棉纤维长度/强度测量中自动取样装置的设计与实现

■ 郭鹏辉

〔陕西长岭纺织机电科技有限公司，陕西宝鸡721013〕

棉纤维长度/强度测量中自动取样装置的设计与实现

■ 郭鹏辉

〔陕西长岭纺织机电科技有限公司，陕西宝鸡721013〕

探讨棉花长度/强度的检测方法，长度/强度测量中取样装置的发展过程及在相关产品中的应用，指出较早产品设计方案的缺陷，提出了新的设计方案，并在现有大容量棉纤维测试仪中进行应用，优越性表现明显。

棉纤维；长度/强度；测量；取样装置；设计

棉花是关系到国计民生的战略物资，是纺织工业的主要原料。随着我国加入WTO，对外贸易加大，棉花检验的方法、标准和交易规则等必须与国际接轨。美国等发达国家，早已使用HVI（High Volume Inspection）大容量棉纤维测试仪对棉花进行逐包检验。近年来，瑞士Uster公司在全世界极力推广其HVI系列产品，使用的国家越来越多，覆盖面也越来越广，影响越来越大。在国内，随着棉花质量检验体制改革的展开，具有科学性、普遍性、权威性的全面仪器化公证检验正在参改企业逐步推行。

由陕西长岭纺织机电科技有限公司研发的XJ128快速棉纤维性能测试仪，已于2010年3月完成了由中国纤维检验局组织的验证考核试验，并于2010年7月通过了由国家质量监督检验检疫总局组织的产品鉴定，目前已投入批量生产。仪器各项指标的正确性、重复性、稳定性以及仪器长期运行的可靠性基本达到进口HVI产品的水平，其中长度/强度测量自动取样装置的设计与实现是一项关键技术，从大量的考核验证试验来看，应用于XJ128快速棉纤维性能测试仪的这套取样装置的设计是科学的、成功的。

1HVI大容量棉纤维长度/强度测量的基本原理

1.1 长度测量

采用光电照影法。根据所取的束纤维样品在光学系统中运动时遮光量的变化过程输出电信号，由此模拟出照影曲线，依据照影曲线计算棉纤维的平均长度、上半部平均长度和长度整齐度指数。

1.2 强度测量

采用CRE（等速拉伸）方式、3.18 mm隔距、束纤维拉伸方法，根据拉断一定纤维量所需的力计算出棉纤维强度，根据拉断距离计算出其伸长率。

2 棉纤维长度/强度测量样品的取样

2.1 棉纤维长度/强度测量样品采样的基本方法

在长度/强度测量的过程中，棉花纤维样品取样的质量和速度直接影响到大容量棉纤维测试仪样品测量的准确性、一致性和测试效率。为此，原美国斯彬莱公司设计出了针梳式取样梳夹，将棉纤维均匀一致的排开，以便于用照影法和等速拉伸方式测量棉纤维的长度和强度。从20世纪80年代开始，基于这种取样方法的棉纤维长度/强度测量取样装置，保证了测量数据的一致性和准确性。

2.2 棉纤维长度/强度测量样品取样方法分类

目前，快速棉纤维测试仪使用的取样装置可分为三大类：一是原美国Spinlab公司20世纪90年代的HVI900仪、印度Premier公司的HFT9000仪和陕西长岭纺织机电科技有限公司研制的XJ120棉纤维测试仪，这两种仪器均采用手动取样装置；二是瑞士Uster公司的HVI CLASSING、HVI1000和陕西长岭纺织机电科技有限公司研制的XJ128快速棉纤维测试仪，这些仪器均采用以滚筒为基础实现棉样的抓取和梳理；三是瑞士Uster公司的HVI Spectrum测试仪和印度Premier公司的ART棉纤维测试仪，这两种仪器自动取样装置以平面为基础实现。下面分别介绍几种取样装置的性能及优缺点。

2.2.1 手动式取样

早期的棉纤维测试仪产品在测量长度/强度时，以手动取样装置实现取样。将棉纤维固定在一个多孔的装有弹性针布的容器中，配合梳夹的旋转运动来抓取样品。由于这种取样装置夹杂了过多的人为因素，比如手压棉样的压力大小和手动旋转梳夹的速度与匀速性，难以保证取得样品的一致性，测量数据的一致性和准确性较差；测试过程劳动强度高，取样效率低，不利于大批量检测。配有此取样装置的棉纤维测试仪市场虽有少量还在使用，但已全部停产。

2.2.2 平面式取样

平面式取样主要由针布清理装置、梳理针布、梳夹、棉样托盘和动作控制系统组成，其工作原理如图1。

工作流程为：棉样托盘输送样品→梳夹取样→针布梳理梳夹棉样→送梳夹棉样到长度/强度测量模块→针布清理装置清理针布。

存在的缺陷：在工作过程中，由于梳夹取样后在针布上进行平面运动，棉纤维的梳理过程没有轻重和主次之分，梳理对样品造成的损伤较大，影响样品测量结果的准确性和一致性。

2.2.3 滚筒式取样

滚筒式取样以滚筒为基础设计，辅助安装偏心的针布，滚筒在伺服电机的带动下按既定控制做圆周运动，梳夹相对滚筒静止，从而实现棉样的抓取。装置主要由汽缸、锡林针布、四指压板、连杆机构、梳夹、取样窗口和动作控制系统组成。工作原理如图2。

