浅谈纺纱流程智能化发展的现状

郭明瑞 韩晨晨 卢雨正 高卫东

（江南大学，江苏无锡，214122）

国家提出《中国制造2025》，从工业4.0、工业信息化到人工智能时代，实现人工智能，基础是实现工业自动化，然后需要实现设备的信息化，而信息化是实现智能化的必要条件。中国纺织工业现在还没有完全自动化，从总体看，在技术装备、能源、原材料消耗和产品质量等方面与纺织强国相比仍有较大差距，尤其是装备的差距最为突出。在传统设备存量巨大的前提下，设备无法实现大范围更新；维持现状，则竞争力不足，只有对现有设备完成自动化技术改造，才能有效地提高我国纺织行业竞争力。这就是在中国经济增速整体下滑的情况下，中国纺织制造业领域对工业自动化技术需求持续增长的原因［1-3］。

目前，纺织企业生产成本增加，特别是用工成本增加等问题日益凸显，企业往往基于成本压力，主要从“机器换人推动产业升级”的角度去看待纺织工业的自动化、信息化和智能化。同时，纺织企业中部分工序简单重复的重体力劳动以“机器换人”成为必然的选择［4-6］。纺纱企业的自动化主要集中在各工序设备的自动化，以及各工序半制品衔接的自动化，进而实现数据的信息化。利用信息技术对设备运转情况、生产效率、产品质量指标、仓储数据、用户采购信息和市场需求等数据进行分析，依据产能自主安排生产时间和进度，实现智能化排班。

第十九届上海国际纺织工业展览会以“智汇纺织，跨出更好生活”为主题，汇集了大量全球纺织业顶尖设备、配件及其领先技术。但纺纱主机设备较少，主要展出了纺纱流程自动化、信息化和智能化升级的相关技术与设备。本文将从前纺和后纺两个方面进行详细的阐述。

1 前纺工序的智能化发展现状

前纺工序包含从开清棉到粗纱的全部过程，是纺纱流程的前端。前纺工序中物料的传输是智能化改造的一个重要方向，同时由于后纺细纱工序对粗纱质量要求的提升，使得粗纱工序的智能监控也成为前纺工序智能化的体现方式。因此，此次展会中展出的前纺工序智能化主要体现在以下两个方面。

1.1 纺纱物料转运机器人

由于纺纱流程长，各工序受机台速度和产能不匹配的制约无法直接衔接，存在大量半制品容器的转运环节，以往这些工作都需要人工完成。自动导引车AGV（Automatic Guided Vehicle）是指依靠电磁或光学等自动导引装置，能够按照预先设定的导引路线自动行驶的多功能运输小车。条筒转运过程无需人工参与，可以输送不同直径的条筒。小车装有自动避障、故障报警等功能，保证工作过程安全可靠。AGV 物料转运系统主要包括车载驱动系统、车体结构、导航系统、安全辅助系统。

1.1.1 车载驱动系统

车载驱动系统是AGV 的核心部分，保证小车在同一路径上稳定、高效地运行，有利于节省空间，提高效率。

1.1.2 车体结构

车体结构是AGV 小车的基础，用于安装轮子、各种传感器、驱动电机、各种控制和通讯设备，以及操作机构。

1.1.3 导航系统

导航系统的功能是保证AGV 小车沿正确路径运行，对精度有较高要求。根据导航形式可以分为以下类型:磁条导航、电磁导航、光学导航、惯性导航及图像视觉导航。

1.1.4 安全与辅助系统

为了避免AGV 小车在系统故障或有障碍物出现时发生碰撞，AGV 小车通过主动探测实现避撞，并设置有警音、警视、紧急停止等装置。

主要生产企业有经纬智能纺织机械有限公司、杭州锐冠科技有限公司等。

1.2 全数控粗纱机

全数控粗纱机具有多轴联动智能控制、牵伸和捻度参数任意设定、张力参数设定、自动调节（CCD 张力感应和智能控制）等功能。

可以实现纺纱恒张力、纺纱成形、满管自动落纱、空满交换、自动生头纺纱等全过程自动化控制，纺纱的同时粗细联交换机向细纱工序自动输送粗纱满纱纱管。全自动落纱粗纱机可以降低纺纱工人劳动强度，减少用工数量，同时进一步提高了纺纱质量、纺纱效率、纺纱速度，降低了运转噪声。

