彭來(lái)湖，章鈺娟，呂永法，戴 寧, 李建強(qiáng)

(1.浙江理工大學(xué) 現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)教育部工程研究中心，浙江 杭州 310018；2.浙江日發(fā)紡機(jī)技術(shù)有限公司，浙江 紹興 312500；3.浙江理工大學(xué)龍港研究院有限公司，浙江 溫州 325000)

針織生產(chǎn)過(guò)程中，紗線斷裂是較常見(jiàn)的一種故障[1]，當(dāng)紗線運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生速度過(guò)快或者張力過(guò)大等突變時(shí)易造成斷紗，不僅浪費(fèi)針織原料、增加工作量，而且降低產(chǎn)品質(zhì)量[2]。傳統(tǒng)紡織企業(yè)對(duì)紗線狀態(tài)的檢測(cè)通常采用人工檢測(cè)的方法，但是針織機(jī)輸紗口一般多達(dá)數(shù)十個(gè)甚至逾百個(gè)且針筒轉(zhuǎn)動(dòng)迅速，即使發(fā)生紗線斷裂的情況，肉眼也很難分辨[3]。

通過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的研究，當(dāng)今的紗線狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)得到了有效的提升，現(xiàn)在紗線輸送狀態(tài)的檢測(cè)方法有2大類：接觸式檢測(cè)和非接觸式檢測(cè)。接觸式主要通過(guò)機(jī)械傳感[4]，通過(guò)接觸的方式根據(jù)紗線強(qiáng)度來(lái)判斷紗線是否斷開(kāi)，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且接觸過(guò)程中易沾染粉塵油污，準(zhǔn)確性不高。非接觸式主要有2種：一種通過(guò)運(yùn)用工業(yè)相機(jī)[5]，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、計(jì)算和處理，如果圖像中有不符合判定規(guī)律的情況出現(xiàn)，就說(shuō)明出現(xiàn)了斷紗的情況，這種方法準(zhǔn)確率較高，但是成本也比較高；另一種是通過(guò)光電傳感的方式，將紗線的運(yùn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行信號(hào)處理從而分析是否斷紗，這種方式成本低、適用范圍廣[6-7]。

本文基于光電傳感的非接觸式紗線輸送狀態(tài)檢測(cè)方法進(jìn)行研究，提出雙目式光電感應(yīng)差分測(cè)量方法，以期對(duì)針織過(guò)程中紗線輸送狀態(tài)的檢測(cè)方法進(jìn)一步探究。

1 緯編針織紗線輸送狀態(tài)特征

針織機(jī)送紗過(guò)程如圖1[8-9]所示，紗線從紗筒上牽引下來(lái), 經(jīng)過(guò)輸紗器上的傳動(dòng)組件和傳感器組件, 纏繞到輸紗器的繞紗筒上, 經(jīng)過(guò)輸紗器的斷紗報(bào)警器感應(yīng)桿后,鉤在針筒內(nèi)織針的針鉤上，所需輸紗器的個(gè)數(shù)由圓緯機(jī)紗線路數(shù)決定。當(dāng)針織機(jī)正常工作時(shí)，紗線在針筒的轉(zhuǎn)動(dòng)下隨著織針的不同動(dòng)作完成相應(yīng)的編織。

圖1 針織機(jī)送紗示意圖

紗線經(jīng)過(guò)送紗后傳輸?shù)教峄ň幙棛C(jī)構(gòu)，提花編織工藝廣義上指通過(guò)不同顏色的紗線形成花紋圖案或者同種顏色的紗線由組織結(jié)構(gòu)的變化形成花紋或者成形織物，系統(tǒng)提花編織主要根據(jù)用戶提供的花型信息配合編織；在變密度編織工藝過(guò)程中，通過(guò)動(dòng)態(tài)地改變1個(gè)編織橫列的編織密度，即可以產(chǎn)生特殊的花型效果[10-11]，也可以在編織絞花和收針時(shí)根據(jù)需要在不同部位設(shè)定不同的線圈長(zhǎng)度。

紗線輸送準(zhǔn)確的狀態(tài)特征以及相關(guān)工藝的實(shí)現(xiàn)對(duì)紗線動(dòng)/停狀態(tài)以及紗線張力的穩(wěn)定有嚴(yán)格的要求，一旦紗線動(dòng)/停狀態(tài)或者紗線張力出現(xiàn)差異，編織過(guò)程中花型密度、排列和線圈長(zhǎng)度等就會(huì)出現(xiàn)異常，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，研究在輸送過(guò)程中紗線的狀態(tài)以及紗線張力的變化，對(duì)后續(xù)織物進(jìn)行質(zhì)量分析評(píng)估具有重要意義。

