計(jì)算機(jī)技術(shù)在非織造材料工程中的應(yīng)用

胡炳輝 焦曉寧，2 陳 康

(1.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300387;2.天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300387)

現(xiàn)代非織造技術(shù)具有原料來(lái)源廣泛、工藝簡(jiǎn)單、勞動(dòng)強(qiáng)度低，且生產(chǎn)速度快、效率高、工藝多變和產(chǎn)品適用范圍廣等特點(diǎn)，從而使非織造材料能夠迅速在服用、家用、醫(yī)療衛(wèi)生、土工建筑、農(nóng)業(yè)園藝和軍事國(guó)防等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

推動(dòng)非織造技術(shù)迅速發(fā)展的因素除了機(jī)械、化工等技術(shù)的發(fā)展外，計(jì)算機(jī)技術(shù)也是一個(gè)非常重要的因素。尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)在紡織領(lǐng)域得到應(yīng)用后，為進(jìn)一步提高非織造技術(shù)，改進(jìn)產(chǎn)品工藝，技術(shù)人員逐步將計(jì)算機(jī)技術(shù)引入非織造領(lǐng)域，并得到了很好的應(yīng)用推廣。

計(jì)算機(jī)技術(shù)是進(jìn)行計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造和軟件開發(fā)并使其應(yīng)用于各工程領(lǐng)域的新興技術(shù)，是信息社會(huì)的核心，也是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的關(guān)鍵技術(shù)之一［1］。計(jì)算機(jī)技術(shù)通常包括運(yùn)算方法的基本原理與運(yùn)算器設(shè)計(jì)、指令系統(tǒng)、中央處理器(CPU)設(shè)計(jì)、流水線原理及其在CPU設(shè)計(jì)中的應(yīng)用、存儲(chǔ)體系、總線與輸入輸出。具體到工程領(lǐng)域，則可分為科學(xué)計(jì)算、信息處理、自動(dòng)控制和輔助設(shè)計(jì)等。

隨著科技進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展需求，自第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)在上世紀(jì)中葉誕生以來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)就獲得了迅猛的發(fā)展，功能不斷增強(qiáng)，所用電子器件不斷更新，可靠性能不斷提高，軟件不斷完善［2］。在短短半個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間里，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)占據(jù)了人們工作、生產(chǎn)和生活等諸多領(lǐng)域，節(jié)約了資源，帶來(lái)了便捷。在非織造業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，計(jì)算機(jī)技術(shù)同樣扮演著重要的角色。計(jì)算機(jī)技術(shù)不僅在非織造設(shè)備的自動(dòng)控制方面有重要應(yīng)用，在非織造的計(jì)算機(jī)模擬仿真、非織造在線監(jiān)測(cè)、非織造庫(kù)存管理等領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用。

1 非織造生產(chǎn)中的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用推動(dòng)了工程技術(shù)的快速進(jìn)步，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，提升了產(chǎn)品工藝精度和質(zhì)量。在現(xiàn)代非織造生產(chǎn)加工過(guò)程中，從原料的喂入到最后產(chǎn)品卷繞下機(jī)，再到之后的后整理工藝，這些過(guò)程順利準(zhǔn)確的進(jìn)行大都離不開自動(dòng)控制技術(shù)。

在目前的非織造領(lǐng)域中，對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研究主要集中在生產(chǎn)線的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制、均勻度檢測(cè)與控制、噴絲板的檢測(cè)與控制、非織造材料的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)和自動(dòng)化卷繞機(jī)等方面。

1.1 熔噴非織造生產(chǎn)線中的自動(dòng)溫控與在線監(jiān)測(cè)

