倪 遠(yuǎn)，劉廣喜

(1.紡之遠(yuǎn)(上海)紡織工作室，上海 200063；2.北京眾仁智杰科技發(fā)展有限公司，北京 100176)

0 引言

《紡織工業(yè)“十三五”科技進(jìn)步綱要》《紡織機(jī)械行業(yè)“十四五”發(fā)展指導(dǎo)性意見》明確了紡紗信息化、智能化的發(fā)展方向[1-2]。信息化與智能化紡紗需要完善的紡紗過程實時數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量在線實時監(jiān)控和質(zhì)量追蹤技術(shù)。其中，關(guān)鍵性和基礎(chǔ)性的信息就是細(xì)紗機(jī)紡紗狀態(tài)和紗線品質(zhì)在線實時信息，筆者將就此進(jìn)行探討。

1 細(xì)紗機(jī)斷頭檢測技術(shù)應(yīng)用

針對環(huán)錠細(xì)紗機(jī)在線監(jiān)測，行業(yè)以細(xì)紗機(jī)紡紗斷頭檢測為典型應(yīng)用。斷頭檢測的技術(shù)方案早在40多年前就被提出，此后國際上有多家紡機(jī)制造企業(yè)推出相關(guān)產(chǎn)品并被少量應(yīng)用。近年來，隨著紡紗技術(shù)向自動化、信息化和智能化方向發(fā)展，行業(yè)對紡紗斷頭檢測技術(shù)應(yīng)用的共識度有所提升，其中在節(jié)省用工、操作工勞動強(qiáng)度降低和改善管理效應(yīng)方面已經(jīng)顯現(xiàn)，紡紗斷頭檢測技術(shù)推廣應(yīng)用加速進(jìn)行。

在2019ITMA巴塞羅那國際紡機(jī)展上，幾乎所有參展細(xì)紗機(jī)樣機(jī)都配置了斷頭檢測裝置，從目前行業(yè)應(yīng)用效應(yīng)和意愿看，進(jìn)一步普及應(yīng)用的趨勢比較明顯，甚至存在斷頭檢測裝置在中高檔細(xì)紗機(jī)或紗線產(chǎn)品上成為標(biāo)配的趨勢[3]。從當(dāng)前行業(yè)情況看，基于棉紡企業(yè)的經(jīng)營難度和盈利壓力，信息化裝備配置中對投資成本的敏感度較高。因此，紡紗信息化進(jìn)一步普及應(yīng)用主要受限于對投資成本的考量，或者說是對投資回報期的考量[4]。

環(huán)錠紡紗技術(shù)的產(chǎn)能主要受制于細(xì)紗機(jī)紡紗斷頭，同時紡紗斷頭對環(huán)錠紡紗生產(chǎn)的影響還包括用工、主機(jī)效率、原料損耗、紗線品質(zhì)和能耗等一系列與管理和成本相關(guān)的項目，這就凸顯了對紡紗紗條斷頭控制的重要性。細(xì)紗機(jī)紡紗斷頭檢測技術(shù)的應(yīng)用能及時監(jiān)測紡紗斷頭情況、實時了解斷頭分布、分析斷頭原因，針對性地反饋應(yīng)用這些信息，可以有目標(biāo)地改善錠速制約因素、優(yōu)化錠速與卷裝協(xié)調(diào)、優(yōu)化調(diào)度值車和加捻卷繞器材維護(hù)計劃，從而提高紡紗生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)能、降低消耗、節(jié)省用工、改善品質(zhì)和完善管理。斷頭檢測技術(shù)是紡企信息化管理必需的基礎(chǔ)信息采集，是紡紗生產(chǎn)中錠位精細(xì)管理及自動化機(jī)器人接頭與值車等技術(shù)應(yīng)用必不可少的配置，并能有效拓展紡紗智能化應(yīng)用的深度和廣度[5]。

2 細(xì)紗機(jī)斷頭檢測技術(shù)分類

環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡紗斷頭檢測，是紡紗信息化基礎(chǔ)信息的采集，是提高細(xì)紗機(jī)值車操作的輔助技術(shù)，也是改善紡紗生產(chǎn)錠位管理的重要手段。依據(jù)斷頭信息的檢測位置，現(xiàn)有紡紗斷頭檢測技術(shù)的信息采集點大致可以分為3類。

