智能环锭细纱机的研制

0 引言

环锭细纱机是一种纺纱的重要专用设备。环锭细纱机自动化、智能化程度的高低对纺织企业产品的产量、质量和工人的劳动强度都具有举足轻重的影响。因此，新型环锭细纱机的研发不仅是纺纱机械生产企业的重要课题，也是纺织企业在技术改造和扩大生产规模时关注的焦点。

1 环锭细纱机的发展历史

机械化的纺纱技术已经走过了200多年的历史。国产环锭细纱机从20世纪50年代的1291、1293型，70年代的A512、A513型，80年代的FA502、FA503型，到90年代的FA506、FA507型，都是短细纱机的一统天下。直到20世纪的90年代末至21世纪初，国产长细纱机开始逐步进入市场。一个时代跨越的同时，也伴随着国产环锭细纱机由短细纱机向长细纱机的跨越式发展，这既是一种巧合，又是一种事物发展的必然规律在起作用。因为此时的国产环锭细纱机市场已经呈现了百花齐放的态势，无论是环锭细纱机的品种，还是环锭细纱机的生产商都一改计划经济时代的那种一两家厂商、一两个产品独步天下的局面。

经过改革开放30年的飞速发展，今天的国产环锭细纱机已经大大缩短了同国外环锭细纱机产品之间的距离。首先是国产环锭细纱机实现了从短细纱机向长细纱机的跨越，1008锭的长细纱机已经成为公认的标准配置而为各方所采用。其次是国产集体落纱技术日益成熟并在长细纱机上得到了普遍的应用，长细纱机不配集体落纱装置而依靠人工落纱的状况正在成为历史。先进的机、电、气、仪技术在环锭细纱机上运用，已经使今天的环锭细纱机的性能和自动化程度大为提高。

然而，随着IT技术突飞猛进的发展，纺织机械装备升级换代的趋势已不可阻挡，设计制造自动化程度更高、纺纱功能更全面、操作更便捷的智能环锭细纱机将成为未来市场的必然抉择。

2 环锭细纱机的结构

环锭细纱机一般都具有如下的结构特征：机架部件—主要是墙板、龙筋、机梁等结构件；牵伸部件—主要是前中后上下罗拉、罗拉座等；升降机构—主要是升降杠杆、升降分配轴、钢领板、导纱板、气圈环等；粗纱架部件—主要是纱架、吊锭等；传动部件—主要是锭子传动装置、车头传动装置、牵伸传动装置、同步牵伸传动装置、升降传动装置；电气设备—主要是程控器、变频器、电动机（包括伺服电动机）、气动部件、各类电子元器件、电源等。图1所示即是上海二纺机股份有限公司生产的M178JL型环锭细纱机。图2所示的是环锭细纱机的牵伸部件，在前、中、后和上、下罗拉的作用下粗纱被牵伸、加捻成细纱。

图1 M178JL型环锭细纱机

图2 环锭细纱机的牵伸部件

3 智能环锭细纱机的研制

近20年来，环锭细纱机的发展经历了传统环锭细纱机向数字环锭细纱机逐步转型的时代。数字环锭细纱机无论在功能上还是在自动化程度上都比传统环锭细纱机有了很大的拓展和提高，而未来环锭细纱机的发展正在进入智能环锭细纱机的时代。

3.1 环锭细纱机的阶段特征

典型的传统环锭细纱机的动力传动路线如图3所示。它的全部动力来源是一台电动机，通过锭子传动装置、车头传动装置、牵伸传动装置、同步牵伸传动装置、升降传动装置使整台机器运转起来。整个传动路线虽然精巧，但却纷繁复杂，互相牵制，牵一发而动全身。当环锭细纱机更换纺纱品种时，就需要通过人工变换电动机的皮带轮以及变换各级传动装置中的齿轮来调整整个传动链中的传动比，用术语来说即是调整牵伸倍数、捻度和卷绕密度。

图3 环锭细纱机的动力传动路线

图4 所示的是人工变换齿轮的情景。图5所示为环锭细纱机中涉及的部分变换齿轮（用绿色显示），整机共有7对变换齿轮。每次变换纺纱品种都需要用人工进行齿轮的拆卸、变换、安装。

图4 人工变换环锭细纱机的齿轮

图5 环锭细纱机的变换齿轮

随着数字化浪潮的兴起，通过程控器（PLC）控制的变频器来调节电动机速度的技术被应用于传统环锭细纱机，使得环锭细纱机用人工变换电动机皮带轮的工作被取代了，但是每次变换纺纱品种仍然需要人工进行齿轮的拆卸、变换、安装。图6是一种较普遍应用的数字环锭细纱机的传动系统的示意。

目前国产的绝大部分环锭细纱机都是这样一种用液晶触摸屏、程控器(PLC)、变频器等数字化技术武装传统环锭细纱机的改良模式。这些经过数字化技术改造的传统环锭细纱机已经具备了相当高的机电一体化程度，甚至也具备了部分智能化的功能。但是，这些环锭细纱机最多只能归入数字环锭细纱机的原因，在于这些环锭细纱机还没有根本摆脱传统环锭细纱机的桎梏，呈现的是部分先进的数字化控制技术与部分繁琐复杂落后的传统操作方式共存的局面。

图6 数字环锭细纱机的传动系统示意

传统环锭细纱机的动力传动方式，即一台电动机带动锭子传动装置、车头传动装置、牵伸传动装置、同步牵伸传动装置、升降传动装置等整台机器的状况在绝大部分数字化环锭细纱机中未有根本的改变，使得数字环锭细纱机在更换纺纱品种时依然非常复杂和繁琐，效率也显得不高。

