環錠細紗機自動接頭關鍵技術研究進展

張躍順 王新厚 何勇

（東華大學，上海，201620）

環錠紡是一種典型的非自由端加捻紡紗方法，相較于轉杯紡、摩擦紡、噴氣渦流紡等新型紡紗方法，環錠紡有著生產品種廣、原料適用性強、成紗質量好等優勢。目前，環錠紡紗產量仍然占全國紗線產量的80%以上，有著不可替代的重要地位［1］。當前環錠紡向著高速化、自動化的方向發展，取得了長足的進步。清梳聯、粗細聯、細絡聯的實現已經極大壓縮了用工；梳并聯、車間物流小車和自動碼垛打包系統的使用使得環錠紡自動紡紗流程不斷完善，自動化程度進一步提高［2］。但環錠紡紗斷紗接頭目前仍依靠擋車工手工完成，存在著勞動強度大、接頭質量不穩定等問題。因此，國內外眾多科研機構和企業對環錠紡自動接頭技術開展了一系列的研究，提出了一些自動接頭的技術方案，并出現了幾種成型的自動接頭設備。從環錠紡自動接頭技術的發展來看，20 世紀70 年代國外就出現了自動接頭設備的樣機，但由于結構過于復雜、接頭成功率低、使用和維護成本高等問題未能在行業中得到應用；同時期，國內也對環錠紡自動接頭技術展開了研究。自動接頭技術方案的不成熟和相關配套技術、設備的不完善是導致早期環錠紡自動接頭樣機未能應用的主要原因。隨著自動接頭方案的優化和技術的進步，環錠紡的自動接頭已逐步實現。斷紗自動監測技術已較為成熟，并已經形成一系列的斷紗自動監測（錠子管理）系統；伺服電機、步進電機、氣缸的使用，大幅度降低了環錠紡自動接頭設備傳動機構和末端執行器結構的復雜性，減小了其體積和質量且便于精確控制；機器人技術和自動化技術的應用，使得環錠紡自動接頭設備的設計方案更加靈活、合理，其末端執行器能夠實現復雜的牽引運動、穿紗和繞紗等動作。

就環錠紡自動接頭的關鍵技術而言，具體包括斷紗自動監測、鋼絲圈自動定位、紗線斷頭捕獲、紗線牽引和接頭機器人等技術。本文將從環錠紡自動接頭關鍵技術的角度出發，結合兩種自動接頭方案對已經出現的技術方法進行總結和分析，以期為后續環錠紡自動接頭技術的研究提供參考。

1 斷紗自動監測

環錠紡斷頭監測方案可分為單錠式監測和巡回式監測（即往復式監測）。單錠式監測即在每個錠子處配置1 個監測裝置，以便于及時發現斷紗；巡回式監測即在每臺細紗機的兩側各配置1 個監測頭，在鋼領板外側設置監測頭移動軌道，每個監測頭沿軌道往復運動，周期性依次監測各錠位。斷紗自動監測技術具體包括：鋼絲圈運動光電監測、鋼絲圈運動電磁感應監測、鋼絲圈運動聲音監測、紗線光路遮斷監測、導紗鉤摩擦熱敏傳感監測和導紗鉤受力監測等［3］。目前，單錠式光電和電磁監測技術得到了較普遍應用，斷紗監測技術已經較成熟。

1.1 鋼絲圈運動光電監測

宋曉亮等利用光反射原理設計了一種環錠紡斷紗在線監測系統，該系統可監測鋼絲圈運動，實現斷紗監測和故障錠位報警提示［4］。瑞士Rieter（立達）公司單錠式錠子管理系統ISM（Individual Spindle Monitoring），利用調制光束的投反射獲取鋼絲圈運轉頻率，其工作可靠、沒有磨損、維護方便，可全程監控錠子運轉狀態。

1.2 鋼絲圈運動電磁感應監測

康吉源采用單錠式監測方案設計了一種實時監測細紗斷頭和細紗機運行狀態的監控系統［5］。瑞士烏斯特公司的巡回式監測系統Uster Ring Expert、印度普瑞美公司的紡紗監測系統Ring i 或Ringeye5000-SSM、德國青澤公司的單錠式斷紗監視器FilaGuard 和品特凱普集團的棉紡單錠監測系統Effispin 是目前較為成熟的鋼絲圈運動電磁感應監測系統，結構簡單、穩定性良好［6］。

