环锭细纱机自动接头关键技术研究进展

张跃顺 王新厚 何勇

（东华大学，上海，201620）

环锭纺是一种典型的非自由端加捻纺纱方法，相较于转杯纺、摩擦纺、喷气涡流纺等新型纺纱方法，环锭纺有着生产品种广、原料适用性强、成纱质量好等优势。目前，环锭纺纱产量仍然占全国纱线产量的80%以上，有着不可替代的重要地位［1］。当前环锭纺向着高速化、自动化的方向发展，取得了长足的进步。清梳联、粗细联、细络联的实现已经极大压缩了用工；梳并联、车间物流小车和自动码垛打包系统的使用使得环锭纺自动纺纱流程不断完善，自动化程度进一步提高［2］。但环锭纺纱断纱接头目前仍依靠挡车工手工完成，存在着劳动强度大、接头质量不稳定等问题。因此，国内外众多科研机构和企业对环锭纺自动接头技术开展了一系列的研究，提出了一些自动接头的技术方案，并出现了几种成型的自动接头设备。从环锭纺自动接头技术的发展来看，20 世纪70 年代国外就出现了自动接头设备的样机，但由于结构过于复杂、接头成功率低、使用和维护成本高等问题未能在行业中得到应用；同时期，国内也对环锭纺自动接头技术展开了研究。自动接头技术方案的不成熟和相关配套技术、设备的不完善是导致早期环锭纺自动接头样机未能应用的主要原因。随着自动接头方案的优化和技术的进步，环锭纺的自动接头已逐步实现。断纱自动监测技术已较为成熟，并已经形成一系列的断纱自动监测（锭子管理）系统；伺服电机、步进电机、气缸的使用，大幅度降低了环锭纺自动接头设备传动机构和末端执行器结构的复杂性，减小了其体积和质量且便于精确控制；机器人技术和自动化技术的应用，使得环锭纺自动接头设备的设计方案更加灵活、合理，其末端执行器能够实现复杂的牵引运动、穿纱和绕纱等动作。

就环锭纺自动接头的关键技术而言，具体包括断纱自动监测、钢丝圈自动定位、纱线断头捕获、纱线牵引和接头机器人等技术。本文将从环锭纺自动接头关键技术的角度出发，结合两种自动接头方案对已经出现的技术方法进行总结和分析，以期为后续环锭纺自动接头技术的研究提供参考。

1 断纱自动监测

环锭纺断头监测方案可分为单锭式监测和巡回式监测（即往复式监测）。单锭式监测即在每个锭子处配置1 个监测装置，以便于及时发现断纱；巡回式监测即在每台细纱机的两侧各配置1 个监测头，在钢领板外侧设置监测头移动轨道，每个监测头沿轨道往复运动，周期性依次监测各锭位。断纱自动监测技术具体包括：钢丝圈运动光电监测、钢丝圈运动电磁感应监测、钢丝圈运动声音监测、纱线光路遮断监测、导纱钩摩擦热敏传感监测和导纱钩受力监测等［3］。目前，单锭式光电和电磁监测技术得到了较普遍应用，断纱监测技术已经较成熟。

1.1 钢丝圈运动光电监测

宋晓亮等利用光反射原理设计了一种环锭纺断纱在线监测系统，该系统可监测钢丝圈运动，实现断纱监测和故障锭位报警提示［4］。瑞士Rieter（立达）公司单锭式锭子管理系统ISM（Individual Spindle Monitoring），利用调制光束的投反射获取钢丝圈运转频率，其工作可靠、没有磨损、维护方便，可全程监控锭子运转状态。

1.2 钢丝圈运动电磁感应监测

康吉源采用单锭式监测方案设计了一种实时监测细纱断头和细纱机运行状态的监控系统［5］。瑞士乌斯特公司的巡回式监测系统Uster Ring Expert、印度普瑞美公司的纺纱监测系统Ring i 或Ringeye5000-SSM、德国青泽公司的单锭式断纱监视器FilaGuard 和品特凯普集团的棉纺单锭监测系统Effispin 是目前较为成熟的钢丝圈运动电磁感应监测系统，结构简单、稳定性良好［6］。

1.3 钢丝圈运动声音监测

吕汉明等利用定向拾音头作为传感器，采集钢丝圈转动的声音信号，通过对比正常纺纱和断纱时声音信号的波峰分布监测断纱，该方案是一种低成本的非接触式监测方法，但对声音传感器的检测精度、测量范围以及算法适应性有较高要求［7］。

