王一帆，李德駿，周桂洋，程 康，王 成，劉會(huì)清，李廣龍

(武漢紡織大學(xué) 電子與電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430200)

牽伸張力測(cè)量在聚酯纖維后紡加工過(guò)程中十分重要，牽伸張力的大小影響著聚酯纖維產(chǎn)品質(zhì)量[1]，因此只有實(shí)現(xiàn)絲束張力檢測(cè)才可完成絲束張力調(diào)控。在紡織產(chǎn)品的張力檢測(cè)過(guò)程中，有許多種張力檢測(cè)方法。傳統(tǒng)絲束張力檢測(cè)的方法是工人手持便攜式張力檢測(cè)儀進(jìn)行絲束張力檢測(cè)。在張力自動(dòng)檢測(cè)方向，有學(xué)者研發(fā)出基于絲束形變的張力采集系統(tǒng)[2]，該方法通過(guò)攝像頭采集絲束的圖像，然后通過(guò)圖像中絲束的形變程度計(jì)算絲束的張力，此系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是非接觸式測(cè)量，可以在不影響絲束牽伸的情況下檢測(cè)出絲束的張力，缺點(diǎn)是這種測(cè)量方式的準(zhǔn)確率較低。除此以外，依靠大型設(shè)備也可實(shí)現(xiàn)絲束張力檢測(cè)和調(diào)節(jié)[3]，如天津紡織機(jī)械廠研制的FA481和太行機(jī)械廠研制的FA425等張力控制設(shè)備[4]，但此種設(shè)備造價(jià)高昂，不利于推廣。袁浩然等[5]設(shè)計(jì)了一種固定式多檢測(cè)頭的張力檢測(cè)設(shè)備，此種張力檢測(cè)裝置的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是裝置復(fù)雜，成本高昂，傳感器長(zhǎng)期使用后容易變形。針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)出一套基于圖像匹配定位[6]的絲束張力自動(dòng)巡回檢測(cè)系統(tǒng)，它具有高精準(zhǔn)度、高效率、低成本等優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的張力巡回檢測(cè)平臺(tái)是一套龍門架式結(jié)構(gòu)，在龍門架橫梁兩端安裝限位傳感器限制自動(dòng)巡回檢測(cè)的范圍[7]，在龍門架橫梁中心處安裝1個(gè)全景攝像頭，張力巡回檢測(cè)裝置由橫向電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)在橫梁兩端巡回移動(dòng)[8]。局部攝像頭安裝在巡回檢測(cè)裝置下方，巡回檢測(cè)裝置由縱向電動(dòng)機(jī)、局部攝像頭、檢測(cè)壓頭、張力傳感器等組成[9]。絲束在張力架下方接觸輔助輥運(yùn)動(dòng)。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)橫向伺服電動(dòng)機(jī)使檢測(cè)裝置從左往右移動(dòng)[10]，通過(guò)全景攝像頭采集的絲束圖像和局部攝像頭采集的絲束圖像進(jìn)行絲束匹配[11]。當(dāng)匹配成功時(shí)，橫向電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，縱向電動(dòng)機(jī)開始工作?？v向伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)檢測(cè)壓頭下降，當(dāng)下降到某一合適位置時(shí)，縱向電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)壓頭開始檢測(cè)絲束的張力。傳感器將含有張力信息的電信號(hào)經(jīng)變送器以Modbus協(xié)議傳輸給上位機(jī)系統(tǒng)[12]，上位機(jī)對(duì)采集的張力數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并顯示。當(dāng)檢測(cè)結(jié)束后，縱向電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)檢測(cè)壓頭復(fù)位，隨后橫向伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)檢測(cè)裝置向下一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)移動(dòng)。當(dāng)所有絲束的張力檢測(cè)完畢后，檢測(cè)裝置復(fù)位，隨后開始下一輪的絲束張力檢測(cè)。圖1為自動(dòng)巡回張力檢測(cè)裝置示意圖。

圖1 自動(dòng)巡回張力檢測(cè)裝置

張力自動(dòng)巡回檢測(cè)系統(tǒng)主要由張力檢測(cè)裝置定位系統(tǒng)、張力測(cè)量系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、張力數(shù)據(jù)與上位機(jī)通信系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 張力自動(dòng)巡回檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 集束張力巡回檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 多絲束匹配定位算法

在集束張力巡回檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需要獲取待檢測(cè)絲束的精確位置[13]，因此本文設(shè)計(jì)了一種多絲束匹配定位算法。在該算法中，首先在全局絲束圖像和局部絲束圖像中尋找到每條絲束的中心檢測(cè)點(diǎn)，然后通過(guò)全局?jǐn)z像頭采集的全局絲束圖像和局部攝像頭采集的局部絲束圖像中同一絲束的匹配，實(shí)現(xiàn)局部絲束圖像中某一待檢測(cè)張力的絲束在全局絲束圖像的精準(zhǔn)定位。

