李效東,徐 陽(yáng),金前鵬,劉基宏

(江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無(wú)錫 214122)

1 引 言

在紡紗生產(chǎn)中,環(huán)錠紡紗因其紡紗結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、品種適應(yīng)性廣、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)在眾多紡紗生產(chǎn)中占據(jù)著主導(dǎo)地位[1],因此針對(duì)環(huán)錠紡紗的斷紗在線(xiàn)檢測(cè)裝置的開(kāi)發(fā)對(duì)紡織企業(yè)的生產(chǎn)管理具有重要意義。目前比較成熟的環(huán)錠紡斷紗檢測(cè)裝置多為國(guó)外研發(fā)的產(chǎn)品,這些產(chǎn)品主要利用電磁感應(yīng)效應(yīng)或光電傳感監(jiān)測(cè)環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡紗時(shí)鋼絲圈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),進(jìn)而判斷細(xì)紗是否斷頭[2]。但國(guó)外產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜,裝置的器件與配套設(shè)備成本較高,企業(yè)對(duì)裝置的引進(jìn)及后期設(shè)備維護(hù)都需要投入大量的資金,這些都限制了國(guó)外斷紗檢測(cè)裝置在我國(guó)紡織企業(yè)的普及[3]。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)的紡織檢測(cè)技術(shù)取得了快速的發(fā)展,其中光電檢測(cè)技術(shù)在紡織檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用[4-6]。本文在分析光電轉(zhuǎn)換原理以及紡紗過(guò)程中紗線(xiàn)氣圈運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了針對(duì)紡紗氣圈的反射式紅外光電環(huán)錠紡紗斷紗在線(xiàn)檢測(cè)裝置,利用反射式紅外傳感器獲取紡紗時(shí)細(xì)紗的氣圈信號(hào),經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換、電路處理及單片機(jī)判斷,實(shí)現(xiàn)了細(xì)紗斷紗在線(xiàn)檢測(cè)。

2 基于紅外傳感器的環(huán)錠紡斷紗檢測(cè)原理

本文提出的反射式紅外光電環(huán)錠紡斷紗檢測(cè)裝置的基本原理如圖1所示。

圖1 細(xì)紗斷紗檢測(cè)裝置

環(huán)錠細(xì)紗機(jī)正常紡紗時(shí),粗紗經(jīng)過(guò)牽伸后形成細(xì)紗從前羅拉輸出,經(jīng)過(guò)導(dǎo)紗鉤穿過(guò)位于綱領(lǐng)跑道上的鋼絲圈,卷繞在緊套在細(xì)紗機(jī)錠子上的紗管上。當(dāng)錠子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),受到紗線(xiàn)的牽引力作用,鋼絲圈沿綱領(lǐng)跑道作有規(guī)律的圓周運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)位于導(dǎo)紗鉤和鋼絲圈中間的紡紗段紗線(xiàn)形成紡紗氣圈。本文提出的斷紗檢測(cè)方案采用單錠檢測(cè),檢測(cè)頭位于細(xì)紗機(jī)葉子板下方,正對(duì)著紗線(xiàn)氣圈安裝。檢測(cè)頭由紅外發(fā)光二極管及配套的光敏三極管組成,紅外發(fā)光二極管持續(xù)發(fā)射紅外光,當(dāng)高速轉(zhuǎn)繞的紗線(xiàn)運(yùn)動(dòng)至檢測(cè)頭正前方時(shí),紗線(xiàn)作為反射面參與對(duì)紅外光的反射,反射光被光敏三極管接收。紗線(xiàn)卷繞一周,就對(duì)紅外發(fā)光二極管發(fā)射的紅外光反射一次,形成有規(guī)律的反射光信號(hào),光信號(hào)被光敏三極管吸收后轉(zhuǎn)化成有規(guī)律的電信號(hào)。細(xì)紗斷紗后,鋼絲圈不再牽引紗線(xiàn)卷繞,紗線(xiàn)氣圈消失,不再參與對(duì)紅外光的反射,光敏三極管不再產(chǎn)生電信號(hào),斷紗檢測(cè)裝置通過(guò)對(duì)電信號(hào)的處理與判斷檢測(cè)細(xì)紗是否斷頭。

3 裝置整體設(shè)計(jì)方案與功能實(shí)現(xiàn)

本文提出的反射式紅外光電斷紗檢測(cè)裝置主要由紅外傳感器、雙運(yùn)算放大器和單片機(jī)控制模塊組成,系統(tǒng)供電電壓為+5 V。其總體設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。