主要生产企业有青岛环球集团股份有限公司、常州同和纺织机械制造有限公司、无锡宏源机电科技股份有限公司等。

2 后纺工序智能化发展现状

后纺工序包含细纱和络筒两个环节，而纺纱机可以分为环锭纺细纱机、转杯纺纱机以及喷气涡流纺纱机等。对于环锭纺细纱机而言，数控驱动以及全自动落纱、单锭检测等技术成为其智能化发展的重要趋势；转杯纺及喷气涡流纺等新型纺纱机，由于其较为突出的生产效率优势，其智能化发展方向主要为进一步提升整机的生产效率［7］；而络筒工序则突出表现为智能投纱以及后续的全自动包装等。

2.1 环锭纺细纱机的智能化发展

2.1.1 全数控驱动

全数控细纱机主要包括电子牵伸系统、电子卷捻系统以及单电机驱动锭子。电子牵伸系统将前、中、后罗拉分别由伺服电机单独传动，实现了各牵伸区牵伸倍数的数字化设置。电子卷捻系统是采用伺服电机和电子模拟凸轮运行轨迹，实现了钢领板规律升降，确保精确的管纱成形。单电机驱动锭子对降低能耗、减少管纱捻度差异以及弱捻纱方面有明显优势。

提供全数控细纱机主机的生产企业包括:经纬纺机股份有限公司、常州同和纺织机械制造有限公司等。具备细纱机全数控化改造的企业包括江阴市华方新技术科研有限公司、南通金驰机电有限公司、无锡市和展机械技术有限公司等。

2.1.2 细纱自动落纱

细纱自动落纱方式包括智能落纱小车和集体落纱系统。由于环锭纺细纱管纱容量较小，落纱周期较短，落纱工作量巨大，需要配置大量的落纱工。智能落纱小车可以实现落纱工作的半自动化，有利于减少用工、降低工人劳动强度，并提高生产效率。细纱集体落纱是伴随着细纱机长车的出现而兴起的，为解决用工难的问题，企业对细纱机短车进行集体落纱改造的需求也越来越迫切。集体落纱的优势比较明显，可以替代细纱落纱工，避免了手拔纱造成的纱线沾污和损坏，同时还为管纱质量追踪提供条件。

具备集体落纱技术的企业主要有经纬纺机股份有限公司、常州同和纺织机械制造有限公司、江阴市华方新技术科研有限公司、南通金驰机电有限公司、江苏海马纺织机械有限公司等。

2.1.3 细纱单锭检测与粗纱自停

细纱单锭检测技术有电磁式和光电式，具有实时探测细纱断头和纱线弱捻等功能，可以直接提高挡车工巡回的目的性，提升看台能力。在检测到细纱断头的同时，粗纱自停装置控制粗纱停喂，减少吸风花，提高制成率。粗纱自停还可以消除因细纱断头而产生的纤维绕胶辊绕罗拉现象，也能避免断头锭位前罗拉输出纤维影响临近锭子的成纱质量。因此，细纱单锭检测与粗纱自停配合能够起到改善成纱质量的作用。

细纱单锭检测系统与企业的ERP 系统联网，可提供细纱产量、设备运转效率等统计数据，且保证统计数据的准确性和真实性，便于企业管理人员实时了解车间的运行状态。

目前能够提供细纱单锭检测系统的企业主要包括乌斯特技术有限公司、普瑞美（江苏）纺织电子仪器有限公司、日照品特裕华纺织科技有限公司、浙江浩铭机械科技有限公司、无锡万宝纺织机电有限公司、杭州凯悦电子有限公司等。

