（纺织工程专业论文）自动缫制丝工艺设计及其CAD系统的研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

自动缫制丝工艺设计及其c a d 系统的研究中文提要 自动缫制丝工艺设计及其c a d 系统的研究 中文提要 中国加入世界贸易组织后，国际市场对高品质生丝的需求增加，要求企业在提高 生丝产量的同时，也应该注重提高生丝的质量。要做到产量与质量互不冲突，不仅要 做好缫丝现场控制，而且还要做好产前的预测和设计。科学技术在不断的发展，制丝 机械也在不断的改进，所以自动缫制丝工艺设计办法也需要与时俱进，推陈出新。 本课题的研究正是从这一实际出发，首先探讨了现行自动缫制丝工艺设计办法与 实际控制的差距，并提出了以下改进措施：在控制生丝纤度偏差方面，提出了新的绪 下粒符控制样本设计方法和基于绪下粒符控制样本的对比平均调整设备法，来检验和 保证生丝纤度控制机构的准确性，以提高生丝的纤度成绩。计算新绪下粒符控制样本 需要保证茧丝纤度拟合和五色茧分层的准确性，因此本文提出了用线性项和非线性项 分离的方法来拟合茧丝纤度曲线，其中非线性项用正交正弦函数基来拟合，提高了茧 丝纤度拟合的精度和正确性，并且还提出了利用中心对称延拓的方法来预测茧丝纤度 曲线两端点处的数据；对于五色茧层状态的分层则提出了借鉴模糊数学中择近原则进 行分层的方法，一定程度上避免了用人眼分层的误差。在设计自动缫台时产量方面， 认为可以先进行自动缫车速的初步最大化设计，然后再根据生丝等级要求的允许最大 每绪每分添绪次数和允许变化长度对自动缫车速进行修正，最后得到最优自动缫车 速。在茧原料消耗方面，认为用平均茧丝长、平均茧丝纤度和粒茧平均落绪次数来预 测解舒缫折递增率可以提高生产设计缫折的精度，并提出了购买预测缫折的设计方 法。最后根据以上提出的一些新的工艺设计方法和已有的工艺设计方法，采用v i s u a l b a s i c 和l a b v i e w 软件开发程序，混合编制了自动缫制丝工艺设计c a d 系统，有效 的提高了自动缫制丝工艺设计的效率和准确率。 关键词：自动缫；数字化；工艺设计；模型；计算机 作者：俞海峰 指导老师：胡征宇( 副教授) a u t o m a t i cr e e l i n gs i l kt e c h n o l o g yd e s i g na n dc a ds y s t e mr e s e a r c h a u t o m a t i cr e e l i n gs i l kt e c h n o l o g yd e s i g na n d c a d s y s t e mr e s e a r c h a b s t r a c t o nc h i n a sa c c e s s i o nt ot h ew o r l dt r a d eo r g a n i z a t i o n ，h i g h g r a d es i l kn e e d si n c r e a s e i nt h ei n t e r n a t i o n a lm a r k e t t h ee n t e r p r i s e sw e r er e q u i r e dt oi m p r o v et h ey i e l do fr a ws i l k , a tt h es a n l et i m et 1 1 e ys h o u l da l s op a ya t t e n t i o nt oi m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fr a ws i l k t o a c h i e v et h ey i e l da n dq u a l i t yd on o tc o n f l i c t , w em u s tn o to n l yc o n t r o lt h er e e l i n gs c e n e w e l l ，b u ta l s od oag o o dj o bo fp r e n a t a lp r e d i c t i o na n dd e s i g n s c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya r e i nc o n s t a n td e v e l o p m e n ta n ds i l km a c h i n e r ya l s oc o n t i n u e st oi m p r o v e ，s oa u t o m a t i c r e e l i n gs i l kp r o c e s sd e s i g ns y s t e ma l s on e e d st oa d v a n c ei nt i m e ，c o n s t a n t l yi m p r o v e d r e s e a r c ho nt h es u b j e c ti sb a s e do nt h i sr e a l i t y f i r