1.3 鋼絲圈運動聲音監測

呂漢明等利用定向拾音頭作為傳感器，采集鋼絲圈轉動的聲音信號，通過對比正常紡紗和斷紗時聲音信號的波峰分布監測斷紗，該方案是一種低成本的非接觸式監測方法，但對聲音傳感器的檢測精度、測量范圍以及算法適應性有較高要求［7］。

1.4 紗線光路遮斷監測

陳泰芳基于機器視覺技術提出了一種往復式環錠紡斷紗監測方案［8］。比利時巴可公司設計了一種單錠式導紗鉤紗條運動光路遮斷監測系統，可實現紡紗斷紗、紗線氣圈速度和紗線直徑的監測，能在線分析和監測紗線質量，具有很強的實用性。上海太平洋機電（集團）有限公司也提出了一種導紗鉤紗條運動光路遮斷監測方案，其監測原理與比利時巴可公司基本相同，但未見實際應用［9］。

1.5 導紗鉤摩擦熱敏傳感監測

上海二紡機股份有限公司提出了一種導紗鉤摩擦熱敏傳感監測方案，但熱敏傳感器監測存在監測靈敏度低、系統響應差的缺陷，目前該技術方案鮮有應用案例［10］。

1.6 其他方案

青島環球公司提出了一種巡回式觸控指針監測方法，利用指針與紗線接觸的反饋信息來判斷是否發生斷紗，該方案屬于接觸式監測，監測結果相對可靠，但對指針的控制有較高要求，以避免監測過程中指針對正常紡紗產生干擾［11］。高暢等提出了一種激光輔助監測斷紗方法，旨在解決光電斷紗監測裝置對深色紗、透明絲、細號紗以及在弱光環境中難以正常監測斷紗的問題，可輔助人工監測斷紗［12］。潘如如等提出了一種基于吸棉管內光電傳感器檢測須條的斷紗監測方法，該方案為間接式監測，即不直接監測所紡紗線，而是通過監測斷紗后前羅拉輸出的斷紗須條，判斷是否斷紗，因此存在一定的監測延遲［13］。

2 鋼絲圈自動定位

鋼絲圈自動定位主要有以下3 種形式。第一種是電磁吸附式，即鋼絲圈在電磁鐵的磁力作用下被吸引到穿紗位置；第二種是擋片固定式，即使用毛刷或氣流將鋼絲圈推送或吹送至擋片處（即穿紗位置）；第三種是紗線定位式，即首先利用穿紗機械手將紗線定位，再利用氣流將鋼絲圈吹送至紗線與鋼絲圈的相切位置，鋼絲圈在氣流的作用下主動“撞擊”紗線，實現鋼絲圈的定位及穿紗。根據鋼絲圈撥動機構的不同，擋片固定式鋼絲圈定位方法又可以細分為兩類，一類是氣吹式，如周瓊提出的一種二自由度鋼絲圈定位裝置（水平方向由氣缸驅動，豎直方向由伺服電機驅動），氣吹裝置為環形氣腔，氣腔均布6 個噴氣嘴，可將任意位置的鋼絲圈吹動至穿紗位置，該方案利用氣流定位鋼絲圈，結構簡單［14］；另一類是機械撥動式，如呂漢明等提出的一種鋼絲圈定位裝置，其設計了一種“固定擋片+環形套筒”的機械式鋼絲圈定位裝置，環形套筒直接套在鋼領圈上，通過套筒的轉動撥動鋼絲圈，以實現鋼絲圈的定位，該方案可靠性高，但結構較為復雜［15］。瑞士立達公司、印度朗維公司和品特凱普集團則采用了紗線定位式方法，定位鋼絲圈的同時實現了鋼絲圈穿紗。瑞士立達采用真空吸嘴與機械臂配合定位穿紗，末端執行器定位紗線后，紗線與水平面呈銳角，便于鋼絲圈的穿入［16］。印度朗維采用真空吸嘴與多機械臂配合穿紗，穿紗基本原理與瑞士立達類似，其末端執行器結構和瑞士立達設計方案有所不同［17-18］。品特凱普集團采用“工業機械臂+噴吹式穿紗器”的方案穿紗，由喂紗噴嘴配合紗線夾持元件或紗線保持裝置實現紗線張緊，紗線被張緊后與水平面呈一定的角度范圍［19］。

