数控三通道转杯纺纱系统构建及纺纱工艺实践.pdf

第 卷 第 期 年 月毛纺科技 ：收稿日期：基金项目：浙江省“尖兵”“领雁”研发攻关计划项目（）；中国纺织工业联合会应用基础研究资助项目（）；江苏高校优势学科建设工程资助项目（苏政办发 号）第一作者：刘禹辰，硕士生，主要研究方向为数字化纺纱技术，：。通信作者：薛元，教授，博士，主要研究方向为数字化纺纱与纤维成型加工技术，：。数控三通道转杯纺纱系统构建及纺纱工艺实践刘禹辰，朱文硕，薛 元，陈国方，石焕强（江南大学 纺织科学与工程学院，江苏 无锡；泰坦股份有限公司，浙江 绍兴）摘 要：为了加快实现转杯纺纱加工工艺柔性化、加工过程数字化、控制模式智能化的目标，介绍了自主构建和研发的数控三通道转杯纺纱系统的组成及其机械系统、驱动系统和伺服控制系统的工作原理；柔性调控成纱结构参数的机制与方法；运用优选的系统运行参数与成纱工艺参数进行验证型纺纱试验；对纱线的结构、力学性能和外观质量进行了测试分析。结果表明：纤维混合比为 、牵伸倍数为 、卷绕罗拉与引纱罗拉的速比为 时，混纺纱线的强度为 、单纱断裂强力变异系数为 、以上毛羽数量为 根（），具有良好的力学性能和条干均匀性，毛羽较少，强力、单纱断裂强力变异系数和条干均匀度变异系数均达到 转杯纺棉本色纱的二级质量标准。数控三通道转杯纺纱系统不仅能对纱线结构参数进行可控性调控，还能够有效提高成纱质量。关键词：数控纺纱；转杯纺；自动控制；混色纱中图分类号：；文献标志码：，（，；，）：，（），：；毛纺科技 第 卷 第 期 年 月 转杯纺纱是自由端纺纱中技术最成熟、推广应用最广泛、发展最迅猛的一种新型纺纱方法。转杯纺纱通过高速回转的转杯及杯内负压完成纤维的输送、凝聚、并合、加捻成纱，具有纺纱流程短、使用原料广泛、纺纱速度与生产效率高的特点。目前，世界上拥有转杯纺纱机已超过 万头，转杯纺生产的纱线在一定线密度范围与用途上替代了环锭纱。我国从 世纪 年代开始经历近 余年的发展，从引进国外转杯纺设备并逐步掌握转杯纺纱技术到自主研发和生产转杯纺纱设备，目前国内转杯纺纱机规模已达 万头，成为世界上转杯纺的生产大国。纺织作为传统行业，存在生产工序多、流程长、纺纱设备智能化水平低等问题，亟需在纺纱车间管理的信息化、纺纱流程的连续化以及纺纱单机台的柔性数字化等层面进行突破创新。东华大学汪军课题组提出了双喂给双分梳的双通道纺纱方法，由 个相互独立的喂给装置和 个相互独立的分梳装置组成，转杯纺纱由原来的单根纤维条喂入梳理变为双根纤维条喂入梳理，从而克服了转杯纺混纺纱及生产新型纱线方面的弱点。江南大学薛元课题组提出了多通道异步喂给同步分梳的多通道纺纱方法（包括喂给分梳机构、凝聚加捻机构、卷绕成型机构），其特征在于喂给分梳机构包括 个回转自由度的组合式给棉罗拉、多级分梳辊，实现了随机调控转杯纺成纱及混纺比。数控三通道转杯纺纱技术是在传统转杯纺纱系统中创新设计三通道并行式牵伸梳理机构作为纺纱执行机构，通过多电动机多自由度柔性驱动模式进行伺服驱动系统的创新，通过时序化控制纺纱执行机构的运动进行控制系统的创新，提出一种可调控成型纱线形态（线密度）变化、结构（纤维排列及捻合松紧度）变化、组分有色纤维混合比（混合色彩）变化的柔性化转杯纺纱模式，使转杯纺纱技术向多组分复合纺纱线、多色彩混色纺纱线、多功能叠加特种纱线等领域不断拓展。