李德駿，鄭力文，袁浩然，紀昌俊，薛文偉

(1.武漢紡織大學電子與電氣工程學院，湖北 武漢 430200；2.武漢紡織大學現(xiàn)代紡織學院，湖北武漢 430200；3.中石化儀征化纖股份有限公司高纖事業(yè)部，江蘇儀征 211400)

目前在聚酯短纖維的生產(chǎn)加工過程中對成品包質(zhì)量控制的方法是人工估算頭尾絲在后紡成品包中的大概位置，設(shè)定一個較大范圍來分離出可能含有頭尾絲的成品包[1－2]。由于估算精度有限，造成剔除包數(shù)較多而且不準確，為了解決這一問題，需要精確識別頭尾絲在紡絲后處理階段出現(xiàn)的位置，并進行有效隔離，確保合格成品包中沒有頭尾絲。本文對短纖維頭尾絲在生產(chǎn)工藝中的位置變化進行了分析，得出了牽伸前后頭尾絲位置的計算公式，實現(xiàn)了頭尾絲的準確定位和跟蹤，根據(jù)此定位信息實現(xiàn)頭尾絲自動隔離。本文主要研究牽伸階段，利用前方卷繞記錄的頭尾絲產(chǎn)生的時間戳信息和自動配桶環(huán)節(jié)產(chǎn)生的時間戳跟蹤信息，對時間戳進行計算并識別頭尾絲的位置，最終將該位置信息傳到剪切打包處，利用分包裝置對含有頭尾絲的成品包進行分包處理，實現(xiàn)頭尾絲的自動隔離。

1 頭尾絲自動隔離原理

短纖維生產(chǎn)過程主要分為前紡卷繞、落桶、集束、牽伸、后紡打包等幾部分[3]。在前紡生產(chǎn)原絲的過程中，由于噴絲口在長期生產(chǎn)過程中會發(fā)生堵塞，經(jīng)常需要進行硅整理修板作業(yè)，期間需要將紡絲位切斷，此時就會產(chǎn)生尾絲，再次進行生產(chǎn)作業(yè)時就會產(chǎn)生1個頭絲，尾絲和頭絲會進入到整束原絲里面[4－5]。牽伸是一個物理過程，牽伸之后的位置與牽伸比成正比關(guān)系，進行牽伸操作之后頭尾絲的位置也會以一定的比例發(fā)生位置變化，頭尾絲位置變化見圖1。

圖1 頭尾絲位置變化

隔離的基本原理是在牽伸環(huán)節(jié)根據(jù)牽伸比對頭尾絲時間戳位置進行估算，同時實時記錄絲束牽伸的進程，對比二者能定位頭尾絲出現(xiàn)的位置，將時間戳出現(xiàn)的位置換算成牽伸機轉(zhuǎn)動的圈數(shù)Q，理論計算公式如下:

式中:v為紡絲速度，m/s；h為由工廠實時溫度濕度確定的打滑率，%；i為齒輪比；D為牽伸輪直徑，m；T為落桶時間，s；Q為牽伸總?cè)?shù)。

2 自動隔離系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)頭尾絲產(chǎn)生的過程，對前紡階段頭尾絲出現(xiàn)的時間打上時間戳標記，然后根據(jù)生產(chǎn)工藝對絲束拉伸的比率、絲束完成整個后紡工序所需的時間，重新定位頭尾絲位置[6－7]。最后將頭尾絲出現(xiàn)的位置傳到剪切打包處，利用分包裝置來挑出含有頭尾絲的成品包。系統(tǒng)方案整體設(shè)計圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)方案整體設(shè)計圖

2.1 牽伸計數(shù)器

牽伸計數(shù)器在頭尾絲自動隔離系統(tǒng)中非常重要，主要用來采集和實時記錄牽伸處牽伸輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，是計算頭尾絲位置的依據(jù)。在采集了大量的數(shù)據(jù)后可以優(yōu)化檢測精度，調(diào)整現(xiàn)場打滑率參數(shù)，提高檢測準確性。牽伸計數(shù)器記錄的圈數(shù)結(jié)合前紡部分頭尾絲的信息，可計算后紡中頭尾絲所在位置，硬件控制系統(tǒng)核心采用STM32F407ZGT6作為MCU，搭配有LCD屏幕和SD卡用于顯示和記錄[8]。主要檢測并記錄紡絲工藝后紡階段牽伸輪的轉(zhuǎn)動圈數(shù)，LCD屏幕顯示當前記錄的圈數(shù)，并通過光線通信傳輸?shù)胶蠹忞A段工控機。牽伸計數(shù)器原理見圖3。

圖3 牽伸計數(shù)器原理

2.2 自動分包裝置設(shè)計

自動分包裝置接收到來自牽伸的數(shù)據(jù)后會自動分離含有頭尾絲的成品包與不含頭尾絲的成品包。倒Y型的隔離裝置可以將短纖維分成2個部分，一邊是允許不含頭尾絲的短纖維正常通過，另外一邊則是當牽伸階段的工控機開始預(yù)報含有頭尾絲的地方即將出現(xiàn)的時候，則啟動自動分包隔離裝置，含有頭尾絲的短纖維則會從另外一邊進入打包區(qū)域，從而實現(xiàn)頭尾絲的自動隔離。自動分包裝置原理見圖4。

