摘要：作為屏蔽功能單元或機械保護單元的金屬絲編織已廣泛應用于各類線纜。離散算法在計算效率和靈活性方面難以滿足編織工藝的動態需求變化，為此提出了具備自適應、自診斷、自修正運算機制的自適應算法。將自適應算法與編織工藝的工藝設計、計劃排程、品質管理等業務模塊有機結合，可提高編織工藝的柔性設計能力和數字化、智能化程度。
[關鍵詞]電纜;編織工藝;離散算法;自適應算法;因子變量;嵌入式工藝;柔性;數字化
0引言
金屬絲編織作為屏蔽功能單元或機械保護單元已廣泛應用于各類線纜。線纜工藝的定制化、自動化、批量化和智能化已成為發展趨勢。針對目前編織工藝還停留在難以自動化、數字化的離散求解模式，很難在實際應用中科學、合理地指導生產，本文提出了自適應算法以改善編織工藝的計算效率和適應性。
本文以金屬絲編織作為研究對象，通過分析因子變量之間的數量關系，搭建編織自適應算法，將單一離散計算轉變為預設條件下的多次自動循環計算，將單次輸出轉變為因子變量自修正、自適應輸出，將結果控制前置到變量準確性、合理性的輸入管控，弱化編織密度人工測量過程。在實際應用中將自適應算法與編織工藝的工藝設計、計劃排程、品質管理等業務模塊進行有機結合，可提高編織工藝的柔性設計能力，實現編織工藝的數字化轉型和智能化水平提升。
1編織工藝設計原理
編織工藝參數中編織密度是用來表征編織層的疏密程度，其已成為線纜驗收時的主要結構尺寸指標之一。根據IEC60092-350[1]、EN50288[2]、GB/T9330[3]、GJB773B[4]等標準以及《編織工藝學》[5]、《電線電纜手冊》[6]等文獻給出的多種不同表達形式的金屬絲編織屏蔽編織密度計算公式，總結了金屬絲編織密度P理論計算公式為：P=(2P1-P21)×100%(1)P1=mndπD1+πD槡()L2(2)式中：P1為單向覆蓋率，P1值的范圍為0～1;m為編織機同一方向錠數;n為每錠的編織金屬絲根數(并絲根數);d為編織金屬絲直徑，單位為mm;D為編織層外徑，單位為mm;L為編織節距，單位為mm。
為了確保生產的半成品或成品線纜金屬絲編織密度符合驗收標準，必須對金屬絲編織工藝參數進行合理工藝設計和準確測量，式(1)和式(2)為此提供了計算依據。在實際金屬絲編織工藝參數設計和測量過程中，對與工藝和設備相關的、可用于生產指導的編織工藝參數———編織節距和編織角進行設定和測量更為直接和方便。
2離散算法編織工藝設計的缺陷
本文所指的離散算法是計算過程分步的、斷續的，因計算變量值需結合經驗判斷，需要人工參與計算、復核和判斷的計算方法。目前，門檻低、易推廣的離散算法是線纜行業編織工藝參數通用的計算方法，但其本身存在較多缺點：a.效率低。離散算法不能實現批量計算，雖然采用Excel表格可以簡化計算過程，但因變量合理性離不開人工復核，如果面臨產品種類多、驗收標準雜等情況，則會進一步降低計算效率。b.調整繁瑣。其主要步驟為求解單向覆蓋率P1(P→式(1)→P1)→求解編織角α(P1、n、m、d、D→式(4)→α)→求解編織節距L(α、d、D→式(3)→L)→匹配編織齒輪配比Z1/Z2(≤L且最接近L值對應的齒輪配比)。
在根據線纜型號按照上述步驟整理出各種規格對應的編織參數表(包括n、m、L、Z1/Z2等)供制造時參考執行，如果遇到制造環節出現密度偏差、線錠雜糅、設備調整等問題時，則需要按照“測量→計算→調整→再測量→再計算→再調整……”過程反復驗證，適配工藝非常繁瑣。c.定制難。編織工藝參數的定制受到外觀質量、編織絲外徑d、編織密度P、編織角α(航空航天用線纜等特種線纜的特殊要求)等驗收指標的影響，需經反復演算、求解因子變量。同時，編織工藝參數的定制還受到制造模式的影響，尤其柔性制造模式，需要綜合庫存、效率、產品質量等諸多要素后適配工藝參數(即工藝動態優化過程)。
