葛宇騫 楊會會 羅孝

摘 要：針對紗管振幅檢測問題，基于激光位移傳感器檢測原理，建立了紗管振幅檢測系統(tǒng)模型，提出了紗管振幅數(shù)據(jù)評價算法；在不考慮錠子本身振幅的情況下，利用紗管振幅檢測實驗平臺對不同磨損類型的紗管進(jìn)行振幅檢測實驗，得出不同振幅閾值下的振幅偏移率和積分變化率，并提出選用振幅閾值為0.5mm作為使用后的紗管振幅評價閾值較為合理，為今后紗管振程檢測機(jī)制提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：紗管振幅；振幅檢測；紗管振幅評價

Research on Amplitude Measurement of Tube

GE Yu-qian1，2，YANG Hui-hui1，2， LUO Xiao1，2

（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2. Key Laboratory of Advanced Mechatronics Equipment Technology，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Abstract： Aiming at the problem of bobbin amplitude detection， based on the detection principle of laser displacement sensor， the model of bobbin amplitude detection system is established and the evaluation algorithm of bobbin amplitude data is put forward. Without considering the amplitude of spindle itself， Different types of wear bobbins were tested by amplitude， and the amplitude deviation rate and integral change rate under different amplitude thresholds were obtained. It was reasonable to choose the amplitude threshold value of 0.5mm as the evaluation index of bobbin amplitude after use. Pipe vibration detection mechanism to provide technical support.

Key words： tube amplitude；amplitude detection；tube amplitude evaluation

紗管振幅檢測技術(shù)研究

葛宇騫1，2 楊會會1，2 羅孝1，2

（1.天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點實驗室，天津 300387）

摘 要：針對紗管振幅檢測問題，基于激光位移傳感器檢測原理，建立了紗管振幅檢測系統(tǒng)模型，提出了紗管振幅數(shù)據(jù)評價算法；在不考慮錠子本身振幅的情況下，利用紗管振幅檢測實驗平臺對不同磨損類型的紗管進(jìn)行振幅檢測實驗，得出不同振幅閾值下的振幅偏移率和積分變化率，并提出選用振幅閾值為0.5mm作為使用后的紗管振幅評價閾值較為合理，為今后紗管振程檢測機(jī)制提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：紗管振幅；振幅檢測；紗管振幅評價

Research on Amplitude Measurement of Tube

GE Yu-qian1，2，YANG Hui-hui1，2， LUO Xiao1，2

（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2. Key Laboratory of Advanced Mechatronics Equipment Technology，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Abstract： Aiming at the problem of bobbin amplitude detection， based on the detection principle of laser displacement sensor， the model of bobbin amplitude detection system is established and the evaluation algorithm of bobbin amplitude data is put forward. Without considering the amplitude of spindle itself， Different types of wear bobbins were tested by amplitude， and the amplitude deviation rate and integral change rate under different amplitude thresholds were obtained. It was reasonable to choose the amplitude threshold value of 0.5mm as the evaluation index of bobbin amplitude after use. Pipe vibration detection mechanism to provide technical support.