本文针对三通道数控转杯纺纱机运行过程的特点，系统地介绍了数控三通道转杯纺纱系统的组成及其工艺计算方法，通过设计及实施纺纱试验，进一步明晰成纱机制，验证三通道数控转杯成纱的可行性，分析三通道纤维条的喂入及分梳分离工艺对成型纱线质量的影响，为今后优化纺纱工艺参数，提升成纱质量和纺纱效率奠定基础。数控三通道转杯纺纱系统构建 数控转杯纺纱系统的组成 数控转杯纺纱是以多根棉条异步牵伸（多个通道）为本质特征，能对所纺制纱线的混纺比、线密度及捻度的变化进行在线调控的纺纱方法。图 所示的数控三通道转杯纺纱系统主要由纺纱机械系统、纺纱控制系统和纺纱伺服系统构成。纺纱机械系统是转杯纺机最基本的系统，其分梳机构、凝聚加捻机构、卷绕机构使棉条成为纱线。纺纱控制系统与纺纱伺服系统通过数字化与信息化技术控制纺纱机械系统使成纱过程操作更加简易、精确、智能。数控三通道转杯纺纱机主要由触摸屏、可编程逻辑控制器（）、伺服驱动器、变频器、编码器以及变频电动机、伺服电动机等组成。纺纱机械系统 三通道转杯纺纱机械系统包括多通道牵伸机构、加捻机构与卷绕成型机构。数控三通道转杯纺纱机械系统如图 所示，其中、为传动齿轮，、为喂给罗拉，、为纤维条，、为胶辊，为集棉器，、为中罗拉，为分梳辊，为转杯，为引纱胶辊，为引纱罗拉，为卷绕罗拉，为纱管。与单通道转杯纺纱不同，数控三通道转杯纺纱系统具有精巧的多自由度并行的牵伸机构。多通道牵伸机构包括一级牵伸机构和二级牵伸机构，其中一级牵伸机构是由 个独立驱动的同线握持钳口与中罗拉组成，二级牵伸机构是由中罗拉、分梳辊、转杯、引纱罗拉等构成。由 个伺服电动机独立驱动的 个同轴心、同外径的嵌套罗拉作为喂给罗拉与 个同轴心、同外径的胶辊组成 个同线握持钳口。个独立驱动的钳口握持 根棉条并以独立变化的速度将 根纤维条喂入一级牵伸区，经一级牵伸的 根纤维条由中罗拉喂入二级牵伸区，经分梳辊的分梳分离，一方面将来自不同纤维条的纤维进行横向混合，另一方面在提升其伸直度、平行度及分离度的基础上，将喂入的 根纤维条分离成单纤维流，经由气流通道进入转杯后先分离再凝聚，由引纱罗拉引出完成二级牵伸。由此通过对 根纤维条的异步牵伸和混合分梳及转杯凝聚，使纱线成型达到预定的线密度与混合比。三通道转杯纺纱的加捻过程与单通道转杯纺纱基本相同，是由转杯转速与引纱罗拉线速度相互配合完成加捻，使纺纱成型达到预定的捻度。三通道转杯纺纱的卷绕成型过程与单通道转杯纺纱基本相同，是由筒管的卷绕转速与第 卷 第 期 年 月毛纺科技 图 数控三通道转杯纺纱系统 导纱横动速度相互配合完成卷绕成型，使纺纱成型达到预定的卷装形式。图 数控三通道转杯纺纱系统 纺纱伺服系统 如图 中所示，数控三通道转杯纺纱系统的牵伸运动、加捻运动、卷绕运动是上位机 控制 个喂给罗拉、中罗拉、分梳辊、转杯、引纱罗拉、卷绕及横动导纱装置的伺服驱动器实现的。操作员通过人机交互界面发送指令到，将指令转化为伺服驱动器可以识别并接收的数据模拟量，伺服驱动器根据模拟量发送模拟信号到伺服电动机进而控制伺服电动机的运转，编码器再将电动机运转情况反馈给中央处理器完成 轴联动的三通道转杯纺纱工作循环，限位开关设计为机器操作按钮进行开、停纺纱机。