2.1 鋼領(lǐng)上回轉(zhuǎn)的鋼絲圈

通過鋼絲圈進(jìn)行信息檢測是目前行業(yè)的主流應(yīng)用，已經(jīng)有采用光電式或電磁式等傳感器的鋼絲圈回轉(zhuǎn)信息斷頭探測裝置規(guī)?；瘧?yīng)用，也有若干行業(yè)未見實際應(yīng)用的技術(shù)方案。從紡紗工藝的角度分析，鋼絲圈回轉(zhuǎn)信息檢測的實質(zhì)是紗條加捻狀態(tài)檢測。這類采集方法可以同時獲得斷頭和鋼絲圈運轉(zhuǎn)速度(錠速)信息，即通過掃描鋼絲圈在鋼領(lǐng)上的運動狀態(tài)獲取鋼絲圈運轉(zhuǎn)速度或頻率(折算為錠速)，以鋼絲圈運轉(zhuǎn)速度為零輸出斷頭信號，鋼絲圈運轉(zhuǎn)速度和斷頭信息的獲取有利于進(jìn)行錠子運轉(zhuǎn)狀態(tài)的錠位管理，也便于擴(kuò)展聯(lián)接粗紗自動停喂裝置。

2.2 紡紗段的紗條信息采集

一般采用在巡回移動載體上安裝攝像頭的方法對紡紗段紗條進(jìn)行周期性動態(tài)圖像的分析處理，或通過對紡紗段紗條的觸碰獲取各錠位紗條是否正常運行的信息。由于采用移動載體巡回探測，斷頭信息為較長周期斷續(xù)的非實時信息，警示信息滯后、統(tǒng)計信息誤差大，如果聯(lián)接粗紗停喂裝置，信息反饋滯后的不利因素明顯。移動裝置及圖像處理穩(wěn)定性差，較長周期斷續(xù)的非實時數(shù)據(jù)難以用于統(tǒng)計和考核的信息化管理。同時無法實現(xiàn)錠速信息采集，缺少錠速與捻度相關(guān)的統(tǒng)計信息。

2.3 導(dǎo)紗鉤部位

采用光電、壓力、振動等傳感器采集氣圈轉(zhuǎn)速或斷頭信息。設(shè)置于導(dǎo)紗鉤部位的特殊傳感器涉及成本和信號處理難度，可能也存在缺少錠速信息采集的弊端。

2.4 3類斷頭檢測技術(shù)比較

現(xiàn)有公開的紡紗斷頭信息采集點與技術(shù)特征比較見表1，以了解和比較多種斷頭檢測方案的采集、檢測和反饋等技術(shù)特征要素及相對劣勢。

表1 現(xiàn)有公開技術(shù)紡紗斷頭信息采集點與技術(shù)特征比較

表1的信息主要來自中國專利局專利公告和行業(yè)應(yīng)用信息，其中的一些方案僅僅是技術(shù)構(gòu)思，可能不具有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的性價比。行業(yè)需要投資成本較低、維護(hù)管理便利、能夠在線實時警示和統(tǒng)計的斷頭檢測系統(tǒng)，普及紡紗企業(yè)信息化管理，推動細(xì)紗機(jī)紡紗紗條監(jiān)測技術(shù)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，并在可能的條件下帶動紡紗智能化發(fā)展。

3 細(xì)紗機(jī)斷頭檢測技術(shù)應(yīng)用分析

在斷頭檢測技術(shù)推廣應(yīng)用中，針對鋼絲圈運動的電磁式和光電式2種單錠實時檢測方法，目前為行業(yè)應(yīng)用的主體，對于中國紡織行業(yè)來說，超過90%的市場占有率，其中又以電磁式單錠實時檢測方法占比較大。采用電磁式或光電式傳感器檢測鋼領(lǐng)上高速回轉(zhuǎn)的鋼絲圈運轉(zhuǎn)速度(回轉(zhuǎn)頻率)，錠速與斷頭檢測合二為一。對于被檢測的鐵磁性鋼絲圈，運用勵磁電磁感應(yīng)或光照反射感應(yīng)進(jìn)行運動信息檢測，目標(biāo)運動相對穩(wěn)定、信號較為可靠。

