纺织智能制造及其装备若干关键技术的探讨

梅顺齐， 胡贵攀， 王建伟， 陈 振， 徐 巧

(1. 武汉纺织大学 机械工程与自动化学院， 湖北 武汉 430073； 2. 湖北省数字化纺织装备重点实验室， 湖北 武汉 430073； 3. 湖北工程学院， 湖北 孝感 432000)

纺织智能制造及其装备若干关键技术的探讨

梅顺齐1,2， 胡贵攀1,3， 王建伟1， 陈 振1,2， 徐 巧1,2

(1. 武汉纺织大学 机械工程与自动化学院， 湖北 武汉 430073； 2. 湖北省数字化纺织装备重点实验室， 湖北 武汉 430073； 3. 湖北工程学院， 湖北 孝感 432000)

为给纺织智能制造装备的设计开发提供理论参考和技术支持，促进纺织智能制造技术的发展和行业的技术进步，对智能制造的内涵及其关键技术进行分析和梳理，对纺织智能制造的现状及存在的问题进行分析；重点探讨纺织智能制造装备涉及的关键技术、发展方向、理论基础。经分析得出，建立纺织智能制造装备的多领域分析模型是实现智能化的基础，建立了纺织智能制造装备分析建模的理论框架，内容主要包括：多场耦合与多领域建模方法、纺织工艺装备动态特性、纺织材料工艺作用机理、纺织工艺装备智能控制方法等，深入研究这些基础问题，将可为纺织智能制造及其装备的设计与实践提供理论和技术支持。

纺织装备； 智能制造； 智能化； 多领域建模； 大数据

智能制造是“中国制造2025”的主攻方向，纺织业的智能制造是实现行业技术升级、变革产业发展模式与转变经济增长方式的有效途径，是近年来政府和行业大力推进的一项系统工程[1-2]。在国内外实践层面该工程尚处于起步阶段，在理论和技术层面，研究还很不系统充分，尚不能为实践提供有效的理论和技术指导[3]。纺织智能制造装备是纺织业实现智能制造的基础[4]，本文在概述我国纺织智能制造相关领域现状的基础上，重点探讨纺织智能制造装备涉及的若干关键技术基础和发展方向,可为纺织智能制造装备的研究与应用提供思路。

1 智能制造内涵及其关键技术

1.1 智能制造概念及其内涵

20世纪80年代，美国赖特(Paul Kenneth Wright)、伯恩(David Alan Bourne)首次正式在其著作中提出智能制造的概念，随后几十年智能制造的概念不断得到发展，特别是随着21世纪物联网、大数据、云计算等新一代信息技术的发展，智能制造的内涵又有了新的发展和深化，现阶段智能制造的内涵描述为：智能制造是基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式[1-3]。

智能制造是一个大系统工程，要从产品、生产、模式、基础4个维度系统推进，其中，智能产品是主体，智能生产是主线，以用户为中心的产业模式变革是主题，以信息-物理系统(cyberphysical system, CPS)和工业互联网为基础[1]。需要指出的是，随着科学和产业技术的发展，智能制造的内涵及其相关理论和技术也在不断发展。

1.2 智能制造涉及的关键技术

从工业技术发展历程来看，智能制造是新一轮工业革命的核心技术，随着科技的发展和进步，智能制造有不同的体现形式，如：数字制造、网络制造、云制造等，集成运用了数字化、信息化、智能化技术的系列最新成果[5-6]。

从宏观层面分析，智能制造技术可概括为8个方面：智能产品、智能装备、智能产线、智能车间与工厂、智能物流与供应链、智能研发、智能管理与决策、智能服务[6-8]。

其中，智能制造装备是智能制造业的基础，是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动，如分析、推理、判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。智能制造装备最终要从以人为主要决策核心的人机和谐系统向以机器为主体的自主运行方向转变[6-8]。

从智能装备的角度看，涉及的关键技术主要包括以下方面[9-11]：1)信号传感与检测；2)自动化智能化技术-智能控制与自动化；3)工艺装备集成与自动连接技术；4)信息与互联网技术；5)大数据与建模技术。

2 纺织智能制造的现状与发展方向

纺织作为我国制造业中的重要支柱产业之一， 其智能制造是实现产业转型升级的主要途径，纺织智能制造业的发展方向包括以下几个方面[12-14]：1)纺织产品的智能化；2)纺织制造装备的智能化；3)纺织生产车间与工厂的智能化；4)纺织生产供应链的智能化；5)纺织生产管理与服务的智能化。

目前我国纺织智能制造(纺织生产的智能化)尚处于起步阶段，政府和行业组织大力倡导，不少企业已开始了有益的实践探索，目前来看，探索的主要内容和特点表现在以下方面。

1)纺织生产工序间的自动连接。采用自动化运输装置将加工工序设备连接起来，实现工序间的无缝连接，从而减少或者消除工序间的物料人工运输或者半自动、机械式的运输。例如，清梳联、粗细联、细络联等工艺装备(如表1所示)[14-15]。