1.4 纱线光路遮断监测

陈泰芳基于机器视觉技术提出了一种往复式环锭纺断纱监测方案［8］。比利时巴可公司设计了一种单锭式导纱钩纱条运动光路遮断监测系统，可实现纺纱断纱、纱线气圈速度和纱线直径的监测，能在线分析和监测纱线质量，具有很强的实用性。上海太平洋机电（集团）有限公司也提出了一种导纱钩纱条运动光路遮断监测方案，其监测原理与比利时巴可公司基本相同，但未见实际应用［9］。

1.5 导纱钩摩擦热敏传感监测

上海二纺机股份有限公司提出了一种导纱钩摩擦热敏传感监测方案，但热敏传感器监测存在监测灵敏度低、系统响应差的缺陷，目前该技术方案鲜有应用案例［10］。

1.6 其他方案

青岛环球公司提出了一种巡回式触控指针监测方法，利用指针与纱线接触的反馈信息来判断是否发生断纱，该方案属于接触式监测，监测结果相对可靠，但对指针的控制有较高要求，以避免监测过程中指针对正常纺纱产生干扰［11］。高畅等提出了一种激光辅助监测断纱方法，旨在解决光电断纱监测装置对深色纱、透明丝、细号纱以及在弱光环境中难以正常监测断纱的问题，可辅助人工监测断纱［12］。潘如如等提出了一种基于吸棉管内光电传感器检测须条的断纱监测方法，该方案为间接式监测，即不直接监测所纺纱线，而是通过监测断纱后前罗拉输出的断纱须条，判断是否断纱，因此存在一定的监测延迟［13］。

2 钢丝圈自动定位

钢丝圈自动定位主要有以下3 种形式。第一种是电磁吸附式，即钢丝圈在电磁铁的磁力作用下被吸引到穿纱位置；第二种是挡片固定式，即使用毛刷或气流将钢丝圈推送或吹送至挡片处（即穿纱位置）；第三种是纱线定位式，即首先利用穿纱机械手将纱线定位，再利用气流将钢丝圈吹送至纱线与钢丝圈的相切位置，钢丝圈在气流的作用下主动“撞击”纱线，实现钢丝圈的定位及穿纱。根据钢丝圈拨动机构的不同，挡片固定式钢丝圈定位方法又可以细分为两类，一类是气吹式，如周琼提出的一种二自由度钢丝圈定位装置（水平方向由气缸驱动，竖直方向由伺服电机驱动），气吹装置为环形气腔，气腔均布6 个喷气嘴，可将任意位置的钢丝圈吹动至穿纱位置，该方案利用气流定位钢丝圈，结构简单［14］；另一类是机械拨动式，如吕汉明等提出的一种钢丝圈定位装置，其设计了一种“固定挡片+环形套筒”的机械式钢丝圈定位装置，环形套筒直接套在钢领圈上，通过套筒的转动拨动钢丝圈，以实现钢丝圈的定位，该方案可靠性高，但结构较为复杂［15］。瑞士立达公司、印度朗维公司和品特凯普集团则采用了纱线定位式方法，定位钢丝圈的同时实现了钢丝圈穿纱。瑞士立达采用真空吸嘴与机械臂配合定位穿纱，末端执行器定位纱线后，纱线与水平面呈锐角，便于钢丝圈的穿入［16］。印度朗维采用真空吸嘴与多机械臂配合穿纱，穿纱基本原理与瑞士立达类似，其末端执行器结构和瑞士立达设计方案有所不同［17-18］。品特凯普集团采用“工业机械臂+喷吹式穿纱器”的方案穿纱，由喂纱喷嘴配合纱线夹持元件或纱线保持装置实现纱线张紧，纱线被张紧后与水平面呈一定的角度范围［19］。

此外，陈伟雄还提出了一种钢丝圈定位装置及方法，其设计了一种可转动的钢领圈，以定位钢丝圈，但结构复杂，不易实现［20］；曾天亮等则提出了一种采用镍钛记忆合金丝定位钢丝圈的方法，方案新颖但未见应用实例［21］。