但是，就電磁式和光電式2種單錠實時檢測方法的應(yīng)用情況看，仍有一些問題值得思考。

a) 作為檢測對象的鋼絲圈是紡紗轉(zhuǎn)速的間接載體，因而不能采集到與紗條本體相關(guān)的紡紗信息，也不能對檢測對象采集更多紡紗相關(guān)信息，實現(xiàn)多元信息擴(kuò)展。

b) 由于受限于傳感器在鋼領(lǐng)板上的安裝位置，和讓位于必要的接頭操作空間，傳感器能夠檢測到的鋼絲圈運動信號就是微弱的模擬量信號，因而需要通過微電子信息傳感、信號放大變換傳輸處理等步驟，這就使信號的處理轉(zhuǎn)換過程和電路復(fù)雜化，使系統(tǒng)配置成本相對較高，限制了斷頭檢測裝置的普及應(yīng)用。

c) 對鋼領(lǐng)直徑變更的工藝，可能會改變檢測鋼絲圈回轉(zhuǎn)信息的途徑，影響斷頭檢測裝置的工作。

d) 采用電磁傳感器會對鋼絲圈產(chǎn)生磁化和磁場作用力，影響氣圈回轉(zhuǎn)的圓度。

e) 采用光電模擬信號采集時會因光電元件老化而影響檢測精度和使用壽命。

f) 由于鋼絲圈正常運動到停止的慣性，以及為了降低硬件成本采用的分時運算，從斷頭到警示具有一定的時滯。

g) 鋼領(lǐng)板外側(cè)被斷頭檢測裝置占位可能會給后續(xù)自動接頭機(jī)的配置和工作帶來影響。

因此，選擇合適的紡紗斷頭檢測信息采集點、信息采集對象與傳感器，是研發(fā)設(shè)計檢測系統(tǒng)功能、采集信號效用和系統(tǒng)性價比的決定性因素。

基于當(dāng)下行業(yè)對紡紗相關(guān)項目投資成本的敏感度，單錠成本對該技術(shù)的推廣應(yīng)用影響很大。一方面紡織行業(yè)確需擴(kuò)大此類成熟和有價值的信息化項目應(yīng)用，另一方面又受限于經(jīng)濟(jì)條件。技術(shù)研發(fā)制造企業(yè)必須以工藝技術(shù)路線為導(dǎo)向，尋找技術(shù)突破口，力爭做到“馬兒好，少吃草”。

4 細(xì)紗機(jī)紗條品質(zhì)實時監(jiān)測

對于細(xì)紗機(jī)紡紗的在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用，一直停留在斷頭和錠速的檢測上，即紗條工作狀態(tài)和錠子回轉(zhuǎn)狀態(tài)2個方面，對應(yīng)的是紗條產(chǎn)出和捻度2個關(guān)聯(lián)紡紗產(chǎn)量和質(zhì)量的度量，但是捻度僅是紡紗紗條加捻卷繞方面的一個指標(biāo)。有關(guān)紗條品質(zhì)，特別是表征紗體結(jié)構(gòu)的線密度及其變化率等方面的指標(biāo)，才是紡紗生產(chǎn)及后續(xù)應(yīng)用更重要、更難以掌控及更需要在線實時監(jiān)測的品質(zhì)項目。讓紗線品質(zhì)從生成之際就“了然”，才是杜絕不良品、掐滅根源的上策。遺憾的是，對紗條這些品質(zhì)的監(jiān)測技術(shù)，始終沒有實質(zhì)性進(jìn)展。

行業(yè)需要紡紗紗條在線監(jiān)測信號采集便利、投資成本較低、能夠在線實時警示和統(tǒng)計的斷頭與錠速監(jiān)測技術(shù)和裝置，進(jìn)一步希望能夠在在線監(jiān)測錠速和斷頭的同時，在線監(jiān)測紡紗紗條品質(zhì)，為紡紗信息化乃至紡紗智能化技術(shù)發(fā)展提供更多的與紡紗主體工程基礎(chǔ)信息相關(guān)的信息采集，及可供深度挖掘的單錠紡紗紗條監(jiān)測大數(shù)據(jù)，普及紡紗行業(yè)信息化管理，推動紡紗智能化技術(shù)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

