李德駿，鄭力文，袁浩然，紀(jì)昌俊，薛文偉

(1.武漢紡織大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430200；2.武漢紡織大學(xué)現(xiàn)代紡織學(xué)院，湖北武漢 430200；3.中石化儀征化纖股份有限公司高纖事業(yè)部，江蘇儀征 211400)

目前在聚酯短纖維的生產(chǎn)加工過程中對(duì)成品包質(zhì)量控制的方法是人工估算頭尾絲在后紡成品包中的大概位置，設(shè)定一個(gè)較大范圍來(lái)分離出可能含有頭尾絲的成品包[1－2]。由于估算精度有限，造成剔除包數(shù)較多而且不準(zhǔn)確，為了解決這一問題，需要精確識(shí)別頭尾絲在紡絲后處理階段出現(xiàn)的位置，并進(jìn)行有效隔離，確保合格成品包中沒有頭尾絲。本文對(duì)短纖維頭尾絲在生產(chǎn)工藝中的位置變化進(jìn)行了分析，得出了牽伸前后頭尾絲位置的計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)了頭尾絲的準(zhǔn)確定位和跟蹤，根據(jù)此定位信息實(shí)現(xiàn)頭尾絲自動(dòng)隔離。本文主要研究牽伸階段，利用前方卷繞記錄的頭尾絲產(chǎn)生的時(shí)間戳信息和自動(dòng)配桶環(huán)節(jié)產(chǎn)生的時(shí)間戳跟蹤信息，對(duì)時(shí)間戳進(jìn)行計(jì)算并識(shí)別頭尾絲的位置，最終將該位置信息傳到剪切打包處，利用分包裝置對(duì)含有頭尾絲的成品包進(jìn)行分包處理，實(shí)現(xiàn)頭尾絲的自動(dòng)隔離。

1 頭尾絲自動(dòng)隔離原理

短纖維生產(chǎn)過程主要分為前紡卷繞、落桶、集束、牽伸、后紡打包等幾部分[3]。在前紡生產(chǎn)原絲的過程中，由于噴絲口在長(zhǎng)期生產(chǎn)過程中會(huì)發(fā)生堵塞，經(jīng)常需要進(jìn)行硅整理修板作業(yè)，期間需要將紡絲位切斷，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生尾絲，再次進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生1個(gè)頭絲，尾絲和頭絲會(huì)進(jìn)入到整束原絲里面[4－5]。牽伸是一個(gè)物理過程，牽伸之后的位置與牽伸比成正比關(guān)系，進(jìn)行牽伸操作之后頭尾絲的位置也會(huì)以一定的比例發(fā)生位置變化，頭尾絲位置變化見圖1。

圖1 頭尾絲位置變化

隔離的基本原理是在牽伸環(huán)節(jié)根據(jù)牽伸比對(duì)頭尾絲時(shí)間戳位置進(jìn)行估算，同時(shí)實(shí)時(shí)記錄絲束牽伸的進(jìn)程，對(duì)比二者能定位頭尾絲出現(xiàn)的位置，將時(shí)間戳出現(xiàn)的位置換算成牽伸機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)Q，理論計(jì)算公式如下:

式中:v為紡絲速度，m/s；h為由工廠實(shí)時(shí)溫度濕度確定的打滑率，%；i為齒輪比；D為牽伸輪直徑，m；T為落桶時(shí)間，s；Q為牽伸總?cè)?shù)。

2 自動(dòng)隔離系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)頭尾絲產(chǎn)生的過程，對(duì)前紡階段頭尾絲出現(xiàn)的時(shí)間打上時(shí)間戳標(biāo)記，然后根據(jù)生產(chǎn)工藝對(duì)絲束拉伸的比率、絲束完成整個(gè)后紡工序所需的時(shí)間，重新定位頭尾絲位置[6－7]。最后將頭尾絲出現(xiàn)的位置傳到剪切打包處，利用分包裝置來(lái)挑出含有頭尾絲的成品包。系統(tǒng)方案整體設(shè)計(jì)圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)方案整體設(shè)計(jì)圖

2.1 牽伸計(jì)數(shù)器

牽伸計(jì)數(shù)器在頭尾絲自動(dòng)隔離系統(tǒng)中非常重要，主要用來(lái)采集和實(shí)時(shí)記錄牽伸處牽伸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，是計(jì)算頭尾絲位置的依據(jù)。在采集了大量的數(shù)據(jù)后可以優(yōu)化檢測(cè)精度，調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)打滑率參數(shù)，提高檢測(cè)準(zhǔn)確性。牽伸計(jì)數(shù)器記錄的圈數(shù)結(jié)合前紡部分頭尾絲的信息，可計(jì)算后紡中頭尾絲所在位置，硬件控制系統(tǒng)核心采用STM32F407ZGT6作為MCU，搭配有LCD屏幕和SD卡用于顯示和記錄[8]。主要檢測(cè)并記錄紡絲工藝后紡階段牽伸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，LCD屏幕顯示當(dāng)前記錄的圈數(shù)，并通過光線通信傳輸?shù)胶蠹忞A段工控機(jī)。牽伸計(jì)數(shù)器原理見圖3。

圖3 牽伸計(jì)數(shù)器原理

2.2 自動(dòng)分包裝置設(shè)計(jì)

自動(dòng)分包裝置接收到來(lái)自牽伸的數(shù)據(jù)后會(huì)自動(dòng)分離含有頭尾絲的成品包與不含頭尾絲的成品包。倒Y型的隔離裝置可以將短纖維分成2個(gè)部分，一邊是允許不含頭尾絲的短纖維正常通過，另外一邊則是當(dāng)牽伸階段的工控機(jī)開始預(yù)報(bào)含有頭尾絲的地方即將出現(xiàn)的時(shí)候，則啟動(dòng)自動(dòng)分包隔離裝置，含有頭尾絲的短纖維則會(huì)從另外一邊進(jìn)入打包區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)頭尾絲的自動(dòng)隔離。自動(dòng)分包裝置原理見圖4。

