基于数控技术的棉纺环锭细纱机创新发展

郭明瑞 高卫东

（江南大学，江苏无锡，214122）

纺织工业化发展进程中，环锭细纱机起步时间早，技术发展较为成熟，市场占有率高，是目前主要的纺纱设备。据相关资料统计，全球仍有80%以上的细纱纺纱设备为环锭细纱机，而我国作为最大的纱线生产国，环锭纺纱锭的保有量过亿锭，约占全球总量的一半。但是，环锭纺受其非自由端纺纱原理的限制，加捻过程与卷绕过程无法分离，其卷装容量较小，且加捻过程存在纺纱气圈，使得纺纱张力较大，限制了纺纱速度的大幅度提升。近年来，自由端纺纱技术得益于加捻过程与卷绕过程独立进行，纺纱速度明显高于环锭纺，得到了迅猛发展，其中转杯纺技术和喷气涡流纺技术已经占据了相当规模的纺纱市场。当然，环锭纺虽然纺纱速度较低，但其加捻过程纱线两端受握持，对纤维原料的品种和长度适应性好，所纺号数范围广，同样具有自身的优势特点，在一定时期仍将占据较大的纺纱市场份额。

当前环锭细纱机制造水平居于领先地位的国外纺机公司，仍然为环锭细纱机的技术提升而努力。国内纺机公司近几年发展速度同样较快，无论是细纱机锭数、自动化水平、纺纱质量和设备可靠性方面都得到了显著提升，与国外高水平细纱机的差距越来越小。同时，印度朗维公司的环锭细纱机水平也有明显进步。近年来，环锭细纱机技术的显著进步是自动化水平的提升，而这一进步主要源于数控技术的发展和应用，为今后进一步提高生产效率、减少用工数量、降低劳动强度提供支撑，以维持环锭纺技术的长远发展［1-3］。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点。本文将对环锭细纱机数控技术的创新应用作以系统梳理与分析。

1 国产环锭细纱机的发展历程

国产环锭细纱机的发展大致可分为五个阶段。

第一代：新中国建立初期，1954 年实现批量生产的1291、1301 型环锭细纱机，牵伸倍数14 倍～20 倍。20 世纪60 年代对1291 型细纱机进行了改进，将重力加压改为前、中罗拉杠杆加压，大铁辊改为磁性辊，采用分离式弹性支承高速锭子，牵伸倍数提升至40 倍。

第二代：在纺纱实践中，对细纱机的原料适纺性提出了新的要求，研究人员经过对牵伸机构的改造，于1965 年开发出A512 型细纱机，达到408锭/台，采用三罗拉长短胶圈牵伸、弹簧摆动销，牵伸倍数扩大至10 倍～50 倍。1974 年，推出A513型，锭数增加至480 锭/台，所纺纱线产品质量有了更大提升。

第三代：20 世纪80 年代后期，相继开发出FA502 型、FA503 型环锭细纱机，实现了罗拉中心距可调，改善了对不同长度纤维的适纺性，可纺棉纤维和中长纤维。前三代环锭细纱机主要是对牵伸装置进行改进，并未对细纱机的横断面、结构、纵向布局等方面有较大改进。

第四代：改革开放以来，我国工业高速发展，国外先进纺机制造技术不断引进，国产细纱机进入了快速发展阶段，以集体落纱长车为代表的新机型使细纱机锭数规模有了显著提升，各细纱机生产公司推出了多型集体落纱长车，有F1510 型、JWF1532 型、EJM128JL 型、TH578 型、DTM139型、ZJ798型、BS562型、SXF1599A 型和TM5263E型等。

第五代：以全数控技术为标志的细纱机区别于传统机械传动细纱机，自动化水平有了质的飞跃，如JWF1580 型、BS598EM 型、TH598J 型等。

2 环锭细纱机的数控技术应用

2.1 数控电子牵伸技术

2.1.1 主电机节能技术

电机一直是工业用电大户，传统的环锭细纱机均由一台主电机作为主传动的动力源，驱动锭子旋转、罗拉牵伸、钢领板升降等动作。在纺织业早期，主电机为单转速电机，只能以恒定速度运行，无法实现变速；后来有双转速电机的出现，但变速范围仍然限制较大，直至变频技术在细纱机主电机上的应用，实现了细纱机锭速范围和变化模式的灵活配置，在优化纺纱锭速的同时，实现了节能降耗［4-6］。细纱机的工作环境对电机的要求是发热少、散热好、效率高。目前，细纱机主轴电机由原来的三相异步电机改为永磁同步电机，在保证设备运行效率的同时降低能源消耗，增加设备使用寿命。永磁同步电机的定子为三相对称绕组，与三相异步电机结构相同，转子上置有磁钢，在稳定运行时转子上没有电阻损耗，另外，由于永磁电机的磁场由永磁体产生，不需定子中的无功励磁电流，通过合理设计可以使电机定子绕圈中的电流显著降低，绕组铜耗明显减小，达到减少总能耗、提高效率的目的。

