环锭细纱机自动接头机的发展与展望

倪 远

(纺之远(上海)纺织工作室，上海 200063)

1 环锭细纱机自动接头机研发历史

环锭细纱机自动接头技术是纺纱领域中尚未突破的装备难题，伴随时代进步和技术发展，及纺纱技术应用的信息化、自动化和智能化进程，自动接头机项目的研发应用被提到日程上来。

早在上世纪80年代，国外就出现了自动接头机概念机，德国、意大利、瑞士和日本等国的纺机制造商曾在国际纺机展览会上展示过自动接头机。欧洲纺机制造商研发的接头机也曾有少量投入应用，例如意大利康尼特克斯公司共出厂接头机约70台、德国青泽公司共出厂接头机约50台，此后至今，便再没有接头机研发、生产方面的信息。进入21世纪以来也无该项目进一步发展的信息，说明40年前自动接头机的研发应用以不成熟而告终[1]。

由于经历了上世纪自动接头机研发应用的挫败，曾经研发和使用接头机的厂商反馈信息，认为纺纱行业应该把研究重点放在进一步降低纺纱断头上，这样生产中就不再需要接头机了。这听起来就是一个比较悲观的观点，但是他们确实是这样想的，也是这样做的。

2 欧洲制造商早期研发应用挫折案例分析

从目前获得的信息分析，欧洲纺机制造商早期投入应用的100多台自动接头机，较大可能是在技术方面不够成熟、在实际应用的效率上不适应需求。虽然我们不能完全知晓40年前欧洲纺机制造商研发接头机的具体架构及遇到了哪些障碍，但有以下几点应该是可以判断的。

一是两家制造商将研发的百余台产品投放到市场，一定是可以使用的机型，是否可以持续应用，以及使用中的改进升级空间，是另一个角度的问题。

二是即使采用当时最先进的工业技术，但受制于那时的条件和理念、纺纱工艺技术路线优化的程度以及工控驱动信息等技术水平，总体还是处于40年前的水平。

三是即使在欧洲，上世纪80年代的工费也不会太贵，接头机对值车人工的替代效应，也许不能抵补投资成本，或者说基本上难以计算投资回报率。

归纳这3方面的判断，可以得到以下结论：当时接头机的机型研发是可以使用的，但应用性价比很低，几乎无法体现使用价值；或者说当时接头机研发应用的天时地利人和都没有到位，该项目以失败而告终是必然的。

3 环锭细纱机接头机研发新时机

目前，细纱机自动接头机处在新研发周期，上世纪80年代欧洲纺机制造商研发应用挫败的案例，已时过境迁，研发条件、工业技术状态和工艺理念等已经与当时大相径庭。目前，产业需求提升，工业技术成熟，工艺理念进步，国情、业态、政府规划力促技术创新，多方面要素有利于接头机再研发[2]。

当然我们还是要接受40年前欧洲制造商接头机研发应用失败留下的教训，以与时俱进的姿态，厘清与该技术项目相关的技术经济背景，在新时代突破研发技术瓶颈，致力于该技术的产业化应用，助推纺织强国前行，重新定义新时代接头机行业地位和发展方向。

3.1 纺织行业“十三五”与“十四五”规划

在纺织行业向着自动化、信息化和智能化发展的进程中，中国纺织工业联合会在《纺织工业“十三五”科技进步纲要》[3]中，就把“开发智能化纺纱成套设备，实现纺纱成套设备的连续化运行、夜间无人值守、数字化控制和网络化管理”作为纺纱机械研发重点，把“探索工业机器人在纺织企业的应用，全方位提升纺织行业智能化生产和管理水平”作为纺织信息化技术研发重点，并明确将细纱机自动接头列入“(六)纺织信息化技术/(28)智能化生产及管理技术/(3)智能化纺纱生产线”项目中。