在已經(jīng)公開的眾多紡紗紗條在線監(jiān)測系統(tǒng)中，十多年前引起筆者關(guān)注的是比利時巴可公司推出的OptiSpin單錠式導(dǎo)紗鉤紗條運動光路監(jiān)測系統(tǒng)(以下簡稱OptiSpin系統(tǒng)；見圖1)，該監(jiān)測方案除了具有紡紗斷頭和氣圈速度(頻率)基本監(jiān)測信息外，據(jù)說還具有紗條直徑監(jiān)測功能(見圖2)[6-7]。

圖1 OptiSpin系統(tǒng)

1—電線通道；2—導(dǎo)紗鉤；3—監(jiān)測頭；4—紗條； 5—鋼絲圈；6—鋼領(lǐng)。圖2 OptiSpin系統(tǒng)監(jiān)測原理

監(jiān)測頭由調(diào)制光發(fā)射接收光電轉(zhuǎn)換組件組成，設(shè)置在導(dǎo)紗鉤下方經(jīng)導(dǎo)紗鉤引導(dǎo)后小氣圈的路徑上，該位置也是氣圈段張力最大處。監(jiān)測頭的信息連接到傳感器控制單元SCU和機(jī)臺計算機(jī)。巴可公司的斷頭監(jiān)測管理軟件SpinMaster Monitoring System包含斷頭與運轉(zhuǎn)效率分析、錠速及其優(yōu)化、操作與維護(hù)引導(dǎo)和粗紗停喂等功能。有別于其他斷頭檢測方案之處在于，其還宣稱具有紗條直徑在線監(jiān)測功能。提取圖2左下方波形中的脈沖谷底深度信息作為紗條直徑d的模擬量信息，通過機(jī)臺計算機(jī)處理，進(jìn)行整機(jī)各錠位紗條直徑及其不勻率、紗疵等在線監(jiān)測和分析，成為名符其實的在線質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。

但是該技術(shù)一直未見市場應(yīng)用信息，近年又見該技術(shù)轉(zhuǎn)變成為BMSvision公司的產(chǎn)品，雖然將產(chǎn)品稱為“環(huán)錠細(xì)紗機(jī)在線質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)”，但更新后的OptiSpin系統(tǒng)產(chǎn)品介紹文字中不再提及具有紗條直徑檢測功能，而只是宣傳可精確記錄錠子速度和實時監(jiān)測斷頭情況。顯然，距離真正意義的“質(zhì)量監(jiān)控”還是缺少了若干重要功能。

有關(guān)紗條直徑信息的檢測采集，確實不是一個簡單的課題。細(xì)紗機(jī)所有錠位實時在線的線密度信息采集難度極大，成為一項難以突破瓶頸的行業(yè)潛在需求，或者說是一個至今沒有確定性研發(fā)途徑的項目。隨著紡紗品質(zhì)管理的深入，紡紗主體工程信息化智能化技術(shù)的發(fā)展，包括紡紗品質(zhì)追溯系統(tǒng)在內(nèi)等事后監(jiān)控項目的應(yīng)用，以及智能紡紗發(fā)展涉及虛擬紗條與紗體數(shù)字孿生概念的提出，細(xì)紗機(jī)錠位紗條在線品質(zhì)監(jiān)控技術(shù)的行業(yè)需求逐漸顯現(xiàn)，行業(yè)關(guān)注度提升，項目應(yīng)用的需求已提到議事日程上，并將從潛在的隱性需求逐步轉(zhuǎn)變?yōu)轱@性需求。

5 細(xì)紗機(jī)紗條品質(zhì)非實時監(jiān)測

在紡紗紗條在線實時質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)不能覆蓋到細(xì)紗機(jī)紡紗生產(chǎn)中的情況下，2020年6月有公開信息顯示，國內(nèi)有紡紗智能化項目，重視機(jī)臺錠位質(zhì)量信息監(jiān)測應(yīng)用，研發(fā)了移動巡回式紗條視覺識別監(jiān)測裝備，見圖3、圖4[8]。

