棉花异纤清除机的技术现状和发展趋势

阐述了棉花异纤清除机的工作原理和国内外棉花异纤清除机的技术现状，同时针对目前棉花异纤清除机存在的问题，提出了改进方案，最后分析、预测了棉花异纤清除机的发展趋势。

棉花异纤清除机是近年来开发的集机、光、电、气于一体的新型纺纱设备，它一般安装在清花车间的清棉机后，能在线检测并清除棉花中的异性纤维。异性纤维（以下简称“异纤”）包括被污染的棉花、麻绳、棕丝、色布条、色棉线、动物毛发、布块、有色塑料袋碎片以及尼龙编织袋的碎纤维等。这些异性纤维在纺纱过程中很难去除，当纺成纱、织成布后，在后道的印染加工工序及最终产品中显现出来，严重影响质量，困扰了纺织企业生产。

1 异纤清除机工作原理

棉花异纤清除机是一种在线检测、自动剔除原棉中异纤的设备。现以线阵CCD摄像机为传感器的棉花异纤清除机为例，介绍其工作原理（图 1）。在风力的驱动下，原棉在主矩形截面管道内均匀分布，进入设备中部的透明检测区域，利用 2 台高速、高分辨率的线阵CCD摄像机检测经过的原棉的两面，将采集到的信号送到计算机中，经图像处理和异纤识别，检测出异纤并将其定位，当异纤到达高速电磁阀的喷口时，由控制系统驱动对应位置的高速电磁阀，使压缩空气经由电磁阀和喷嘴将异纤清除，送入吸废棉管道，再经吸废棉风机收集到尼龙袋中，主矩形管道的原棉进入下一设备中。

2 异纤清除机的技术现状

目前，国内外生产异纤清除机的厂家有长岭机电、北京经纬新技术、洛阳方智、青岛纺眼、郑州纺机、无锡恒久、大连贵友、太平洋克鲁斯罗尔机械、Jossi、Truetzschler（特吕茨勒）等。异纤清除机的技术发展主要体现在以下 5 个方面。

2.1 检测异物的传感器

检测异物的传感器主要有光电传感器、超声波传感器、线阵CCD传感器等。光电传感器是通过大量的（200多个）光敏元件方形阵列排列，监测通过的棉流的亮度，能识别与棉花相比有较大色差或对比度且外形较大（大于 5 mm）的异纤，缺点是分辨率低，不能检测浅色的异纤和毛发类的细小异纤。超声波传感器的超声波元件横向排列在检测管道的两侧，一侧的超声波元件进行声波发射，另一侧的超声波元件进行声波接收。通常棉花等物质会吸收发射元件所发射的超声波，不会反射超声波。当棉流中混入聚乙烯塑料片、聚丙烯等异纤时，这些物质因密度大，其表面会反射一定强度的超声波信号，经接受侧的超声波元件接收，检测出异纤。超声波传感器能检测出具有强回音、且外形较大的异纤（大于20 mm），分辨率低，不能检测出细小的异纤。线阵CCD传感器为高灵敏度的CCD单元线阵排列，按照成像色彩可分为彩色线阵CCD和黑白线阵CCD。其色线阵CCD通过高频采集，获得彩色的棉流图像，能单独提取被测物表面反射的R（红）G（绿）B（蓝）的分量，能识别出与棉花色差和对比度差异小的异纤；高分辨率（4 096像素）和高采样频率（最高达到10 kHz）的彩色CCD，甚至能检测出如头发丝细小的异纤。黑白线阵CCD采集被测物的亮度信息，获得灰度图像。彩色线阵CCD传感器凭借其检测异纤的范围广、分辨率高和采集的图像能灵活应用各种图像处理算法等特点，成为棉花异纤清除机都采用的传感器。

2.2 光源

采用光电传感器和线阵CCD传感器时，光源就成为棉花异纤清除机的关键。在合适亮度的光源条件下进行检测，获得清晰的图像，显现棉纤维和异纤的差别。异纤的种类较多，光源的光谱决定了检出异纤的种类。目前常用的主要有三基色光源（也称“日光光源”）、紫外光源和偏振光源。