瑞士立达G38 型环锭细纱机采用西门子IE4永磁变频电机，效率比先前使用的IE3 电机高3%，比IE1 电机高14%。同时，IE4 主电机驱动专为高速运行设计，以达到节能效果［7］。除G38型环锭细纱机外，印度朗维公司的LRJ9SX 型环锭细纱机也采用IE4 永磁变频电机［8］。

2.1.2 电子牵伸技术

传统细纱机的牵伸机构是由主电机通过齿轮箱传动，各罗拉之间的速比通过改变齿轮齿数配比来调整实现，结构繁琐，变换工艺耗时。采用伺服或变频驱动系统控制细纱机的牵伸罗拉运转，对提高细纱机的自动化水平有重要意义［9-11］。细纱机牵伸机构包括左、右两侧，每侧由前、中、后3根罗拉构成，电子牵伸就是将前、中、后3 根罗拉采用3 个独立的伺服或变频电机驱动，实现总牵伸倍数和后区牵伸倍数的数字化控制，无需再更换牵伸传动齿轮，同时在一定意义上实现了牵伸倍数的连续调节。而细纱机驱动单元数量的配置通常跟全机锭数相关，对于600 锭以下的短车，通常采用车头单侧传动；1 200 锭左右的细纱机通常分为两段，采用车头、车尾两侧传动；而1 800 锭左右的细纱机多分为三段，采用车头、中部（1/3 位置）、车尾三处传动。

瑞士立达G38 型环锭细纱机的电子牵伸系统FLEXIdraft 采用变频控制电机，另外其配置的FLEXIstart 装置还可实现牵伸系统的分段启停，这样可提高机器启动的效率。根据机器的长度，只需开启机器的1/4 或1/2。德国青泽ZR72XL型环锭细纱机采用了DraftBox 封装式电子牵伸驱动装置，传动机构完全密封设计，无需清洁或对齿轮加油润滑，便于维护保养。

目前，电子牵伸技术面临的难点主要是纺纱过程中，中途停车与再启动时所产生纱线短片段粗、细节问题，这是由于电子牵伸装置的前、中、后罗拉的伺服电机独立，其运行过程中的转速和扭矩差异较大，部分电子牵伸装置的启动和停止过程中各列罗拉的加、减速比例很难保持完全一致。并且这种由于中途停车与再启动所产生的纱线短片段粗、细节在后道络筒工序的处理难度较大。

2.1.3 锭子罗拉掉电同步停车技术

由于全数控细纱机的罗拉与锭子分离传动，在突发停电时，两者惯性差异较大，罗拉与锭子容易出现停车不同步的情况，造成全车断头。这一问题通过直流共母线技术得到了解决，实现多电机断电同步停车及短时电压波动不断纱。直流共母线掉电同停技术是采用主变频器负载主轴，将机械负载转化为电能负载，在停电时，主电机反向作为发电机发电，通过直流共母线技术为锭子、罗拉、钢领板的驱动电机提供所需电能，实现断电同停，在突发停电情况下最大程度保持纱线不断。

2.2 数控电子卷绕成形技术

卷绕成形机构是环锭细纱机的主要机构之一，传统的细纱机卷绕成形都是通过机械结构来实现的。机械式的卷绕成形机构有以下缺点：机械部件配置参数固定，无法实现连续性变换卷绕参数；调整工艺参数时，需更换部件，工作量大，停机时间长；机械凸轮运行过程存在桃尖冲击、桃底停顿等缺陷，凸轮磨损会造成桃尖和桃底部分纱线堆积，后续管纱络筒高速退绕易出现脱圈和滑塌现象。数控电子卷绕成形技术很好地解决了上述问题，该技术的应用使得纺纱成形变得简单，与传统的机械凸轮机构相比，采用伺服驱动后，可以通过数学模型实现各种经典凸轮曲线，最优化纺纱过程的钢领板运动规律，对于各品种纱线的管纱成形可以设置最优化的成形曲线，优化管纱卷装容量和高速退绕性能［12-13］。使管纱成形工艺变得更加灵活，无需对机械组件进行变化，还消除了机械结构磨损所带来的机器维护成本。

2.3 数控集体落纱技术

细纱机落纱是生产环节之一，人工落纱工作强度高、效率低。随着细纱机向“长车化”发展，数控集体落纱技术对提高细纱机自动化水平、降低人工劳动强度、减少用工，有重要作用［14］。目前，各厂家的细纱机长车均配备数控集体落纱装置。数控集体落纱技术涉及电气、机械、气动和传感器技术等。生产过程中，当系统接收到落纱信号后，集体落纱装置会将空管插入中转锭位，然后将满管纱线一次性自动拔出，并转移至下方输送轨道的锭位上，再将中转锭位的空管转移至细纱机纺锭上，纺纱重新开始。集体落纱装置多采用顶部抓管方式，以避免对纱线造成损伤，落纱效率高，纱线留头率高，节约用工。目前，数控集体落纱时间可控制在3 min 以内。