多絲束張力巡回檢測(cè)工作流程圖如圖3所示。

圖3 多絲束張力巡回檢測(cè)工作流程圖

2.2 巡回裝置定位流程

在待檢測(cè)絲束實(shí)現(xiàn)精確定位后，張力自動(dòng)巡回檢測(cè)系統(tǒng)利用絲束的位置信息和擬合的運(yùn)動(dòng)軌跡提取伺服系統(tǒng)的控制變量λn[14]，隨后利用橫向伺服定位系統(tǒng)控制巡回檢測(cè)裝置到達(dá)指定的絲束檢測(cè)點(diǎn)。通過(guò)伺服編碼器反饋的參數(shù)Δn不斷調(diào)整伺服電動(dòng)機(jī)的橫向控制參數(shù)[15]，當(dāng)確認(rèn)橫向伺服電動(dòng)機(jī)已到達(dá)目標(biāo)位置后，縱向伺服定位系統(tǒng)控制縱向電動(dòng)機(jī)下降到達(dá)絲束的張力檢測(cè)點(diǎn)。巡回裝置到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)流程見圖4。

圖4 巡回裝置到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)流程

2.3 伺服系統(tǒng)定位控制算法

2.3.1 導(dǎo)軌滑臺(tái)定位控制

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)中伺服電動(dòng)機(jī)主要采用位置模式和脈沖列加方向的邏輯型式進(jìn)行控制[14]。伺服控制器接收具有方向性的脈沖進(jìn)行移動(dòng)[15]。伺服電動(dòng)機(jī)移動(dòng)的距離取決于外部輸入的脈沖、導(dǎo)絲桿螺距的精度和伺服控制器電子齒輪參數(shù)比。位置指令需要的脈沖數(shù)見式(1)：

(1)

式中：f2為位置指令脈沖數(shù)，p/rev；f1為外部輸入脈沖數(shù)，p/rev；N為電子齒輪比分子；M為電子齒輪比分母。當(dāng)張力檢測(cè)壓頭到達(dá)絲束檢測(cè)點(diǎn)后，到達(dá)下一個(gè)絲束檢測(cè)點(diǎn)之間的距離見式(2)：

(2)

式中：Dn表示從上一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)到達(dá)第n個(gè)檢測(cè)點(diǎn)之間的距離，mm；L為絲束檢測(cè)平面的實(shí)際長(zhǎng)度，mm；X表示絲束檢測(cè)平面在圖像中像素的長(zhǎng)度，pixel；xn表示第n個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)，xn-1表示第n-1個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)。

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)所用的伺服電動(dòng)機(jī)絲桿螺距精度為3 mm，編碼器PPR為2 500 pulse,采用A相編碼器進(jìn)行解析反饋回來(lái)的脈沖信號(hào)。若設(shè)定電子齒輪比為10 000/3 000,則絲桿1 pulse指令移動(dòng)的距離為1 μm，該絲桿工作示意圖如圖5所示。

圖5 絲桿工作示意圖

在導(dǎo)軌滑臺(tái)的定位控制過(guò)程中，通過(guò)全局絲束圖像和局部絲束圖像實(shí)現(xiàn)待檢測(cè)張力絲束的定位。通過(guò)全局絲束圖像計(jì)算巡回檢測(cè)裝置到達(dá)絲束張力檢測(cè)點(diǎn)的控制變量，其計(jì)算見式(3)：

(3)

式中：λn為絲束檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)際行程，mm;L為絲束檢測(cè)平面實(shí)際長(zhǎng)度，mm;X為原始圖像像素寬度，pixel;Xn為檢測(cè)點(diǎn)橫坐標(biāo)。

根據(jù)本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)絲桿精度和編碼器參數(shù)，1 pluse方向脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)的實(shí)際行程S(mm)的表達(dá)式為：

(4)

通過(guò)式(3)和式(4)2個(gè)參數(shù)可以得到張力巡回檢測(cè)裝置到達(dá)絲束檢測(cè)點(diǎn)的方向脈沖信號(hào)數(shù)量ω(pulse)。張力自動(dòng)巡回檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)該參數(shù)向伺服控制器發(fā)送相應(yīng)的方向脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)，控制伺服電動(dòng)機(jī)使張力巡回檢測(cè)裝置到達(dá)絲束檢測(cè)點(diǎn)，該方向脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)見式(5)：

(5)

系統(tǒng)通過(guò)伺服控制器上的信號(hào)接收端口CN1發(fā)送方向脈沖信號(hào)，并通過(guò)其內(nèi)部編碼器OA和/OA端子，以差動(dòng)信號(hào)方式將伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的脈沖計(jì)數(shù)器信號(hào)傳輸至單片機(jī)。系統(tǒng)根據(jù)理論脈沖數(shù)量n和編碼器返回的實(shí)際脈沖數(shù)量n′進(jìn)行比較，若系統(tǒng)判斷實(shí)際脈沖數(shù)量與理論脈沖數(shù)量有誤差，則系統(tǒng)通過(guò)伺服定位算法進(jìn)行修正理論脈沖數(shù)量Δn。