s t ，s o m eo fd e f i c i e n c i e so fe x i s t i n g a u t o m a t i cr e e l i n gs i l kt e c h n o l o g yd e s i g nm e t h o dh a v e b e e np u tf o r w a r d ，a n dt h e nm a k et h e f o l l o w i n gi m p r o v e m e n t s ：o nt h es i d eo fc o n t r o l l i n gi nr a ws i l ks i z ed e v i a t i o n , t h i sp a p e r p u t sf o r w a r dan e wd e s i g nm e t h o df o rs a m p l ec o n t r o lo fa u t o m a t i cr e e l i n gc o c o o n sp e r t h r e a da n dm e t h o do fc o m p a r a t i v ea v e r a g et oa d j u s te q u i p m e n tb a s eo ns a m p l ec o n t r o lo f a u t o m a t i cr e e l i n gc o c o o n sp e rt h r e a d ，i no r d e rt oe n s u r et h ea c c u r a c yo fr a ws i l ks i z e c o n t r o lm e c h a n i s ma n di m p r o v et h es i z eo fr a ws i l kr e s u l t s t oc a l c u l a t et h en e ws a m p l e c o n t r o lo fa u t o m a t i cr e e l i n gc o c o o n sp e rt h r e a d ，i tn e e d st oe n s u r et h ea c c u r a c yo fs i l ks i z e f i t t i n ga n dl a y e rt h ec o c o o nw i t hf i v ec o l o r s t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rp r o p o s e saw a yb y s e p a r a t el i n e a ra n dn o n l i n e a rt e r m st of i ts i l ks i z ec u r v e t h i sp a p e ru s e st h es i n ef u n c t i o n s a n dt h el e a s ts q u a r em e t h o dt of i tn o n l i n e a rt e r ma n du s e ss y m m e t r i ce x t e n s i o nm e t h o dt o e x t e n dt h ee n d so fc u r v e i ti n c r e a s e st h ea c c u r a c ya n dc o r r e c t n e s so fs i l kc u r v ef i t t i n g ，a n d u s e so p t i o n a ln e a r l yp r i n c i p l e st h e o r yo ff u z z ym a t ht od i v i d et h ec o c o o nl a y e rs t a t e ，t o s o m ee x t e n t ，i ta v o i d se y ee r r o r i nt h ed e s i g no fa u t o m a t i cr e e l i n gp r o d u c t i o n , i tc o u l db e c a r r i e do u tm a x i m i z ed e s i g nr e e l i n gs p e e df i r s t l y , a n dt h e ni na c c o r d a n c e 、i t l lt h el a r g e s t n u m b e ro fe n df e e d i n gt h a tr a ws i l kg r a d i n gp e r m i ta n da l l o wc h a n g i n gl e n g t ht oa m e n d t h er e e l i n gs p e e d f i n a l l yg e tt h eo p t i m a la u t o m a t i cr e e l i n gs p e e d i nt h ec