（1）三基色光源：这种光源显色性好，在此光源下，与棉纤维存在色差和对比度的异纤被清晰地显示出来，绝大部分异纤在此光源照射下很容易被识别。

（2）紫外光源：原棉中存在一类异纤，它们含有增白剂（例如白色的丙纶丝和漂白的棉线），这些异纤与棉花颜色相近，在三基色光源下无法识别，但是当这类异纤受紫外光线照射时，会发出明亮的荧光，在黑箱中看不到原棉，而发出明亮荧光的异纤很容易被识别出来。日本CCS的上海实验室通过实验证明波长为365 nm的紫外线的荧光效应最强，最能突出棉纤维和白色丙纶丝的差异。

（3）偏振光源：原棉中存在一些透明PE薄膜和半透明PP包装材料。普通光源通过偏振片后形成偏振光，松散的棉纤维组成的棉花块能阻挡和漫发射偏振光，但偏振光却能穿过透明PE薄膜，再穿过偏振镜后经CCD成像。这种透明PE薄膜在三基色光源照射下，其表面反射的光线略强于棉纤维，可以识别出一部分，但在紫外光源照射下无法被识别。

目前这 3 种光源在棉花异纤清除机中都被采用，可以单独使用，也可以组合使用。常见的组合光源有两种：一种是将三基色光源和紫外光源组合（图 2），在这种光源下同一台CCD中能识别出三基色光源和紫外光源都能识别的异纤，但是可见光会缩小丙纶丝类异纤发出的荧光与棉纤维反射光的对比度，同时组合光源降低了被测物的亮度，缩小了棉纤维和异纤的差异，尤其对细小异纤的识别影响较大；另一种是紫外光源和偏振光源组合（图 3），一侧为偏振光光源，另一侧为紫外光源，这种组合光源的缺点是只能检测棉流的单面，漏检率高。

2.3 图像采集和处理

CCD摄像机拍摄的信号经图像采集和运算处理，才能完成异纤的识别。目前常见的有两种方式。

（1）一种是通过采集卡把CCD摄像机拍摄的信号传输给计算机的CPU和存储器，将复杂的图像运算处理工作交给功能强大的CPU，进行异纤的识别。这种方式的优点是成本低，可以灵活运用各种专业图像处理软件；缺点是超大数据量的处理运算能力造成CPU一直在较高的使用率上运行，软件系统不稳定，计算机内部严重发热，在散热不良的情况下容易造成系统故障。

（2）另一种是通过专业的图像处理平台，该平台基于DSP + FPGA架构，能独立完成信号采集、图像数据处理。这种架构的优点是信号传输和运算速度快，发热小，实时性好；缺点是硬件成本高，图像处理软件的升级比较复杂。

2.4 透明检测管道的截面尺寸

检测区的管道截面都是矩形，其截面的长度和宽度影响设备的产量和采集的图像质量。矩形截面一般为长800 ～ 1 200 mm，宽 70 ～ 90 mm，采用截面为1 200 mm × 90 mm通道的设备最高产量可以达到800 kg/h，而截面为800 mm × 70 mm 通道的设备产量只有400 kg/h。截面宽度尺寸除了影响设备产量外，还影响CCD采集图像的清晰度、对比度和阴影的大小。当棉流通过检测区时，棉块是随机分布在矩形通道内的，安装有镜头的摄像机都有景深范围，在此范围内图像比较清晰，截面宽度尺寸愈小，图像越清晰。同时棉流离光源越远，其形成的阴影越大，并且通道内前、后棉块图像的对比度越大，不利于进行图像处理，所以棉流应被限定在较小的截面宽度内。