例如對于零星訂單，采用離散算法時可盡量統一并絲根數n，以減少浪費，通過調換設備(調整m值)確保編織層的外觀質量;對于批量訂單，采用離散算法時可盡量利用每種型號設備的效率優勢(控制α的范圍)，提高產出率，降低人工成本;對于交貨期非常緊迫的訂單，可能需要調換設備并重新定制工藝參數(如常規工藝采用16錠編織機生產，為滿足交貨期需分流到24錠編織機生產)、量化交貨計劃，此時采用離散算法來規劃此類制造方案，則時效性會大大降低。
3自適應算法編織工藝設計的優勢
雖然對于傳統線纜的金屬絲編織屏蔽制造，離散算法可基本滿足需求，但現今的線纜制造模式正在經歷日新月異的柔性化、數字化、智能化發展變革，嵌入式工藝、在線檢測技術、自動化模式已成為線纜制造升級突破的主要方向，對此離散算法的不能自動、批量、預設條件計算，在工作效率或靈活性等方面的瓶頸突現，已很難應對新時期數字制造模式對編織工藝的需求，而計算效率高和適應性強的自適應算法則可大有作為。
3.1自適應算法結構
該模型由預設條件、運算機制(過程)、輸入變量、輸出結果四部分組成，設計思路是：讓輸入變量在預設條件范圍內自判斷、自調節、自優化，不斷逼近并達成預設目標，實現工藝精準化定制。
3.1.1預設條件
預設條件包括約束條件、工藝余量、輸出內容三方面。約束條件規定編織角上下限[αmin，αmax]和并絲根數上下限[nmin，nmax]，分別限定編織角和并絲根數的調節范圍;工藝余量考慮編織密度ΔP和編織外徑ΔD，用于驗證和修正工藝誤差;輸出內容主要是編織工藝參數，包括編織角、編織節距、齒輪配比等，可定制輸出范圍。
3.1.2運算機制
運算機制包括自適應、自診斷、自修正三大過程。自適應過程是編織工藝參數的計算部分，基本運算順序為式(1)→式(4)→式(3)，多次引用式(4)求解編織角α是自適應算法的核心，也是“輸入→輸出”的主要運算過程。自診斷過程引用約束條件作為比對規則，診斷模式分為初級α診斷和次級n診斷，當前者診斷結果為“true”時，自適應算法會跳出診斷模式并進入后續節點———式(3)→輸出結果;反之，開啟“自診斷自修正”循環優化模式，直到α診斷結果為“true”。自修正過程包括n修正和m修正，當α診斷結果為“false”時，n在[nmin，nmax]范圍內自修正，修正結果超出[nmin，nmax]范圍時開啟m修正，直到α診斷結果為“true”。
3.1.3輸入變量
輸入變量包括P、D、d、n、m共5個因子變量，其中：P、D、d在運算過程中維持常量狀態，n、m參與“自診斷自修正”運算過程，通常有初始值、暫態值和終值三種狀態。
3.1.4輸出結果
輸出結果對應編織工藝參數，包括并絲根數、金屬絲外徑、編織角、編織節距、齒輪配比、設備型號等，可根據需要定制輸出內容。
3.2自適應算法開發
編織工藝參數的自適應算法可采用VB、VBA、C#等主流編程語言進行開發，因計算規模不大，算法設計非常靈活。以VB或VBA為例，既可采用Sub程序執行操作指令，也可作為子程序或function自定義函數供其他過程調用。圖3示出了采用VBA開發的自適應算法計算編織工藝參數程序設置的界面窗口。
3.3自適應算法驗證結果
電纜通過自適應算法計算獲得的部分編織工藝參數，可見通過預設需求，自適應算法智能匹配因子變量，可實現編織工藝參數最優化輸出。
4自適應算法編織工藝設計的應用
自適應算法可實現編織工藝參數的定制化、自動化、批量化和智能化計算，實際應用中可以將其與編織工藝的工藝設計、計劃排程、品質管理等業務模塊進行有機結合，提高編織工藝的柔性設計能力，實現編織工藝的數字化轉型和智能化水平提升。
4.1編織設備嵌入式工藝開發應用
固化的工藝模式很難契合需求動態變化，自適應算法可將輸入和輸出部分連接到各系統的I/O(Input/Output)端口，實現按需定制、動態響應、遠程編輯、數字工藝和信息工藝整合。此外，自適應算法還可應用于編織設備嵌入式工藝開發中，推動自動控制技術不斷成熟和低成本化以及編織設備由單電機驅動型向分電機驅動型升級換代。