圖2 裝置總體設(shè)計(jì)示意圖

在反射式紅外光電斷紗檢測(cè)裝置中,反射的紅外光信號(hào)經(jīng)過(guò)紅外傳感器轉(zhuǎn)化成為電信號(hào),微弱的電信號(hào)摻雜很多噪聲信號(hào),經(jīng)過(guò)濾波后傳輸至雙運(yùn)算放大器,雙運(yùn)算放大器具有放大及閾值處理功能,將電信號(hào)處理成脈沖信號(hào)。在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi),脈沖信號(hào)與紗線(xiàn)氣圈的卷繞次數(shù)相同。脈沖信號(hào)再由電路傳送至單片機(jī),由單片機(jī)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)判斷。系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)參考值,將統(tǒng)計(jì)的脈沖信號(hào)次數(shù)與參考值相比較,若統(tǒng)計(jì)值高于參考值,判定為細(xì)紗未斷頭,報(bào)警指示燈不亮,若統(tǒng)計(jì)值低于參考值,判定為細(xì)紗斷頭,報(bào)警指示燈亮起,提示車(chē)間擋車(chē)工人接頭。

總體上,裝置設(shè)計(jì)包括光電信號(hào)轉(zhuǎn)化與濾波模塊、電信號(hào)放大模塊、電信號(hào)閾值處理模塊以及單片機(jī)處理控制模塊。結(jié)合裝置各模塊的設(shè)計(jì),在細(xì)紗機(jī)上試紡18.2 tex棉紗,檢測(cè)各模塊處理后的信號(hào)波形,對(duì)裝置各部分進(jìn)行說(shuō)明與功能驗(yàn)證。

3.1 光電信號(hào)轉(zhuǎn)化與濾波模塊

光電轉(zhuǎn)化模塊通過(guò)紅外傳感器實(shí)現(xiàn),包括一對(duì)紅外發(fā)光二極管及配套的光敏三極管。在實(shí)際生產(chǎn)中,紡紗車(chē)間要求機(jī)器在無(wú)故障的情況下連續(xù)生產(chǎn),因此檢測(cè)頭需要滿(mǎn)足白天和夜晚都能夠正常檢測(cè)。檢測(cè)頭安裝位置在葉子板下方,距離紡紗時(shí)氣圈的位置約11 mm。

本文選用反射式紅外傳感器,其紅外發(fā)光二極管發(fā)射波長(zhǎng)大約為950 nm的近紅外光,這種波長(zhǎng)的紅外光受自然光影響較小[7],能夠滿(mǎn)足在自然光改變時(shí)的正常檢測(cè)。傳感器的最佳檢測(cè)距離在12 mm左右,能夠滿(mǎn)足裝置的檢測(cè)距離要求。圖2所示的a點(diǎn)即為光電信號(hào)轉(zhuǎn)化后的紗線(xiàn)氣圈信號(hào),其波形如圖3所示。

圖3 初始?xì)馊π盘?hào)

從圖3可以看出,經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)化模塊獲取的氣圈信號(hào)摻雜著許多噪聲信號(hào),這些噪聲信號(hào)會(huì)對(duì)目標(biāo)信號(hào)即紗線(xiàn)氣圈信號(hào)的后續(xù)處理帶來(lái)干擾。本文在光電轉(zhuǎn)化模塊后的電路中加入電容C1,電容C1的應(yīng)用對(duì)斷紗檢測(cè)裝置功能的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。因?yàn)榧?xì)紗車(chē)間的環(huán)境較為復(fù)雜,在獲取的初始?xì)馊π盘?hào)中,有些噪聲信號(hào)具有不確定性,隨機(jī)性,但相對(duì)于高速卷繞的氣圈信號(hào),其頻率相對(duì)較低。另外,光敏三極管在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生暗電流,暗電流為直流信號(hào),會(huì)造成初始信號(hào)最小幅值不為零,不利于后續(xù)模塊的閾值處理。因此,本文利用電容“通高頻,阻低頻,通交流,隔直流”的特性,達(dá)到純化氣圈信號(hào)的目的。圖2所示的b點(diǎn)即為經(jīng)過(guò)電容濾波的信號(hào),其波形圖如圖4所示。