2.5 气动除杂系统

它由一组高速电磁阀横向排列组成，当异纤被处理系统标定位置后，在其接近电磁阀控制的喷口时，提前快速打开，压缩空气经喷口喷出将异纤或者含异纤的棉块吹到收集棉箱内。这种高速电磁阀完全打开和关闭时间均 < 10 ms，每个阀控制 3 ～ 4 个喷口。喷口的排列形式大致有 3 种类型，分别是线形排列、方形排列和三角形排列（图 4）。一台棉花异纤清除机的电磁阀数量最少的只有16个，多的能达到64个。电磁阀的数量决定单个电磁阀动作一次喷出的含杂棉花量。电磁阀一般单独动作，当遇到大面积异纤时，多阀同时动作。

3 异纤清除机存在的问题和改进途径

目前棉花异纤清除机逐渐成为纺织企业清除异纤的必选设备，可在清花工序清除大部分异纤，清除效率达到75%以上，较好地解决了“三丝”问题，但是也存在一些问题，尚不能完全满足用户的要求。

3.1 存在的问题及原因

3.1.1 透明检测区密封差，日常清洁工作量大

棉花异纤清除机透明检测区的通明玻璃、镜面反光板和光源表面容易粘附一层灰尘，降低光源的亮度和CCD摄像机采集的图像清晰度，从而降低清除效率。因此要求用户每天清洁透明玻璃、镜面反光板和光源表面，工作量很大。究其原因，主要有：（1）异纤清除机为钣金焊接框架结构，为避免满焊造成框架变形，一般都采用断续焊接，板与板之间有缝隙；（2）为安装和调试方便，框架上安装了一些盖板和门，这些盖板和门与框架之间存在间隙；（3）检测透明区域的电源线和通讯电缆等需要与外部的电控箱单元连接，它们的过线孔没进行密封；（4）异纤清除机透明检测区和外界存在热交换，温度变化造成检测区内外气压变化，容易将外界的灰尘带入到检测区中；（5）透明区检测管道内棉流是在负压条件下运动，如果管道密封不严，透明检测区也会是负压，将外界的灰尘吸入。

3.1.2 光源衰减快，不稳定，寿命短

棉花异纤清除机的检测区是矩形管道，只有线形或者直管形光源能保证在整个通道内光强分布均匀、棉花阴影小、图像清晰。目前大多数棉花异纤清除机使用直管式荧光灯管作为光源，荧光灯管光效高、发光强度高、性价比高，能基本满足棉花异纤清除机的要求。其缺点是荧光灯管的热稳定性差、光衰较大、光通维持率低、寿命短，日光型荧光灯寿命一般为4 000 h，紫外荧光灯寿命为2 000 h，另外荧光灯管是交流供电，交流的频闪会造成采集图像出现连续的明暗条纹，严重影响图像质量。

3.1.3 复杂的人机界面及参数设置

棉花异纤清除机一般要求在30 ms内就要完成采集、处理图像、识别、剔除异纤等一系列工作，所以棉花异纤清除机的整个处理软件非常复杂，需要应用多种算法识别各种异纤，因此棉花异纤清除机的软件就需设置大量的参数。同时受客户原棉中异纤的种类、光源稳定性差等因素的影响，需要在现场进行一些参数的修改、定期进行光源校正等。用户的设备技术人员只能进行部分简单的参数设置和光源校正，更多的、更重要的参数需要设备供应商的专业技术人员去用户处完成，才能保证设备的正常运行和稳定的清除效率。

3.1.4 对毛发类细小异纤识别率低

从棉花采集开始，人就一直参与整个棉制品的生产过程，人的头发丝也不可避免地混入原棉中。受科学技术水平的限制，这类直径只有0.06 ～ 0.08 mm的发丝类异纤在早期的棉花异纤清除机根本无法识别，随着4K或者分辨率更高的彩色CCD摄像机的应用，为发丝的识别提供了技术支持。目前，异纤清除机普遍的发丝识别效率仍然比较低，比较好的也只能达到50%。其原因是发丝与原棉图像的对比度差、信噪比小。以目前常用的4K彩色CCD摄像机为例，棉流为10 000 mm/s 时，单台摄像机（4 096个像素）在最高采样频率7 000 Hz下横向检测600 mm的区域，横向分辨率为600 mm/4 096 = 0.146 mm，棉流方向分辨率为10 000/7 000 = 1.43 mm，可以看出横向分辨率为发丝直径的 2 倍，棉流方向分辨率为发丝直径的20倍，同时7 000 Hz的采样频率造成CCD感官单元曝光时间极短，造成图像中发丝与原棉对比度差，信噪比低。

