日本豐田公司的RX300 型、印度朗維公司的LR9/SX 型，以及中國經緯紡機的JWF1580 型環錠細紗機均達到了單臺1 824錠，自動落紗時間都可控制在3 min 內，代表了環錠細紗機長車化發展的方向。

3.3 細紗質量在線檢測

目前細紗在線監測技術已經發展得較為成熟，但是現有的細紗在線監測技術所能獲取的紡紗信息仍比較有限，只能獲得紡紗斷頭和弱捻信息，還不能對紗線質量進行在線檢測，而對紗線質量的在線檢測可以提前獲取紗線質量信息，為控制紗線質量、調整紡紗工藝、發現不良錠位提供即時信息，避免紗線質量離線抽樣檢測的滯后性和難以追溯性。發展細紗質量在線檢測技術對促進紡紗智能化有重要意義，將會成為未來細紗機智能化發展的必要途徑。細紗質量在線檢測技術需要集成傳感器技術、信號分析技術、網絡通信技術、控制技術和紡紗專家系統等多項技術，其難度較大，目前有兩種技術路線：一種是巡回檢測，另一種是單錠檢測。紡紗生產過程中工藝參數的在線檢測、自動控制、自動調節和網絡監控，智能化管理、數據分析及遠程診斷等信息化管理技術和系統的應用更加深入和廣泛，使整個紡紗流程更加自動化和智能化。

3.4 自動接頭

在國內各類生產要素成本逐漸提高，保持產品市場競爭力的壓力下，紡紗企業對紡紗設備的要求集中在減少用工、降低工人勞動強度和提高生產效率上。提高設備連續化和智能化，是近年來紡紗設備發展的主題。紡織智能制造的發展過程是從機械化到自動化，再到數字化，最終實現智能化。細紗機自動接頭機器人作為實現紡紗自動化的機器裝置，需具有感知、決策、行動和交互的功能，能協助或取代人工，是實現紡紗智能制造的重要手段之一，也是未來的發展趨勢。

3.5 紗線產品柔性化

隨著環錠細紗機實現全數字化控制，可紡紗線品種進一步增加，提高細紗機的柔性化水平，發展可以同時兼容竹節紗、包芯紗、段彩紗、復合捻度紗等更多花式紗品種的細紗機是必然趨勢。基于花式紗線開發所需要的模型模擬軟件對提高產品開發效率，優化花形設計具有重要作用。日本豐田公司的細紗機已經可以配置附屬軟件進行花樣模擬，并記錄和管理設定數據。而瑞士立達公司的G38 型細紗機也可選配竹節紗系統VIRIOspin，用來紡制竹節紗，同時也具備包芯紗功能。印度朗維公司的LR9/SX 型細紗機也配置了竹節紗和段彩紗功能及附屬軟件。

4 結語

數控技術對促進環錠細紗機的自動化、柔性化和智能化發展起著重要作用。雖然環錠紡紗原理未能有所突破，但環錠紡紗技術仍然得到較快發展，縱觀細紗機近十年的發展創新，依托數控技術的節能主電機、電子牽伸技術、電子卷繞技術已經得到了廣泛應用。帶集體自動落紗裝置的細紗機長車已經成為主流，粗細絡聯技術逐漸發展完善。細紗機的自動接頭技術從原理上已經成熟，其工業化設備已被證明可以實現，未來必將得到大范圍推廣。同時，依托環錠紡紗技術的花式紗線品種得到廣泛應用。

展望環錠細紗機的未來，高速化、長車化、柔性化、自動接頭、紗線質量在線檢測等方面將成為環錠細紗機的發展方向。未來紡紗廠的萬錠用工數量將進一步減少，工人勞動強度降低。智能化車間、無人車間將成為現實。