o c o o nm a t e r i a l a u t o m a t i cr e e l i n gs i l kt e c h n o l o g yd e s i g na n dc a ds y s t e mr e s e a r c h a b s t r a c t c o n s u m p t i o n ，t h i sp a p e rc o n s i d e rt h a tu s i n gt h ea v e r a g es i l ks i z e 、t h ea v e r a g es i l kl e n g t h a n dt h ea v e r a g en u m b e ro f d r o p p i n ge n d t op r e d i c ti n c r e m e n t a lr a t eo f r e e l a b i l i t yr e e l i n g d i s c o u n tc o u l di m p r o v et h ea c c u r a c yo fp r o d u c er e e l i n gd i s c o u n t ，a n dp u t sf o r w a r dt h e p u r c h a s eo ft h ed e s i g nr e e l i n gd i s c o u n tm e t h o d s f i n a l l y , i nt h el i g h to ft h ea b o v en e w d e s i g nm e t h o d sa n dt h ed e s i g nm e t h o dh a sb e e n , u s i n gv i s u a lb a s i ca n dl a b v i e w s o f t w a r ed e v e l o p e dt h ea u t o m a t i cr e e l i n gs i l kt e c h n o l o g yd e s i g nc a d s y s t e m ，i ti m p r o v e s a u t o m a t i cr e e l i n gs i l kt e c h n o l o g yd e s i g ne f f i c i e n c ya n d a c c u r a c y k e yw o r d s ：a u t o r e e l i l 玛s i l k ；d i g i t a l ；p r o c e s sd e s i g n ；m o d e l ；c o m p u t e r i w r i t t e nb y ： s u p e r v i s e db y y u h a i f e n g h uz h e n g y u 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或 撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材 料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承 担本声明的法律责任。 研究生签名：e t 期扩。gil 多 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、中国 社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论 文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： e l 期：竺竺墨：篁：! 日期：丝塑：! 自动缫制丝工艺设计及其c a d 系统的研究 第1 章序言 第1 章序言 中国是世界上最早的文明国家之一，有着悠久的历史和丰富的民族文化遗产。栽 桑、养蚕、缫丝和利用蚕丝织造丝绸，是古代中国人的伟大发明，是中华民族的智慧、 科技、艺术和文化融合而生的瑰宝。中国人对蚕丝的创造性应用，极大的丰富了人类 的物质文明生活，在世界文明史上占有十分重要的地位。其历史渊源可以追溯到大约 7 0 0 0 年前( 浙江余姚出土了6 9 0 0 年前的纺织机具和有蚕纹的象牙盅) n 棚。闻名中外 的“丝绸之路不但见证了中国丝绸的辉煌历程，而且连接了世界的东方和西方，孕 育了光辉灿烂的古代文明h 棚。 1 1 论文研究的背景和意义 高贵华丽、轻柔飘逸的真丝绸一直被人们誉为“纤维皇后 ，以其绿色、健康、 天然的特性深受世人的喜爱。随着岁月的变迁，中国的丝绸也经历了由盛到衰，再由 衰而盛的发展历史，建国以来，特别是改革开放以来，我国丝绸行业迅猛发展尤其是 生丝，一举成为世界生产大国和出口大国，为支援国家经济建设、增加农民收入和劳 动就业、扩大出口创汇、丰富国内市场、增加财政收入等方面做出了重要贡献。据 统计，我国生丝和坯绸产量分别占世界产量的7 0 和4 5 以上，居世界第一位。生丝 和坯绸出口量分别占国际市场贸易量的8 0 和6 0 左右。