3.1.5 单次喷棉量大

棉流在整个矩形通道内速度不均匀，且不稳定。为了提高异纤的清除率，需适当延长喷气时间和触发多阀联动，造成单次喷棉量大。

3.1.6 能耗高、成本高

部分棉花异纤清除机为保证棉流能均匀通过检测区，增加了开松机构和输棉风机，这些设备一方面增加了产品的成本，另一方面也增加了能耗。

3.2 改进途径

针对上述问题，提出以下相应的改进途径。

（1）避免灰尘进入检测单元，可以采用：① 框架缝隙在喷涂前刮金属腻子密封；② 盖板和门板选用密封汽车门的优质密封条；③ 过电缆孔使用防水接头密封，散线使用线缆连接器实现密封。

（2）为获得良好的图像质量，选用LED光源。LED光源具有显色性好、光谱范围宽、发光强度高、稳定时间长等优点，但是LED的价格与荧光灯比仍然昂贵。随着制造工艺和技术的成熟，LED价格降低，它必将成为未来理想的光源。目前三基色稀土荧光灯管凭借其显色性好（Ra > 85）、使用寿命长（15 000 h）、光衰小（达到10 000 h流明维持率91%）等优点，成为异纤清除机的主要光源，并选用直流供电的荧光灯管电子镇流器，消除交流的频闪造成采集图像出现连续的明暗条纹。

（3）把复杂人机界面转化为形象、生动的图标显示。通过参数的智能化自适应调整，用简单的选择命令替代复杂的参数设置，便于用户操作使用。

（4）通过提高CCD摄像机的分辨率和采样频率、降低棉流速度、提高棉流的开松度、开发发丝类异纤识别算法等措施，提高发丝类异纤的识别率。

（5）开发棉流在线测速软件。根据管道内棉速的分布曲线控制喷气阀的开启时间，减少喷气时间，减少联动阀数，从而降低单次喷棉量。

（6）改进异纤清除机结构，不增加开松机构和输棉风机，缩短棉流从入口到检测区的管道长度，降低产品的成本和能耗。

4异纤清除机的发展趋势

（1）应用新技术

更高分辨率、更高采样频率、更高灵敏度CCD摄像机和LED光源能提高图像质量，基于FPGA和DSP的高速图形采集、图像处理系统能提高系统的响应速度和稳定性，这些新技术的应用能提高棉花异纤清除机对发丝类异纤识别率，大幅度提高检测效率。

（2）模块化

模块化的结构设计有利于产品硬件升级，便于设备运输、安装调试，软件开发的模块化有利进行软件升级和提高各种异纤的识别率。

（3）智能化

智能化是棉花异纤清除机的发展趋向，通过应用自动设置参数、自动光源校正、棉流测速、棉流开松评价、防噎光电装置、自动提醒光源更换、自动提醒清洁检测区等技术，大大提高异纤清除机可靠性和易操作性。

（4）网络化

异纤清除机通过Internet建立起它和用户、设备供应商之间的网络联接。用户和供应商都能远程监测异纤清除机的工作状态，出现故障后能在线及时通知双方，不需到现场就能完成诊断功能，并远程处理故障，保证设备时刻处于最佳状态。

（5）节能

棉花异纤清除机可采用新技术降低电能的消耗和压缩空气的消耗，例如下进上出棉流结构的棉花异纤清除机就不需要额外增加输棉风机和开松机构，使用指向性好、光效高的LED光源和高效电子镇流器，降低异纤误判率，减少喷气时间，为客户降低生产成本。

5 结束语

我国是一个纺织大国，也是原棉生产大国，即使在大面积种植原棉的新疆地区，基本还是靠人工采集原棉，原棉中不可避免地会混入异纤。异纤清除机凭借清除效率高、运行稳定、替代人工等特点，正在受到广大纺织企业的青睐。

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