2)纺织生产车间与工厂的数字化与智能化。如棉纺车间的数字化智能化，基本实现生产设备数字化、生产过程数字化、管理过程数字化、分析应用数字化等功能，具体包括纺纱机械设备的集成控制系统、车间环境智能监控系统、智能物流系统、智能生产管理系统等方面[16-17]。

3)纺织生产管理与服务的智能化。该方面起步较早，少数企业信息化水平已经较高。主要内容包括：生产产品品种、规格；各工序设备运行状态信息、故障诊断；各工序机台主要工艺参数、各工序机台产量、车间或工厂产量；车间设备实时耗电、耗水、耗汽等[16-17]。

纵观目前我国纺织智能制造的应用实践现状，有以下特征：

1)纺织智能制造尚处于自动化、数字化的发展阶段，同时处于智能化的起步阶段；至于以促进加工质量、提升综合性能为主要目标的智能化，则还有待深入研究和推进。另外，纺织生产的车间物流、工厂物流、生产信息采集与管理、供应链智能管理等方面涉及的技术基本成熟，可以加大试验和应用推广范围[17]。

表1 典型纺织工艺装备自动化智能化情况Tab.1 Situation of automation and intelligentization for typical textile process equipment

2)高端纺织装备与国际顶尖水平仍有明显差距。如：高档转杯纺纱机、涡流纺纱机、全自动络筒机、高档喷气织机与片梭织机、高档数码印花机等仍然是国外顶尖品牌占据技术优势，在装备的可靠性、加工质量等方面国产品牌仍然还无法与海外国际顶尖品牌抗衡。

3)对纺织智能制造相关理论和技术基础的研究很不充分，目前多数仅限于对制造业智能化现象的定性描述、转型路径的浅层分析和发展模式的简单总结，未见理论上的深层次探讨。关于纺织智能制造的实证与试验研究、学科交叉研究还很缺乏，无法为纺织智能制造提供理论和数据支持。这些将是学界今后当重点关注的研究领域。

3 纺织智能制造装备关键技术

装备的智能化是智能制造的核心，纺织智能制造装备涉及的关键技术包括：智能控制、网络化与信息化、纺织智能装置与机器人、纺织装备智能检测与故障诊断、工序装备的自动连接、纺织装备的大数据与建模等。

3.1 纺织装备的智能控制

3.1.1纺织装备智能控制的特点与主要类型

纺织装备的工况特点：纺织生产装备多为连续高负荷运转(二班或三班运转)；工作环境一般为高温、高压、高湿、多尘；纺织装备的典型控制类型包括以下方面(图1、2示出典型模型实例)。1)均匀性控制：纤维束(纱线)的定量控制，如条干均匀度、细度不匀等。2)张力控制：纤维、纱线、织物的在线张力检测与控制。3)速度、位置(轨迹)控制：如纱线卷绕成型控制。4)过程量在线检测与控制：如染整、浆纱工艺装备的温度、压力、流量控制。5)工艺动作顺序、循环控制：如自动织机五大运动的控制。6)多电动机协调控制：采用多电动机分别驱动各个工艺动作，实现纺织装备的“数控”。

注：1—检测装置；2—牵伸系统；3—信号处理器； 4—伺服驱动器; 5—主电动机；6—质量监测系统。图1 并条机自调匀整模型Fig.1 Model of autolevelling in drafting frame

图2 纱线卷绕模型Fig.2 Model of yarn winding

3.1.2纺织装备的智能控制器

纺织装备智能控制器及其系统，可以采取2种技术途径。

1)针对某一纺织工艺设备开发专用智能控制器，即：根据工艺设备的特点，基于嵌入式处理器等先进控制器件与芯片技术，开发专门的控制系统硬件软件。近年来，许多企业致力于开发基于ARM(advaced RISC machines)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、控制器局域网络(CAN)总线的高档织机控制系统。其特点是控制速度快、控制精度高、实时性好，且软件保护性好，易于做到知识产权的保护，缺点是控制器需专门制造，通用型与互换性差。

2)基于通用控制器件的智能控制系统。纺织装备采用PLC、工控机等通用控制器件开发其智能控制系统，具有通用性好、编程方便、维护便捷、开发周期短、可靠性高等优点。然而，其硬件成本一般会高于专用控制器，硬件软件的可保护性也往往弱于专用控制器。 究竟采用专用控制器还是基于通用控制器开发控制器，需要综合批量、复杂程度、成本等因素来考虑和取舍。