在中国纺织机械协会《“十四五”纺织机械发展指导性意见(征求意见稿)》[4]的第五节：重点工程/ 2．纺织智能加工装备重点工程中提出：重点发展纺织短流程和自动化装备、纺织专用机器人、纺织智能检测、纺织智能系统、纺织机械智能制造等，提高智能纺织装备相关基础理论研究和跨领域交叉研究能力，推动纺织行业转型升级，进一步提质增效，提高产品生产附加值。/(2)攻关。攻关纺织接头和挡车机器人……

在附件二：纺纱机械/二．“十四五”发展趋势与目标/1．发展趋势/环锭纺设备小节中提出：随着行业结构调整和发展的需要,短流程、连续化、智能化仍将是“十四五”期间棉纺成套设备的发展趋势。一些关键装备如超大牵伸细纱机、清梳并联、细纱接头机器人等的研发，环锭纺工艺设备的研究，有望在“十四五”期间取得重大突破。存量环锭纺设备，将继续加强智能化升级，满足市场对自动化及减少用工的需求。

在附件二：纺纱机械/二．“十四五”发展趋势与目标/2．发展目标/(4)2025年目标/①中明确：研究攻关棉纺环锭纺超大牵伸细纱机、清梳并联、细纱接头、关键专件器材、智能物流等技术，完善各单机设备的质量在线监控、质量追踪等，建成新型环锭纺短流程示范工厂，实现万锭用工10人以下。

在附件二：纺纱机械/三．“十四五”重点任务/1．开发新一代智能成套棉纺设备小节中明确：研发超大牵伸细纱机、清梳并联、细纱接头机器人等智能化、连续化关键技术与装备……

3.2 工业技术背景

40年来随着工业技术的迅速发展，新技术多方突破，与该项目直接相关的新技术、新材料和新工艺甚多，特别在机械加工工艺、表面处理工艺、金属和合成新材料、机械机构、工控驱动、信息与通信及电力储能等方面，性能提升，成本降低，特别是机械手技术在各领域的成熟应用，性价比得到极大提升，均可为接头机新机型的研发提供高性价比的新结构和零部件。

3.3 人口红利

当前的工业技术领域，不仅对于发达国家，即使是对于人口大国的中国来说，人口红利也基本耗尽，机器换人是不可逆转的大趋势。用工难、用工贵、用工降低体力消耗、用工符合人类作息规律及用工提高技能含量，是作为劳动密集型纺织产业必然面临的重大现实问题。自动化、信息化和智能化技术应用在纺纱领域的功能，首要就是人工替换，即使现今尚不能通过机器换人而产生经济效益的岗位，未来也必然需要。

3.4 产业体量

近1.1亿枚存量环锭细纱机纺纱规模，内需市场巨大，持续发展的增量市场也很可观。与“一带一路”相关的外需市场增量也日益发展，持续壮大。纺织产业的体量决定行业市场容量，行业市场的容量直接影响产品成本。有多大的市场容量，就有多大的创新空间，同时也具有足够多的研发纠错时间。

3.5 工艺技术路线相关

纺机研发中，纺纱工艺技术路线的选择至关重要，直接影响纺机的工作效能，影响研发成本和研发周期。显然40年前的接头机研发，限于条件和理念，不可能对接头操作过程进行优化。新时代是创新的时代，我国纺纱和纺机人才济济，创新理念不断进步，纺纱工艺与装备研发结合日益紧密，产学研与跨专业跨学科研发案例很多。

4 ITMA2019展示的细纱接头机

2019年6月，在西班牙巴塞罗那成功举办的ITMA2019展会上，细纱机自动接头机就是展出新产品的亮点之一。在上世纪停止研发应用数十年后，新世纪首次亮相，可以认为细纱机自动接头机迎来一个新研发周期的起点。这次展会上瑞士立达公司与印度朗维公司同时展示，受到行业热烈关注。这可能预示着细纱机接头机产业化应用，向着具备天时、地利与人和的条件发展[5]。环锭纺纱的自动化技术应用，即将实现细纱机接头与值车工作的人工替换，从而助推环锭纺纱生产的技术进步。