丝绸行业成为我国加入w t o 后可以主导国际市场的少数几个优势产业之一。但是也必须看到，由于新型产业的兴 起，风格各异的化纤产品以及其他新型纤维源源不断的涌现，而丝绸产业还是停留在 传统的生产技术水平上，使得原先的丝绸产品在纺织品高级消费领域独步天下的局面 不再。丝绸在整个世界纺织纤维的比重中所占的份额越来越少，1 9 0 0 年所占比重为 4 3 ，整整一百年后，这一比重下降到1 3 。因此传统的劳动密集型的丝绸产业 面临新兴的技术密集型的化工纤维产业的挑战n 7 8 3 。 从国际上看，世界市场一体化进程在逐步加快，闭关锁国发展经济的模式已经彻底 被人们所抛弃。中国经济的发展需要世界，同样世界经济的发展也离不开中国。正是在 这一背景下，中国顺应时代的潮流和本国经济发展的需要加入了国际世贸组织。中国丝 绸产品要走向世界也必须适应新的贸易规则。目前我国丝绸产品虽然在国际上处于垄断 地位，但其只是在数量上占有优势。在质量方面，中国的丝绸产品还绝大多数处于中低 自动缫制丝工艺设计及其c a d 系统的研究 第1 章序言 档水平，在国际上的市场竞争力不是很强m u ，因此在丝绸产品价格方面经常受制于国 外厂商。造成这一现象的原因主要有以下几个方面：一是我国在丝绸生产设备研发和更 新方面的投入不够，大部分生产设备还是沿用老的8 0 年代生产设备，没有很好的把当 今日新月异的高新科技利用起来。二是在我国计划经济已让位于市场经济，企业的所有 制性质发生了巨大变化。目前我国的丝绸企业绝大部分是私营企业，在此中小型企业又 占绝大部分，从而使得一些丝绸企业没有足够的资金和能力去研发新产品和新设备。另 外由于企业以盈利为目的，同行之间存在竞争的特性，使得丝绸行业内一些先进的技术 和工艺不能很好的得到交流，固步自封直接导致现在的丝绸企业产品质量参差不齐。三 是我国的一些丝绸企业对品牌效应的认识不足，没有创造自己的品牌，一直停留在产品 加工的阶段上，即产品生产完后贴上的是外国商标。我国丝绸企业只是赚取了一点点加 工费而已，绝大部分丝绸产品利润还是被b i # i , 厂商赚走了n j l 。 因此应该清醒的认识到我国是一个丝绸生产大国而不是一个丝绸生产强国的这 一事实，尤其是我国生产的作为丝绸产品初级原料的生丝已经受到国际市场竞争的压 力和挑战。虽然中国的生丝一直以来都以优良品质闻名于世，但目前巴西生产的生丝 质量也有很大的提升，而印度的生丝产量和质量在逐步提高n 卜删。而且世界生丝市场 已经出现中低档生丝供大于求，高档生丝供不应求的局面，但中国的生丝质量绝大多 数还是处于中低档水平，因此我国丝绸( 生丝) 产业面临着生存发展道路上的严峻抉 择，为了保持和加强我国丝绸( 生丝) 大国的地位，提高我国丝绸( 生丝) 产品的竞 争力口j 1 ，必须打破依靠传统、经验和人工的工艺设计及加工处理方法，并采用高新 技术( 计算机技术) 对工艺设计进行全面改进，开发出能快速应对消费市场急剧变化的 高效快速产品设计系统以使我国的生丝产品具有面向市场，适应少批量多品种、高质 量要求趋势的能力。 1 2 国内外生丝质量控制研究概况 为打破传统的生产生丝方法和工艺，提高生丝的质量和生产效率。国内外许多专 家和技术人员对此做了深入研究。一部分人对制丝设备进行了研究和开发n h 钔，改善 了制丝的硬件环境，为提高生丝的质量和生产效率做了很好的铺垫，有好的制丝设备， 而没有好的与之配套的工艺管理技术也不行，所谓“七分靠设备，三分靠操作”。还 有一部分人就对制丝工艺和管理理论做了研究陋州，为提高生丝的质量和生产效率提 2 自动缫制丝工艺设计及其c a d 系统的研究 第1 章序言 供更有力的保证，从而使得制丝行业在硬件和软件方面都得到了积极发展。 1 2 1 自动缫丝机更新换代的历史过程 自动缫丝机是在立缫机基础上发展起来的，它将缫丝工艺过程中原由人工来完成 的新茧补充、索绪、理绪、集绪捻鞘、处理故障、生丝纤度控制( 定粒配茧、给茧) 、 添绪、落绪茧分离等各项操作，除集绪捻鞘和处理故障外，其余均通过各种工作机构 的机械动作或电气动作来完成，从而大大提高了劳动生产率，减轻了工人劳动强度。 其中，生丝纤度控制机构由生丝纤度感知器、探索添绪机构、给茧机等组成，用来代 替人工纤度控制、给茧添绪，从而控制生丝质量。生丝纤度控制机构是自动缫丝机的 核心机构。我国自动缫丝机的研究和发展史( 见表i - i ) ，包括自行研制和引进仿制 两个方面，至今已经历了四代，即5 0 年代的d i o i 型定粒式自动缫丝机，6 0 年代的 z d 6 4 7 型和d i o i 型定纤式自动缫丝机；7 0 年代的z d 7 2 1 型和d 3 0 1 型定纤式自动缫丝 机；8 0 年至9 0 年代初的d 3 0 i a ( b ) 型、f d 5 0 1 型、s f d 5 0 7 型、s d 5 1 1 型及c z d 3 0 i a 型 定纤式自动缫丝机。其中d 3 0 i a 型自动缫丝机又经改进，形成d 3 0 i g 型自动缫丝机、 d 3 0 i b 型自动缫丝机、c z d 3 0 i b 型自动缫丝机等均属同一系列。