此外，陳偉雄還提出了一種鋼絲圈定位裝置及方法，其設計了一種可轉動的鋼領圈，以定位鋼絲圈，但結構復雜，不易實現［20］；曾天亮等則提出了一種采用鎳鈦記憶合金絲定位鋼絲圈的方法，方案新穎但未見應用實例［21］。

3 自動接頭方案及接頭機器人

為便于分析，結合環錠紡兩種自動接頭方案對紗線斷頭捕獲、紗線牽引和自動接頭機器人等技術進行統一論述。

自動接頭機器人或接頭裝置，按照是否在原斷紗筒管上尋找斷頭，可分為兩類：原錠位接頭和備用紗線接頭。原錠位接頭，即在進行接頭時，首先將斷紗筒管剎停，隨后尋紗機械手（或是尋紗裝置）在斷紗筒管上尋找并捕獲斷頭，最后穿紗機械手將捕獲的斷頭依次穿過鋼絲圈、氣圈環和導紗鉤并牽引至前羅拉處捻接，完成接頭。原錠位接頭按照斷紗筒管是否需要拔出，又可細分為筒管拔出和筒管不拔出兩種形式。備用紗線接頭，即在進行接頭時直接使用一段新的接頭引紗或一管已經生好紗頭的備用管紗進行接頭。當采用接頭引紗接頭時，接頭引紗的一端被牽引至前羅拉處捻接，同時，接頭引紗的另一端直接纏繞在斷紗筒管上（主動纏繞或被動纏繞），依靠后序絡筒工序將多余的接頭引紗切除并將筒管上的斷紗重新捻接。當采用備用管紗接頭時，首先用備用管紗替換原斷頭筒管，隨后備用管紗的紗線端部被牽引至前羅拉處捻接，完成接頭。

3.1 原錠位接頭方案

原錠位接頭方案與人工接頭的原理基本一致，直接從原斷紗筒管上分離、捕獲斷紗用于接頭。由于不需要單獨的供紗機構或生頭機構，該方案的自動接頭裝置結構相對簡單、接頭流程更加簡潔，尤其是筒管不拔出的接頭方法，進一步省去了筒管的握持搬運機構，自動接頭裝置的結構復雜度更低。該方案的最大問題是如何保證從斷紗筒管上穩定、高效地分離和捕獲斷紗；再一問題是應保證結頭的質量，如結頭質量低，則仍需絡筒工序將結頭處切斷重新接頭。

陳偉雄提出了一種環錠紡自動接頭方法，當檢測到鋼絲圈停止運動后，接頭小車移動到斷紗錠位剎停錠子并反轉退繞紗線；隨后紗線夾持裝置將紗線斷頭引入鋼絲圈、導紗鉤和前羅拉完成捻接。該方案采用磁力吸附定位鋼絲圈；在錠子被剎停后，先將錠子提升3 mm～10 mm，再驅動反轉退繞；采用狹長形吸嘴貼近筒管錐形卷繞表面，將捕獲的紗線吸入吸紗管中；采用3 個穿圈指依次動作將紗線穿入鋼絲圈，中間穿圈指將紗線揚起，左右穿圈指將紗線撐開送入鋼絲圈。在上述專利中也提及一種開式導紗鉤，便于紗線穿入。該方案是一種典型的原錠位接頭方法，也是一種較為合理的將紗線張緊后穿入鋼絲圈的方案［22］。另外，陳偉雄還提出了一種適用于環錠紡自動接頭的螺旋形導紗鉤［23］。