4.1 瑞士立达公司

立达公司的环锭细纱机值车接头机械手ROBOspin，是ITMA2019上纺纱技术领域的一个重要亮点。立达公司设计的接头机，为细纱机每侧面配置1台往复巡回式接头机械手ROBOspin，见图1。

图1 立达细纱机接头机械手ROBOspin

ROBOspin从立达单锭监测系统ISM接收关于目标断头锭位的信息，从目标断头锭位的定位、停止纱锭、拔起纱管、找寻纱头、将纱头穿过钢丝圈、气圈环与导纱钩，最后完成纱线在罗拉钳口的接头，实现一序列的操作动作。

立达公司的ROBOspin接头机械手，具有以下应用特征[6]。

a) 品质稳定。自动化的接头操作程序，确保接头机械手的稳定运行，接头操作周期中尽可能避免与纱线发生接触，消除了人工拔纱时对外层纱线的接触污染，确保卓越的纱线质量。

b) 用工少，效率高。接头机械手可24 h持续工作，大幅减少接头操作用工和工费成本，同时减轻人力资源的配置规划与纺纱生产管理难度。

展台现场演示的接头操作显示，每次接头发生后，接头机械手从到达锭位开始接头工作起，直到完成接头操作，整个接头工作的操作时间约为1 min，也存在着一定接头操作不成功的概率。

立达公司明确，ROBOspin是专门为立达公司细纱机设计的装备，1台环锭细纱机的两侧面分别需要配置各1台ROBOspin，因而计算万锭投资成本不低。由于尚未公布该机的应用参数和市场报价，所以难以评估产业化应用的技术指标、市场效应及投资回报率。

4.2 印度朗维公司

朗维公司在ITMA2019上有限度地展示了细纱接头机，配置接头机的细纱机型号为LRJ9-SXL，带集落、细络联和四罗拉紧密纺Spinpact。由于是严格控制参观对象的封闭式展示，影响了相关技术信息的获取。朗维公司细纱接头机与ROBOspin比，初步观察在配置和操作程序方面存在若干不同之处，特别是在接头操作工艺技术路线方面，朗维公司采用了不拔下纱管，在锭位上在线找头的方法。在断纱检测装置形式、断头检测点位置设置、接头机运行轨道、接头机体积等方面，都不同于立达公司ROBOspin。

5 接头机相关可应用技术

5.1 单锭实时断头检测系统

目前，行业中断头检测技术已经成熟应用，只是作为纺纱信息化管理辅助工具的断头检测系统应用投入门槛较高，因而尚未得到普及应用。

有多种检测传感方式不同的非电量电测法断头检测方案被提出来，较为主流的应用是检测钢丝圈转速来表征锭速信号。以带有单锭实时锭速监测功能的断头检测系统为例，其基础传感信息是钢丝圈回转速度的监测，通过信息传输和处理，可以获得锭速信号，从而判断锭位运行状态，实现引导值车、坏锭警示和统计产量、断头持续时间、坏锭持续时间等，用于锭位、操作和维护等管理。

由于具有实时断头锭位信号，可以为接头机提供值车目标锭位引导信号，同时对值车区域断头锭位信号进行集中运算，对跨机台值车模式来说，可以设置优先条件进行值车车弄次序规划，从而通过管理策略调度来提高接头机的值车效率。

采用单锭实时断头检测系统，及联合使用粗纱停喂装置，也是接头机工作系统的一种配置，不足之处是总体投资成本较高，合并计算的投资回报周期较长。

5.2 非单锭实时断头检测系统

非单锭实时的断头检测方法也可以用于引导接头机进行工作。

一个更为经济的方法，是接头机自带移动式断头检测系统，随接头机边行走边检测，有断头即开始接头工作，这种断头检测与接头操作共享行走系统的工作模式，与独立的单锭实时断头检测系统加接头机的工作模式相比各具利弊。从投资成本来看，接头机自带断头检测模式可以减少单锭实时断头检测系统和粗纱停喂装置的一次投入成本。接头机巡回过程中检测到各个锭位的锭速信号也可以上传到上位机，用于监测统计管理各个纺纱锭子。不过，两者相比，接头机自带断头检测模式不足之处在于：① 断头和锭速信号为非实时信息，检测周期等于接头机巡回周期；② 边行走边检测获得的断头信号，无法进行策略规划调度；③ 无法应用粗纱停喂技术，来减少断头锭位中带须条运行容易引起的上下罗拉缠绕；④ 接头机不能提前获得行走方向的断头锭位信号，接头机的行走速度受到制约，影响接头机的工作效率。