3.2 纺织生产的网络化与信息化

纺织生产工艺路线长、工序多，装备种类多，为实现网络化信息化，进而实现纺织制造的智能化，必须使得各设备间通过网络通信实现数据的交换，进而实现设备的联网控制，因此，制订纺织设备的通信接口标准和协议，开发接口模块，显得十分迫切和必要。目前，中国纺织机械协会主持编制了“棉纺设备网络管理通信接口和规范”，其他纺织装备的通信接口规范也在陆续编制中，尚需建立有力的机制，使得相关企业自觉执行这些规范。

3.3 纺织生产智能装置与机器人

在纺织制造过程中，存在许多由人工完成的动作，如：细纱机自动落纱上纱，粗纱机落纱，并条机换筒、送筒，梳棉机并条机的断条接条，自动织造车间的落布、上经轴，自动穿经结经，印染车间的布卷落卷与上卷等。这些工序动作，可以用2种方案实现自动化乃至智能化。

1)根据工艺要求和结构条件设计开发专门的自动化装置。其优点是工序动作可靠性高，可实现高速，控制便捷，有时还可以减少装置占用的空间；缺点是装置的结构需要单独设计制造。

2)采用通用工业机器人(机械手)，根据动作轨迹和速度等要求，编程实现。其优点是可以减少专用机械结构的开发试制；缺点是当工序动作较为复杂时，机器人运动速度有限；同时工序动作的精度取决于机器人(机械手)的精度，有时难以保证高的运动精度要求；另外，通用机器人占用空间大，系统整体性、紧凑型不佳。

3.4 纺织装备智能检测与故障诊断

纺织装备的智能检测使得其具有“感知”功能，主要包括3个方面。

1)纺织加工工艺参数的在线检测与控制。例如：异纤检测、纤维与纤维束细度、条干、纤维包密度，纤维束含水率； 纱线张力、纱线运动姿态、捻度；断纱检测；上浆率、含水率、温度压力浓度等染整工艺参数；织物张力、织物运动姿态、织物纬斜与断纬； 等等[15-17]。

2)机械电气性能的在线检测与智能控制。主要包括：运动部件的位移、轨迹、速度加速度，装备运行电压、电流、功耗等电学参数的检测与智能控制。

3)纺织装备故障诊断。在纺织装备动态特性研究基础上，建立纺织装备故障分析与智能诊断方法与模型，通过检测纺织装备工艺参数与机械电学参数，发出故障信号警报、输出故障诊断报告等。

3.5 纺织生产各工序装备的自动连接

如前所述，纺织加工各工序间的自动连接是实现纺织加工智能工厂的关键，主要有2种方案。

1)根据各工序设备及其在车间的空间布局，设计专门的输送装置系统，纺织品从一台工序设备到另一台工序设备自动输送。其特点是传送效率高，可靠性易于保证；但针对不同工序设备需专门设计制造不同的输送装置系统，互换性差。

2)基于自动导引小车的输送系统。其通用性好，运动路径根据实际需要编程控制，可适应不同工序间设备的输送需要；不过，自动导引小车与工序设备之间还需设置转接装置。

3.6 纺织智能制造装备的大数据与建模

大数据是智能装备控制模型与算法的基础，纺织智能装备大数据技术的主要内容应当包括：纺织装备的运行状态数据包括振动、噪声、主要运动部件的速度加速度、电流及其波动、电压及其波动、功耗，故障信号等；纺织加工的工艺数据包括纱线织物的张力、速度、姿态，纱线及纤维条的细度、捻度、条干及其不匀率、温度、湿度、含潮率、产量、断纱率等。

值得指出的是，纺织装备大数据技术的应用和研究应当注意以下问题：1)多数纺织企业在数据采集、信息化等应用方面取得一定成效，然而，针对大数据的深入分析和有效运用存在困难，采集的大数据如何运用，如何为提升生产质量、产品档次、设备可靠性服务，真正实现智能化生产，缺乏理论和技术支持。2)导致纺织装备大数据运用存在困难的主要原因，在于相关领域的学术和技术界对于纺织装备的工作机理研究还不够深入，缺乏纺织智能制造装备的分析建模理论方法与技术，难以为大数据的有效运用提供理论和技术指导。

4 纺织智能制造装备的理论技术基础

纺织智能制造装备应当具有感知、检测、诊断、预测等功能，装备的分析模型是实现装备智能化的基础。目前智能纺织装备建模理论与方法的研究还很不系统充分，根据其涉及的主要理论技术问题可以建立智能纺织装备分析建模的大致理论框架，如图3所示。具体内容包括以下几个方面。

图3 纺织智能制造装备多领域建模理论框架Fig.3 Theory framework of multidisciplinary modeling for textile intelligent manufacturing equipment

1)纺织材料加工过程中的工艺作用机理。纤维、纱线、织物、相关介质(空气等流体)及其与纺织机械部件相互作用的力学问题，产品加工质量及性能与工艺结构参数之间的关系等。