張潔等提出了一種基于機器視覺的斷紗捕獲裝置，引入機器視覺的方法實現斷紗識別和定位。機器人將斷紗后的筒管從細紗機上取下放到旋轉錠子上反轉退繞，同時工業相機實時采集斷紗筒管照片，分析處理照片獲取斷紗信息。如斷紗未附著在筒管表面，則使用負壓吸嘴捕獲斷紗；如斷紗附著在筒管上，則使用毛刷刷取筒管表面的斷紗，隨后再使用負壓吸嘴捕獲斷紗。最后工業相機拍照確認紗線是否捕獲成功。接頭過程中接頭機器人依靠工業相機獲取的位置信息進行定位和完成接頭動作。該方案創新性引入機器視覺技術作為捕獲紗線的輔助工具，用以定位斷紗位置、判斷斷紗與筒管的貼合狀態以及確認斷紗是否捕獲；采用毛刷刷取斷紗，提高了斷紗分離、捕獲的成功率［24］。

吳文靜等提出了一種環錠紡自動接頭機器人方案，采用“左右雙機械臂+尋紗組件”的結構，實現錠子剎停、退繞、紗線捕獲夾取、穿紗和牽引等動作，但僅是概述結構及原理［25］。

曾凡超等基于笛卡爾型機器人設計了一種三自由度環錠紡自動接頭裝置。其鋼絲圈穿紗機械手為“擺動氣缸+滑臺氣缸”結構；機械手末端執行器的加速區驅動函數為五次多項式，以避免機械手對紗線產生剛性和柔性沖擊。該方案充分運用氣缸作為驅動元件，省去了中間傳動機構，降低了結構復雜性［26］。

印度朗維公司提出了一種不取下筒管進行接頭的方案。其設計了一種末端為喇叭口形的真空抽吸裝置，輔之以氣吹式斷紗分離裝置，在斷紗筒管上方利用真空吸嘴直接捕獲斷紗；采用多機械手協同動作，實現紗線的穿紗、牽引和捻接。該方案充分運用氣流輔助分離、捕獲斷紗，結構簡單；同時，針對前羅拉處的捻接設計了獨特的末端執行器，配合其真空抽吸裝置完成接頭［27-28］。

3.2 備用紗線接頭方案

備用紗線接頭方案無需分離、捕獲斷紗，直接利用接頭引紗或備用管紗接頭。該方案避免了因斷紗未成功捕獲導致的接頭失敗，提高了接頭的成功率，但自動接頭裝置結構相對復雜。具體來看，采用接頭引紗方法接頭時，需要有專用的供紗機構生成接頭引紗并將之纏繞至斷紗筒管上，同時需要對接頭引紗施加適當的張力，該方法實際上并不是“接頭”，因接頭引紗并未與斷紗接合，其本質上是利用一段接頭引紗恢復了紡紗流程，后續仍需要依靠絡筒工序將斷紗處接合；采用備用管紗接頭時，無需供紗機構，直接使用備用管紗替換斷紗筒管即可進行后續的穿紗、繞紗等接頭操作，效率更高，但需要提前將備用管紗生頭且相應的自動接頭裝置需要具備筒管的搬運握持機構和備用管紗的臨時存放裝置。

王建波提出了一種自動接頭方法，接頭時斷紗筒管不需拔出、錠子不需剎停。接頭機械手將接頭引紗的一端繞進導紗鉤并牽引至前羅拉處捻接；接頭引紗的另一端被切斷并通過風扇吹送到斷紗筒管旁，未剎停的筒管將接頭引紗纏繞，完成接頭。該方案是利用一段接頭引紗將前羅拉處的斷紗須條與斷紗筒管連接的接頭方案，但需注意的是，接頭過程中的穿紗、繞紗動作需對接頭引紗施加合理的張力防止其斷裂或飄動；同時，利用風扇吹送接頭引紗至斷紗筒管的方法存在一定的不穩定性［29］。韓祥也提出了一種類似的技術方案，但并未做細致論述［30］。