5.3 粗纱停喂装置

在使用单锭断头检测系统时，可以配套选用粗纱停喂装置，但这会增大整个系统的投资成本，增加系统应用的投资回报周期。

现有技术的粗纱停喂装置，并没有考虑到与接头机的联合应用，由于停喂后的复喂需要人工拉动复位机构，粗纱才会继续喂入，如在接头机上增加这个辅助复位操作，将对接头操作效能产生较大的不利影响，且增加接头机制造成本，两者都影响接头机性价比。

如果需要在使用单锭断头检测系统时配置粗纱停喂装置，则必须改进停喂装置结构，使其具有自动复喂的功能，这样才有利于与接头机联合应用，并提高两者的工作效能。具有自动停喂和复喂功能的粗纱自动停喂复喂装置的设计，需要应用创新结构，在方便使用的同时提高应用性价比。

5.4 刹锭器

在行业中大部分使用光杆锭子的细纱机上，接头机的应用，不需要另外配置刹锭器。

在高速铝套管锭子的机台上，也可以不带刹锭器。接头机自带的锭速控制机构，配合接头程序的需要，控制锭子慢速回转、停转、倒转和正常锭速。

不带刹锭器的铝套管锭子，在人工辅助接头操作时，拔管较为困难且不安全，也不符合铝套管锭子使用要求。

5.5 电锭驱动

有行业人士认为，电锭驱动是接头机应用的必要配置。实际上电锭驱动与接头机应用，仅在两个方面有交叉：一是如果电锭驱动系统自带了断头检测信号，那么接头机可以采用电锭驱动系统的断头信号来定位接头工作的目标锭位；二是在检测到本锭位发生了断头，在发出断头信号的同时，电锭自动停止回转，接头机定位到该锭位开始接头操作时，接头机需要与电锭系统进行通讯发出指令，或者接头机直接按动锭速恢复按钮，使锭子恢复回转。如果需要慢速回转甚至倒转，则必须对电锭系统设计提出要求，以实现两者配合。

所以，细纱机没有电锭驱动，对接头机的技术应用没有影响。如果两者联合应用，电锭驱动系统必须配合接头机，包括每个电锭倒转和慢速回转的独立控制等等，使电锭驱动控制系统复杂化。

从目前的情况判断，虽然电锭应用的技术结构相对简单，产业化应用较为方便，但是由于电锭技术具有投资回报率低和电能转换效率低两大技术经济问题，目前还未见突破信息；同时接头机与电锭两个项目联合应用，投资回报期可能远远超出行业预期。

5.6 自动落纱

细纱机配置有移动式自动落纱机时，落纱机的行走轨道可以作为接头机的行走轨道。

细纱机配置有集体落纱系统时，接头机上的行走系统，需要避开集体落纱装置的底部结构。

5.7 断头吸棉管

如果接头机工作的值车巡回周期较长，偏离了纺纱工艺技术的要求，锭位在断头状态下的运行将导致罗拉缠绕的可能性增大。接头机应用中应该尽可能降低上下罗拉缠绕的发生概率，以减少人工干预，提升接头机工作效能。因此对于断头吸棉管的配置，应当尽可能提高吸棉效能，减少罗拉缠绕，相对而言指管比笛管更有利于减少缠绕。

6 对接头机研发应用的再思考

6.1 关于断头率

自动接头技术近年引起行业较大关注，除了上述国际纺机厂商推出概念机外，国内也有多家企业进入或准备进入研发阶段的信息，包括国企和民企、纺机企业和纺纱企业，等；也已经有多家国内专利申请人提出接头机相关的中国专利申请。