尤娟娟［3］在研究了國(guó)內(nèi)外熔噴非織造工藝的基礎(chǔ)上，針對(duì)國(guó)內(nèi)熔噴非織造生產(chǎn)過(guò)程中，因設(shè)備對(duì)溫度參數(shù)采集和調(diào)節(jié)存在的不足而導(dǎo)致的非織造材料質(zhì)量不穩(wěn)定、能源的浪費(fèi)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)出Eview觸摸屏上位機(jī)軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PLC可編程控制器對(duì)多點(diǎn)溫控系統(tǒng)ST Mini SYSTEM進(jìn)行控制，結(jié)合觸摸屏，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，不僅克服了國(guó)產(chǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)的缺陷和不足，而且該系統(tǒng)精度高、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)。

1.2 紡黏非織造材料均勻度的自動(dòng)檢測(cè)與控制

楊易［4］提出了計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)(圖1)，用于紡黏非織造材料厚薄均勻度的在線檢測(cè)和自動(dòng)控制。該系統(tǒng)由上下兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制。上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)用于監(jiān)控，主要包括系統(tǒng)組態(tài)、工藝流程輸出、數(shù)據(jù)分析、控制算法與參數(shù)的下裝及生產(chǎn)管理等功能;而下位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過(guò)I/O循環(huán)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。上位機(jī)與下位機(jī)分開運(yùn)行，相互配合，使系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷降低，同時(shí)提高了系統(tǒng)的安全性和容錯(cuò)性。

圖1 紡黏法非織造材料生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 熔紡非織造生產(chǎn)中噴絲板的自動(dòng)檢測(cè)

在熔噴和紡黏非織造材料的生產(chǎn)加工過(guò)程中，噴絲板起著決定性作用，但由于紡絲液本身以及外界條件的不確定性，容易引起噴絲孔的變形、異位甚至堵塞，影響生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量，因此對(duì)噴絲孔進(jìn)行定期檢測(cè)是非常有必要的。然而，目前國(guó)內(nèi)設(shè)備自動(dòng)化程度低，大部分檢測(cè)還依靠人工進(jìn)行，而人為因素則存在著可靠性低、速度慢、勞動(dòng)強(qiáng)度大，甚至漏檢和誤檢等不足。盡管國(guó)外公司已經(jīng)研制出自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備，但因價(jià)格昂貴，制約了國(guó)內(nèi)發(fā)展需求。

譚志銀［5］在了解到噴絲板檢測(cè)存在的問(wèn)題后，通過(guò)對(duì)微孔圖像處理技術(shù)、微孔自動(dòng)定位技術(shù)、整板檢測(cè)自動(dòng)定位技術(shù)、變形噴絲板自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)以及檢測(cè)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)等的研究，利用機(jī)器視覺與微孔圖形處理算法、自動(dòng)定位算法與自動(dòng)走位算法以及基于自適應(yīng)模糊控制的自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)，開發(fā)出熔噴和紡黏噴絲板自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)(圖2)。該系統(tǒng)克服了人工檢測(cè)的不足，提高了國(guó)內(nèi)噴絲板檢測(cè)的工藝水平。

圖2 噴絲板自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

1.4 非織造生產(chǎn)中應(yīng)用的其他計(jì)算機(jī)技術(shù)

在國(guó)內(nèi)非織造全自動(dòng)卷繞機(jī)的設(shè)計(jì)與研究方面，王紅波［6］提出了利用PLC控制技術(shù)、傳感器控制技術(shù)、變頻控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)開發(fā)全自動(dòng)卷繞機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。劉海文等［7］對(duì)非織造材料的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究，利用VB語(yǔ)言搭建平臺(tái)，并結(jié)合ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)，開發(fā)出具有實(shí)時(shí)在線管理與調(diào)整功能的非織造材料綜合管理系統(tǒng)。

2 非織造生產(chǎn)中的計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)

計(jì)算機(jī)仿真又稱為計(jì)算機(jī)模擬，是分析和研究系統(tǒng)運(yùn)行行為、揭示系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種手段和方法［8］。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的特點(diǎn)是靈活方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全可靠，而且具有多次執(zhí)行和移植的性質(zhì)，這使其在一些難以真正掌握實(shí)際情況，抑或?qū)θ擞形：Φ葟?fù)雜領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。從現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用情況來(lái)看，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)已經(jīng)逐步成為很多實(shí)際工程領(lǐng)域和理論研究中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析評(píng)估的有效手段。

