计算机技术在非织造材料工程中的应用

胡炳辉 焦晓宁，2 陈 康

(1.天津工业大学纺织学院，天津，300387;2.天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津，300387)

现代非织造技术具有原料来源广泛、工艺简单、劳动强度低，且生产速度快、效率高、工艺多变和产品适用范围广等特点，从而使非织造材料能够迅速在服用、家用、医疗卫生、土工建筑、农业园艺和军事国防等领域得到广泛的应用。

推动非织造技术迅速发展的因素除了机械、化工等技术的发展外，计算机技术也是一个非常重要的因素。尤其是计算机技术在纺织领域得到应用后，为进一步提高非织造技术，改进产品工艺，技术人员逐步将计算机技术引入非织造领域，并得到了很好的应用推广。

计算机技术是进行计算机硬件系统设计、制造和软件开发并使其应用于各工程领域的新兴技术，是信息社会的核心，也是实现现代化的关键技术之一［1］。计算机技术通常包括运算方法的基本原理与运算器设计、指令系统、中央处理器(CPU)设计、流水线原理及其在CPU设计中的应用、存储体系、总线与输入输出。具体到工程领域，则可分为科学计算、信息处理、自动控制和辅助设计等。

随着科技进步和工业的发展需求，自第一台电子计算机在上世纪中叶诞生以来，计算机技术就获得了迅猛的发展，功能不断增强，所用电子器件不断更新，可靠性能不断提高，软件不断完善［2］。在短短半个多世纪的时间里，计算机技术的发展已经占据了人们工作、生产和生活等诸多领域，节约了资源，带来了便捷。在非织造业的发展过程中，计算机技术同样扮演着重要的角色。计算机技术不仅在非织造设备的自动控制方面有重要应用，在非织造的计算机模拟仿真、非织造在线监测、非织造库存管理等领域也发挥着重要作用。

1 非织造生产中的计算机控制技术

计算机控制系统在工程领域的应用推动了工程技术的快速进步，降低了工人的劳动强度，提高了劳动生产率，提升了产品工艺精度和质量。在现代非织造生产加工过程中，从原料的喂入到最后产品卷绕下机，再到之后的后整理工艺，这些过程顺利准确的进行大都离不开自动控制技术。

在目前的非织造领域中，对计算机控制系统的研究主要集中在生产线的自动监测与控制、均匀度检测与控制、喷丝板的检测与控制、非织造材料的计算机管理系统和自动化卷绕机等方面。

1.1 熔喷非织造生产线中的自动温控与在线监测

尤娟娟［3］在研究了国内外熔喷非织造工艺的基础上，针对国内熔喷非织造生产过程中，因设备对温度参数采集和调节存在的不足而导致的非织造材料质量不稳定、能源的浪费等问题，设计出Eview触摸屏上位机软件系统。该系统采用PLC可编程控制器对多点温控系统ST Mini SYSTEM进行控制，结合触摸屏，实现了对整个系统的实时监测和控制，不仅克服了国产设备控制系统的缺陷和不足，而且该系统精度高、实时性好、抗干扰能力强。

1.2 纺黏非织造材料均匀度的自动检测与控制

杨易［4］提出了计算机分布式控制系统(图1)，用于纺黏非织造材料厚薄均匀度的在线检测和自动控制。该系统由上下两级计算机控制。上位工业控制计算机用于监控，主要包括系统组态、工艺流程输出、数据分析、控制算法与参数的下装及生产管理等功能;而下位工业控制计算机通过I/O循环的运行，实现实时控制。上位机与下位机分开运行，相互配合，使系统运行负荷降低，同时提高了系统的安全性和容错性。