圖4 濾波后信號(hào)圖

從圖4可以看出,經(jīng)過(guò)濾波電路處理后的信號(hào)噪聲信號(hào)明顯減少,目標(biāo)信號(hào)被純化出來(lái)。

3.2 電信號(hào)放大模塊

圖2中的c點(diǎn)是經(jīng)過(guò)放大模塊處理后的信號(hào),經(jīng)過(guò)濾波純化后的氣圈信號(hào)非常微弱,其值只有0.1 V級(jí)別。若直接進(jìn)行閾值處理,閾值也必須設(shè)置在0.1 V級(jí)別,當(dāng)電路工作的環(huán)境溫度等發(fā)生變化時(shí),電路的電阻會(huì)發(fā)生變化,所設(shè)置的閾值電壓也會(huì)發(fā)生變化,這種變化將對(duì)0.1 V級(jí)別的目標(biāo)信號(hào)的閾值處理產(chǎn)生很大影響。另外,一些無(wú)法在濾波模塊處理的小噪聲會(huì)對(duì)目標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾,系統(tǒng)的抗干擾能力不能得到保障。因此,裝置采用放大模塊對(duì)氣圈信號(hào)進(jìn)行處理[8]。

圖5為放大后的信號(hào)波形圖,目標(biāo)信號(hào)的幅值顯著增大,從而更好將其與噪聲信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái),便于后續(xù)進(jìn)行閾值處理。

圖5 放大后信號(hào)圖

3.3 電信號(hào)閾值處理模塊

圖2所示的d點(diǎn)為閾值處理后的氣圈信號(hào)。經(jīng)過(guò)放大電路處理后的氣圈信號(hào)必須經(jīng)過(guò)閾值處理,轉(zhuǎn)變成單片機(jī)能夠識(shí)別的脈沖信號(hào)。本文中的放大與閾值處理模塊都通過(guò)雙運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn),雙運(yùn)算放大器的閾值處理模塊的工作原理:先設(shè)置一個(gè)閾值電壓,當(dāng)目標(biāo)信號(hào)電壓高于閾值電壓時(shí),輸出高電平,當(dāng)目標(biāo)信號(hào)電壓低于閾值電壓時(shí),就會(huì)輸出低電平。這種高低電平的轉(zhuǎn)換就將目標(biāo)信號(hào)轉(zhuǎn)換成了有規(guī)律的脈沖信號(hào)[9]。

3.4 單片機(jī)處理控制模塊

斷紗檢測(cè)裝置中,單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)最終脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì),并將統(tǒng)計(jì)值與參照值相比較,作出細(xì)紗是否斷頭的判斷,并驅(qū)動(dòng)報(bào)警指示燈。結(jié)合市場(chǎng)上的產(chǎn)品與裝置要求,本文選擇STC15F2K60S2型單片機(jī),這種類(lèi)型的單片機(jī)的工作電壓范圍為3.8～5.5 V,主頻率最高可達(dá)35MHz,足以滿(mǎn)足對(duì)紗線(xiàn)卷繞速度的響應(yīng),且該單片機(jī)提供26個(gè)I/O引腳,1套單片機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)錠位的同時(shí)監(jiān)控。其功能流程圖見(jiàn)圖6。

圖6 單片機(jī)功能流程圖

本單片機(jī)是對(duì)一定時(shí)間內(nèi)的脈沖信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并與設(shè)定值相比較。在單片機(jī)的功能設(shè)定中參照值的設(shè)置對(duì)最終功能的實(shí)現(xiàn)具有重要意義,參照值的設(shè)置與環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的錠速相關(guān),可以根據(jù)不同的錠速設(shè)定不同的參照值,參照值需要低于錠速。目前市場(chǎng)上的細(xì)紗機(jī)錠速大致在10000～20000 r/min之間,即160～333 r/s。裝置是在紡紗速度為13600 r/min時(shí)進(jìn)行的測(cè)試,初步設(shè)定在檢測(cè)時(shí)間0.1 s內(nèi),脈沖為15個(gè)。在單片機(jī)工作過(guò)程中,首先將系統(tǒng)初始化,即將計(jì)數(shù)器清零、計(jì)時(shí)器清零,然后開(kāi)始檢測(cè)脈沖,檢測(cè)到脈沖,計(jì)數(shù)器加1,否則計(jì)數(shù)器不累加。在檢測(cè)過(guò)程中,計(jì)時(shí)器時(shí)間小于0.1 s,系統(tǒng)繼續(xù)檢測(cè),當(dāng)計(jì)時(shí)器大于0.1 s時(shí),將系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)到的脈沖個(gè)數(shù)與參照值對(duì)比,統(tǒng)計(jì)值大于參照值,報(bào)警指示燈不亮,同時(shí)計(jì)數(shù)器清零。若統(tǒng)計(jì)值小于參照值,單片機(jī)驅(qū)動(dòng)報(bào)警指示燈報(bào)警。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 測(cè)試條件