在非織造技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，人們已經(jīng)越來(lái)越重視工藝過(guò)程的精細(xì)化，但這些方面又難以掌控，而計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的應(yīng)用使其成為可能。人們已經(jīng)利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)紡黏非織造生產(chǎn)中的氣流場(chǎng)、紡黏非織造材料力學(xué)性能、非織造材料的過(guò)濾性能及分形結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了研究。

2.1 紡黏非織造工藝中氣流場(chǎng)的計(jì)算機(jī)模擬

紡黏非織造材料的生產(chǎn)過(guò)程涉及高速氣流對(duì)初生絲條的牽伸，這關(guān)系著最終非織造材料的性能。該過(guò)程由于具有不穩(wěn)定性而難以控制，因此可以通過(guò)仿真軟件進(jìn)行模擬氣流場(chǎng)的情況，以對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)。趙博［9］結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)紡黏非織造工藝氣流牽伸的現(xiàn)狀，運(yùn)用有限差分法，建立氣流牽伸的數(shù)值模型，并利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法求解牽伸器的噴射流場(chǎng)，得出的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值十分吻合。該方法便于對(duì)工藝過(guò)程的優(yōu)化控制。

2.2 紡黏非織造材料熱黏合點(diǎn)力學(xué)性能的計(jì)算機(jī)模擬

紡黏非織造材料是通過(guò)長(zhǎng)絲的熱黏合，形成黏合點(diǎn)而加固的。紡黏非織造材料的力學(xué)性能主要由纖維以及纖維之間的黏合點(diǎn)提供，由于纖維排列具有隨機(jī)性，為了獲得力學(xué)性能較好的紡黏非織造材料，可以通過(guò)仿真技術(shù)進(jìn)行模擬。李泰坤［10］結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助顯微鏡技術(shù)與圖像融合算法，捕獲所需試樣，然后測(cè)出設(shè)計(jì)的試樣參數(shù)(纖維線密度、熱黏合點(diǎn)大小和間距、熱黏合點(diǎn)面積比、纖維取向分布以及纖維與熱黏合點(diǎn)的位置)，并測(cè)出試樣的強(qiáng)力值。在上述工作的基礎(chǔ)上，通過(guò)Python語(yǔ)言編寫ABAQUS軟件，并在ABAQUS中建立紡黏非織造材料的有限元模型，進(jìn)行了相關(guān)的模擬分析。

2.3 針刺非織造技術(shù)中刺針排布的模擬

針刺技術(shù)是一種機(jī)械加固非織造纖維網(wǎng)的方法，其工藝流程短，且工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品已經(jīng)用于很多領(lǐng)域。在針刺非織造材料加工過(guò)程中，對(duì)產(chǎn)品影響最大的就是針板上刺針的排布及制造工藝參數(shù)。徐健等［11］根據(jù)針板上刺針的排布原則，針對(duì)刺針加工排布存在的問(wèn)題，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)針板上刺針的排布進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了波浪形針板的算法，采用計(jì)算機(jī)編程獲得仿真效果，并根據(jù)圖形交互界面，對(duì)相關(guān)參數(shù)做出調(diào)整，以獲得最終理想的針刺效果。

3 非織造領(lǐng)域中的圖像處理與分析技術(shù)

計(jì)算機(jī)圖像處理是指將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式，并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理的過(guò)程，主要是由數(shù)字圖像變形技術(shù)、圖像的傅立葉分析技術(shù)、圖像分割、邊緣提取、形狀描述、形態(tài)學(xué)分析、圖像壓縮編碼、彩色圖像處理等技術(shù)組成［12］。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)已經(jīng)逐步進(jìn)入非織造的科學(xué)研究和生產(chǎn)過(guò)程中。

