淺談紡紗流程智能化發展的現狀

郭明瑞 韓晨晨 盧雨正 高衛東

（江南大學，江蘇無錫，214122）

國家提出《中國制造2025》，從工業4.0、工業信息化到人工智能時代，實現人工智能，基礎是實現工業自動化，然后需要實現設備的信息化，而信息化是實現智能化的必要條件。中國紡織工業現在還沒有完全自動化，從總體看，在技術裝備、能源、原材料消耗和產品質量等方面與紡織強國相比仍有較大差距，尤其是裝備的差距最為突出。在傳統設備存量巨大的前提下，設備無法實現大范圍更新；維持現狀，則競爭力不足，只有對現有設備完成自動化技術改造，才能有效地提高我國紡織行業競爭力。這就是在中國經濟增速整體下滑的情況下，中國紡織制造業領域對工業自動化技術需求持續增長的原因［1-3］。

目前，紡織企業生產成本增加，特別是用工成本增加等問題日益凸顯，企業往往基于成本壓力，主要從“機器換人推動產業升級”的角度去看待紡織工業的自動化、信息化和智能化。同時，紡織企業中部分工序簡單重復的重體力勞動以“機器換人”成為必然的選擇［4-6］。紡紗企業的自動化主要集中在各工序設備的自動化，以及各工序半制品銜接的自動化，進而實現數據的信息化。利用信息技術對設備運轉情況、生產效率、產品質量指標、倉儲數據、用戶采購信息和市場需求等數據進行分析，依據產能自主安排生產時間和進度，實現智能化排班。

第十九屆上海國際紡織工業展覽會以“智匯紡織，跨出更好生活”為主題，匯集了大量全球紡織業頂尖設備、配件及其領先技術。但紡紗主機設備較少，主要展出了紡紗流程自動化、信息化和智能化升級的相關技術與設備。本文將從前紡和后紡兩個方面進行詳細的闡述。

1 前紡工序的智能化發展現狀

前紡工序包含從開清棉到粗紗的全部過程，是紡紗流程的前端。前紡工序中物料的傳輸是智能化改造的一個重要方向，同時由于后紡細紗工序對粗紗質量要求的提升，使得粗紗工序的智能監控也成為前紡工序智能化的體現方式。因此，此次展會中展出的前紡工序智能化主要體現在以下兩個方面。

1.1 紡紗物料轉運機器人

由于紡紗流程長，各工序受機臺速度和產能不匹配的制約無法直接銜接，存在大量半制品容器的轉運環節，以往這些工作都需要人工完成。自動導引車AGV（Automatic Guided Vehicle）是指依靠電磁或光學等自動導引裝置，能夠按照預先設定的導引路線自動行駛的多功能運輸小車。條筒轉運過程無需人工參與，可以輸送不同直徑的條筒。小車裝有自動避障、故障報警等功能，保證工作過程安全可靠。AGV 物料轉運系統主要包括車載驅動系統、車體結構、導航系統、安全輔助系統。

1.1.1 車載驅動系統

車載驅動系統是AGV 的核心部分，保證小車在同一路徑上穩定、高效地運行，有利于節省空間，提高效率。

1.1.2 車體結構

車體結構是AGV 小車的基礎，用于安裝輪子、各種傳感器、驅動電機、各種控制和通訊設備，以及操作機構。

1.1.3 導航系統

導航系統的功能是保證AGV 小車沿正確路徑運行，對精度有較高要求。根據導航形式可以分為以下類型:磁條導航、電磁導航、光學導航、慣性導航及圖像視覺導航。

1.1.4 安全與輔助系統

為了避免AGV 小車在系統故障或有障礙物出現時發生碰撞，AGV 小車通過主動探測實現避撞，并設置有警音、警視、緊急停止等裝置。

主要生產企業有經緯智能紡織機械有限公司、杭州銳冠科技有限公司等。

1.2 全數控粗紗機

全數控粗紗機具有多軸聯動智能控制、牽伸和捻度參數任意設定、張力參數設定、自動調節（CCD 張力感應和智能控制）等功能。

可以實現紡紗恒張力、紡紗成形、滿管自動落紗、空滿交換、自動生頭紡紗等全過程自動化控制，紡紗的同時粗細聯交換機向細紗工序自動輸送粗紗滿紗紗管。全自動落紗粗紗機可以降低紡紗工人勞動強度，減少用工數量，同時進一步提高了紡紗質量、紡紗效率、紡紗速度，降低了運轉噪聲。