為了驗(yàn)證斷紗檢測(cè)裝置的實(shí)際檢測(cè)效果,對(duì)斷紗檢測(cè)裝置進(jìn)行上機(jī)測(cè)試,裝置安裝在環(huán)錠細(xì)紗機(jī)上,采用定量為4.8 g/10m的棉粗紗為原料,在該細(xì)紗機(jī)上試紡5.8 tex、9.7 tex、18.2 tex三種棉紗,因?yàn)楣S(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)中,對(duì)不同的紗支有不同的紡紗速度,為了更接近工廠(chǎng)實(shí)際,測(cè)試條件模擬工廠(chǎng)實(shí)際生產(chǎn),錠速分別采用15000 r/min、15900 r/min和13600 r/min。并用示波器對(duì)最終的脈沖信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

4.2 結(jié)果分析

當(dāng)紗線(xiàn)正常卷繞時(shí),單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器能夠統(tǒng)計(jì)到穩(wěn)定的脈沖個(gè)數(shù),示波器測(cè)試表現(xiàn)為檢測(cè)到穩(wěn)定頻率的氣圈波形。如圖7所示,(a)、(b)、(c)分別為試紡5.8 tex、9.7 tex、18.2 tex三種棉紗時(shí)示波器檢測(cè)到的脈沖信號(hào),(d)為三種棉紗在斷紗后檢測(cè)到的信號(hào)波形。

圖7 信號(hào)波形

將正常紡紗狀態(tài)下,三種棉紗所測(cè)脈沖信號(hào)的數(shù)據(jù)列表對(duì)比,結(jié)果如表1所示。

表1 正常紡紗時(shí)所測(cè)脈沖信號(hào)

從表1和圖7可以看出,正常紡紗時(shí),所紡棉紗的粗細(xì)和紡紗速度不同時(shí),示波器所測(cè)脈沖信號(hào)的頻率和頻寬不同,其中頻率基本反映細(xì)紗機(jī)的紡紗速度。當(dāng)棉紗的粗細(xì)和紡紗速度不同時(shí),棉紗通過(guò)紅外傳感器的有效探測(cè)區(qū)域的時(shí)間不同,因此所測(cè)脈沖信號(hào)的占空比會(huì)不同,在波形上顯示為脈沖信號(hào)的頻寬不同。當(dāng)棉紗斷紗后,所測(cè)信號(hào)沒(méi)有脈沖信號(hào)產(chǎn)生,波形顯示為一系列噪聲信號(hào),這些噪聲信號(hào)低于系統(tǒng)設(shè)置的閾值電壓不會(huì)對(duì)單片機(jī)的判斷產(chǎn)生干擾。在上機(jī)測(cè)試中,不同紡紗工藝所測(cè)脈沖信號(hào)的略微差異沒(méi)有影響斷紗檢測(cè)裝置對(duì)棉紗斷頭的檢測(cè),當(dāng)棉紗正常紡紗時(shí),指示燈處于熄滅狀態(tài),當(dāng)棉紗斷頭時(shí),指示燈幾乎立即亮起,提示斷頭。表明斷紗檢測(cè)裝置適用于市場(chǎng)上大部分的棉紗的斷紗檢測(cè)。

5 結(jié) 論

基于紅外傳感器的環(huán)錠紡斷紗在線(xiàn)檢測(cè)裝置,利用紅外傳感器,針對(duì)紡紗過(guò)程中的氣圈信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)錠紡細(xì)紗的斷紗檢測(cè)。裝置能夠利用光電轉(zhuǎn)換及電路處理得到單片機(jī)可以識(shí)別的脈沖信號(hào),單片機(jī)能夠?qū)γ}沖信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)判斷是否斷紗,最終驅(qū)動(dòng)報(bào)警指示燈。對(duì)裝置進(jìn)行上機(jī)測(cè)試,結(jié)合工廠(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)工藝。結(jié)果表明,斷紗檢測(cè)裝置能夠適應(yīng)市場(chǎng)上大部分紗支的實(shí)際生產(chǎn)中的斷紗檢測(cè),能夠及時(shí)準(zhǔn)確的提示紗線(xiàn)斷頭,對(duì)工廠(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)。

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