新型粘贴式棉纤维长度测试仪的研制

王 铭沈 骅李岸锦傅科杰郭会清

（1.青岛海关，山东青岛，266555；2.张家港海关，江苏张家港，215600；3.宁波海关，浙江宁波，315100；4.郑州海关，河南郑州，450008）

棉纤维长度是表征纤维性能的重要指标，直接影响到纤维的加工性能和使用价值［1］。棉纤维长度与棉纤维的可纺性、工艺参数制定、成纱质量、车间飞花、生产稳定性有密切的关系。现今国内测量棉纤维长度主要方法为手扯尺量法和仪器测量法［2］。进口棉花一般使用手扯长度进行结算。手扯尺量法对人员手法要求较高，检测速度较慢，在进行大批量检测时效率较低［3］。进口棉花长度检测要求对抽取的样品每包检验，但由于人员配置达不到要求，在进口棉花检测工作中各实验室采用的部分代表性样品检验，存在较大的质量隐患。

针对这种情况，2014年山东出入境检验检疫局技术中心设计出一种检测仪器——粘贴式棉纤维长度测试仪［4］。该仪器通过几大模块运行，利用粘贴力代替人工捏合力，模拟手扯尺量法的测试过程，可以减少人体物理损耗，提高检测效率。但由于该仪器自动化程度不高，暂不具备大范围推广使用的条件。因此研究人员在原基础上，对仪器进行优化，研制出新型粘贴式棉纤维长度测试仪（以下简称新型测试仪），使其自动化程度和精确度进一步提高，更利于在棉纺行业和棉花检测实验室内推广使用。

1 仪器结构

新型测试仪结构如图1所示。该仪器由三大模块组成，按照功能性分为整理模组、活动模组和测量模组。整理模组包括锡林模块和毛刷模块，活动模组包括棉仓模块和夹板活动模块，测量模组包括夹持黏取模块和测试模块。

图1新型测试仪整体结构

1.1 锡林模块

锡林的功能是对夹钳握持的纤维丛头端进行梳理，提高纤维的分离度、伸直度、平行度，消除纤维的前弯钩，把未被夹持紧固的纤维和纤维上的棉结、杂质和疵点梳下来。锡林整体材料为碳钢合金，规格：针片角度45°，前后针距3 mm，齿尖厚度0.01 mm，间隙0.5 mm。锡林齿形采用直线圆弧齿面折线齿背的结构，齿底采用大圆弧连接。

1.2 毛刷模块

毛刷的功能是把清理后的纤维刷直，使其平整，以便进行下一步的粘贴步骤。毛刷的材料是硬棕榈材质，转速75 r/min。毛刷两端具有架设在活动架上的转轴，位置固定。毛刷下部设置刷理台面。纤维束进入刷理区域后，在毛刷和刷理台相互作用下形成细长平直的纤维束结构。

1.3 棉仓模块

棉仓模块的主要作用是完成样品的取样步骤。其内侧为钢板材质，上面有几十个分布均匀的棉仓孔，孔径8 mm，外侧为可活动推挡板，在电机作用下向前运动，将仓内棉花样品压紧，使其鼓出棉仓孔，以便于取样器夹取样品。推挡板活动距离为4 cm～5 cm。

1.4 夹板活动模块

夹板活动模块是整个仪器的核心部件，负责串联仪器各部件之间联动功能。夹板活动模块主要包括夹钳、夹钳转向板、夹钳活动杆、可升降滑块。以上部件均在电机作用下自动运行。夹钳为细齿形结构，张开状态下齿间距3 mm，抓紧状态下有两档力，一档为整理模组下运动状态，二档为测量模组中的运动状态。一档比二档抓力更大。

夹钳转向板上有转向指示器，控制夹钳朝向位置。夹钳活动区间为0°～180°。其中，0°指向测量模组，90°指向棉仓模块，180°指向整理模组。

夹板活动杆上有步进电机控制的移动装置，推挡板在活动杆上移动，直至将棉仓内的棉花压紧。

可升降模块控制夹钳的高低位置、夹钳取样位置、锡林刷理位置、毛刷整理位置、粘贴位置，高度的调节完全由可升降模块控制。

1.5 夹持黏取模块

夹持黏取模块包括粘贴台面、压棉块、胶带轮架、胶带轮和胶带固定压板。粘贴台面宽度3 mm，长度25 mm，压棉块上有感应器，纤维顶端到达粘贴台面区域后，感应器会发出指令并停止夹钳运动。胶带轮由3D打印而成，中间可以加装3 mm纸胶带。

1.6 测试模块

测试模块包括钢尺、钢尺转向板、可升降模块、长度检测箱、标度玻璃尺等。钢尺转向板活动范围为0°～90°，可升降模块有三个档位。钢尺转动时在一档水平位置，取样完毕后上升高于水平位置的二档，转向后下降低于水平位置的三档进行长度检测。长度检测箱内设置负压装置，纤维束靠近检测箱时将被负压拉直，进而可以进行合理读数。