我国第四代自动缫丝 机是“七五以来相继研制而成，他们与前三代相比，在提高机械化、自动化程度和 劳动生产率方面，在减少生丝均匀二度变化、缓和缫丝张力波动及降低停绪瞬时张力 表i - i 中国国产自动缫丝机应用表 3 自动缫制丝工艺设计及其c a d 系统的研究 第1 章序言 突增值、提高生丝质量方面，均有了新的突破，能适应我国原料茧性能，已在全国各 地推广应用。近几年研究人员在开发研制自动缫丝机的过程中引进了计算机控制技术 及先进的机械技术和新材料，对自动缫丝机进行了重大改革，实现了机电一体化，解 决了以往传统的制丝设备无法克服的难点问题，强化了自动缫丝机的功能，提高了生 丝质量和生产效率，取得了比较满意的效果( 见表1 - 2 ) 2 5 - 2 9 3 。 表1 - 2 近几年中国新型自动缫丝机研究及使用情况 国外自动缫丝机的研究，在1 8 8 0 年前后始于意大利和法国。但自动缫丝机研究 最为系统、最为持久的数日本，最早发明人为团中文助，此后日本广泛开展自动缫丝 机的研究，直至二次世界大战而中止。战后，由于日本劳动力紧缺，加紧了自动缫丝 机的研制，逐渐进入实用阶段，由此形成了固定给茧式和移动给茧式两种研制技术路 线。固定式给茧机是最早一种技术路线，它具有绪绪连续添绪和理论添绪能力高的优 4 自动缫制丝工艺设计及其c a d 系统的研究第1 章序言 点，日本惠南公司始终坚持这一技术路线的研制，1 9 5 3 年发明开始直至7 0 年代，按 固定给茧式技术路线相继研制成的机型为：y m 型定粒式一y m 型定纤式一新h 型一s h 型一e b 型- - - , - s e b 型一n 髓型- - - c e b 型自动缫丝机等。由于固定给茧是难以保证每绪均 能正确给茧、添绪的，所以日本日产公司采用了移动给茧式，1 9 5 4 年发明开始直至 7 0 年代，按移动给茧式技术路线相继研制成的机型为：多摩1 0 型定粒式一r m 型定纤 式一s r 型、c t 型- - s r e 型，发展为移动给茧、固定添绪式h r - 1 型一h r 一2 型- - - h r - 3 型自动缫丝机等。到8 0 年代后，日本国内应用的自动缫丝机，绝大部分为日产的移 动给茧式，惠南的固定给茧式只占少数。这种局面的形成，一方面是由于移动给茧式 技术路线的进一步发展和完善，并吸收了固定给茧式的优点；另一方面是由于固定给 茧式技术路线的缫折偏大、给茧机构发生故障会影响停台率、清洁工作繁复等主要缺 点未能改进嘞1 。 1 2 2 自动缫制丝工艺和管理理论的研究情况 现在世界上有生丝生产的国家达6 0 多个，但主要生产国为中国、印度、巴西、 泰国、越南、朝鲜、伊朗和日本睁1 1 1 。印度虽然生丝产量大，但其缫丝机还是以立缫 为主，自动缫丝量少且产品质量不高，巴西虽然生丝质量很好，但产量少且其自动缫 丝技术还主要来至日本支持口1 捌。从自动缫丝机诞生直到2 0 世纪七十年代日本茧丝 行业走向衰退的2 0 年间，日本在茧丝行业一直拥有世界上最为先进的技术。在生丝 纤度控制理论方面也是多有研究成果：( 1 ) 提出了原料的性能以及缫丝条件等在缫丝 过程中发生变化，就会使纤度感知器的感知最细纤度点发生变动，并且列出了缫丝车 速、缫丝汤温、茧子煮熟程度、缫丝车间温度对感知器灵敏度的影响结果：( 2 ) 提出 了添绪缺点的观点，认为即使纤度感知器能正确指示添绪点，但由于双添、失添及添 绪周期等原因仍会导致产生生丝纤度斑、平均纤度不同、纤度偏差不良等影响生丝纤 度成绩的现象；( 3 ) 提出了需进行中心纤度调整的观点，认为各种缫丝条件的改变都 会使感知器的细限添绪点发生变化，并相应地设计了集体调节装置；( 4 ) 把数学上的 正态分布图运用于纤度成绩的分析，根据分布的幅度及平均动作采取相应的措施；( 5 ) 提出了做好生丝纤度偏差的：b - 程式：万= 6 12 + b 2 2 + 6 3 2 + 钆2 ( 万：生丝的纤度偏差； 6 1 ：感知器的标准偏差；6 ：原料的茧丝综合偏差；以：添绪点纤度的标准偏差；坑： 自动缫制丝工艺设计及其c a d 系统的研究第l 章序言 感知器故障等异常者的标准差) ：( 6 ) 认为定纤生丝的分布幅度的末端比定粒生丝易 扩大，容易产生野纤度，并把产生的原因分成三大类：纤度感知器关系、给茧添绪关 系、丝道、卷取关系。提出了以纤度管理为中心的技术措施，其基本方案见图1 - 1 1 。 图1 - 1 生丝纤度管理框图 中国自动缫丝机的起步虽然要晚于日本，但经过最近几十年的发展，在积极吸取 国外先进缫丝技术( 主要是日本) 的基础上，中国在生丝纤度控制理论方面也取得了 较大的发展，大大提高了我国的生丝质量：( 1 ) 分析了缫丝各工序均匀程度对生丝产 量、质量的影响，提出了实现缫丝过程均匀性生产的措施瞳钔。( 2 ) 从工艺设计、设备 管理、操作方法、管理理念四大方面对自动缫生丝纤度控制方法作了阐述洲。( 3 ) 认 为缫丝汤温每升高或降低1 0 ，会使生丝的细限纤度增粗或减细，自动缫丝的汤温必 须保持在3 0 以上( 一般为3 0 - 3 6 ) ，缫丝管理员必须加强对缫丝汤温的管理，保持 缫丝汤温长期稳定在工艺设计汤温1 的范围内瞄1 。( 4 ) 认为车间温度变化会对感 知器细限产生影响，从而影响生丝的纤度，并且提出了生丝纤度随温度变化的规律公 式m 1 。( 5 ) 提出了通过统一挡车工目光、统一车速、统一索理绪温度与缫丝汤温来达 到统一细限纤度给定值的方法7 1 。