3 自动接头方案及接头机器人

为便于分析，结合环锭纺两种自动接头方案对纱线断头捕获、纱线牵引和自动接头机器人等技术进行统一论述。

自动接头机器人或接头装置，按照是否在原断纱筒管上寻找断头，可分为两类：原锭位接头和备用纱线接头。原锭位接头，即在进行接头时，首先将断纱筒管刹停，随后寻纱机械手（或是寻纱装置）在断纱筒管上寻找并捕获断头，最后穿纱机械手将捕获的断头依次穿过钢丝圈、气圈环和导纱钩并牵引至前罗拉处捻接，完成接头。原锭位接头按照断纱筒管是否需要拔出，又可细分为筒管拔出和筒管不拔出两种形式。备用纱线接头，即在进行接头时直接使用一段新的接头引纱或一管已经生好纱头的备用管纱进行接头。当采用接头引纱接头时，接头引纱的一端被牵引至前罗拉处捻接，同时，接头引纱的另一端直接缠绕在断纱筒管上（主动缠绕或被动缠绕），依靠后序络筒工序将多余的接头引纱切除并将筒管上的断纱重新捻接。当采用备用管纱接头时，首先用备用管纱替换原断头筒管，随后备用管纱的纱线端部被牵引至前罗拉处捻接，完成接头。

3.1 原锭位接头方案

原锭位接头方案与人工接头的原理基本一致，直接从原断纱筒管上分离、捕获断纱用于接头。由于不需要单独的供纱机构或生头机构，该方案的自动接头装置结构相对简单、接头流程更加简洁，尤其是筒管不拔出的接头方法，进一步省去了筒管的握持搬运机构，自动接头装置的结构复杂度更低。该方案的最大问题是如何保证从断纱筒管上稳定、高效地分离和捕获断纱；再一问题是应保证结头的质量，如结头质量低，则仍需络筒工序将结头处切断重新接头。

陈伟雄提出了一种环锭纺自动接头方法，当检测到钢丝圈停止运动后，接头小车移动到断纱锭位刹停锭子并反转退绕纱线；随后纱线夹持装置将纱线断头引入钢丝圈、导纱钩和前罗拉完成捻接。该方案采用磁力吸附定位钢丝圈；在锭子被刹停后，先将锭子提升3 mm～10 mm，再驱动反转退绕；采用狭长形吸嘴贴近筒管锥形卷绕表面，将捕获的纱线吸入吸纱管中；采用3 个穿圈指依次动作将纱线穿入钢丝圈，中间穿圈指将纱线扬起，左右穿圈指将纱线撑开送入钢丝圈。在上述专利中也提及一种开式导纱钩，便于纱线穿入。该方案是一种典型的原锭位接头方法，也是一种较为合理的将纱线张紧后穿入钢丝圈的方案［22］。另外，陈伟雄还提出了一种适用于环锭纺自动接头的螺旋形导纱钩［23］。

张洁等提出了一种基于机器视觉的断纱捕获装置，引入机器视觉的方法实现断纱识别和定位。机器人将断纱后的筒管从细纱机上取下放到旋转锭子上反转退绕，同时工业相机实时采集断纱筒管照片，分析处理照片获取断纱信息。如断纱未附着在筒管表面，则使用负压吸嘴捕获断纱；如断纱附着在筒管上，则使用毛刷刷取筒管表面的断纱，随后再使用负压吸嘴捕获断纱。最后工业相机拍照确认纱线是否捕获成功。接头过程中接头机器人依靠工业相机获取的位置信息进行定位和完成接头动作。该方案创新性引入机器视觉技术作为捕获纱线的辅助工具，用以定位断纱位置、判断断纱与筒管的贴合状态以及确认断纱是否捕获；采用毛刷刷取断纱，提高了断纱分离、捕获的成功率［24］。

吴文静等提出了一种环锭纺自动接头机器人方案，采用“左右双机械臂+寻纱组件”的结构，实现锭子刹停、退绕、纱线捕获夹取、穿纱和牵引等动作，但仅是概述结构及原理［25］。

曾凡超等基于笛卡尔型机器人设计了一种三自由度环锭纺自动接头装置。其钢丝圈穿纱机械手为“摆动气缸+滑台气缸”结构；机械手末端执行器的加速区驱动函数为五次多项式，以避免机械手对纱线产生刚性和柔性冲击。该方案充分运用气缸作为驱动元件，省去了中间传动机构，降低了结构复杂性［26］。

印度朗维公司提出了一种不取下筒管进行接头的方案。其设计了一种末端为喇叭口形的真空抽吸装置，辅之以气吹式断纱分离装置，在断纱筒管上方利用真空吸嘴直接捕获断纱；采用多机械手协同动作，实现纱线的穿纱、牵引和捻接。该方案充分运用气流辅助分离、捕获断纱，结构简单；同时，针对前罗拉处的捻接设计了独特的末端执行器，配合其真空抽吸装置完成接头［27-28］。