圖3 移動巡回式紗條視覺識別監(jiān)測裝備

圖4 紡紗段紗條視覺識別監(jiān)測頭

該技術(shù)采用視覺識別深度智能化分析和最新的高速率低時延5G通訊技術(shù)，進(jìn)行細(xì)紗機(jī)錠位在線監(jiān)測，為紡紗紗條的機(jī)臺和錠位提供智能化輔助管理。該技術(shù)雖然不是實時監(jiān)測，但至少能在一個規(guī)劃的周期內(nèi)完成預(yù)設(shè)機(jī)臺和錠位的在線監(jiān)測，為細(xì)紗機(jī)錠位監(jiān)控提供重要的基礎(chǔ)信息采集，填補(bǔ)了一項紡紗紗條線上監(jiān)測管理的空缺。從圖3、圖4可知，細(xì)紗機(jī)鋼領(lǐng)板上還設(shè)置了斷頭檢測裝置，表明移動巡回式紗條視覺識別監(jiān)測裝備，在線但非實時監(jiān)測的對象只是紡紗段紗條，對斷頭和錠速的在線實時檢測，還是由斷頭檢測裝置完成。當(dāng)然，對于縱橫向雙重動態(tài)掃描檢測、長周期回測的品質(zhì)數(shù)據(jù)，是一種很短片段的抽樣檢查，較難拼接出每個錠位的紗體品質(zhì)數(shù)據(jù)，究竟能夠溯源并監(jiān)測哪些品質(zhì)項目、能夠輔助提升哪些品質(zhì)管控，尚待實踐檢驗。

在現(xiàn)有技術(shù)無細(xì)紗機(jī)紗條品質(zhì)實時監(jiān)測應(yīng)用的情況下，一個工藝技術(shù)的補(bǔ)救方法，就是采用RFID電子標(biāo)簽紗管或托盤的紡紗質(zhì)量追蹤系統(tǒng)，依靠自絡(luò)機(jī)上的電子清紗系統(tǒng)檢測出問題紗線，再通過帶有電子標(biāo)簽的紗管或托盤跨工序追溯細(xì)紗機(jī)紡紗錠位，其基本上只能用于自動落紗細(xì)紗機(jī)或細(xì)絡(luò)聯(lián)，不但應(yīng)用條件受限，而且投資成本高昂、管理繁復(fù)、信息滯后，該技術(shù)長期未能推廣應(yīng)用。

6 數(shù)字信號紗條實時監(jiān)測系統(tǒng)

在滿足信號采集功能多元、信號處理便捷和系統(tǒng)成本較低的條件下，筆者構(gòu)建了一套數(shù)字信號紗條監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)(見圖5)，從選擇合適的信息采集對象、信息采集點與傳感器類型出發(fā)，確定以對射光路的光電傳感器在導(dǎo)紗鉤部位采集紗條回轉(zhuǎn)信息，光電發(fā)射管與光電接收管分別設(shè)置在外形為“U”形的紗條監(jiān)測器兩臂里面，兩臂內(nèi)側(cè)對光窗口均設(shè)有聚焦和約束光電發(fā)射管和接收管對射光束尺寸的結(jié)構(gòu)，使發(fā)射管射向接收管的光束寬度接近于紗條直徑，紗條監(jiān)測器光路靠近導(dǎo)紗鉤下部或徑向穿過導(dǎo)紗鉤的導(dǎo)紗孔，紗條在導(dǎo)紗孔中回轉(zhuǎn)時能夠阻斷射向光電接收管光路，使光電接收管的光電轉(zhuǎn)換工作處于飽和(電平1)或阻斷(電平0)狀態(tài)，從而直接產(chǎn)生數(shù)字脈沖信號(見圖6)。

圖5 數(shù)字信號紗條監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)示意

圖6 數(shù)字信號紗條監(jiān)測系統(tǒng)脈沖信號

紗條監(jiān)測器與錠位控制器組合一體，錠位控制器安裝在導(dǎo)紗板下部。多個錠位控制器采集到的錠位信息輸入到段位控制器，由段位控制器集中處理，一方面段位控制器中的信息處理模塊反饋出錠位和段位警示信號，同時段位控制器里的通訊模塊將處理后的信息發(fā)送到機(jī)臺控制器。

依據(jù)不同需求，以上原理和結(jié)構(gòu)及不同的信號處理，可以構(gòu)建以下2種紗條監(jiān)測系統(tǒng)。

6.1 數(shù)字信號紗條斷紗檢測系統(tǒng)

紗條在直徑為2.0 mm～2.4 mm的導(dǎo)紗孔內(nèi)回轉(zhuǎn)1圈，產(chǎn)生對光束的2次切割，產(chǎn)生2個數(shù)字脈沖信號，以9.8 tex紗條直徑約0.12 mm計，占空比約為0.016，在最高氣圈回轉(zhuǎn)速度為20 kr/min時回轉(zhuǎn)頻率為333 Hz，紗條脈寬約為48 μs，滿足一般光電管最小上升沿或下降沿不小于15 μs的極限響應(yīng)。