分析“把技术进步重点放在降低纺纱断头上，如千锭时断头降低到5根及以下，则不必配置接头机”的观点，从某些角度看是有一定道理的，特别是在当前行业竞争压力较大、对接头机研发方向不太明朗、接头机应用投入产出目标不够清晰的情况下，对接头机系统装备的投入与运行应用信心不足是可以理解的。但有一个很重要的问题是：对于“降低千锭时断头到5根及以下”的技术措施是什么？对应的技术进步方向在哪里？

在兼顾纺纱锭速的前提下，降低纺纱断头其实是行业一直都在追求的目标，在现有环锭纺加捻卷绕技术条件下，加捻卷绕专件器材的技术进步也在艰难进行中，目前尚无显著性进展。在ITMA2019上，确实有锭速超过30 kr/min的环锭纺纱机演示，但由于纺纱条件限制，尚无法真正找到进入实际应用的途径。

从纺纱技术的角度看，调整生产条件是可以在一定程度上控制断头率，使值车用工减少到每万锭用工为1人及以下，如此当然难以体现接头机机器换人的优势，从而可以否定接头机的应用价值。但是，分析纺纱生产技术现状可以明确：首先在目前的环锭纺纱生产工艺技术条件下，在维持产能和不增加额外投入的情况下，对大多数纺纱企业来说，降低断头率是一件非常困难的事；其次，也许是更重要的问题，由于断头率与细纱机锭速的正向相关性，以及细纱机锭速与纺纱效益正向相关性的关系，减少断头是提升纺纱效益的重要制约因素，而追求纺纱效益则是一项永无止境的工作。

一味地降低断头就意味着降低效益，正常纺纱情况下，较低的断头率意味着存在锭速和效益的提升空间。因而规模化的纺纱生产保持适度的断头率是合理的；这个合理的断头率，则依据纺纱企业各自状况不同而有差异，这是工艺技术和经济效益的一个平衡点，在这个平衡点下，既然存在着断头，便产生了自动接头机的用武之地与发展空间，这是一个对纺纱断头与效益的再认识，也是对接头机研发应用的再思考。

可以认为降低断头的技术进步与接头机装备配置应用并不矛盾，两者都是纺纱技术进步的方向，行业发展的最好结果是解决断头难题、节省用工、解放值车工与提升机台生产率同步发展。

6.2 关于资源

纺纱生产除了面临用工难和用工贵的问题外，前文已经提出了：用工需要降低体力消耗，用工需要符合人类作息规律，用工需要提高技能含量这3个现实性问题，应该也是行业后续发展进步的方向。减少值车工步行里程、降低夜间作业人数和时长，以及改良人力资源配置水平是纺纱生产可持续发展不可忽视的方向。

40年前欧洲制造商悲观地停止了对自动接头机的研发和应用，笔者估计是遇到了当时难以逾越的技术和(或)经济方面的障碍。除了这个原因外，从另一个角度看，是因为后续的全球纺纱市场不在欧洲了，中国开始向纺织大国发展，并正朝着纺织强国迈进。

当然，要研发可以产业化应用的自动接头机，也必须要通过选择合理适用的工作模式、优化工艺技术路线和精良设计与制造，吸取前人经验教训，来逾越欧洲制造商曾经碰到的技术和(或)经济障碍，而不是简单地用机器人代替人工操作，如果结构设计和参数定位不适当，即便赋予机器以智能也难以实质性提升操作效能。

结合近阶段国内外接头机相关专利技术申请人提出的中国专利申请技术结构分析，在接头机的工作模式和工艺技术路线方面的研究，对比前人公开的技术信息，似乎未见突破性进展。对接头效能和工作效率的研究，依然主要处于模仿人工操作的表面化逻辑中，而难以得到深度优化。据此研发出来的接头机即使能完成接头工作，仍然难以产生应用效益。如果工作模式未能得到行业认同、接头工作的工艺技术路线不够优化，导致一个接头的时间周期或巡回周期远远超出了产业化应用的条件，那么这样的接头机就只能停留在实验室阶段，而走不进生产现场。与欧洲接头机研发厂商的经历类似，不能进入产业化应用，并且可能会用研发失败的经历来反向证明，接头机的应用没有价值，或者接头机不值得研发，应该说这是非常糟糕的局面。