圖4 自動分包裝置原理

2.3 通信方式分析

為保證數(shù)據(jù)的準確傳輸，考慮到工廠環(huán)境的特殊性、牽伸計數(shù)器與自動隔離裝置的距離達到500 m以上。在本系統(tǒng)中采用光纖通信，通過光纖收發(fā)器來完成前紡頭尾絲定位與后紡牽伸以及最終的隔離系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。可以保證信息的實時傳輸和穩(wěn)定性，從而達到工業(yè)級檢測系統(tǒng)的標準。在本系統(tǒng)中選用TL-FC111A光纖收發(fā)器(TP-LINK有限公司)[9－10]。

3 頭尾絲隔離控制系統(tǒng)軟件

根據(jù)頭尾絲自動隔離系統(tǒng)工作原理及過程，控制系統(tǒng)需要具備前紡頭尾絲數(shù)據(jù)實時接收、儲存、處理、下發(fā)；后紡牽伸圈數(shù)處理、包含頭尾絲成品包定位；自動分包裝置控制與反饋3大模塊。頭尾絲自動隔離控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 頭尾絲自動隔離控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

4 實驗結(jié)果

首先，對前紡卷繞階段的生頭裝置所產(chǎn)生的時間戳準確性進行實際測試。通過撥動生頭裝置，觀察軟件系統(tǒng)中是否出現(xiàn)記錄，經(jīng)過測試，生頭裝置每動作一次，就會在系統(tǒng)中留下1個時間記錄，該時間與實際生頭裝置動作的時間相吻合。

其次，對前紡卷繞階段產(chǎn)生的尾絲時間戳的準確性進行實際測試。通過記錄人工剪斷絲束的時間作為尾絲產(chǎn)生的時間，觀察軟件系統(tǒng)中是否有出現(xiàn)記錄，經(jīng)過測試，剪斷的實際時間與系統(tǒng)記錄的時間相吻合。

最后，對后紡牽伸運行結(jié)果進行驗證。由于前紡階段的尾絲或頭絲不能在生產(chǎn)線上人工觀察，為了觀察實際結(jié)果，將盛絲桶的了桶尾絲作為時間戳的一種尾絲，觀察了桶尾絲是否準確地出現(xiàn)在預(yù)報指示期間所生產(chǎn)的成品包內(nèi)，為此，在實際驗證的批次中設(shè)置了落桶時間較短的盛絲桶，當尾絲出現(xiàn)的時候，觀察是不是在預(yù)報指示的圈數(shù)段內(nèi)，如果跟蹤測試的尾絲都能夠在預(yù)報指示期間落入成品包內(nèi)，那么在中間出現(xiàn)的頭尾絲也就能更加準確地被預(yù)報顯示。

預(yù)報指示的圈數(shù)是根據(jù)成品包中1包絲的長度來設(shè)定的。根據(jù)實際測試，生產(chǎn)1包1.33dtex的產(chǎn)品，牽伸轉(zhuǎn)動輪運轉(zhuǎn)圈數(shù)小于1 000圈，因此，設(shè)定的預(yù)報圈數(shù)是根據(jù)預(yù)測尾絲進入打包機的圈數(shù)(±1 000圈)為范圍，從預(yù)報開始到結(jié)束，打包量不會超過3包，只要在預(yù)報指示期間將生產(chǎn)的含有頭尾絲的成品包進行隔離，就能夠?qū)崿F(xiàn)頭尾絲的準確隔離，達到本項目實際研究目標。

通過短纖生產(chǎn)線各環(huán)節(jié)的運行驗證，本項目實驗結(jié)果對頭尾絲產(chǎn)生的跟蹤有效而且準確，并且能夠在后紡牽伸過程中，有效提示生產(chǎn)線上頭尾絲在打包時候的出現(xiàn)位置，能夠?qū)崿F(xiàn)頭尾絲自動隔離的目的。牽伸階段測試數(shù)據(jù)表見表1。

表1 牽伸階段測試數(shù)據(jù)表

5 結(jié)束語

本文完成了頭尾絲自動隔離系統(tǒng)，在能夠準確捕獲到頭尾絲時間戳的基礎(chǔ)上完成了對含有頭尾絲成品包的準確分離。利用光纖通信完成了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，建立了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在牽伸崗位設(shè)立了頭尾絲管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了頭尾絲進入成品包的預(yù)報功能，在打包崗位處設(shè)置了頭尾絲預(yù)報指示裝置，以及自動分包動裝置，實現(xiàn)短纖頭尾絲的自動隔離。

頭尾絲自動隔離系統(tǒng)減少了剔除含有頭尾絲的成品包的數(shù)量，如何避免剔除良品包、直接在打包過程中剔除頭尾絲仍是后期需要進一步解決的問題。