Key words： tube amplitude；amplitude detection；tube amplitude evaluation

紗管的振幅直接影響紗線的質(zhì)量，可利用直射式激光檢測技術(shù)對紗管振幅進(jìn)行檢測，以快速排查不合格紗管，提高紗管質(zhì)量和生產(chǎn)效率[1，2]。王文彬[3]針對錠子錠腳上下端與錠端振動，設(shè)計了振動測試分析系統(tǒng)對其進(jìn)行測試分析，這種測試系統(tǒng)能很好的對錠子進(jìn)行質(zhì)量分析及故障診斷。劉妍等[4]設(shè)計了一套包括機(jī)械、檢測、控制三大部分的錠子振動測試裝置，完成了集錠子振動信號的采集、處理和分析于一體，很大程度上減少了測試裝置的成本。振動信號采集時有接觸式測量和非接觸式測量兩種方式，目前針對錠子和紗管的檢測方法主要采用非接觸式激光測量法[5-7]，其優(yōu)點是傳感器結(jié)構(gòu)小，安裝方便并且適應(yīng)性很強(qiáng)，無論被測物體為何種材料和形狀都能滿足其要求，其不足之處便是在使用激光位移傳感器之前都需對其進(jìn)行必要的校準(zhǔn)和標(biāo)定[8，9]，且其校準(zhǔn)和標(biāo)定過程較為繁瑣。由于激光位移傳感器優(yōu)點突出，因此其被廣泛用于各種管道的檢測以及各種細(xì)小的位移檢測等多方面的領(lǐng)域[10-11]。本文基于激光測量原理設(shè)計一種新的非接觸式紗管振幅監(jiān)測系統(tǒng)，紗管振幅數(shù)據(jù)評價算法，利用所得系統(tǒng)對不同磨損類型紗管進(jìn)行振幅檢測實驗，為今后紗管振程檢測機(jī)制提供技術(shù)支持，有助于提高紗管質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1紗管振幅檢測原理

本次紗管振幅檢測實驗中，考慮紗管表面特性選用直射式激光測量原理對紗管上部振幅進(jìn)行檢測，圖1示出直射式激光位移傳感器原理圖。

激光位移傳感器的工作原理為通過傳感器內(nèi)的激光發(fā)射器向被測物體的待測面發(fā)射一束激光束，由于散射或反射現(xiàn)象激光束照射到被測物體表面后返回到傳感器內(nèi)部的CMOS影像上，通過位移傳感器的內(nèi)部算法從而計算出被測物體表面到傳感器的距離，并將位移顯示在傳感器的LED顯示屏上，同時還輸出相應(yīng)位移的電壓值并傳送給數(shù)據(jù)采集卡，圖2示出激光三角法測量模型圖。

2紗管振幅數(shù)據(jù)處理算法

（1）紗管振幅均值

紗管振幅均值反應(yīng)了振幅數(shù)據(jù)的集中趨勢，其表達(dá)式為：

式中：N—采樣數(shù)據(jù)點總數(shù)；

xi—第i個采樣點。

（2）紗管振幅偏移率和積分變化率

紗管振幅偏移率是指在做紗管振幅檢測實驗時超出給定標(biāo)準(zhǔn)振幅部分檢測個數(shù)占總體檢測點個數(shù)的比例，利用紗管振幅偏移率來評價紗管，其表達(dá)式為：

式中： —設(shè)定的紗管振幅閾值，mm。

上述DR僅表示超過紗管振幅閾值點個數(shù)的比例，還可利用積分變化率（IDR（%））來評價紗管振幅超過閾值的程度，該參數(shù)反應(yīng)了所檢測的紗管振幅超過閾值的程度，且該值隨著閾值的增大而減小。其計算公式如下：

3實驗結(jié)果與分析

3.1系統(tǒng)組成及實驗條件

紗管振幅檢測系統(tǒng)的檢測過程主要是通過激光位移傳感器檢測高速旋轉(zhuǎn)紗管的上部垂直于激光束方向的擺頭位移，并在傳感器上顯示位移大小，同時將相應(yīng)的電壓信號傳遞給數(shù)據(jù)采集卡，最后將采集到的電壓信號顯示在計算機(jī)上。圖5示出紗管

振幅檢測系統(tǒng)工作簡圖，圖6示出紗管振幅檢測總體實驗平臺。

圖5紗管振幅檢測系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)中，選用激光器位移傳感器型號為松下公司的HG-C1030型，表2給出傳感器的基本參數(shù)。實驗中選用研華公司生產(chǎn)的PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡，其工作原理主要是采集傳感器對被測物體所檢測的信號傳送到上位機(jī)中進(jìn)行分析和處理。本實驗中數(shù)據(jù)采集卡主要是將激光位移傳感器傳送過來的模擬量信號傳遞給計算機(jī)，并通過相應(yīng)的軟件對采集信號進(jìn)行顯示。