在錠位紗條數(shù)字信息采集中，紗條回轉(zhuǎn)1圈T0時間內(nèi)產(chǎn)生對光束的2次切割(如圖6所示)，在光電接收管接收信號S上產(chǎn)生2組間隔為T1和T2的脈沖，2次切割中由于紗條距離光電接收管的距離不同，或者對射光束可能偏離氣圈回轉(zhuǎn)中心線，實際監(jiān)測到的T1，t1與T2，t2是不一定相等的，因此在計算紗條回轉(zhuǎn)頻率f、回轉(zhuǎn)速度n相關(guān)數(shù)據(jù)時，可以應(yīng)用式(1)、式(2)計算：

紗條頻率f=1/T0=1/(T1+T2)

(1)

紗條轉(zhuǎn)速n=60/T0=60/(T1+T2)

(2)

當(dāng)然，由于紗條回轉(zhuǎn)頻率、回轉(zhuǎn)速度需要的計算精度不高，可以認(rèn)為T1=T2，則簡化計算為：紗條平均頻率f=1/(2T1)，或f=1/(2T2)；紗條平均轉(zhuǎn)速n=30/T1，或n=30/T2。

利用錠位紗條光電數(shù)字脈沖頻率和脈沖寬度信息進(jìn)行整機(jī)通訊與運算，可以獲得包括單錠和整機(jī)實際產(chǎn)量和效率、重復(fù)斷頭錠位、管紗成形不同階段斷頭數(shù)、錠子實際轉(zhuǎn)速及其變化率等生產(chǎn)與品質(zhì)管理所需的實時數(shù)據(jù)，也可按照用戶需求擴(kuò)展其他統(tǒng)計數(shù)據(jù)。斷頭信息可以實時驅(qū)動粗紗停喂、吸棉風(fēng)機(jī)的動態(tài)降頻節(jié)能等擴(kuò)展應(yīng)用。

6.2 數(shù)字信號紡紗斷紗檢測與質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

在上述數(shù)字信號細(xì)紗機(jī)斷紗檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，分別對回轉(zhuǎn)頻率和紗條脈寬信號進(jìn)行采集運算處理，計算紗條直徑的公式見式(3)：

紗條直徑d∝(t1+t2)/(T1+T2)

(3)

利用錠位紗條光電數(shù)字脈沖頻率和脈沖寬度信息進(jìn)行整機(jī)通訊與運算，既可以獲得包括單錠和整機(jī)實際產(chǎn)量和效率、重復(fù)斷頭錠位、管紗成形不同階段斷頭數(shù)、錠子實際轉(zhuǎn)速及其變化率實時數(shù)據(jù)，又獲得紗條直徑及其變化率等生產(chǎn)與品質(zhì)管理所需的實時數(shù)據(jù)。

對所得在線數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計計算，用以表征各個錠位紡紗紗條的線密度水平及其分片段變異狀況。表2為常用紗線號數(shù)的取樣參數(shù)計算，可看出隨著紗線號數(shù)變小，每米采樣數(shù)量增加，每數(shù)據(jù)表征長度降低，這符合紗線質(zhì)量管理特性。與目前行業(yè)應(yīng)用的電容式細(xì)紗線密度檢測儀檢測極板長度為8 mm類比，表1中每數(shù)據(jù)表征長度為8 mm的1/10～1/20，即長度方向的檢測精度提高1個數(shù)量級以上。

表2 常用紗線線密度品種的取樣參數(shù)

紗條直徑及其變化率的計算，可以通過分長度片段計算單錠均方差變異系數(shù)、錠間均方差變異系數(shù)和單錠平均直徑，以及對頻發(fā)性和偶發(fā)性疵點作出計數(shù)，通過標(biāo)定或修正獲得品質(zhì)考核所需的條干不勻、質(zhì)量不勻、線密度和紗疵等一系列質(zhì)量數(shù)據(jù)。

紗條線密度指標(biāo)基本計算公式如下，實際紗條平均線密度和紗條片段不勻率，需要根據(jù)纖維和紗線品種進(jìn)行修正。設(shè)：

脈寬比例值Xi=(t1+t2)/(T1+T2)

(4)