( 6 ) 认为自动缫丝的纤度管理中绪下平均粒数管理 是关键啪1 。( 7 ) 开发了动态纤度测定仪，利用此仪器可以在缫丝过程中动态测定生丝 的实际纤度，在一定程度上为缫丝厂提供了实时进行纤度调节的依据油1 。( 8 ) 认为 车间温湿度变化会影响绪内偏差口。( 9 ) 认为缫丝时只对全组进行纤度集体调节而不 进行纤度个别调节则缫制的生丝偏差较大，并提出了进行纤度个别调节的措施1 。 1 2 3 制丝工艺设计技术的发展趋势 建国以来，我国制丝工艺设计由无到有，由粗到细，由估计到试样，由简易设计 6 自动缫制丝工艺设计及其c a d 系统的研究第1 章序言 到系统试样设计。随着制丝学理论的日益成熟，工艺设计工作的主动性逐步增强，工 艺设计的方法越来越科学。由于丝织工业新的技术革命、织物高速、宽幅、薄型和高 档需要的发展，对生丝产品质量的要求越来越高，传统的实试法制丝工艺设计已经不 再适应要求了，迫切需要改革，制丝工艺设计由实试法设计向预测法设计方向是大势 所趋。预测的方法和形式有多样，制丝工艺一般采用回归分析预测法。回归分析是研 究引起未来状态变化的诸因素的作用，并找出他们之间统计关系的一种数理统计方 法，如粒茧重量与纤度之间，粒内茧丝均方差、粒间茧丝均方差与茧丝综合均方差之 间，茧丝综合均方差与生丝纤度偏差之间，解舒丝长、添绪次数与生丝均匀变化之间， 茧丝纤度、解舒丝长与产量之间，解舒缫折、解舒率与实缫光折之间等等就存在相关 关系。回归预测就是运用数学模型，对未来状态的变化进行预报，并在一定程度上加 以有效地控制的方法。预测法设计可减少人为因素和工艺条件限制因素的影响，省工 省时省样茧，以较少的消耗、较快的速度获得较好的效果。所以预测法较之实试法更 为科学，应成为制丝工艺设计的一个方向。但是经验公式、回归方程有一定的适用范 围( 数据愈多，预测精度愈高，预测结果的精度依赖于工艺条件控制的稳定性) ，且 有些因素之间的影响程度难于用定量关系来衡量，因而预测法也有其局限性。故在原 料茧质不稳定、变化复杂的情况下，以实试与预测结合进行缫丝工艺设计为宜。一些 有条件制丝企业可逐步减少甚至取消较大型的试缫实验，加强抽样的代表性，以小型 试验和预测为主，实试法为辅，从而向应用计算机技术进行优化设计方向发展n 1 。 计算机是2 0 世纪最伟大的发明之一，它对科学技术的各个领域、社会经济的各 行各业以及人们的家庭生活都产生了巨大的影响。计算机应用的深度和广度已经成为 衡量一个国家科学技术和现代化水平的重要标志。计算机技术在工业生产上的应用主 要表现为应用计算机实现生产过程的自动化和采用计算机辅助设计技术( 又称c a d 技术，它是英文c o m p u t e r a i d e dd e s i g n 的简称) ，前者是实现产品的高质量和批量生 产，后者是实现生产品种的快速设计和优化设计。传统的制丝工艺设计，采用人工计 算和凭经验的方法，对试缫所得抽样统计数据进行分析，按照生丝规格、品位的设计 要求，对已有的各庄原料进行并庄来安排生产，力求并庄后所缫的生丝在符合规格的 前提下达到设计品位标准。在实际生产过程中，还力求在已有庄口的茧质水平上合理 搭配，以获得尽可能高的等级，或在同等级的前提下尽可能地节约原料和降低成本， 自动缫制丝工艺设计及其c a d 系统的研究 第1 章序言 从而提高经济效益。但由于庄口多、单庄数量少、庄口间的茧质差异大，用人工计算 是难以得到最佳的设计方案。应用电子计算机对多庄口按约束条件进行筛选，建立适 当的框架模式和采用相匹配的数据结构，可迅速计算出各配合方案的各种工艺设计数 据，为工艺设计提供准确的依据。同时也可按设计的不同目标进行选择。所以应用计 算机进行工艺设计，可提高计算速度和精度h 1 蜘。 目前国内外文献上有见报道进行制丝工艺计算机辅助设计方面研究的国家主 要有日本和中国，日本在这方面研究的主要有岛崎昭典从实测数据文件抽取茧丝 纤度曲线进行模拟缫丝h6 i ，三浦斡彦借助多次曲线描述茧丝纤度序列的基础上进 行模拟定纤缫丝h ，小野曾用三次或四次曲线描述茧丝纤度连续变化进行模拟缫 丝h 即等，但近年来由于日本制丝工业的不景气，导致了大量制丝技术人才的流失， 使得日本在制丝工艺计算机辅助设计研究方面处于停滞状态。与之相反中国的制 丝工业目前处于发展期，国内有很多技术专家和科研人员对这方面进行了研究： 8 0 年代中期，南充丝二厂和西南石油学院管理工程系合作进行了计算机并庄优化 设计，取得了较好的效果。高学军则根据最优化设计原理建立起缫丝工艺设计的 约束方程和目标函数，从而用f o r t r a n 语言，采用混合函数法( s u m t 调用d f p 法) 在计算机上进行了缫丝工艺优化设计，作了有益的探索。荣宏用b a s i c 语言在计 算机上计算解舒调查和一粒缫调查的各种数据，计算速度快、数据准确无误，有 力地辅助了制丝工艺设计h 。在9 0 年以后又有：成都纺织工业专科学校的荣光远 等人进行了制丝工艺计算机辅助设计研究h 羽。浙江理工大学的杨晓芳、王满、张 淑娜、张晓光、姚跃飞等人进行了计算机优化设计和模拟缫丝h 钒刚。四川省制丝工 艺c a d 研制小组开发了制丝工艺计算机辅助设计系统洲。