2 测试过程

将新型测试仪放置在水平桌面上，连接电源，打开上盖。将3 mm胶带安装至胶带轮上，头端固定于转动钢尺内陷槽中。把200 g左右的棉花放入棉仓中，按下启动按钮，推挡板将由起始位向外移动，棉花呈现被压迫状态，部分纤维从棉仓孔内鼓出。夹钳转向板由起始位置移动至活动杆中部位置，夹钳在夹钳转向板带动下逆时针转向90°。可升降滑块A升至取样高度并沿滑杆前进，至取样位置后夹钳闭合，抓紧棉仓内鼓出纤维，可升降滑块A缓缓后退，将抓取纤维由棉仓内抽出。可升降滑块A移动至与锡林呈线状水平，夹钳转向板沿夹钳活动杆向右移动至固定位置，使夹钳顶部与锡林外壳间距为2 mm左右。锡林顺时针转动，锡林针布拉扯夹钳内纤维，将纤维内部较大杂质和浮游纤维清除。可升降滑块A移动至与毛刷呈线状水平，夹钳转向板移动至夹钳活动杆顶部，高度调整至毛刷与刷理台间隙位置，毛刷逆时针转动，夹钳缓缓送入纤维，对棉束进行刷理使其呈现平齐状态。夹钳转向板顺时针转动180°，可升降滑块A移动至粘贴台前部，夹钳缓缓向粘贴台移动，将棉束喂入压棉块下部粘贴轨道位置。当压棉块上的感应器感应到纤维进入粘贴区域，夹钳停止送入，压棉块将向下运动，压紧纤维，使纤维束下部被胶带贴紧。夹钳缓缓向后移动，在相互作用力下，纤维被从夹钳内抽出，压棉块上升，纤维将停留在胶带上。钢尺在电机作用下转动一周（360°），胶带连同粘贴牢固的纤维被卷至钢尺上，同时新的胶带在钢尺拉力下进入粘贴轨道。夹钳再次向前送入纤维，重复粘贴步骤。钢尺卷动5次后，夹钳逆时针转动90°并开口，剩余纤维将落入仪器底部验余样品区域。可升降滑块B上升1 cm，钢尺转向板逆时针转动90°，滑块B沿轨道缓缓向下移动，使钢尺进入长度检测箱，当钢尺顶部到达玻璃尺0刻度位置时停止移动。通过刻度玻璃尺观察纤维长度。长度测量结束后，按下复位按钮，仪器各部件回归起始位置。

3 关键技术点

3.1 夹钳的活动范围

夹钳活动轨迹如图2所示。

图2夹钳活动轨迹

从俯视位置观察，夹钳初始时钳口朝向正下方，仪器启动后，夹钳方向不变，向下移动至棉仓前方固定位置进行取样。取样完毕后，夹钳逆时针转动90°，夹钳先后在锡林和毛刷模块进行纤维的清刷梳理。纤维清理过程完毕后，夹钳顺时针转动180°，夹钳进入夹持黏取模块进行纤维粘贴定长步骤。待压棉器取样完毕，夹钳逆时针转动90°并移动至初始位置。在不同的范围上，夹钳会有不同的运行高度，这需要升降模块实现。完成整个过程大约需要40 s。

3.2 胶带轮结构

胶带轮细节如图3所示。

图3胶带轮细节图

胶带轮材料为塑料材质PP5，使用3D打印技术制作，结构为可以对合的双轮，左轮内侧有凹槽，右轮内测有凸柄。双轮并合后轮廓之间有3 mm宽度的内陷区域，可将3 mm胶带安装入对应位置固定。胶带为单面纸胶带。

3.3 夹持黏取模块

夹持黏取模块是整台仪器的一个关键部件，其内侧效果图如图4所示。整个模块类似“U盘盖”结构，一端封闭，一端开口有内凹槽。凹槽内有齿状固定点，保证模块与卷曲钢尺结合紧密。模块宽度为20 mm，与正常手扯长度棉束宽度相同，保证黏取后纤维的分布呈现自然状态。夹持黏取模块使用3D打印技术制作，材质为PP塑料。

图4夹持黏取模块细节图

3.4 测试效率

粘贴式棉纤维长度测试仪检测过程模拟人工手扯，并结合HVI检测仪器特点，检测效率较高［5］。新型测试仪在技术上相比粘贴式棉纤维长度测试仪做了较大改进，在样品抓取、测量定长和不同模块衔接过程中由机械部件作业，完成了由半自动化向全自动化的转变。

经测试，粘贴式棉纤维长度测试仪检测单个样品的时间约2 min，每天可有效测试200个左右的样品。新型测试仪检测单个样品的时间约80 s～90 s，每天可有效测试样品300个以上。

4 测试结果准确度验证

棉纤维自身性质决定了其质量数值不稳定，样品检测数据存在一定波动性，标准样品可看作是波动性较小的纤维样品，其数值为多次检验后得到的平均值［6］。选取2019年年度国际长度/强力标准棉样作为测试样品进行结果验证。样品A：样 品 类 别Long/Strong，代 码34645，长 度24.9 mm，整齐度指数78.0%；样品B：样品类别Short/Weak，代码35086，长度30.0 mm，整齐度指数84.1%。对两种标准样品使用新型测试仪分别进行10次测试，记录测试数据，见表1。使用t检验法确定测试数据的准确性［7］。

由表1计算可得，样品A、B的t检验值分别为0.752和-0.093，在95%置信区间下，自由度f=9时，t95%=2.26。两种标准样品纤维长度测试结果的t检验均为|t|＜t95%=2.26，这说明该新型测试仪对两种标准样品的测试结果与标准值无显著差异，本方法检测结果准确可靠。

表1样品A、B测试结果

5 结束语

本文介绍的新型测试仪是一种自动化程度较高的棉纤维长度检测仪器。该仪器以粘贴式棉纤维长度测试仪的检测原理为基础，在内部结构上进行升级改造，将仪器由半自动化改进为全自动化，提升检测效率，更为节省人工成本。经验证，仪器检测准确度高，数据统计方便，适合在行业内推广使用。