(5)

(6)

7 數(shù)字信號紗條監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)勢

7.1 與OptiSpin系統(tǒng)的區(qū)別及優(yōu)勢效應(yīng)

目前行業(yè)中尚無細(xì)紗機(jī)單錠紡紗紗條直徑實時在線監(jiān)測的技術(shù)應(yīng)用，即使與十多年前比利時巴可公司OptiSpin系統(tǒng)所說的紗條直徑檢測功能相比，數(shù)字信號紗條監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)具有3大顯著性區(qū)別，并產(chǎn)生優(yōu)勢效應(yīng)。

a) 采集位置不同。OptiSpin系統(tǒng)位于導(dǎo)紗鉤下部，紗條回轉(zhuǎn)直徑較大且隨大小紗氣圈形態(tài)而改變，導(dǎo)致紗條阻隔光路的信號占空比極小且不穩(wěn)定，光電管獲得的模擬信號很弱，信號處理和轉(zhuǎn)換成本較高，該技術(shù)紗條回轉(zhuǎn)直徑等于或接近導(dǎo)紗孔直徑，回轉(zhuǎn)直徑小而穩(wěn)定，可以獲得脈寬大且穩(wěn)定的信號。

b) 采集信號制式不同。OptiSpin系統(tǒng)采集的是模擬量信號，該技術(shù)直接采集數(shù)字量脈沖信號，應(yīng)用二值電平邏輯數(shù)字信號，對數(shù)據(jù)的運算處理便利，抗干擾能力強(qiáng)，能實現(xiàn)幾乎無差錯的運算、傳輸和存儲，因而在應(yīng)用性價比方面，相比模擬量信號，具有不可比擬的優(yōu)勢。

c) 采集紗條直徑信號不同。OptiSpin系統(tǒng)采集的紗條直徑信號是模擬量脈沖幅度，期望采用脈沖幅度信號來表征紗條直徑，由于信號弱、脈寬窄、幅度小，實現(xiàn)的可能性不大，這可能就是該產(chǎn)品長期未見實際應(yīng)用，以及更換公司后不再宣傳紗條直徑監(jiān)測功能的主要原因。該技術(shù)的數(shù)字信號細(xì)紗機(jī)斷紗檢測與紗條監(jiān)測系統(tǒng)以脈沖寬度表征紗條直徑，方便采集與信號穩(wěn)定，當(dāng)然由于需要增加脈沖寬度信號的統(tǒng)計、傳輸、存儲和運算，系統(tǒng)配置與僅有錠速和斷頭信息檢測功能的數(shù)字信號細(xì)紗機(jī)斷紗檢測與紗條監(jiān)測系統(tǒng)相比，需增加一定的軟硬件成本。

7.2 主要結(jié)構(gòu)特征與應(yīng)用效應(yīng)

7.2.1 工藝技術(shù)合理

紗條監(jiān)測器對紗條回轉(zhuǎn)信息直接用數(shù)字化采集，以較低信息采集與處理成本、較穩(wěn)定的監(jiān)測數(shù)據(jù)和較高的系統(tǒng)性價比，實現(xiàn)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)每個紡紗錠位的實時錠速信息、斷頭信息及至紗條品質(zhì)信息的采集。

7.2.2 結(jié)構(gòu)簡潔精巧

對激光或紅外對射光束進(jìn)行約束或聚焦處理，直接產(chǎn)生實時錠位數(shù)字化監(jiān)測信息，數(shù)據(jù)處理簡便，抗干擾性能好，紗條監(jiān)測器與錠位控制器一體設(shè)置，與導(dǎo)紗鉤一體固定或安裝在導(dǎo)紗板下部，大幅減輕鋼領(lǐng)板負(fù)荷。

7.2.3 功能多元實用

實現(xiàn)實時在線對錠速狀態(tài)的監(jiān)測，斷頭錠位、段位或車側(cè)位的警示，紗條品質(zhì)的監(jiān)測，獲得與錠速、斷頭和紗條品質(zhì)相關(guān)的原始數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，用于紡紗生產(chǎn)工藝技術(shù)、運轉(zhuǎn)操作、設(shè)備維護(hù)等管理考核。由于品質(zhì)數(shù)據(jù)的在線實時性，可以大大減少跨工序質(zhì)量追蹤的項目，如可以不再需要帶有RFID芯片的智能紗管的配置及其成本投入，也能解決現(xiàn)有技術(shù)無法實現(xiàn)的對賽絡(luò)紡紗條斷股的監(jiān)測。紗條品質(zhì)項目監(jiān)測功能的集成，對創(chuàng)新項目的實施和應(yīng)用性價比的提升非常有利。