2.2 新型纺纱设备的发展现状

在此次展会上，新型纺纱设备整机展出较少，转杯纺主要展示了意大利Savio 公司的HelioS 型转杯纺纱机，而喷气涡流纺只展示了村田公司的VORTEX 870 EX 型喷气涡流纺纱机。

HelioS 型转杯纺纱机运用多种高科技优化了生产效率，减少了停机时间，品种更换灵活，能耗也有所减少。采用新型Savio 纺纱箱的转杯速度可达125 000 r/min，而卷绕速度可达250 m/min。此外，筒纱形状采用电子调控；两侧独立传动，可生产不同品种；整车可多达520 锭。

VORTEX 870 EX型喷气涡流纺纱机比VORTEX Ⅲ870型速度更快，设计速度从500 m/min 提高到550 m/min，使单机生产效率提高近30%。展会上VORTEX 870 EX 型喷气涡流纺纱机纺粘胶14.8 tex 纱的演示速度达到550 m/min，生产效率仍在95%以上。该机型具有较高自动化水平，使生产一线用工大幅度减少。国内已使用这种新型纺纱设备企业的生产数据表明，每吨纱的加工成本可比环锭纺减少1 000 元以上。以年产5 000 t 纱计算，每年可为企业降低加工成本500 万元以上。这是国内近几年喷气涡流纺新型纺纱技术快速发展的重要原因。

2.3 络筒设备智能化发展现状

2.3.1 络筒机智能投纱系统

络筒机智能投纱系统适用于纱库式络筒机的改造升级，可代替人工找头和投纱，实现管纱入库后自动提升、自动识别并整理大小头、自动找头、识别多品种、自动输送、自动投纱入库，可有效降低劳动强度。人机交互系统可实现各部件速度参数可调，实现人工值车与自动化系统的兼容，系统具有容错性，对各类品牌络筒机具有良好的适应性。

2.3.2 筒纱自动包装系统

筒纱包装作为纺纱企业生产的最后一个环节，是单调重复而又繁重的工作。因此，采用全自动筒纱包装系统来降低纺纱企业的用工成本和减轻工人的劳动强度，具有较大经济价值和社会效益。包装流程主要包括络筒存纱、取纱转运、筒纱分类、整垛包装、取筒喂入、称重配包、包膜倒头、筒纱装袋、收包缝纫、捆包输送、自动码垛、扫描验码、智能运纱、纱库管理等功能。

采取模块化技术的筒纱自动包装线，可自由配套组合，品种、空间适应性好，有效提高了纺纱生产线后道工序的自动化水平。

3 展望

综上所述，从整机智能化改造的整体来看，国内产品近年来有了长足的进步，但与国外先进整机相比尚有一定差距；而在许多智能化改造的细节方面，国内创新水平不断提升。目前，纺纱流程智能化改造已经成为政府和企业的广泛共识，即以机器换人推动产业创新升级以及自动化进程，通过整合资源，在系统层次上寻求创新突破。纺纱流程的智能化主要是通过实现纺纱设备的自动化、各工序衔接的自动化、纺纱流程数据信息化和智能化，进而实现纺纱全流程的智能化。

面向纺纱行业智能制造的产业升级不是某项单一技术，而是以新的技术、系统、运行方式重塑整个纺纱工业体系。不久的将来，纺纱全流程将会是具有高度自动化的纺纱设备，各工序自动联接技术，以及数据采集、传输、处理一体化的现代智能化流程。

4 结语

随着用工成本的快速增长，对于劳动密集型的纺纱行业而言，实现生产的自动化、智能化迫在眉睫。由于我国纺纱产业规模巨大，存量设备数量庞大，所以纺纱流程智能化主要从两方面发展:一是存量设备的智能化改造和工序连接的智能化改造；二是采用新型智能化设备替换旧设备。笔者认为，对于纺纱行业这种产业规模巨大，且新旧产能替换周期较长的行业，对现存纺纱设备和工序连接的智能化改造将长期伴随行业发展。