纺纱控制系统 数控三通道转杯纺纱的控制系统由控制系统硬件与控制系统软件组成。控制系统硬件由上位机、下位机及通讯接口等组成。根据人机交互模式需求，上位机可由远程电脑、中央控制室或本地工控机、触摸屏等组成。上位机主要完成人机交互功能，通过键盘或触摸屏输入运行转杯纺纱机所需要初始参数（设备初始参数、原料初始参数、运行初始参数）、纱线的规格参数（线密度、混纺比、捻度、分段长度）和设备运行参数（个喂给罗拉速度、中罗拉速度、分梳辊转速、转杯转速、引纱速度、卷绕速度、横动速度、气流速度与压力）等。下位机可选用可编程控制器 或单片机，下位机接受上位机的指令并将其转换成相应时序的信号后分别发送至相应的驱动器，驱动器再将其转换成脉冲电压（或电流）信号，进而对数控三通道转杯纺纱系统进行精确控制。上位机与下位机之间的通讯方式有多种，如以触摸屏为上位机，采用 串口通信或 毛纺科技 第 卷 第 期 年 月串行通信；以微型计算机为上位机，则采用传统形式的串行通信或 形式的双线通信，使用程序开发工具实现 和上位机的通信；以远程计算机或运维平台为上位机，采用工业用 路由器，并以 通信协议完成相关数据传送，联网宝利用 卡拨号连网与内部平台连接，智能云端管理平台通过虚拟串口并以 通信协议与内部平台连接，实现 可编程控制器到联网宝、联网宝到智能云端管理平台的无线、双向、准确、安全的数据通信。在下位机硬件的搭建中，设备控制伺服驱动器从而控制罗拉的速度，通过 模块，将输入端口（）与输出端口（）相互连接通信，实现对罗拉速度的控制。控制系统软件包括上位机触摸屏程序和下位机 程序。上位机触摸屏通过软件计数器赋值，将工艺参数进行调整，通过触摸屏的使用、卡读取的方式将模拟量传递给 转换装置，转换装置的作用是将模拟量转换为可以被 控制器识别的数字量从而进行数模转换，完成信息的传递。在软件功能的设计中，编写罗拉速度赋值的程序，完成中断程序的设计，编写对基本工艺参数赋值的程序，从而保证工艺流程的顺利进行。转杯纺纱结构参数调控机制构建 设 根粗纱线密度为，颜色值分别为（，）、（，）、（，），个喂给罗拉线速度为、（），中罗拉线速度为（），分梳辊转速为（），转杯 转 速 为（），引 纱 罗 拉 线 速 度 为（），卷绕速度为（），成纱线密度为（），成纱后 根棉条的线密度分别为、（），混纺比为：。转杯纺基本原理 转杯纺牵伸比 一级牵伸比：设中罗拉相对 个喂给罗拉线速度 之 比 为 个 通 道 的 一 级 牵 伸 比、，则：（）二级牵伸比：设引纱罗拉相对中罗拉线速度之比为二级牵伸比，则：（）各通道总牵伸比：设引纱罗拉分别相对 个喂给罗拉线速度之比分别为 个通道总牵伸比、，则：（）转杯纺成纱线密度 转杯纺成纱线密度为：（）（）（）转杯纺成纱混纺比 转杯纺成纱混纺比为：（）转杯纺成纱色彩 设纱线的颜色值为，则：（）转杯纺成纱捻度 设成纱捻度为，则：（）纺纱成纱结构参数调控机制 转杯纺成纱结构参数包括纱线的线密度、捻度、混合比及色彩颜色值。假定纺纱过程中粗纱线密度，转杯转速，引纱罗拉线速度 为常量，通过调控 个喂给罗拉线速度、和中罗拉线速度 等参数，从而调控转杯纺纱线成型结构参数。