以西安工程科技学院段 亚峰教授为带头人研制的基于d o s 下的自动缫工艺c a d 系统和基于w i n d o w s 下的 自动缫工艺c a d 系统眵幻。还有苏州大学的白伦5 3 侧、费万春朝、徐回祥阳引、胡 征宇h 5 1 等人进行了大量的制丝工艺计算机优化设计和模拟缫丝理论研究。 虽然现有的制丝c a d 软件使制丝工艺设计的效率得到了较大的提高，但是仍存在 功能简单、自动化和系统化程度低、界面不够友好、操作繁琐以及速度慢等缺点，而 且大多实现的功能仅限于各项调查资料指标的录入、统计与计算等，不能有效的利用 专家知识和设计经验完成工艺的设计，对提高产品设计质量作用有限。因此在完善制 丝工艺计算机辅助设计方面要走的路还很长：一方面有待于制丝工艺设计理论的完 善；另一方面是积极建立计算机和制丝工艺理论交互沟通的桥梁数学模型。 8 自动缫制丝工艺设计及其c a d 系统的研究第1 章序言 1 3 本课题研究目的和内容 综上所述一方面由于丝织工业新的技术革命、织物高速、宽幅、薄型和高档需要 的发展，对生丝产品质量的要求越来越高；另一方面由于在高新技术引导下制丝机械 也在不断的改进和发展。因此传统的制丝工艺设计已经越来越不适应时代发展的需 要，迫切需要改革推陈出新。本课题正是针对目前自动缫制丝工艺设计所存在问题进 行研究，以完善自动缫制丝工艺设计和积极利用计算机技术为目标，紧紧围绕制丝企 业所关心的生丝质量问题、产量问题和茧原料消耗问题这三大问题而展开。在查阅大 量文献吸取前人的知识经验和进入制丝企业实际调研的基础上，首先设想利用改进的 自动缫绪下粒符控制样本来校正涉及生丝质量问题的生丝纤度控制机构，以进一步提 高生丝的质量，它涉及如何精确拟合茧丝纤度曲线和正确划分茧层状态这两大问题， 这是所需要研究的。其次对涉及生丝产量问题的自动缫车速设计进行优化探讨，以期 能获得最佳的台时产量。再次对衡量茧原料消耗的缫折指标进行预测和快速设计，并 尽可能提高其准确率，以减少制丝企业进行较大型的试缫试验。最后根据以上研究的 改进制丝工艺设计方法，利用计算机技术编制制丝工艺设计c a d 系统，以方便制丝工 艺的快速、精确和优化设计。 本课题研究的主要内容： ( 1 ) 提出用线性项和非线性项分离的方法来拟合茧丝纤度曲线，其中线性项直 接用线性函数来拟合，非线性项用正交正弦函数基来拟合，以提高茧丝纤度曲线的拟 合精度，并且利用中心对称延拓的方法来预测茧丝纤度曲线两端点处的数据。 ( 2 ) 由于纤度控制机构的正确与否直接影响生丝质量，所以要经常校正。本文 提出采用绪下粒符状态( 即各茧层状态组合控制样本，共分成5 种茧层状态) 来检验 纤度控制机构，并进一步提出绪下粒符控制样本的计算方法和基于绪下粒符控制样本 的对比平均设备调整方法。这样可极大的方便挡车工及时发现纤度控制机构问题，尽 可能防止生丝质量问题的产生。 ( 3 ) 由于在做试样时茧层状态的分层一般是靠人工来分层的，不可避免的存在 人为因素的影响。因此本文希望能用数学模型来进行分层，即借鉴模糊数学中的择近 原则方法来进行数字化分层，以避免人为因素的影响。 ( 4 ) 在设计自动缫台时产量方面，认为先进行每绪每分添绪次数的设计，再进 9 自动缫制丝工艺设计及其c a d 系统的研究第1 章序言 行自动缫车速的设计的工艺设计方法存在着一定的缺陷，本文提出了先进行自动缫车 速初步设计，然后再根据生丝等级要求的允许最大每绪每分添绪次数和允许变化长度 对自动缫车速进行修正的方法设计自动缫车速。自动缫车速的初步设计可以根据车头 供有绪茧能力、解舒丝长、平均茧粒数和万米吊糙次数等因素来设计。 ( 5 ) 在茧原料的消耗方面，对如何进一步提高生产缫折的设计精度进行探索， 认为解舒缫折递增率不仅与粒茧平均落绪次数有关，而且还与平均茧丝长和平均茧丝 纤度有关。最后用多元回归分析求出这四者之间的线性方程。另外还提出了购买茧原 料时的快速缫折预测方法，可为制丝企业购买茧原料提供一定的参考，以尽量提高制 丝企业的经济效益。 ( 6 ) 由于自动缫制丝工艺设计存在着计算工作量大和计算复杂等特点，特别是 计算绪下茧层粒符状态不仅要进行各种排列组合和组合的选择取舍，而且还要事先进 行茧丝纤度曲线的模拟和数字化茧层状态分层等，所以需要进行大量繁琐的数字计 算，采用人工计算已是不大可能。因此本文将采用计算机技术进行开发自动缫制丝工 艺设计c a d 系统。 l o 自动缫制丝工艺设计及其c a d 系统的研究第2 章茧丝纤度曲线的拟合和预测 第2 章茧丝纤度曲线的拟合和预测 由于各庄口原料茧的茧丝纤度曲线都有所差异，所以要对各个庄口原料茧的茧丝 纤度曲线进行研究和调查，以便摸清茧丝纤度的变化规律，制定合理的制丝工艺，确 保生丝质量等级目标。因此茧丝纤度曲线调查在制丝工艺设计中占有很重要的地位， 其正确与否直接关系到制丝工艺的正确性。而要实现制丝工艺的数字化设计，就必须 先实现茧丝纤度曲线的数字化表达，即用合理的数学模型来描述茧丝纤度曲线。本章 就对此问题进行了研究和探讨，并提出了新的茧丝纤度曲线拟合和预测方法一】。 2 1 茧丝纤度曲线数学模型的研究概况 茧丝纤度曲线数学模型不管在计算机模拟缫丝中还是在数字化制丝工艺设计中都 有重要的应用，所以在建立茧丝纤度曲线数学模型方面过去有不少的研究。