圖4 自動(dòng)分包裝置原理

2.3 通信方式分析

為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸，考慮到工廠環(huán)境的特殊性、牽伸計(jì)數(shù)器與自動(dòng)隔離裝置的距離達(dá)到500 m以上。在本系統(tǒng)中采用光纖通信，通過光纖收發(fā)器來(lái)完成前紡頭尾絲定位與后紡牽伸以及最終的隔離系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信?？梢员ＷC信息的實(shí)時(shí)傳輸和穩(wěn)定性，從而達(dá)到工業(yè)級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。在本系統(tǒng)中選用TL-FC111A光纖收發(fā)器(TP-LINK有限公司)[9－10]。

3 頭尾絲隔離控制系統(tǒng)軟件

根據(jù)頭尾絲自動(dòng)隔離系統(tǒng)工作原理及過程，控制系統(tǒng)需要具備前紡頭尾絲數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收、儲(chǔ)存、處理、下發(fā)；后紡牽伸圈數(shù)處理、包含頭尾絲成品包定位；自動(dòng)分包裝置控制與反饋3大模塊。頭尾絲自動(dòng)隔離控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 頭尾絲自動(dòng)隔離控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先，對(duì)前紡卷繞階段的生頭裝置所產(chǎn)生的時(shí)間戳準(zhǔn)確性進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。通過撥動(dòng)生頭裝置，觀察軟件系統(tǒng)中是否出現(xiàn)記錄，經(jīng)過測(cè)試，生頭裝置每動(dòng)作一次，就會(huì)在系統(tǒng)中留下1個(gè)時(shí)間記錄，該時(shí)間與實(shí)際生頭裝置動(dòng)作的時(shí)間相吻合。

其次，對(duì)前紡卷繞階段產(chǎn)生的尾絲時(shí)間戳的準(zhǔn)確性進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。通過記錄人工剪斷絲束的時(shí)間作為尾絲產(chǎn)生的時(shí)間，觀察軟件系統(tǒng)中是否有出現(xiàn)記錄，經(jīng)過測(cè)試，剪斷的實(shí)際時(shí)間與系統(tǒng)記錄的時(shí)間相吻合。

最后，對(duì)后紡牽伸運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。由于前紡階段的尾絲或頭絲不能在生產(chǎn)線上人工觀察，為了觀察實(shí)際結(jié)果，將盛絲桶的了桶尾絲作為時(shí)間戳的一種尾絲，觀察了桶尾絲是否準(zhǔn)確地出現(xiàn)在預(yù)報(bào)指示期間所生產(chǎn)的成品包內(nèi)，為此，在實(shí)際驗(yàn)證的批次中設(shè)置了落桶時(shí)間較短的盛絲桶，當(dāng)尾絲出現(xiàn)的時(shí)候，觀察是不是在預(yù)報(bào)指示的圈數(shù)段內(nèi)，如果跟蹤測(cè)試的尾絲都能夠在預(yù)報(bào)指示期間落入成品包內(nèi)，那么在中間出現(xiàn)的頭尾絲也就能更加準(zhǔn)確地被預(yù)報(bào)顯示。

預(yù)報(bào)指示的圈數(shù)是根據(jù)成品包中1包絲的長(zhǎng)度來(lái)設(shè)定的。根據(jù)實(shí)際測(cè)試，生產(chǎn)1包1.33dtex的產(chǎn)品，牽伸轉(zhuǎn)動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)圈數(shù)小于1 000圈，因此，設(shè)定的預(yù)報(bào)圈數(shù)是根據(jù)預(yù)測(cè)尾絲進(jìn)入打包機(jī)的圈數(shù)(±1 000圈)為范圍，從預(yù)報(bào)開始到結(jié)束，打包量不會(huì)超過3包，只要在預(yù)報(bào)指示期間將生產(chǎn)的含有頭尾絲的成品包進(jìn)行隔離，就能夠?qū)崿F(xiàn)頭尾絲的準(zhǔn)確隔離，達(dá)到本項(xiàng)目實(shí)際研究目標(biāo)。

通過短纖生產(chǎn)線各環(huán)節(jié)的運(yùn)行驗(yàn)證，本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)頭尾絲產(chǎn)生的跟蹤有效而且準(zhǔn)確，并且能夠在后紡牽伸過程中，有效提示生產(chǎn)線上頭尾絲在打包時(shí)候的出現(xiàn)位置，能夠?qū)崿F(xiàn)頭尾絲自動(dòng)隔離的目的。牽伸階段測(cè)試數(shù)據(jù)表見表1。

表1 牽伸階段測(cè)試數(shù)據(jù)表

5 結(jié)束語(yǔ)

本文完成了頭尾絲自動(dòng)隔離系統(tǒng)，在能夠準(zhǔn)確捕獲到頭尾絲時(shí)間戳的基礎(chǔ)上完成了對(duì)含有頭尾絲成品包的準(zhǔn)確分離。利用光纖通信完成了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，建立了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在牽伸崗位設(shè)立了頭尾絲管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了頭尾絲進(jìn)入成品包的預(yù)報(bào)功能，在打包崗位處設(shè)置了頭尾絲預(yù)報(bào)指示裝置，以及自動(dòng)分包動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)短纖頭尾絲的自動(dòng)隔離。

頭尾絲自動(dòng)隔離系統(tǒng)減少了剔除含有頭尾絲的成品包的數(shù)量，如何避免剔除良品包、直接在打包過程中剔除頭尾絲仍是后期需要進(jìn)一步解決的問題。