成纱线密度调控机制 假定粗纱线密度 和由混合比确定的 个通道的一级牵伸比、为常量，由式（）可知，依托二级牵伸比（）的变化可调控纺纱成型线密度（）的变化，具体如下：（）假定粗纱线密度 和引纱速度 为常量，由式（）可知，依托三通道喂给罗拉速度的变 化（）、（）、（），可调控第 卷 第 期 年 月毛纺科技 纺纱成型线密度的变化（），具体如下：（）（）成纱混纺比调控机制由式（）可知，根据喂给罗拉速度的变化（）、（）、（），可调控纺纱成型混合比的变化（）、（）、（），具体如下：（）成纱色彩调控机制 由式（）可知，根据 个喂给罗拉速度的变化（）、（）、（），可调控纺纱成型色彩的变化（）、（）、（），具体如下：（）成纱捻度调控机制 假定转杯转速 为常量，由式（）可知，根据引纱速度的变化（），可调控成纱捻度的变化（），具体如下：（）（）数控三通道转杯纺工艺实践 基本纺纱工艺参数的选择 数控三通道纺纱的优势是可以时序化调控成纱的线密度、混合比、捻度等结构参数，实现纺纱加工的柔性化。但由于三通道异步喂入纤维条速度的时序变化，出现一个动态且不稳定的牵伸与分梳分离过程，导致纺纱过程不稳定，使最终成型纱线的均匀性显著下降，频繁出现的纺纱断头降低了纺纱效率，为数控三通道纺纱技术的产业化增添了难度。为了发挥柔性纺纱可时序化调控纺纱成型线密度、混合比及捻度的优势，普及数控三通道纺纱技术，有必要进行纺纱工艺的优化。在试纺过程中发现，转杯转速、分梳辊转速、引纱速度、中罗拉速度、三通道纤维混合比等参数对纺纱过程的稳定性及成纱质量具有显著的影响。一般纺纱成型的线密度、捻度和混合比例等参数是根据客户的需求确定的。根据成型纱线的线密度和混合比可以确定 根纤维条喂给速度与引纱罗拉线速度之间的牵伸比，根据成型纱线的捻度可以确定转杯转速与引纱速度之间的加捻比例。为了确保纱线成型质量和纺纱效率，通常选择适纺转杯转速的上限作为转杯的转速；分梳辊转速在考虑分梳与混合效果的基础上一般也设为常量，为了确保产品所需要的纺纱成型捻度，引纱速度也设置为常量。使用 型数控三通道转杯纺纱机（华飞纺织科技有限公司），推荐三通道转杯纺纱机转杯转速为 ，转杯口径为 、型号为 杯，分梳辊转速为 ，齿条为。假捻盘为国产 假捻盘。以线密度 、捻度 捻 混色纱的纺制为例，喂入的纤维条定量为 的纯棉粗纱（安徽巢湖雅戈尔色纺有限公司），选择机器基本工艺参数如表 所示。表 三通道转杯纺纱机基本工艺参数 （）（）（）（）纺纱工艺参数的优化 在三通道转杯纺纱机基本工艺参数的基础上，对其他纺纱工艺参数进行优化，主要以三通道喂给罗拉速度、中罗拉速度、卷绕罗拉与引纱罗拉速比的优化为目标。三通道喂给速度的优化 在三通道喂给速度之和确定的前提下，三通道喂给速度的大小主要取决于三通道纤维的混合比例。为探究三通道纤维的混合比例对纺纱过程及成纱质量的影响，在其它工艺参数不变的前提下设计 组对比试验，具体试验方案如表 中试验 所示。按照设定的工艺参数进行纺纱，在纺纱过程中发现，当 种纤维的混合比例相接近时，成纱过程的稳定性较好，试验 的纺纱断头频率分别为 、次（）；当 种纤维的混合比例相差较大时，成纱的稳定性较差，纱线断头频率增加，试验 的纺纱断头频率分别为 、次（）；当纤维的混合比例减小到 时，如试验 和，成纱过程的稳定性明显变好，断头频率分别为 和 次（）。由此可认为，采用 组分纤维进行纺纱时，组分纤维混合比例相接近时的成纱稳定性最好。