楊云［13］在研究非織造材料厚度均勻性的過(guò)程中提出了采用基于機(jī)器視覺技術(shù)來(lái)檢測(cè)非織造材料厚度均勻性。機(jī)器視覺系統(tǒng)包括特性采集和處理兩個(gè)模塊，在合適光源下用數(shù)碼相機(jī)采集圖像試樣，然后利用在MATLAB下自行開發(fā)的檢測(cè)分析系統(tǒng)對(duì)采集的試樣進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)了非織造材料厚度均勻性的自動(dòng)檢測(cè)。此技術(shù)的不足之處是，當(dāng)被測(cè)的非織造材料厚度或者面密度較大時(shí)，會(huì)因透光性差而無(wú)法完全表征厚度均勻度，所以該技術(shù)主要適用于厚度或者面密度較小的非織造材料的檢測(cè)。

此外，圖像處理技術(shù)還可以用于非織造材料纖維取向的分析。由于數(shù)碼相機(jī)采集的圖像不能完全表征較厚非織造材料的特征，因此李彩蘭［14］提出了利用全自動(dòng)光學(xué)顯微鏡對(duì)同一視野下的一組多交面圖像進(jìn)行采集，運(yùn)用圖像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)多層多交面圖像的實(shí)時(shí)融合，獲得清晰圖像試樣，然后對(duì)采集的試樣進(jìn)行處理分析，獲取相應(yīng)的纖維取向。

4 結(jié)語(yǔ)

信息化是21世紀(jì)的一個(gè)重要標(biāo)志，而信息化的一個(gè)重要載體就是計(jì)算機(jī)技術(shù)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，帶來(lái)了工業(yè)工程、科學(xué)技術(shù)的深刻變化。非織造材料工程技術(shù)發(fā)展到今天，非織造材料的生產(chǎn)、加工、檢測(cè)以及管理都已離不開計(jì)算機(jī)技術(shù)。隨著國(guó)內(nèi)科研人員對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)在非織造材料工程中應(yīng)用的進(jìn)一步研究、探索，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步推廣，國(guó)內(nèi)的非織造材料工程技術(shù)必將進(jìn)一步縮小與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的差距。

［1］何文瑤.計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)分析［J］.科技創(chuàng)業(yè)月刊，2007(5)：73-74.

［2］陸銘，徐安東.計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2013：4.

［3］尤娟娟.MB1600熔噴法非織造布生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)［D］.天津：天津工業(yè)大學(xué)，2005.

［4］楊易.紡黏法非織造布厚薄均勻度在線檢測(cè)與自動(dòng)控制系統(tǒng)［D］.天津：天津工業(yè)大學(xué)，2000.

［5］譚志銀.非織造熔紡噴絲板自動(dòng)化檢測(cè)與加工技術(shù)的研究［D］.上海：東華大學(xué)，2009.

［6］王紅波.國(guó)產(chǎn)化全自動(dòng)非織造布卷繞機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2010，28(4)：24-26.

［7］劉海文，劉廣平，朱俊萍，等.非織造布計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)的開發(fā)［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2006，24(2)：26-30.

［8］張鋒.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)及其應(yīng)用［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)：學(xué)術(shù)交流，2007(19)：233-238.

［9］趙博.紡黏非織造氣流牽伸工藝?yán)碚撗芯浚跠］.上海：東華大學(xué)，2010.

［10］李泰坤.紡黏熱軋點(diǎn)黏合非織造材料力學(xué)性能有限元分析［D］.上海：東華大學(xué)，2013.

［11］徐健，盧怡.非織造針刺機(jī)針板的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法及分析［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2011，29(11)：32-37.

［12］丁雪榮，宋廣禮.計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)在紡織品測(cè)試中的應(yīng)用［J］.上海紡織科技，2005(6)：59-61.

［13］楊云.基于機(jī)器視覺的非織造材料厚度均勻性檢測(cè)系統(tǒng)的研究［D］.武漢：武漢紡織大學(xué)，2011.

［14］李彩蘭.基于圖像融合技術(shù)的非織造材料纖維取向分析［D］.上海：東華大學(xué)，2013.