單電機編織機采用機械傳動方式，同時驅動上、下錠轉盤和牽引輪，通過齒輪變速實現節距調整，但因變速級數有限，編織節距呈階梯式變化，編織密度也會出現階躍式狀態(如相鄰兩組節距齒輪，對應編織密度可能出現78.9%、82.4%)，而分電機編織機的上、下錠轉盤和牽引輪由獨立電機驅動，可實現編織節距在一定范圍內的無級調節，使編織密度更接近驗收標準(如驗收標準編織密度≥80%，則實際編織密度可接近于80.5%)，從工藝層面提升質量經濟性。
自適應算法除和ERP(EnterpriseResourcePlanning)系統、MES(ManufacturingExecutionSystem)系統搭建接口外，還能與設備控制系統整合。通過上、下錠轉盤電機轉速、牽引電機轉速與編織節距之間關系，自動匹配牽引電機轉速，電機經測速反饋控制滿足精度要求;編織外徑、編織密度在線檢測反饋到控制端，實現工藝參數動態、自動、閉環控制。
4.2編織工藝計劃排程應用
工藝計劃排程與工藝、物料、庫存、設備、人員等方面資源關聯密切，是線纜制造最核心、最重要的管理模塊之一。基于本地計算或云計算的高級計劃排程是實現智能制造的重要組成部分，而數字制造是高級計劃排程的基礎。計劃排程需要高效、準確地解析產品結構和工藝流程，而高級計劃排程更依賴工藝路線優化和工藝參數修正。自適應算法具備高效計算和按需優化編織工藝的必備功能和關鍵要素，能解決線纜編織工序全過程的數字化問題，為其他類似的工序節點提供解決方案的思路。
4.3編織工藝品質管理應用
在經濟、成熟的在線檢測技術推廣應用之前，例行檢測仍會是線纜編織工序品控的重要手段。自適應算法可優化工藝準確率，簡化檢測過程，提高編織半成品的質量經濟性。自適應算法通過調節工藝余量，驗證不同線纜的工藝誤差，成熟后固化工藝。屆時，編織半成品的例行檢測簡化為抽樣檢測，以編織密度測量為主的結果控制模式轉化為監測線纜外徑、并絲根數等因子變量準確性的過程預防模式，以更少的人力、更高的效率、更低的耗損，收獲同等甚至事半功倍的品控成效。
參考文獻：
[1]IEC.Electricalinstallationsinships—part350：generalconstructionandtestmethodsofpower，controlandinstrumentationcablesforshipboardandoffshoreapplications：IEC60092-350：2020[S].2020.
[2]BSI.Multi-elementmetalliccablesusedinanalogueanddigitalcommunicationandcontrol—part7：sectionalspecificationforinstrumentationandcontrolcables：BSEN50288-7：2005[S].British：BSIStandardsPublication，2005.
[3]中國電器工業協會.塑料絕緣控制電纜：GB/T9330—2020[S].北京：中國標準出版社，2020.
[4]中國人民解放軍總裝備部.航空航天用含氟聚合物絕緣電線電纜通用規范：GJB773B—2015[S].北京：總裝備部軍標出版發行部，2015.
[5]電線電纜專業技術工人培訓教材編審委.編織工藝學[M].北京：機械工業出版社，1987.
[6]王春江.電線電纜手冊：第1冊[M].2版.北京：機械工業出版社，2014.
作者：黃曉軍，余靜成，張宇航
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