毛纺科技 第 卷 第 期 年 月表 三通道转杯纺纱工艺参数优化试验方案 试验序号：（）（）（）（）中罗拉速度的优化 与传统单通道转杯纺相比，数控三通道转杯纺纱机增加了 个异步喂入的喂给罗拉。三通道喂给罗拉与中罗拉的速度差异对纤维条形成一级牵伸，该牵伸倍数的大小对成纱过程的稳定及成纱质量有着显著的影响。三通道转杯纺纱的 个通道具有不同牵伸比，一般将混合比最大、牵伸比最小的通道作为主牵伸通道，设主牵伸通道的一级牵伸为，则在三通道混合比例确定的情况下，中罗拉速度主要由 决定。为探究中罗拉速度对成纱过程及成纱质量的影响，在其它工艺参数不变的前提下设计了 组对比试验，具体试验方案如表 中试验序号 所示。按照设定的工艺参数进行纺纱，在纺纱过程中发现，当主通道一级牵伸倍数 为 时，纤维条在中罗拉喂入处易出现拥堵，导致纺纱不能正常进行，频繁断头；当牵伸倍数 为 和 时，纺纱过程均能够稳定进行，纱线断头频率分别为 和 次（），由此可认为当牵伸倍数 为 时，纱线质量较优。卷绕罗拉与引纱罗拉速比的优化 卷绕罗拉与引纱罗拉速比在纱线上形成了一定的卷绕张力，该力的大小直接对纱线的弹性、伸长率和卷绕成形产生影响，从而影响成纱过程的稳定性和成纱质量。为探究卷绕罗拉与引纱罗拉的速比对成纱过程及成纱质量的影响，在其它工艺参数不变的前提下设计了 组对比试验，具体试验方案如表 中试验序号 所示。按照设定的工艺参数进行纺纱，在纺纱过程中发现，当卷绕罗拉与引纱罗拉的速比 为 时，能够进行正常纺纱，但是纱线卷绕成形比较松散，不利于后续的络筒加工；当 为 时，纺纱过程能够稳定进行，断头频率为 次（）；当 为 时，纺纱过程能够稳定进行，断头频率为 次（），相比 的速比，断头频率增加。由此可认为，当卷绕罗拉与引纱罗拉的速比 为 时，纱线质量较优。纺纱实践设 计 转 杯 纱 的 线 密 度 为 ，捻 度 为 捻，红、黄、蓝色 纤 维 混 合 比 为 。试验采用的原料为新疆细绒棉（二级锯齿白棉、长度 、马克隆值 级，安徽巢湖雅戈尔色纺有限公司），经过染色、开松除杂、梳理、并条、粗纱工序制成定量为 ，捻度为 捻 的粗纱。三通道纤维条定量为 ，颜色 值 为（，）、（，）、（，）。在上述工艺参数选择和优化的基础上，设定纺纱工艺参数如表 所示。按照设定的工艺参数进行纺纱，纺纱过程能够稳定进行，纱线断头频率为 次（）。利用 型超景深三维显微镜（基恩士（中国）有限公司）对纱线的纵截面和横截面进行第 卷 第 期 年 月毛纺科技 观察，纱线纵截面的照片如图（）所示，纱线横截面的照片如图（）所示。种纤维在纱体中混合均匀，能够使纱线形成均匀稳定的呈色效果；纱线短片段条干均匀，捻度适中，优化后的纺纱工艺能够在三通道数控转杯纺纱机上较好地纺制混色纱。表 纺纱工艺参数 ：（）（）（）（）（）（）（）（）图 纱线横纵截面照片（）（）（）；（）对纱线的力学性能和条干、毛羽情况进行测试。测试前，将纺制的纱线置于标准大气条件下 （湿度（）、温度（）。选用 型纱线强力仪（上海新纤仪器有限公司），依据 纺织品 卷装纱 单纱断裂强力和断裂伸长率的测定对纱线的力学性能进行测试，测试时设定预加张力为，夹持距离为，拉伸速度为 。