2.3.2 導(dǎo)軌滑臺(tái)定位精度

導(dǎo)軌滑臺(tái)定位精度是由聚酯纖維絲束寬度和檢測(cè)壓頭共同決定。聚酯纖維牽伸絲束寬度通常為30 mm，并且牽伸絲束數(shù)量多，間距小。通過(guò)工廠環(huán)境下測(cè)量張力檢測(cè)壓頭的寬度為36 mm，綜合以上參數(shù)將絲束的定位檢測(cè)點(diǎn)的精度設(shè)定為±1 mm。聚酯纖維絲束精度示意圖如圖6所示。

圖6 絲束定位精度示意圖

2.3.3 張力壓頭的縱向控制

張力壓頭縱向定位是由縱向伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，根據(jù)張力檢測(cè)壓頭與檢測(cè)絲束的高度進(jìn)行標(biāo)定。結(jié)合工廠環(huán)境下實(shí)際絲束檢測(cè)高度和縱向伺服電動(dòng)機(jī)絲桿精度，當(dāng)系統(tǒng)確定巡回滑臺(tái)進(jìn)行定位后，由上位機(jī)給縱向伺服控制系統(tǒng)發(fā)送張力檢測(cè)下壓指令。縱向伺服控制器給伺服電動(dòng)機(jī)發(fā)送相應(yīng)的方向脈沖數(shù)量，通過(guò)絲桿使張力檢測(cè)壓頭到達(dá)絲束檢測(cè)位置。

2.3.3.1檢測(cè)壓頭縱向標(biāo)定原理

檢測(cè)壓頭縱向標(biāo)定需要參考檢測(cè)壓頭凹槽到絲束進(jìn)行張力檢測(cè)下壓最低點(diǎn)距離，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐環(huán)境，發(fā)現(xiàn)檢測(cè)壓頭凹槽到絲束張力檢測(cè)下壓最低點(diǎn)距離為15 cm時(shí)，為絲束張力檢測(cè)最佳高度?？v向伺服電動(dòng)機(jī)的絲桿精度為3 mm。結(jié)合伺服電動(dòng)機(jī)定位原理，張力檢測(cè)壓頭到達(dá)絲束檢測(cè)點(diǎn)，則伺服電動(dòng)機(jī)絲桿行程為50圈，并且電子齒輪比設(shè)定為10 000/3 000,所需的方向脈沖信號(hào)量為150 000 pluse。檢測(cè)壓頭縱向定標(biāo)示意圖如圖7所示。

圖7 檢測(cè)壓頭縱向定標(biāo)示意圖

2.3.3.2檢測(cè)壓頭縱向定標(biāo)精度

縱向伺服電動(dòng)機(jī)的編碼器PPR為2 500 pluse，采用A相編碼器進(jìn)行解析反饋回來(lái)的脈沖信號(hào)，所以檢測(cè)壓頭的縱向定標(biāo)精度可達(dá)±0.5 mm。縱向伺服電動(dòng)機(jī)根據(jù)編碼器反饋回來(lái)的脈沖信號(hào)進(jìn)行判斷檢測(cè)壓頭下壓的距離是否準(zhǔn)確，若縱向定標(biāo)精度匹配的脈沖范圍內(nèi)，則張力檢測(cè)裝置正常，若超過(guò)定標(biāo)精度脈沖范圍，則縱向伺服控制器自動(dòng)校正誤差距離，使系統(tǒng)形成閉環(huán)控制方式。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和分析

將本文設(shè)計(jì)的張力自動(dòng)巡回檢測(cè)系統(tǒng)在工廠環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行7個(gè)多月后，取得了一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨機(jī)抽取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的1根絲束，記錄該絲束1天的張力變化，并繪制張力曲線表。該絲束10 h張力變化如表1所示。

表1 絲束10 h張力變化

由表1可以看出，在1天內(nèi)絲束的張力相對(duì)恒定，絲束張力的變化范圍為20～50 N，絲束的張力均在健康范圍內(nèi)。隨后測(cè)量多天該絲束的張力，結(jié)果表明絲束的張力具有通用性和穩(wěn)定性的特點(diǎn)，說(shuō)明張力自動(dòng)巡回檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了張力檢測(cè)在聚酯短纖維后紡階段的重要作用，并設(shè)計(jì)了張力自動(dòng)巡回檢測(cè)系統(tǒng)，從系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等環(huán)節(jié)闡述了該系統(tǒng)的原理和功能，實(shí)現(xiàn)了智能化張力檢測(cè)。該系統(tǒng)為紡織企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少生產(chǎn)成本提供了途徑。經(jīng)過(guò)工廠7個(gè)月的使用情況反饋，證明了該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確而穩(wěn)定地檢測(cè)聚酯纖維絲束的張力準(zhǔn)確性和價(jià)值性。