经纬纺机JWF1580 型细纱机配置的数控集体落纱技术，实现了1 824 锭长车精准快速集体落纱，解决了长车气架升降和里外摆运动一致性问题，传动管采用无间隙连接技术，通过胀套挤压安装在两传动管之间的方式，调节螺钉来压紧传动管胀套，消除各气架传动管之间的间隙，提高了长车气架集体落纱可靠性。并设计滚珠丝杠驱动集落气架，传动效率高，定位准确，落纱时间缩短至2.5 min，实现精准、快速落纱。同时优化了满纱输送及空管落管技术，空管走管率由28 个/min提升至最高45 个/min，满足了粗号纱落纱频繁对管纱输送效率的高要求。日本丰田自动织机株式会社RX300 型环锭细纱机自动落纱后的空管走管率为40 个/min［15］。

2.4 单锭监测与自动接头机器人

细纱纺纱断头是影响生产连续化的重要因素，目前只能通过人工巡回检查，发现断头进行人工接头，由于纺纱断头具有一定随机性，无法预测，传统的细纱机只能人工按巡回路径巡查，工作强度高，看台数不多。环锭细纱机单锭监测技术是反馈纺纱断头、弱捻的有效手段，从原理上主要分为光电式和电磁式，都是通过检测钢丝圈的运行情况获取纺纱信息，进而判断纺纱断头和弱捻情况［16］。现有单锭检测装置多安装在钢领板上，纺纱状态下实时检测钢丝圈运行状态，检测细纱断头情况，在断头处及车头车尾进行灯光提示，可通过电子屏显示机台断头数量和位置，给予挡车工指引，降低挡车工劳动强度，提高看台率。同时，基于单锭监测技术，还发展出粗纱停喂装置，安装在后罗拉后方位置，在纺纱断头后，粗纱自动停喂，有助于节约原料和生产管理。

单锭监测是细纱自动接头机器人的基础，只有准确获取断头信息，自动接头机器人才能精确定位实施接头操作。细纱自动接头机器人是对细纱工序自动化具有重要意义的一项数控技术，为实现细纱无人值守车间提供了可能［17-18］。目前，环锭纺细纱接头机器人产品主要由瑞士立达和西班牙品特两家公司推出，这两家公司的产品均具有较高的原创性。例如，瑞士立达公司推出的自动接头机器人ROBOspin，可以模仿人工自动完成整个接头循环，从寻找管纱上的纱线开始，将纱线穿套钢丝圈、导纱钩，并采用绕胶辊形式接头，另外也可以借助辅助纱线实现空管生头。该接头机器人须在机器两侧各配置一台，从集成单锭监测系统接收纱线断头信息，发起接头操作。

虽然现阶段接头机器人的技术难度和设备成本都较高，影响了其推广的速度，但面对企业招工难的现状，在机器换人大背景下，相信细纱接头机器人会成为必然选择。

3 环锭细纱机的发展趋势

3.1 高速化

环锭细纱机受加捻卷绕原理的限制，相对于新型纺纱技术，其纺纱速度处于弱势。因此，提升环锭纺纱速度将长期伴随环锭细纱机的发展。在现有条件下，通常锭速每提高2 000 r/min 左右，细纱产能可以提高10 %左右。随着锭子、钢领、钢丝圈等配件为适应高速化的发展，以及气圈环等配件的应用，为细纱机高速化创造了一定条件。虽然，细纱机提速后不可避免地会增加断头率，增加对成纱质量和断头率的控制难度，但通过进一步的工艺优化是可以克服的。

在环锭细纱机高速化发展方面，德国青泽公司推出的Z72XL 型环锭细纱机［19］，设计锭速高达26 000 r/min，是目前设计锭速最高的环锭细纱机，在部分纱线品种纺纱时，实际生产速度可达20 000 r/min，并且单台锭数突破了2 000 锭，达到了前所未有的2 016 锭，也是目前锭数最多、机台长度最长的环锭细纱机。瑞士立达公司的G38型环锭细纱机设计锭速也达到了25 000 r/min 的高速，生产9.8 tex 机织纱时，最高运转速度达到了22 500 r/min。另外，印度朗维公司的LR9/SX型环锭细纱机设计锭速同样达到了25 000 r/min，在设备高速化上也已经达到了较高水平。随着国产环锭细纱机技术的不断进步，机器设计锭速也在逐步提高，如中国经纬纺机的JWF1580 型、JWF1590 型环锭细纱机，设计锭速也达到了25 000 r/min，国产细纱机高速化方面取得了长足发展。几种环锭细纱机性能参数对比如表1所示。