选用 条干均匀度测试仪（苏州长风纺织机电科技有限公司），依据标准 纺织品 纺织纱线的不均匀性 电容法对纱线的条干均匀度进行测试，测试速度为 ，测试时间为 。选用 纱线毛羽测试仪（陕西长岭纺织机电科技有限公司），依据 纱线毛羽测定方法对纱线毛羽进行测试，测试时测试速度为 ，设置 个片段长度，每个片段长度为（纱线毛羽测定方法中规定棉类纱线 以上为毛羽设定长度）。纱线条干及力学性能测试结果如表 所示，纱线毛羽测试结果如表 所示，纺制的混色纱断裂强度为 、单纱断裂强力变异系数为 、条干均匀度变异系数为 、以上毛羽数量为 根（），具有良好的力学性能和条干均匀性，毛羽较少，基本可以达到转杯纺棉本色纱 转杯纺棉本色纱二级的质量指标（单纱断裂强度大于 、单纱断裂强力变异系数小于 、条干均匀度变异系数小于）。表 混色纱条干及力学性能测试结果 条干变异系数 值 不均匀度 初始模量（）强度变异系数 值 断裂强度（）断裂强力变异系数 值 断裂伸长率断裂伸长率 值 表 混色纱毛羽测试结果 毛羽长度 毛羽根数（根（）结 论 以实现柔性数字化纺纱为目标，介绍转杯纺纱系统的纤维条喂入机构及其整机控制模式和伺服驱动模式，基于构建的数控三通道转杯纺纱系统对时序化调控成型纱线的形态（线密度）、结构（纤维排列及捻合松紧度）、组分色纤维混合比（混合色彩）的机制进行了研讨。通过转杯纺纱试验对纺纱效率、成纱质量及纱线力学性能进行了分析，基于优选的纺纱系统参数与纺纱工艺参数纺制了 ，捻，红、黄、蓝 色 纤 维 混 合 比 为 的混色色纺纱。纺制的混色纱 毛纺科技 第 卷 第 期 年 月强度为 、单纱断裂强力变异系数为、条干均匀度变异系数为 、以上毛羽 数 量 为 根（），基 本 可 以 达 到 转杯纺棉本色纱 二级的质量指标。通过数控三通道转杯纺纱系统对纱线结构参数进行可控性调控，可以有效提高成纱质量。参考文献：叶戬春 转杯纺技术的现状与发展 纺织导报，（）：，（）：，徐惠君 转杯纺纱线技术的发展 上海纺织科技，（）：，（）：汪军，闫进祥，虞叔良，等 一种双喂给分梳装置：，：薛元，高卫东，杨瑞华，等 三棉条异步输入和多级分梳的转杯纺纺纱方法及装置：，：薛元，高卫东，杨瑞华，等 一种双棉条异步输入和三 级 分 梳 的 转 杯 纺 纺 纱 方 法 及 装 置：，：武臣，薛元，高林郁，等 五通道数控环锭纺纱系统构建及纺制花式纱机制分析 毛纺科技，（）：，（）：武臣，薛元，徐志武 基于数字孪生的数控纺纱监控平台构建 无锡：江南大学，：，张华 以集成化设计为源头的数字化工厂建设探索与实践 石油化工设计，（）：，（）：，徐超 纸尿裤集成化智能工厂建设方案研究 自动化仪表，（）：，（）：马崇启，朱宝基，刘凤坤，等 基于 模型的色纺纱配色算法改进 天津工业大学学报，（）：，（）：孙显强，崔鹏，李增润，等 环锭纺纱集成化智能控制系统 构 建 及 应 用 纺 织 导 报，（）：，（）：管幼平，李增润，李杨，等 面向智能制造的数控纺纱技术及数字化实现产品研发 纺织导报，（）：，（）：薛元，高卫东，杨瑞华 三通道数码纺纱：纱线的柔性数字 化 加 工 技 术 纺 织 导 报，（）：，：，（）：薛元，高卫东，李杨，等 三通道数码纺纱传动系统构建及数控纺纱成形机理分析 纺织导报，（）：，（）：，（）：，（）：