7 应用效果与投资回报

细纱机自动接头机的应用价值主要是人工替代和管理提升。如果要直接计算投资回报率，那么目前只能计算人工替代率。以下列出并讨论与应用效应和投资成本直接相关的若干参数，为便于估算，忽略接头机系统的运行维护成本。归纳以下两个“周期”数值，是关乎运行效应和投资成本的主要参数。

7.1 值车巡回周期

值车巡回周期=值车区域接头机行走时间+接头总时间(min)；

接头机行走时间=值车区域巡回行走距离/平均行走速度(min)；

值车区域巡回行走距离=值车区域锭数×0.07+值车台数×10(m)；

接头总时间=值车锭时断头数×平均一个头接头时间(min)。

值车巡回周期与接头机平均行走速度和平均一个头接头时间直接相关。

除了接头机成本外，接头机工作参数中平均行走速度和平均一个头接头时间，是接头机最重要的指标。

值车巡回周期从投资的角度看，与接头机配置数量成反比；从接头机工作性能技术参数角度看，与接头机平均行走速度和平均一个头接头时间成正比。而从生产管理的角度看，预设值车巡回周期取决于纺纱生产条件，主要是千锭时断头率，以及由断头带来的罗拉缠绕概率。

7.2 投资回收周期

接头机投资回收周期=万锭接头机配置成本/万锭值车用工年费用(a)；

万锭值车用工年费用=万锭24 h值车人数×值车工年工费(万元)；

万锭接头机配置成本=接头机每台成本×万锭接头机配置台数(万元)。

其中，万锭接头机配置台数，与接头机平均行走速度和一个头接头时间直接相关。

7.3 值车巡回周期与投资回收周期相关性探讨

可以应用现实条件下的上述参数，包括纺纱条件和接头机参数，通过上述关系式来计算投资回收周期，如预设一个生产管理可以接受的值车巡回周期，估算出投资回收周期；或者预设一个行业可以接受的投资回报周期，估算出接头机巡回周期。

不管如何，投资回收周期与值车巡回周期两个参数，都必须得到行业认可，这是研发过程中必须重视的。

当然，投资回报只是以人工替代为效益计算的，自动化接头机的应用会带来管理效益，及难以用经济来衡量的行业价值。

同时上述估算没有计算接头机工作条件需要的断头检测系统和粗纱停喂装置等相关投入，也未计入接头机用电成本、维护保养人工与耗材成本、锂电池折旧成本以及备用机台投资成本等。

由于单锭断头检测系统具有纺纱信息管理功能，可以提升和扩展生产管理能力，并带来管理效益，所以单锭断头检测系统是细纱机基础锭位信息化管理不可缺少的工具。从这个角度考量，接头机需要配置的单锭断头检测和粗纱自动停复喂装置，可以不纳入接头机投资回报期的计算成本。

8 结语

在产业需求提升、行业政策支撑和研发条件成熟的境况下，接头机一个新研发周期已经到来，但仍需行业有足够认识和深入思考，研发成熟和普及应用并非一蹴而就，需要研发与应用的上下游及供需方充分沟通，使行业达成有条件或有限度的共识。在接头机值车工作模式和接头操作工艺技术路线等方面进行优化。

实践告诉我们，对于处在纺纱条件不太确定的环境下工作的移动式装备，要想获得近乎完美的应用效果是困难的，除了不断改进装备、改善生产条件和环境，还需提升管理人员素质和管理水平。

环锭细纱机接头机项目的研发应用，是行业针对纺纱最关键的细纱工序，向着解决断头难题、减少值车用工与提升细纱机生产能力等多方面技术进步的同步推进。

细纱机自动接头机的研发应用任重道远，需合力前行、思行不止，则终达至善。