3.2 长车集体落纱与粗细络联

在我国纺织行业结构调整和转型发展时期，企业对纺织设备的自动化和连续化要求进一步增强，所以需要大力发展自动化设备、联合设备，以减少半制品流通和操作的劳动强度，提高生产效率。细纱工序生产过程涉及到粗纱原料的换装和管纱成品的下机与运输，这些环节的自动化是细纱工序降低劳动强度、减少用工的有效方式。而采用细纱机长车及粗细络联是纺纱自动化、连续化的具体表现，可以替代运输和落纱的工作。细纱机长车化是降低集体落纱装置和粗细络联成本的有效途径，目前，新建纱厂多选用配置集体落纱的细纱机长车，以减少用工数量。而粗细络联可以实现粗纱、细纱、络筒工序间原料与制品的自动化输送，显著提高生产效率［20］。

德国青泽公司的Z72XL 型细纱机锭数达到了2 016 锭，其自动落纱系统CoWeMat 可以在2 min 内完成整机台全自动落纱。同时，瑞士立达公司的G38 型、日本丰田公司的RX300 型、印度朗维公司的LR9/SX 型，以及中国经纬纺机的JWF1580 型环锭细纱机均达到了单台1 824锭，自动落纱时间都可控制在3 min 内，代表了环锭细纱机长车化发展的方向。

3.3 细纱质量在线检测

目前细纱在线监测技术已经发展得较为成熟，但是现有的细纱在线监测技术所能获取的纺纱信息仍比较有限，只能获得纺纱断头和弱捻信息，还不能对纱线质量进行在线检测，而对纱线质量的在线检测可以提前获取纱线质量信息，为控制纱线质量、调整纺纱工艺、发现不良锭位提供即时信息，避免纱线质量离线抽样检测的滞后性和难以追溯性。发展细纱质量在线检测技术对促进纺纱智能化有重要意义，将会成为未来细纱机智能化发展的必要途径。细纱质量在线检测技术需要集成传感器技术、信号分析技术、网络通信技术、控制技术和纺纱专家系统等多项技术，其难度较大，目前有两种技术路线：一种是巡回检测，另一种是单锭检测。纺纱生产过程中工艺参数的在线检测、自动控制、自动调节和网络监控，智能化管理、数据分析及远程诊断等信息化管理技术和系统的应用更加深入和广泛，使整个纺纱流程更加自动化和智能化。

3.4 自动接头

在国内各类生产要素成本逐渐提高，保持产品市场竞争力的压力下，纺纱企业对纺纱设备的要求集中在减少用工、降低工人劳动强度和提高生产效率上。提高设备连续化和智能化，是近年来纺纱设备发展的主题。纺织智能制造的发展过程是从机械化到自动化，再到数字化，最终实现智能化。细纱机自动接头机器人作为实现纺纱自动化的机器装置，需具有感知、决策、行动和交互的功能，能协助或取代人工，是实现纺纱智能制造的重要手段之一，也是未来的发展趋势。

3.5 纱线产品柔性化

随着环锭细纱机实现全数字化控制，可纺纱线品种进一步增加，提高细纱机的柔性化水平，发展可以同时兼容竹节纱、包芯纱、段彩纱、复合捻度纱等更多花式纱品种的细纱机是必然趋势。基于花式纱线开发所需要的模型模拟软件对提高产品开发效率，优化花形设计具有重要作用。日本丰田公司的细纱机已经可以配置附属软件进行花样模拟，并记录和管理设定数据。而瑞士立达公司的G38 型细纱机也可选配竹节纱系统VIRIOspin，用来纺制竹节纱，同时也具备包芯纱功能。印度朗维公司的LR9/SX 型细纱机也配置了竹节纱和段彩纱功能及附属软件。

4 结语

数控技术对促进环锭细纱机的自动化、柔性化和智能化发展起着重要作用。虽然环锭纺纱原理未能有所突破，但环锭纺纱技术仍然得到较快发展，纵观细纱机近十年的发展创新，依托数控技术的节能主电机、电子牵伸技术、电子卷绕技术已经得到了广泛应用。带集体自动落纱装置的细纱机长车已经成为主流，粗细络联技术逐渐发展完善。细纱机的自动接头技术从原理上已经成熟，其工业化设备已被证明可以实现，未来必将得到大范围推广。同时，依托环锭纺纱技术的花式纱线品种得到广泛应用。

展望环锭细纱机的未来，高速化、长车化、柔性化、自动接头、纱线质量在线检测等方面将成为环锭细纱机的发展方向。未来纺纱厂的万锭用工数量将进一步减少，工人劳动强度降低。智能化车间、无人车间将成为现实。