3.2 智能环锭细纱机的研发

智能环锭细纱机比数字环锭细纱机的自动化功能更完整、操作更便捷、纺纱工艺的调整更方便。智能环锭细纱机应该是一种完全颠覆了传统环锭细纱机传动方式的环锭细纱机。

一是重视过程性评价和开放性测试。小测试、综合写作、阅读笔记、角色表演和发言时的表现、提问和解答问题的时体现的思维品质等，都是教师评价学生学习成绩的依据。笔者见到一堂历史考试中有两道论述题，每题都含两到三个观点，全是开放性的、需要学生发表独立观点的思辨性问题。

EJM158型环锭细纱机是上海二纺机股份有限公司研发的一台智能环锭细纱机。它在环锭细纱机动力的传动方式上彻底颠覆了传统环锭细纱机的设计理念和思路，形成了一种全新的模式。它与传统环锭细纱机和数字环锭细纱机相比有两个显著的区别。第一，它的锭子传动装置、牵伸传动装置、同步牵伸传动装置、升降传动装置全部分开各自用独立的伺服电动机驱动，如图7所示；第二，它的程序控制系统比普通的数字环锭细纱机的程控器具有更强大的功能和作用。

图7 智能环锭细纱机的传动系统示意

图8 即电动机驱动锭子的模型，如果与车头和牵伸传动断开，就成为独立的锭子传动。锭子转速的调整不再受到其他机构传动速度的影响。这也是智能环锭细纱机必须具备的锭子传动形式。

图8 电动机驱动锭子的模型

图9 是一种独立驱动的升降传动装置的模型。这种独立驱动的升降传动装置即是通常说的电子凸轮技术，即通过软件编程的方法来控制伺服电动机转速和方向的变换，从而使升降传动装置按照纺纱和管纱成型的要求展开各自的升降运动。电子凸轮也是智能环锭细纱机必须具备的技术特征。

图9 独立驱动的升降传动装置

图10 是独立驱动的牵伸传动装置、同步牵伸传动装置的模型。独立驱动的牵伸传动装置、同步牵伸传动装置的特征是由伺服电动机分别通过同步带轮和同步带直接带动前、中、后罗拉旋转，前、中、后罗拉各自独立，而伺服电动机则由程控器的程序控制。

图10 独立驱动同步牵伸传动装置

图11是智能环锭细纱机的控制系统示例。该示例较为直观地表达了智能环锭细纱机的系统结构和工作原理。智能环锭细纱机的所有操作可通过触摸显示屏输入指令来控制现场监控装置、纺纱配套装置（如集体落纱装置）、锭子传动装置、牵伸传动装置、卷绕升降传动装置之间的协调和动作。

EJM158型环锭细纱机的各个传动机构的独立，为机器实现全自动调整牵伸倍数和捻度带来了方便，过去需要人工变换齿轮的工作，今天只需在触摸屏上轻轻点几下就可以完成。

图11 智能环锭细纱机的控制系统

3.3 智能环锭细纱机的发展空间

上海二纺机股份有限公司研发的EJM158型环锭细纱机，作为第一代的智能环锭细纱机，虽然在整机结构上以及智能化技术的应用上已经大大超越了传统环锭细纱机和数字环锭细纱机，但是作为一种智能环锭细纱机，才刚刚起步。

未来的智能化技术在智能环锭细纱机上的应用还具有广阔的发展空间。在线断纱监控技术的应用，产量、质量状况统计汇总以及现场信息反馈和信息联网共享，变现场操作人员的巡查监控为机器自身的全面监控，而当出现机器自身无法排除的故障时，机器可以迅速作出判断并及时指引现场操作人员去排除故障。

目前已经得到应用的如单锭监测系统通过三级监测掌控环锭细纱机的断纱情况，可以及时指引操作者到达断纱的锭位。如图12所示，当操作者看到哪台车的第一级监测指示灯亮了，就知道哪台车出现了断纱，于是他可以及时到达这台车，通过第二级监测系统迅速找到这台车的哪一段监测指示灯亮了，就知道车的哪一段出现了断纱（见图13），于是他就可以到达这段车(一般以24锭或36锭为一段)，继续通过第三级监测指示灯找到是哪一锭出现了断纱，从而接好断纱。单锭监测系统的核心技术在第三级监测，它监测每一锭的钢丝圈，当钢丝圈停止运行时，说明该锭断纱，监测系统立即点亮指示灯并逐级向上发信号。

图12 第一级监测指示灯亮

图13 第二级监测指示灯亮

未来的纺纱生产向粗细络流水线的方向发展将是一种趋势，而智能环锭细纱机的应用可以促使粗细络流水线的自动化功能得到更加淋漓尽致的发挥，最终实现全自动化和无人化生产。

4 结语

当前，智能环锭细纱机在国内的纺织行业应用较少，绝大部分的纺纱机械还是传统环锭细纱机，数字环锭细纱机的应用也就十来年的时间。智能环锭细纱机作为一种新型的环锭细纱机，肩负着降本增效、节能减排、智能化、无人化和彻底改变纺织行业落后面貌的重任，必将引起纺织行业各方有识之士的关注和瞩目。随着时间的推移，智能环锭细纱机逐步成为新一代环锭细纱机的标杆应当是没有任何悬念的。