主要生產企業有青島環球集團股份有限公司、常州同和紡織機械制造有限公司、無錫宏源機電科技股份有限公司等。

2 后紡工序智能化發展現狀

后紡工序包含細紗和絡筒兩個環節，而紡紗機可以分為環錠紡細紗機、轉杯紡紗機以及噴氣渦流紡紗機等。對于環錠紡細紗機而言，數控驅動以及全自動落紗、單錠檢測等技術成為其智能化發展的重要趨勢；轉杯紡及噴氣渦流紡等新型紡紗機，由于其較為突出的生產效率優勢，其智能化發展方向主要為進一步提升整機的生產效率［7］；而絡筒工序則突出表現為智能投紗以及后續的全自動包裝等。

2.1 環錠紡細紗機的智能化發展

2.1.1 全數控驅動

全數控細紗機主要包括電子牽伸系統、電子卷捻系統以及單電機驅動錠子。電子牽伸系統將前、中、后羅拉分別由伺服電機單獨傳動，實現了各牽伸區牽伸倍數的數字化設置。電子卷捻系統是采用伺服電機和電子模擬凸輪運行軌跡，實現了鋼領板規律升降，確保精確的管紗成形。單電機驅動錠子對降低能耗、減少管紗捻度差異以及弱捻紗方面有明顯優勢。

提供全數控細紗機主機的生產企業包括:經緯紡機股份有限公司、常州同和紡織機械制造有限公司等。具備細紗機全數控化改造的企業包括江陰市華方新技術科研有限公司、南通金馳機電有限公司、無錫市和展機械技術有限公司等。

2.1.2 細紗自動落紗

細紗自動落紗方式包括智能落紗小車和集體落紗系統。由于環錠紡細紗管紗容量較小，落紗周期較短，落紗工作量巨大，需要配置大量的落紗工。智能落紗小車可以實現落紗工作的半自動化，有利于減少用工、降低工人勞動強度，并提高生產效率。細紗集體落紗是伴隨著細紗機長車的出現而興起的，為解決用工難的問題，企業對細紗機短車進行集體落紗改造的需求也越來越迫切。集體落紗的優勢比較明顯，可以替代細紗落紗工，避免了手拔紗造成的紗線沾污和損壞，同時還為管紗質量追蹤提供條件。

具備集體落紗技術的企業主要有經緯紡機股份有限公司、常州同和紡織機械制造有限公司、江陰市華方新技術科研有限公司、南通金馳機電有限公司、江蘇海馬紡織機械有限公司等。

2.1.3 細紗單錠檢測與粗紗自停

細紗單錠檢測技術有電磁式和光電式，具有實時探測細紗斷頭和紗線弱捻等功能，可以直接提高擋車工巡回的目的性，提升看臺能力。在檢測到細紗斷頭的同時，粗紗自停裝置控制粗紗停喂，減少吸風花，提高制成率。粗紗自停還可以消除因細紗斷頭而產生的纖維繞膠輥繞羅拉現象，也能避免斷頭錠位前羅拉輸出纖維影響臨近錠子的成紗質量。因此，細紗單錠檢測與粗紗自停配合能夠起到改善成紗質量的作用。

細紗單錠檢測系統與企業的ERP 系統聯網，可提供細紗產量、設備運轉效率等統計數據，且保證統計數據的準確性和真實性，便于企業管理人員實時了解車間的運行狀態。

目前能夠提供細紗單錠檢測系統的企業主要包括烏斯特技術有限公司、普瑞美（江蘇）紡織電子儀器有限公司、日照品特裕華紡織科技有限公司、浙江浩銘機械科技有限公司、無錫萬寶紡織機電有限公司、杭州凱悅電子有限公司等。