張潔等提出了一種環錠紡細紗機自動接頭裝置及方法，接頭時，首先剎停斷紗錠子，同時利用3D 相機獲取各目標三維位姿信息（如筒管、鋼領板和氣圈環高度，導紗鉤和前羅拉坐標等）；利用環形氣流噴口定位鋼絲圈，同時機械手將斷紗筒管置于吹氣繞紗裝置前，隨后由備用管紗提供的紗線在紗線送出噴嘴和環形氣流的作用下附著在斷紗筒管上；最后紗線在吸嘴牽引下穿入鋼絲圈、氣圈環、導紗鉤并喂入前羅拉，完成接頭。該方案同樣利用機器視覺技術作為輔助工具，為接頭裝置提供位姿信息；同時，使用一種反向噴嘴為接頭引紗施加張力［31］。張潔團隊也提出了一種環錠細紗機自動接頭機器人末端執行器的方案，對上述細紗機自動接頭裝置的末端執行器進行了描述［32］。張潔團隊還提出了一種基于張力反饋的自動接頭機器人柔順控制裝置，接頭機器人可以基于張力反饋進行調節，在接頭過程中使紗線的張力保持在設定值附近。該方案旨在解決紗線牽引過程中因摩擦力過大或牽引力過大導致的紗線斷裂問題，以及紗線張力過小出現紗線飄動、黏結的問題，以實現近原錠位穩定接頭［33-34］。

陳偉雄提出了一種提供接頭引紗的自動接頭裝置與方法，該方法與其提出的原錠位接頭方案在原理上基本一致。該方案僅是增加了一個提供備用管紗的裝置，以生成接頭引紗［35］。

呂漢明等提出了一種自動接頭方法與裝置，配合一種將接頭引紗纏繞到筒管上的裝置、一種自動接頭出紗裝置和一種鋼絲圈自動定位裝置，可使用一段彈性紗作為接頭引紗，實現接頭。接頭時，首先將彈性引紗的中部送入鋼絲圈，再根據紡紗的捻向將彈性引紗的一端纏繞到斷紗筒管上；另一端迅速向上穿過導紗鉤后牽引至前羅拉處，完成接頭；整個接頭過程不需拔出斷紗筒管、不需尋找斷頭。該方案與其他接頭方案相比，在接頭流程上有著一定不同，其首先完成鋼絲圈穿紗，再將接頭引紗纏繞到斷紗筒管上；同時考慮到紗線的捻向問題，為備用紗線接頭方案提供了一種新的思路［36-38］。

王臘保等提出了一種自動接頭方法，配合其公司提出的一種自動接頭用操作臺和一種鋼絲圈定位裝置，在進行接頭時，將備用管紗提供的接頭引紗穿入鋼絲圈、導紗鉤，最后在前羅拉處捻接，完成接頭。該方案提及一種可隨著鋼領板運動的接頭平臺，可保證位于接頭平臺上的接頭裝置與鋼領板同步運動，接頭過程不需要頻繁校對位置，這為解決接頭裝置與鋼領板同步運動的問題提供了一種技術方案［39-40］。

唐火紅等借鑒人工接頭方法，設計了一種環錠紡紗機自動接頭機器人，其采用“輔助操作平臺+四自由度雙機械臂”的整體構型，同時整合了錠子剎停及鋼絲圈定位機構。接頭機械臂末端執行器為平移型手爪，鋼絲圈定位裝置為二自由度環形氣吹擋片式結構，并使用接頭機械臂將接頭引紗主動纏繞至已經剎停的斷紗筒管上。該方案提出了一種全新的接頭裝置構型，采用雙機械臂協同動作完成穿紗、繞紗和捻接等動作；同時，運用環形氣流定位鋼絲圈，結構簡單可靠［41］。

品特凱普集團提出了一種環錠紡自動接頭裝置，其接頭末端執行器包括喂紗噴嘴、紗線張緊裝置和紗線夾持裝置等機構。利用喂紗噴嘴將接頭引紗吹送至旋轉的斷紗筒管上，隨后通過喂紗噴嘴與紗線夾持元件或紗線保持裝置配合，實現鋼絲圈穿紗；最后通過機械臂牽引將接頭引紗穿過導紗鉤、氣圈環并在前羅拉處捻接，完成接頭。該方案采用單工業機械臂作為其接頭末端執行器的載體；同時，設計了一種特殊的接頭末端執行器，采用“噴紗”的方式將接頭引紗纏繞在斷紗筒管上，隨后依次完成穿紗、繞紗、捻接等動作，方案新穎［42］。