3.2 备用纱线接头方案

备用纱线接头方案无需分离、捕获断纱，直接利用接头引纱或备用管纱接头。该方案避免了因断纱未成功捕获导致的接头失败，提高了接头的成功率，但自动接头装置结构相对复杂。具体来看，采用接头引纱方法接头时，需要有专用的供纱机构生成接头引纱并将之缠绕至断纱筒管上，同时需要对接头引纱施加适当的张力，该方法实际上并不是“接头”，因接头引纱并未与断纱接合，其本质上是利用一段接头引纱恢复了纺纱流程，后续仍需要依靠络筒工序将断纱处接合；采用备用管纱接头时，无需供纱机构，直接使用备用管纱替换断纱筒管即可进行后续的穿纱、绕纱等接头操作，效率更高，但需要提前将备用管纱生头且相应的自动接头装置需要具备筒管的搬运握持机构和备用管纱的临时存放装置。

王建波提出了一种自动接头方法，接头时断纱筒管不需拔出、锭子不需刹停。接头机械手将接头引纱的一端绕进导纱钩并牵引至前罗拉处捻接；接头引纱的另一端被切断并通过风扇吹送到断纱筒管旁，未刹停的筒管将接头引纱缠绕，完成接头。该方案是利用一段接头引纱将前罗拉处的断纱须条与断纱筒管连接的接头方案，但需注意的是，接头过程中的穿纱、绕纱动作需对接头引纱施加合理的张力防止其断裂或飘动；同时，利用风扇吹送接头引纱至断纱筒管的方法存在一定的不稳定性［29］。韩祥也提出了一种类似的技术方案，但并未做细致论述［30］。

张洁等提出了一种环锭纺细纱机自动接头装置及方法，接头时，首先刹停断纱锭子，同时利用3D 相机获取各目标三维位姿信息（如筒管、钢领板和气圈环高度，导纱钩和前罗拉坐标等）；利用环形气流喷口定位钢丝圈，同时机械手将断纱筒管置于吹气绕纱装置前，随后由备用管纱提供的纱线在纱线送出喷嘴和环形气流的作用下附着在断纱筒管上；最后纱线在吸嘴牵引下穿入钢丝圈、气圈环、导纱钩并喂入前罗拉，完成接头。该方案同样利用机器视觉技术作为辅助工具，为接头装置提供位姿信息；同时，使用一种反向喷嘴为接头引纱施加张力［31］。张洁团队也提出了一种环锭细纱机自动接头机器人末端执行器的方案，对上述细纱机自动接头装置的末端执行器进行了描述［32］。张洁团队还提出了一种基于张力反馈的自动接头机器人柔顺控制装置，接头机器人可以基于张力反馈进行调节，在接头过程中使纱线的张力保持在设定值附近。该方案旨在解决纱线牵引过程中因摩擦力过大或牵引力过大导致的纱线断裂问题，以及纱线张力过小出现纱线飘动、黏结的问题，以实现近原锭位稳定接头［33-34］。

陈伟雄提出了一种提供接头引纱的自动接头装置与方法，该方法与其提出的原锭位接头方案在原理上基本一致。该方案仅是增加了一个提供备用管纱的装置，以生成接头引纱［35］。

吕汉明等提出了一种自动接头方法与装置，配合一种将接头引纱缠绕到筒管上的装置、一种自动接头出纱装置和一种钢丝圈自动定位装置，可使用一段弹性纱作为接头引纱，实现接头。接头时，首先将弹性引纱的中部送入钢丝圈，再根据纺纱的捻向将弹性引纱的一端缠绕到断纱筒管上；另一端迅速向上穿过导纱钩后牵引至前罗拉处，完成接头；整个接头过程不需拔出断纱筒管、不需寻找断头。该方案与其他接头方案相比，在接头流程上有着一定不同，其首先完成钢丝圈穿纱，再将接头引纱缠绕到断纱筒管上；同时考虑到纱线的捻向问题，为备用纱线接头方案提供了一种新的思路［36-38］。

王腊保等提出了一种自动接头方法，配合其公司提出的一种自动接头用操作台和一种钢丝圈定位装置，在进行接头时，将备用管纱提供的接头引纱穿入钢丝圈、导纱钩，最后在前罗拉处捻接，完成接头。该方案提及一种可随着钢领板运动的接头平台，可保证位于接头平台上的接头装置与钢领板同步运动，接头过程不需要频繁校对位置，这为解决接头装置与钢领板同步运动的问题提供了一种技术方案［39-40］。

唐火红等借鉴人工接头方法，设计了一种环锭纺纱机自动接头机器人，其采用“辅助操作平台+四自由度双机械臂”的整体构型，同时整合了锭子刹停及钢丝圈定位机构。接头机械臂末端执行器为平移型手爪，钢丝圈定位装置为二自由度环形气吹挡片式结构，并使用接头机械臂将接头引纱主动缠绕至已经刹停的断纱筒管上。该方案提出了一种全新的接头装置构型，采用双机械臂协同动作完成穿纱、绕纱和捻接等动作；同时，运用环形气流定位钢丝圈，结构简单可靠［41］。