圖6紗管振幅檢測實驗平臺

1-紗管2-激光位移傳感器3-工作臺4-PCI-1711 I/O接口5-紗管增速裝置6-數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)

本次實驗中，選擇不同磨損類型的205紗管及相配套的錠子進(jìn)行振幅檢測，錠子轉(zhuǎn)速為18000r/min，表3給出紗管的幾種磨損類型，圖7示出不同磨損類型紗管部分樣本。

3.2檢測系統(tǒng)標(biāo)定

檢測系統(tǒng)的標(biāo)定實際上就是確定輸入輸出關(guān)系的函數(shù)表達(dá)式，此時通過控制物體離傳感器的位移變化值來輸出相應(yīng)的電壓變化信號值，并且利用最小二乘擬合得出輸入與輸出的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式，假設(shè)此時y表示位移，x表示相應(yīng)的電壓輸出信號。經(jīng)過標(biāo)定實驗和MTLAB最小二乘曲線擬合可得出其相應(yīng)的線性擬合函數(shù)為：

圖8示出系統(tǒng)標(biāo)定的線性擬合直線圖。

3.3實驗結(jié)果與討論

根據(jù)表3所示的紗管不同磨損類型對紗管進(jìn)行振幅檢測實驗，其中振幅閾值α根據(jù)新紗管振幅的評價標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)選擇0.3mm、0.4mm和0.5mm等三組進(jìn)行實驗，并列出各組紗管的振幅數(shù)據(jù)，得出相應(yīng)的結(jié)果如下：

（1）上部完全接觸下底口也接觸良好

表4給出在該組實驗下十支紗管振幅統(tǒng)計結(jié)果，圖5-9示出1號紗管振幅曲線圖，選擇600個數(shù)據(jù)點作為樣本點進(jìn)行繪圖。

由表4和圖9可知：紗管不偏心且與錠子上部完全接觸下底口也接觸良好時紗管振幅的最大值、最小值和振幅均值都較小，由紗管振幅偏移率可知在振幅閾值為0.3mm時其振幅偏移率都較大，隨著振幅閾值的增大，其振幅偏移率逐漸減小，尤其在閾值為0.5mm時十支紗管的振幅偏移率均值為0.043%，基本接近0，說明此時紗管振幅擺動大部分在其給定振幅標(biāo)準(zhǔn)閾值內(nèi)；由振幅積分變化率均值從17.06%降低到0.004%可知其振幅積分變化率也隨著振幅閾值的增大而減小甚至接近為0，說明此時振幅超過給定振幅閾值的程度隨閾值的增大而減小。由三

（a）第1種磨損類型 （b）第2種磨損類型 （c）第3種磨損類型

（d）第4種磨損類型 （e）第5種磨損類型 （f）五種磨損類型紗管樣本

圖8系統(tǒng)標(biāo)定擬合直線

個振幅偏移率均值可知振幅閾值選為0.3mm和0.4mm時其振幅偏移率均值分別為64.04%和22.68%都較大，而振幅閾值為0.5mm時其振幅偏移率均值為0.043%，其振幅基本在給定振幅閾值內(nèi)擺動，基本符合使用后紗管合格要求條件，因此可以提出使用后的紗管合格時振幅評價閾值應(yīng)為0.5mm較合適。而實際檢測出的振幅值比上章中同種接觸情況下ADMAS仿真得出的振幅稍大一些，其主要原因是實驗中使用的是使用后的紗管且無法完全控制紗管的不偏心，以及一些其它影響因素也會影響其振幅值的大小，但二者振幅曲線基本類似，其振幅值都較小，變化也較均勻，符合實驗預(yù)期結(jié)果。