2.2 新型紡紗設備的發展現狀

在此次展會上，新型紡紗設備整機展出較少，轉杯紡主要展示了意大利Savio 公司的HelioS 型轉杯紡紗機，而噴氣渦流紡只展示了村田公司的VORTEX 870 EX 型噴氣渦流紡紗機。

HelioS 型轉杯紡紗機運用多種高科技優化了生產效率，減少了停機時間，品種更換靈活，能耗也有所減少。采用新型Savio 紡紗箱的轉杯速度可達125 000 r/min，而卷繞速度可達250 m/min。此外，筒紗形狀采用電子調控；兩側獨立傳動，可生產不同品種；整車可多達520 錠。

VORTEX 870 EX型噴氣渦流紡紗機比VORTEX Ⅲ870型速度更快，設計速度從500 m/min 提高到550 m/min，使單機生產效率提高近30%。展會上VORTEX 870 EX 型噴氣渦流紡紗機紡粘膠14.8 tex 紗的演示速度達到550 m/min，生產效率仍在95%以上。該機型具有較高自動化水平，使生產一線用工大幅度減少。國內已使用這種新型紡紗設備企業的生產數據表明，每噸紗的加工成本可比環錠紡減少1 000 元以上。以年產5 000 t 紗計算，每年可為企業降低加工成本500 萬元以上。這是國內近幾年噴氣渦流紡新型紡紗技術快速發展的重要原因。

2.3 絡筒設備智能化發展現狀

2.3.1 絡筒機智能投紗系統

絡筒機智能投紗系統適用于紗庫式絡筒機的改造升級，可代替人工找頭和投紗，實現管紗入庫后自動提升、自動識別并整理大小頭、自動找頭、識別多品種、自動輸送、自動投紗入庫，可有效降低勞動強度。人機交互系統可實現各部件速度參數可調，實現人工值車與自動化系統的兼容，系統具有容錯性，對各類品牌絡筒機具有良好的適應性。

2.3.2 筒紗自動包裝系統

筒紗包裝作為紡紗企業生產的最后一個環節，是單調重復而又繁重的工作。因此，采用全自動筒紗包裝系統來降低紡紗企業的用工成本和減輕工人的勞動強度，具有較大經濟價值和社會效益。包裝流程主要包括絡筒存紗、取紗轉運、筒紗分類、整垛包裝、取筒喂入、稱重配包、包膜倒頭、筒紗裝袋、收包縫紉、捆包輸送、自動碼垛、掃描驗碼、智能運紗、紗庫管理等功能。

采取模塊化技術的筒紗自動包裝線，可自由配套組合，品種、空間適應性好，有效提高了紡紗生產線后道工序的自動化水平。

3 展望

綜上所述，從整機智能化改造的整體來看，國內產品近年來有了長足的進步，但與國外先進整機相比尚有一定差距；而在許多智能化改造的細節方面，國內創新水平不斷提升。目前，紡紗流程智能化改造已經成為政府和企業的廣泛共識，即以機器換人推動產業創新升級以及自動化進程，通過整合資源，在系統層次上尋求創新突破。紡紗流程的智能化主要是通過實現紡紗設備的自動化、各工序銜接的自動化、紡紗流程數據信息化和智能化，進而實現紡紗全流程的智能化。

面向紡紗行業智能制造的產業升級不是某項單一技術，而是以新的技術、系統、運行方式重塑整個紡紗工業體系。不久的將來，紡紗全流程將會是具有高度自動化的紡紗設備，各工序自動聯接技術，以及數據采集、傳輸、處理一體化的現代智能化流程。

4 結語

隨著用工成本的快速增長，對于勞動密集型的紡紗行業而言，實現生產的自動化、智能化迫在眉睫。由于我國紡紗產業規模巨大，存量設備數量龐大，所以紡紗流程智能化主要從兩方面發展:一是存量設備的智能化改造和工序連接的智能化改造；二是采用新型智能化設備替換舊設備。筆者認為，對于紡紗行業這種產業規模巨大，且新舊產能替換周期較長的行業，對現存紡紗設備和工序連接的智能化改造將長期伴隨行業發展。