品特凯普集团提出了一种环锭纺自动接头装置，其接头末端执行器包括喂纱喷嘴、纱线张紧装置和纱线夹持装置等机构。利用喂纱喷嘴将接头引纱吹送至旋转的断纱筒管上，随后通过喂纱喷嘴与纱线夹持元件或纱线保持装置配合，实现钢丝圈穿纱；最后通过机械臂牵引将接头引纱穿过导纱钩、气圈环并在前罗拉处捻接，完成接头。该方案采用单工业机械臂作为其接头末端执行器的载体；同时，设计了一种特殊的接头末端执行器，采用“喷纱”的方式将接头引纱缠绕在断纱筒管上，随后依次完成穿纱、绕纱、捻接等动作，方案新颖［42］。

瑞士立达公司提出了一种使用备用管纱进行接头的方案。在接头装置里提供接头备用管纱，采用多机械手协同控制实现锭子刹停、断纱筒管搬运、钢丝圈纱线穿入和纱线牵引等动作。该方案提出了一种更换留尾管纱的接头方法，省去了在接头时分离、捕获断纱或将接头引纱缠绕至断纱筒管的操作，提高了接头成功率［43-44］。瑞士立达公司在2019 年申请了一项关于环锭纺纱机自动接头装置的专利，提出了一种环锭纺自动接头装置的控制及操作方法，可针对细纱的生产工艺要求调整自动接头装置的参数［45］。

4 典型的环锭纺自动接头设备

4.1 瑞士立达公司ROBOspin

2019 年巴塞罗那ITMA 展会上，瑞士立达公司推出了环锭纺细纱机自动接头机器人ROBOspin。该型自动接头机器人可处理细纱机运行或落纱过程中出现的断头，在接头装置里有专门的空管绕纱装置［46-47］，该型自动接头机器人接头成功率尚未有明确实践数据。

4.2 印度朗维公司自动接头机器人

2019 年巴塞罗那ITMA 展会上，印度朗维公司也展出了一款与LRJ9-SXL 型细纱机配套的自动接头机器人。该型接头机器人采用的是不取下筒管进行接头的方法，从接头方案到断纱捕获装置、末端执行器设计等方面，均不同于立达公司的ROBOspin［48-49］。

4.3 品特凯普集团Automatic Piecing Robot（APR）

2023 年米兰ITMA 展会上，品特凯普集团展出了一款环锭细纱机自动接头机器人Automatic Piecing Robot，该型自动接头机器人可用于多种纤维的自动接头，并集成在该公司的EffiMill 监控系统中，其具体技术方案并未透露，从该公司专利技术来看，该型接头机器人为“单工业机械臂+接头末端执行器”的结构。

5 结语

随着纺织行业向着无人工厂、高速化、连续化的方向发展，环锭纺自动接头技术研究被提上日程。自动监测技术、人工智能技术以及工业机器人技术为环锭纺自动接头奠定了基础。目前关于环锭纺自动接头机器人（装置）的研究，多数仅停留在方案设计和模型搭建中。已出现的典型自动接头机器人是瑞士立达公司的ROBOspin、印度朗维公司的LRJ9-SXL 型细纱机配套自动接头机器人和品特凯普集团的Automatic Piecing Robot。瑞士立达自动接头机器人采用更换备用管纱（留尾管纱）接头的方案，省去了在原断纱锭位寻找断头的过程，提高了接头的成功率，但后续需要对原断纱筒管进行处理，同时需要对备用管纱进行生头（即找出备用筒管上的纱头，用于自动接头），在一定程度上增加了环锭纺自动接头的成本和流程的复杂性。印度朗维自动接头机器人则采用了原锭位接头的方案，其使用一种真空吸嘴捕获牵引断纱筒管上的断头，且不需要将断纱筒管取下，简化了接头流程，但如断纱缠绕紧密，则断头捕获的成功率会受到一定程度的影响。由于品特凯普集团并未透露Automatic Piecing Robot 的具体技术方案，目前已知的技术细节来自于该公司申请的相关专利，从专利来看，其采用工业机械臂（至少为6 自由度）作为接头末端执行器的载体，其特殊的接头末端执行器（纱线操作装置）是该公司技术方案的一大亮点。尽管各接头机器人的实际运行效果还有待市场检验，但其正式面世也标志着此项技术已逐步走向成熟，进入新的发展阶段。