工作流程为：将适量棉纤维样品放入A区域内→发命令给电磁阀→汽缸拉动连杆机构绕其回转轴旋转→连杆机构推动四指压板向右压下棉纤维样品→滚筒在伺服电机的带动下按既定控制做圆周运动，从而实现样品的抓取和梳理以及针布、梳夹的清理动作。

2.3 滚筒式取样装置的设计与特点

2.3.1 装置的技术关键点

此装置的技术关键点是四指压板压下的剩余空间的调整。棉纤维长度/强度测量所需束纤维样品的形成对测量结果至关重要，四指压板模仿人的手指压住样品，就像人的手指一样来工作。虽然没有压力传感器，但是只要将压下的剩余空间调整到合适的位置（经验得到），所需测量的样品就很少，单筒内湿态样品一般不超过8 g。

2.3.2 样品质量保证

合理设计连杆机构，有效地利用空间，使整个取样机构紧凑合理。样筒的旋转使用一体化伺服电机和微型精密行星减速器定量控制，定位准确，工作可靠，运转平稳，梳夹抓取样品形成的束纤维更加均匀一致；再经过针布梳理，最终得到的束纤维长度一致、薄厚均匀，这样对测量结果的准确性、一致性起到重要作用。

2.3.3 装置解决的技术难题

①使用滚筒装置，以实现滚筒旋转而梳夹固定，从而完成自动抓取棉纤维的功能；②使用汽缸驱动连杆机构带动压板运动，以此来模仿人的四根手指按压棉纤维，实现对被测对象的按压功能；③使用专用锡林针布对抓取的样品进行梳理，以梳去过多的浮游纤维、棉结和杂质；④使用一体化伺服电机和精密行星减速器定量控制滚筒的旋转，可靠实现每一个动作。

2.3.4 装置的优点主要表现在以下两个方面

一是在工作过程中，由于梳夹取样后在针布上进行曲线梳理，梳理过程由轻至重，先主要梳理浮游在梳夹上的棉纤维，再做精细梳理，梳掉棉结、杂质和夹杂在束纤维中的浮游短纤维，使得对样品梳理既无损伤又起到完全梳理的作用，且易于清理针布上残留的废棉，这样便达到了设计的效果，使得所取样的束纤维长度、均匀性得到较大提高，为后续测量长度/强度打下坚实基础；二是取样效率高，整个动作的完成大约只需4 s，大大提高了整机的测试效率。

3 不同取样装置采样整齐度和测量数据的比较

下面结合三种取样装置实际取样的形态和得到的测量数据，比较不同取样装置采样整齐度和测量数据的。

3.1 手动取样装置

3.1.1 手动取样装置样品形态，如图3。手动取样装置所采样品在长度上基本一致，但容易形成须状。图中较粗线条的地方是特别厚实或浮游纤维较集中的区域，从放大后的剖切图中也可以看出，取样的薄厚均匀程度比较低，这样极易造成长度/强度测量值的异常，数据不稳定。

3.1.2 手动取样装置棉纤维的取样量（Amount）测量值

手动取样装置中，取样量的设置范围为700~ 1 200，一组测量值如表1。在这110个数据中，符合此范围的数有89个，成功比例约为81%，这样将会影响测量的效率，且数据的一致性不是很好，接近中值

950±100的数据只占成功取样比例的52.8%。

3.2 平面取样装置

3.2.1 平面取样装置样品形态，如图4。

表1

平面取样装置由于梳理方法的缺陷，梳理后的棉纤维前端长度不整齐易形成锯齿状，从放大后的剖切图中还可以看出，取样的薄厚均匀程度较低，这样在测量中极易造成长度的异常，数据差异性较大。

3.2.2 棉纤维的取样量（Amount）测量值

平面取样装置中，由于对光学系统的改进，取样量的设置范围为650~1500，较手动取样装置相对宽松。一组测量值如表2。在这110个测量数据中，符合此范围的数有100个，成功比例约为90.9%，但接近中值1075±100的数据只占成功取样比例的29%。虽然整机测量效率有所提高，但长度测量数据的一致性并不好。

表2

3.3 滚筒取样装置

3.3.1 滚筒取样装置样品形态，如图5。

滚筒取样装置在梳理方法上较为先进，梳理后的棉纤维前端部长度很整齐，且在从放大后的剖切图中也可以看出，取样的薄厚均匀程度比较高，这样在长度/强度测量中数据的正确性和一致性得到了保证，为大容量棉纤维性能测试仪的全面推广和应用打下坚定基础。

3.3.2 棉纤维的取样量（Amount）测量值

滚筒取样装置中，取样量的设置范围也为650~ 1 500。一组样品的测量值如表3。在这110个测量数据中，符合此范围的数有109个，取样成功比例约为99.1%，接近中值1075±100的数据占成功取样比例的58.7%。这样整机测量效率就得到了较大提高，长度/强度测量数据的准确性和一致性得到了保证。

表3

4 结束语

从以上分析可以看出，在设计棉纤维取样装置时，既要考虑机械设计的可行性，又要考虑棉纤维的性状特异性，还要考虑整个测试系统的综合性能、效率以及电器方面的可控性。将滚筒式取样器运用到大容量棉纤维测试仪中，快速获得棉纤维样品，就能够实现其“高效、快捷、准确和稳定可靠”的设计宗旨，是后续长度/强度准确高效测量的基础。这种技术突破为建立新型棉花收储和纺织配棉体系提供了坚实的技术与装备支撑。