计算机模 拟缫丝和数字化制丝工艺设计的最大区别在于：前者注重的是在一定条件和一定环境 下模拟整个缫丝过程，即理想化缫丝；而后者是在考虑到各种实际影响因素后制定的 管理目标和手段。因此前者偏向于茧丝纤度曲线的模拟生成，如三浦斡彦等借助低次 曲线数学模型来模拟生成茧丝纤度曲线进行模拟缫丝h 7 1 ；小野等曾用高次曲线数学模 型来模拟生成茧丝纤度曲线，但其效果不是很理想“8 1 ；白伦等构造阶梯式自回归模型 进行茧丝纤度曲线的模拟生成，取得了良好的效果嘲；最近费万春等利用茧丝纤度曲 线倾向变动成分和波动成分的叠加数学模型进行茧丝纤度曲线的模拟生成亦取得了成 功嵋。后者则偏向于对实测茧丝纤度纤度数据的拟合，以较少的数据点生成连续的茧 丝纤度曲线。如制丝学上用三次抛物线来拟合茧丝纤度曲线嘲，小野等用高次曲线来 模拟生成茧丝纤度曲线虽然不是很好，但其建立的数学模型可以用来拟合茧丝纤度曲 线。由于以上两种拟合茧丝纤度曲线数学模型的拟合精度不是很高，容易出现拟合 误差，所以梁列峰等用分段函数来拟合，即将茧丝纤度曲线人为的分成几个段落， 然后用几种不同的数学模型( 指数函数、线性函数、对数函数、二次函数等) 来分别 拟合以上几个段落，使得拟合精度有一定程度的提高，但同时带来了计算的不便性和 数学模型的多变性。而第3 章所讲的新绪下粒符控制样本设计就是建立在拟合茧丝纤度 曲线数学模型基础之上的，其拟合精度越高，绪下粒符控制样本也就越精确。上述三 自动缫制丝工艺设计及其c a d 系统的研究第2 章茧丝纤度曲线的拟合和预测 种数学模型在拟合茧丝纤度曲线上都取得了一定的成功，但在拟合精度和计算方法方 面还是存在着一定的不足。因此需要寻找一种更好的数学模型来拟合茧丝纤度曲线。 2 2 线性函数和非线性函数的确定 要对茧丝纤度曲线进行精确拟合，首先必须对它的曲线特性有一定的了解。从图 2 - 1 ( 不同曲线代表不同庄口，表示的茧丝纤度数据是先由内层再n j i - 层) 中可以看 出这样的规律：不同庄口原料茧的茧丝纤度曲线随着茧丝长度的变化都有由细变粗再 变细的类似倾向性( 从外层到内层) ，但同时又表现出复杂的形态变化。所以很难统 一用三次抛物线或高次多项式来拟合，而且随着拟合多项式次数的提高，拟合精度也 会降低。另外这种拟合方式还存在着在两端的顺势能力差的问题。茧丝纤度分段拟合 的理论虽然使拟合精度有了一定程度的提高，但操作较为复杂，不适合用于数学模型 的统一，因为每个庄口不能进行统一分段。茧丝纤度曲线难以精确拟合的根本原因在 于它的形态变化多样，不能统一归类。但是如果用线性成分和非线性成分之和来拟合 茧丝纤度变化就可以较好的解决这一问题。即每个庄口茧丝纤度变化受茧丝长度影响 的数学模型可以表示为： 尸( x ) = q ( x ) + z ( 工) ( 2 一1 ) 式中：尸( x ) 为茧丝纤度变化序列；q ( x ) 为线性成分；z ( x ) 为非线性成分( 也可以称 之为周期项) 。x 表示横坐标茧丝长。用线性函数拟合茧丝纤度变化序列的线性成分， 排除线性成分之后的茧丝纤度变化序列是不同振幅、相位和频率的简谐波，可以用基 于正交正弦函数基的谐波项来拟合。 4 3 5 3 总z5 叫 田l2 、一， 怄l - 5 姗 1 0 5 o 4 5 67891 0n地 1 3m 茧竺长( 百回数) 图2 - 1 实测茧丝纤度曲线 1 2 自动缫制丝工艺设计及其c a d 系统的研究第2 章茧丝纤度曲线的拟合和预测 2 2 1 线性函数的确定 从图2 - 1 中可以看出茧丝纤度从外层到内层有减小的趋势( 即有线性成分存在) ， 这是由于蚕儿在吐丝后的生命力越来越弱所造成的。这也是茧丝纤度变化体现不出周 期现象的原因。只要把茧丝纤度变化曲线里的线性成分去除，就可以看到非线性成分 乓 哩 皿1 倒 嫁 茧丝长( m ) 一茧丝纤度曲线 线性成分 非线性成分 图2 - 2 茧丝曲线的分离 的周期现象见图2 - 2 ( 图中的茧丝纤度曲线可以看作是由图中的线性成分曲线和非线 性成分曲线所组成，而非线性曲线可以看作是一个周期。) 线性成分的数学方程我们 可以通过以下公式来求得： q ( x ) = 耽= 七o 一而) + ( 2 2 ) k = 魄一) ( 一而) 。 z ( 工) = p ( x ) - q ( x ) y n l 2 y y l ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 式中：( 而，) ，( 而，咒) 为起点和终点坐标。y 为观测点值，儿为观测点线性项值， 为观测点非线性项值。 2 2 2 非线性函数的确定 排除线性成分之后的茧丝纤度变化曲线可以分解为不同振幅、相位、频率的简谐 波。根据谐波分析理论，可以用不同振幅、相位、频率的正弦波叠加合成来构成图2 - 2 1 3 4 5 3 5 2 5 1 5 o 5 3 2 1 o o 自动缫制丝疋艺设计及其c a d 系统的研究第2 章茧丝纤度曲线的拟含和预测 中的非线性成分曲线的数学模型。曲线变化越复杂，所需要的正弦波叠加次数越高， 考虑到其计算的方便和拟合效果，就选用( 盎嗽，巅缸，s i nn o ：) 这一组匿交亿 基为基础来建立数学模型。 令