（2）上部損壞下底口接觸良好

表5給出在該組實驗下十支紗管振幅統(tǒng)計結(jié)果，圖10示出7號紗管振幅曲線圖，選擇600個數(shù)據(jù)點作為樣本點進(jìn)行繪圖。

由表5和圖10可知：紗管不偏心且與錠子上部接觸損壞而下底口接觸良好時其閾值為0.3mm、0.4mm和0.5mm的振幅偏移率均值分別為86.17%、61.14%和17.35%，與前一種實驗情況下振幅偏移率均值64.04%、22.68%和0.043%相比明顯增大，說明此時紗管振幅數(shù)據(jù)點超出其給定振幅閾值的數(shù)量增加，紗管振幅擺動明顯，其振幅積分變化率均值同樣增加明顯，此時振幅超過給定振幅閾值的程度增大。因此在此種接觸條件下紗管振幅變化較大，其振幅值偏離程度明顯增加。由三個振幅偏移率均值可知振幅閾值選為0.4mm以下時其超出振幅閾值的數(shù)據(jù)點比例到達(dá)60%以上，說明此時選用振幅閾值為0.4mm及以下并不合適，而當(dāng)振幅閾值選為0.5mm時其振幅偏移率為17.35%，因此此時選擇振幅閾值為0.5mm較為合適。由于實驗中無法精確的控制上部接觸面的接觸段數(shù)，因此并不能很好的模擬出上章中所分析的上部接觸面的接觸情況，但實驗得出的結(jié)果與上章中所分析的上部接觸面磨損會增加紗管振幅的結(jié)果相類似，驗證了紗管與錠子上部接觸面的磨損會增加紗管振幅的結(jié)論。

4結(jié)論

本文針對紗管振幅檢測問題，利用激光位移傳感器搭建紗管振幅檢測實驗平臺，對不同磨損類型的紗管進(jìn)行振幅檢測，得出了各種實驗條件下紗管振幅值；并利用本文提出的紗管振幅數(shù)據(jù)評價算法，求出各實驗條件下振幅閾值分別為0.3mm、0.4mm和0.5mm時的振幅偏移率和積分變化率，最終可得出如下結(jié)論：

（1）振幅偏移率和積分變化率隨著振幅閾值的增大而減小，通過對比各實驗條件下的三個振幅偏移率均值和積分變化率均值可知振幅閾值選為0.4mm及以下時其超出振幅閾值的數(shù)據(jù)點比例較高，其振幅偏離程度也較為明顯；而當(dāng)振幅閾值選為0.5mm時其振幅偏移率較低振幅偏離程度也小，基本符合使用后紗管振幅檢測合格要求，因此選用振幅閾值為0.5mm作為紗管振幅評價閾值較為合理。

（2）振幅閾值為0.5mm時，紗管不偏心且上下接觸良好時振幅偏移率和積分變化率分別為0.043%和0.004%，而紗管偏心且上下接觸良好時振幅偏移率和積分變化率分別為10.46%和2.55%，明顯比不偏心時振幅要大，說明紗管的偏心現(xiàn)象會增加紗管的振幅。

（3）錠子與紗管結(jié)合面的磨損會增加紗管振幅偏移率和積分變化率，且隨著磨損面積的增加紗管振幅偏移率和積分變化率也增加，所分析的錠子與紗管結(jié)合面磨損引起的接觸面積變化影響紗管振幅的結(jié)論相一致。

（4）振幅閾值為0.5mm時，紗管下底口磨損時的振幅偏移率和積分變化率分別為31.43%和8.21%，比其他實驗條件下的振幅偏移率和積分變化率都高，尤其當(dāng)出現(xiàn)紗管上下都磨損時其振幅偏移率和積分變化率達(dá)到最大，說明紗管下底口磨損對紗管振幅影響最大，驗證了所分析的紗管下底口的磨損對紗管振幅影響最大的結(jié)論。

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作者簡介：

葛宇騫，19950720，男，漢，河北省廊坊市，大學(xué)生，本科，天津工業(yè)大學(xué)，天津市西青區(qū)賓水西道399號，郵編300000