2)智能纺织装备多物理场耦合作用机制。纺织智能装备是机-光-电-磁-流(体)高度集成一体化的复杂系统，存在着复杂的多场耦合问题，揭示耦合机理是设计智能纺织装备、建立纺织智能装备分析控制模型的需要。

3)纺织装备的动力学与动态特性。智能纺织装备正向着高速化、精密化、轻量化、智能化发展，针对纺织装备动态优化设计、动态概率设计等理论方法的研究还十分缺乏，揭示智能纺织机装备的动力学与动态特性的机制问题，可为提升纺织机械设计水平和质量提供理论与方法指导。

4)智能纺织机械与机器人的精度设计方法。目前国产智能机械手机器人的精度普遍不高，结合智能机械与机器人技术、以及纺织新材料新工艺，研究智能纺织机械与纺织机器人的精度设计与控制、轨迹规划与控制方法，为提高国产智能纺织机械机器人的设计制造质量提供理论支撑。

5)智能纺织装备故障诊断与预测。智能纺织装备的故障诊断与预测涉及信号检测与分析、基于动态特性与纺织工艺机理的工艺装备系统建模、数据挖掘与驱动、人工智能、专家决策系统等理论方法和技术。

6)纺织装备动态可靠性分析与优化设计。目前国产纺织装备与国际先进水平的差距，突出表现在可靠性不高，产品加工质量、装备的使用寿命与国际先进水平相比存在明显差距。以自动织机为例，国产中低速剑杆织机、喷气织机与国际先进水平相比差别不大，但国产高速喷气、片梭织机的可靠性、稳定性与国际水平相比则有很大差距。

以提高纺织装备可靠性和产品加工质量、节能降耗为目标，研究智能纺织装备动态可靠性设计、优化设计方法和理论是有待继续深入研究的方向。

5 结 语

1)纺织智能制造是一个多领域交叉的系统工程，应从产品、生产、模式、基础4个维度系统推进，其研究和应用目前尚处于初级阶段，可以先从数字化、信息化、自动化入手逐步推进到智能化。

2)纺织智能制造装备属于高端装备，是实现纺织智能生产的基础，而工艺装备的多领域建模是实现智能控制的基础，也是对大数据进行分析运用的核心；为此，必须加强纺织智能制造装备相关理论技术基础的研究，为纺织智能制造装备的设计和实践提供理论技术支持。

3)纺织智能制造装备的生产质量、效率与可靠性是其是否具有竞争力的根本，加强产学研合作，在理论研究基础上，潜心开展纺织智能制造装备的试验和实证研究，积累充足的大数据(工艺装备数据)，是保障装备可靠性、提升加工质量的有效手段，甚至可能形成企业独特的技术诀窍和产品的核心竞争力。

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Analysisofsomekeytechnologybasisforintelligenttextilemanufacturinganditsequipment

MEI Shunqi1,2， HU Guipan1,3， WANG Jianwei1， CHEN Zhen1,2， XU Qiao1,2

(1.SchoolofMechanicalEngineering&Automation,WuhanTextileUniversity,Wuhan,Hubei430073,China;2.GovernmentKeyLaboratoryofDigitalTextileEquipmentofHubeiProvince,Wuhan,Hubei430073,China;3.HubeiEngineeringUniversity,Xiaogan,Hubei432000,China)

For the purpose of providing theoretical reference of design and development for textile intelligent manufacturing equipment, promoting the technical development and progress of intelligent textile manufacturing industry, the connotation of intelligent manufacturing and its key technologies are analyzed and combed, the current textile intelligent manufacturing situation and existing problems are analyzed, and the involved key technologies, development direction, and theoretical basis of textile intelligent manufacturing equipment system are discussed emphasically. The analysis indicates that, setting up the multidisciplinary analysis model is the intelligentization foundation for the textile intelligent manufacturing equipment system. Therefore, modeling theory framework for textile intelligent manufacturing equipment system has been established, the contents of which includes as follows: multidisciplinary modeling method with multi-field coupling, dynamic characteristics of process equipment system, working mechanism of equipment with textile material, and intelligent control method. It is indicated that research on these theoretical basis problems can provide theoretical and technical support for development and application of the textile intelligent manufacturing equipment system.

textile equipment; intelligent manufacturing; intelligentization; multidisciplinary modelin; big data

TS 103

A

10.13475/j.fzxb.20170705506

2017-07-17

2017-07-19

国家自然科学基金项目(51175385)；湖北省重大科技专项项目(2012AAA07-02)；湖北省科技支撑计划项目(2014BHE0010)

梅顺齐(1966—)男，教授，博士。主要研究方向为纺织机械及其自动化。E-mail: meishunqi@vip.sina.com。