图1 纺黏法非织造材料生产的计算机控制系统结构

1.3 熔纺非织造生产中喷丝板的自动检测

在熔喷和纺黏非织造材料的生产加工过程中，喷丝板起着决定性作用，但由于纺丝液本身以及外界条件的不确定性，容易引起喷丝孔的变形、异位甚至堵塞，影响生产和产品质量，因此对喷丝孔进行定期检测是非常有必要的。然而，目前国内设备自动化程度低，大部分检测还依靠人工进行，而人为因素则存在着可靠性低、速度慢、劳动强度大，甚至漏检和误检等不足。尽管国外公司已经研制出自动化检测设备，但因价格昂贵，制约了国内发展需求。

谭志银［5］在了解到喷丝板检测存在的问题后，通过对微孔图像处理技术、微孔自动定位技术、整板检测自动定位技术、变形喷丝板自动对焦技术以及检测系统软硬件设计等的研究，利用机器视觉与微孔图形处理算法、自动定位算法与自动走位算法以及基于自适应模糊控制的自动对焦技术，开发出熔喷和纺黏喷丝板自动检测系统(图2)。该系统克服了人工检测的不足，提高了国内喷丝板检测的工艺水平。

图2 喷丝板自动检测系统

1.4 非织造生产中应用的其他计算机技术

在国内非织造全自动卷绕机的设计与研究方面，王红波［6］提出了利用PLC控制技术、传感器控制技术、变频控制技术和计算机控制技术开发全自动卷绕机的设计要点。刘海文等［7］对非织造材料的计算机管理系统进行了研究，利用VB语言搭建平台，并结合ACCESS数据库，开发出具有实时在线管理与调整功能的非织造材料综合管理系统。

2 非织造生产中的计算机模拟仿真技术

计算机仿真又称为计算机模拟，是分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种手段和方法［8］。计算机模拟技术的特点是灵活方便、经济实用、安全可靠，而且具有多次执行和移植的性质，这使其在一些难以真正掌握实际情况，抑或对人有危害等复杂领域的应用成为可能。从现实的应用情况来看，计算机模拟技术已经逐步成为很多实际工程领域和理论研究中实验设计与分析评估的有效手段。

在非织造技术的发展过程中，人们已经越来越重视工艺过程的精细化，但这些方面又难以掌控，而计算机模拟技术的应用使其成为可能。人们已经利用计算机模拟技术对纺黏非织造生产中的气流场、纺黏非织造材料力学性能、非织造材料的过滤性能及分形结构等进行了研究。

2.1 纺黏非织造工艺中气流场的计算机模拟

纺黏非织造材料的生产过程涉及高速气流对初生丝条的牵伸，这关系着最终非织造材料的性能。该过程由于具有不稳定性而难以控制，因此可以通过仿真软件进行模拟气流场的情况，以对工艺过程进行优化调节。赵博［9］结合国内外对纺黏非织造工艺气流牵伸的现状，运用有限差分法，建立气流牵伸的数值模型，并利用计算机数值模拟方法求解牵伸器的喷射流场，得出的预测值与实际值十分吻合。该方法便于对工艺过程的优化控制。

2.2 纺黏非织造材料热黏合点力学性能的计算机模拟

纺黏非织造材料是通过长丝的热黏合，形成黏合点而加固的。纺黏非织造材料的力学性能主要由纤维以及纤维之间的黏合点提供，由于纤维排列具有随机性，为了获得力学性能较好的纺黏非织造材料，可以通过仿真技术进行模拟。李泰坤［10］结合计算机辅助显微镜技术与图像融合算法，捕获所需试样，然后测出设计的试样参数(纤维线密度、热黏合点大小和间距、热黏合点面积比、纤维取向分布以及纤维与热黏合点的位置)，并测出试样的强力值。在上述工作的基础上，通过Python语言编写ABAQUS软件，并在ABAQUS中建立纺黏非织造材料的有限元模型，进行了相关的模拟分析。

2.3 针刺非织造技术中刺针排布的模拟

针刺技术是一种机械加固非织造纤维网的方法，其工艺流程短，且工艺简单，产品已经用于很多领域。在针刺非织造材料加工过程中，对产品影响最大的就是针板上刺针的排布及制造工艺参数。徐健等［11］根据针板上刺针的排布原则，针对刺针加工排布存在的问题，通过计算机技术对针板上刺针的排布进行模拟设计，实现了波浪形针板的算法，采用计算机编程获得仿真效果，并根据图形交互界面，对相关参数做出调整，以获得最终理想的针刺效果。