瑞士立達公司提出了一種使用備用管紗進行接頭的方案。在接頭裝置里提供接頭備用管紗，采用多機械手協同控制實現錠子剎停、斷紗筒管搬運、鋼絲圈紗線穿入和紗線牽引等動作。該方案提出了一種更換留尾管紗的接頭方法，省去了在接頭時分離、捕獲斷紗或將接頭引紗纏繞至斷紗筒管的操作，提高了接頭成功率［43-44］。瑞士立達公司在2019 年申請了一項關于環錠紡紗機自動接頭裝置的專利，提出了一種環錠紡自動接頭裝置的控制及操作方法，可針對細紗的生產工藝要求調整自動接頭裝置的參數［45］。

4 典型的環錠紡自動接頭設備

4.1 瑞士立達公司ROBOspin

2019 年巴塞羅那ITMA 展會上，瑞士立達公司推出了環錠紡細紗機自動接頭機器人ROBOspin。該型自動接頭機器人可處理細紗機運行或落紗過程中出現的斷頭，在接頭裝置里有專門的空管繞紗裝置［46-47］，該型自動接頭機器人接頭成功率尚未有明確實踐數據。

4.2 印度朗維公司自動接頭機器人

2019 年巴塞羅那ITMA 展會上，印度朗維公司也展出了一款與LRJ9-SXL 型細紗機配套的自動接頭機器人。該型接頭機器人采用的是不取下筒管進行接頭的方法，從接頭方案到斷紗捕獲裝置、末端執行器設計等方面，均不同于立達公司的ROBOspin［48-49］。

4.3 品特凱普集團Automatic Piecing Robot（APR）

2023 年米蘭ITMA 展會上，品特凱普集團展出了一款環錠細紗機自動接頭機器人Automatic Piecing Robot，該型自動接頭機器人可用于多種纖維的自動接頭，并集成在該公司的EffiMill 監控系統中，其具體技術方案并未透露，從該公司專利技術來看，該型接頭機器人為“單工業機械臂+接頭末端執行器”的結構。

5 結語

隨著紡織行業向著無人工廠、高速化、連續化的方向發展，環錠紡自動接頭技術研究被提上日程。自動監測技術、人工智能技術以及工業機器人技術為環錠紡自動接頭奠定了基礎。目前關于環錠紡自動接頭機器人（裝置）的研究，多數僅停留在方案設計和模型搭建中。已出現的典型自動接頭機器人是瑞士立達公司的ROBOspin、印度朗維公司的LRJ9-SXL 型細紗機配套自動接頭機器人和品特凱普集團的Automatic Piecing Robot。瑞士立達自動接頭機器人采用更換備用管紗（留尾管紗）接頭的方案，省去了在原斷紗錠位尋找斷頭的過程，提高了接頭的成功率，但后續需要對原斷紗筒管進行處理，同時需要對備用管紗進行生頭（即找出備用筒管上的紗頭，用于自動接頭），在一定程度上增加了環錠紡自動接頭的成本和流程的復雜性。印度朗維自動接頭機器人則采用了原錠位接頭的方案，其使用一種真空吸嘴捕獲牽引斷紗筒管上的斷頭，且不需要將斷紗筒管取下，簡化了接頭流程，但如斷紗纏繞緊密，則斷頭捕獲的成功率會受到一定程度的影響。由于品特凱普集團并未透露Automatic Piecing Robot 的具體技術方案，目前已知的技術細節來自于該公司申請的相關專利，從專利來看，其采用工業機械臂（至少為6 自由度）作為接頭末端執行器的載體，其特殊的接頭末端執行器（紗線操作裝置）是該公司技術方案的一大亮點。盡管各接頭機器人的實際運行效果還有待市場檢驗，但其正式面世也標志著此項技術已逐步走向成熟，進入新的發展階段。