7.2.4 獨特進(jìn)步效應(yīng)

增加采集到的與紗條品質(zhì)相關(guān)的數(shù)字化數(shù)據(jù)，是關(guān)乎紡紗工藝技術(shù)管理中品質(zhì)監(jiān)控的紡紗主體工程大數(shù)據(jù)，其對紡紗介質(zhì)采集和處理的數(shù)據(jù)量，將是整個紡紗過程中最為關(guān)鍵和龐大的數(shù)據(jù)集。對紗線形成關(guān)鍵部位的大數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和智能化運用，可以實現(xiàn)“十四五”發(fā)展規(guī)劃提出的基于人工智能和數(shù)字孿生的新一代紡紗檢測與信息智能系統(tǒng)，產(chǎn)生很大的紡紗工藝技術(shù)進(jìn)步。

8 結(jié)語

我國紡織行業(yè)“十三五”“十四五”規(guī)劃把紡紗數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)列入重點工程和重點任務(wù)，也提出了紡紗信息化的數(shù)字孿生應(yīng)用，為我國在基本實現(xiàn)紡織強(qiáng)國后指明了紡紗信息化、智能化的發(fā)展方向，成為行業(yè)科技發(fā)展最重要的趨勢與目標(biāo)。在紡紗信息化和智能化技術(shù)研發(fā)應(yīng)用中，對信息的采集和處理，應(yīng)遵循信號采集功能多元、信號處理便捷和系統(tǒng)成本較低的原則。特別對于細(xì)紗機(jī)紡紗狀態(tài)和品質(zhì)的實時在線監(jiān)測，由于存在著運行錠位數(shù)量多、紗條運動速度高、可設(shè)置采集點少、信息傳感難度大和成本敏感度高等特點，更需要優(yōu)化工藝技術(shù)路線，突破現(xiàn)狀難點約束，開創(chuàng)應(yīng)用新架構(gòu)。

由于現(xiàn)有技術(shù)對細(xì)紗機(jī)紡紗紗條實時在線質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)的缺位，創(chuàng)新研發(fā)出巡回式紡紗段紗條品質(zhì)非實時視覺識別監(jiān)測裝備，可以輔助紡紗生產(chǎn)信息化、智能化管理，但其應(yīng)用效應(yīng)尚待評估。也有采用RFID電子標(biāo)簽的質(zhì)量追蹤系統(tǒng)，但應(yīng)用局限、投資成本高、管理不便及信息響應(yīng)滯后。

數(shù)字信號紗條監(jiān)測系統(tǒng)巧妙設(shè)置紡紗紗條信息采集點和信息傳感方式，多元采集錠速、斷頭、捻度和紗條直徑相關(guān)信息，直接形成數(shù)字脈沖信號，有效降低信號處理成本，改善信號處理精度；實現(xiàn)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)每個紡紗錠位的實時錠速信息、斷頭信息和紗條直徑信息采集，完成錠速狀態(tài)的監(jiān)測，斷頭錠位、段位或車側(cè)位的警示，紡紗工程最重要的細(xì)紗紗條品質(zhì)的監(jiān)測。其中，與紗體相關(guān)的品質(zhì)監(jiān)測功能，是一項行業(yè)始終沒有突破的重要紡紗主體工程基礎(chǔ)信息，其將在源頭上監(jiān)測紡紗紗條形成形態(tài)，構(gòu)建紗條虛擬信息，形成紗體數(shù)字孿生，輔助工藝質(zhì)量管理、提升紡紗品質(zhì)，并大大降低事后品質(zhì)追蹤管理難度；以較低的投資成本獲得與錠速、斷頭、捻度和紗條線密度等品質(zhì)相關(guān)的原始數(shù)據(jù)和運算數(shù)據(jù)，并便于從這些紡紗主體工程基礎(chǔ)信息的大數(shù)據(jù)中進(jìn)行深度挖掘，為紡織行業(yè)向紡紗生產(chǎn)信息化和智能化推進(jìn)提供高性價比的技術(shù)解決方案。