3 非织造领域中的图像处理与分析技术

计算机图像处理是指将图像信号转换成数字格式，并利用计算机对其进行处理的过程，主要是由数字图像变形技术、图像的傅立叶分析技术、图像分割、边缘提取、形状描述、形态学分析、图像压缩编码、彩色图像处理等技术组成［12］。近年来，计算机图像处理技术已经逐步进入非织造的科学研究和生产过程中。

杨云［13］在研究非织造材料厚度均匀性的过程中提出了采用基于机器视觉技术来检测非织造材料厚度均匀性。机器视觉系统包括特性采集和处理两个模块，在合适光源下用数码相机采集图像试样，然后利用在MATLAB下自行开发的检测分析系统对采集的试样进行分析处理，实现了非织造材料厚度均匀性的自动检测。此技术的不足之处是，当被测的非织造材料厚度或者面密度较大时，会因透光性差而无法完全表征厚度均匀度，所以该技术主要适用于厚度或者面密度较小的非织造材料的检测。

此外，图像处理技术还可以用于非织造材料纤维取向的分析。由于数码相机采集的图像不能完全表征较厚非织造材料的特征，因此李彩兰［14］提出了利用全自动光学显微镜对同一视野下的一组多交面图像进行采集，运用图像融合技术实现多层多交面图像的实时融合，获得清晰图像试样，然后对采集的试样进行处理分析，获取相应的纤维取向。

4 结语

信息化是21世纪的一个重要标志，而信息化的一个重要载体就是计算机技术。计算机技术的长足发展，带来了工业工程、科学技术的深刻变化。非织造材料工程技术发展到今天，非织造材料的生产、加工、检测以及管理都已离不开计算机技术。随着国内科研人员对计算机技术在非织造材料工程中应用的进一步研究、探索，以及计算机技术的进一步推广，国内的非织造材料工程技术必将进一步缩小与国外先进技术的差距。

［1］何文瑶.计算机技术发展态势分析［J］.科技创业月刊，2007(5)：73-74.

［2］陆铭，徐安东.计算机应用技术基础［M］.北京：中国铁道出版社，2013：4.

［3］尤娟娟.MB1600熔喷法非织造布生产线自动控制系统［D］.天津：天津工业大学，2005.

［4］杨易.纺黏法非织造布厚薄均匀度在线检测与自动控制系统［D］.天津：天津工业大学，2000.

［5］谭志银.非织造熔纺喷丝板自动化检测与加工技术的研究［D］.上海：东华大学，2009.

［6］王红波.国产化全自动非织造布卷绕机的设计要点［J］.产业用纺织品，2010，28(4)：24-26.

［7］刘海文，刘广平，朱俊萍，等.非织造布计算机管理系统的开发［J］.产业用纺织品，2006，24(2)：26-30.

［8］张锋.计算机仿真技术及其应用［J］.电脑知识与技术：学术交流，2007(19)：233-238.

［9］赵博.纺黏非织造气流牵伸工艺理论研究［D］.上海：东华大学，2010.

［10］李泰坤.纺黏热轧点黏合非织造材料力学性能有限元分析［D］.上海：东华大学，2013.

［11］徐健，卢怡.非织造针刺机针板的计算机设计方法及分析［J］.产业用纺织品，2011，29(11)：32-37.

［12］丁雪荣，宋广礼.计算机图像处理技术在纺织品测试中的应用［J］.上海纺织科技，2005(6)：59-61.

［13］杨云.基于机器视觉的非织造材料厚度均匀性检测系统的研究［D］.武汉：武汉纺织大学，2011.

［14］李彩兰.基于图像融合技术的非织造材料纤维取向分析［D］.上海：东华大学，2013.