2 紗線輸送狀態(tài)檢測(cè)原理

2.1 光電傳感檢測(cè)原理

利用光電傳感的原理來(lái)檢測(cè)紗線的輸送狀態(tài)主要運(yùn)用到紅外發(fā)射二極管和光電傳感器，感應(yīng)區(qū)紗線狀態(tài)示意如圖2所示。紅外發(fā)射二極管通電時(shí)會(huì)發(fā)射出一定波長(zhǎng)的紅外光，將其作為紗線狀態(tài)感應(yīng)的光源，可以減少可見(jiàn)光的干擾。光電傳感器使用兩分割雙向感應(yīng)雙輸出紅外接收器，其內(nèi)部由2個(gè)光敏二極管組成。紗線處于發(fā)射二極管與光電傳感器構(gòu)成的通道感應(yīng)空間內(nèi)，使得紗線平面投影處于2個(gè)光敏二極管的中間位置，在感應(yīng)區(qū)中工作的紗線有2種狀態(tài)，分別為紗線靜止和紗線運(yùn)動(dòng)，受紗線遮擋，光電傳感器感生的雙路電流具有差分特性，并隨紗線波動(dòng)而差動(dòng)變化。

圖2 感應(yīng)區(qū)紗線狀態(tài)示意圖

正常工作狀態(tài)下，在同一固定長(zhǎng)度內(nèi)，當(dāng)紗線靜止時(shí)，紅外光經(jīng)過(guò)感光區(qū)到達(dá)光電傳感器上兩側(cè)的投影是固定不變的；當(dāng)紗線運(yùn)動(dòng)時(shí)，紗線會(huì)因?yàn)檩斔椭械募s束而抖動(dòng)，并上下左右晃動(dòng)擋住部分紅外光而形成不同的投影，并且隨著紗線張力或者紗線粗細(xì)的變化，紗線在弦線效應(yīng)作用下的抖動(dòng)也會(huì)隨之變化，從而導(dǎo)致光電傳感器左右兩側(cè)接收到的光量不同，繼而兩路輸出的電流值存在差異。紗線在不同狀態(tài)下得到的光電傳感器兩路輸出量IN1和IN2波形如圖3所示,當(dāng)紗線靜止時(shí)，兩路輸出量保持不變，如圖3(a)所示；當(dāng)紗線正常運(yùn)動(dòng)時(shí)，光電傳感器兩路輸出的是差分信號(hào)，如圖3(b)所示，并且它們之間的差值在時(shí)刻變化。通常情況下紗線都非常細(xì)，在感應(yīng)區(qū)引起的光量改變很小，所以光電傳感器的兩路輸出電流非常小，轉(zhuǎn)換成電壓量后需要將其進(jìn)行放大處理。

圖3 IN1和IN2輸出量波形圖

2.2 信號(hào)檢測(cè)電路

因?yàn)椴罘址糯箅娐肪哂蟹糯蟛钅Ｐ盘?hào)，抑制共模信號(hào)的特點(diǎn)，為適應(yīng)紗線狀態(tài)信號(hào)弱信噪比的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的信號(hào)檢測(cè)電路如圖4所示。差分放大電路將光電傳感器輸出的兩路信號(hào)IN1和IN2的差值放大，放大倍數(shù)可通過(guò)調(diào)節(jié)電路中的電阻大小來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，為濾除白噪干擾，放大后的信號(hào)設(shè)計(jì)濾波電路進(jìn)行處理。

圖4 信號(hào)檢測(cè)電路

運(yùn)算放大器參考地是0 V，IN1和IN2為交流信號(hào)，二者的差值有正有負(fù)，為防止信號(hào)檢測(cè)電路工作時(shí)底部失真，在差分放大電路和濾波電路中加入直流偏置電路，信號(hào)電壓與直流偏置電壓進(jìn)行耦合，最終得到電壓信號(hào)OUTA。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

由信號(hào)檢測(cè)原理可知，紗線輸送過(guò)程中IN1和IN2的大小跟隨紗線狀態(tài)的變化而時(shí)刻變化，變化量呈現(xiàn)差分特性，是差模信號(hào)，數(shù)值是單端檢測(cè)的2倍。差分放大電路輸入量和輸出量之間呈線性關(guān)系，在濾波電路作用下，2 kHz以內(nèi)的信號(hào)可不失真1∶1通過(guò)，因此，得到的電壓信號(hào)OUTA可有效反映紗線輸送狀態(tài)變化情況。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)紗線張力和紗線粗細(xì)來(lái)改變紗線的輸送狀態(tài)，搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。實(shí)驗(yàn)中固定其他變量，通過(guò)改變紗線張力或紗線粗細(xì)，利用示波器來(lái)觀察電壓信號(hào)OUTA的變化。紗線通過(guò)導(dǎo)向輪由伺服電動(dòng)機(jī)牽引，紗線輸送張力變化通過(guò)改變伺服電動(dòng)機(jī)牽引速度實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中安裝紗線狀態(tài)光電傳感檢測(cè)器，紗線通過(guò)傳感器的感應(yīng)區(qū)，信號(hào)檢測(cè)電路與示波器連接，對(duì)電壓信號(hào)OUTA進(jìn)行采集。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)主要分析研究紗線張力和紗線粗細(xì)的改變對(duì)光電傳感檢測(cè)器信號(hào)檢測(cè)電路中電壓信號(hào)的影響，因此實(shí)驗(yàn)需要調(diào)節(jié)的參數(shù)是紗線張力和紗線的粗細(xì)；在紗線正常運(yùn)動(dòng)工作范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置紗線進(jìn)行勻速直線運(yùn)動(dòng)，采用積極式送紗方式，同時(shí)準(zhǔn)備了5種相同紗線種類不同粗細(xì)的紗線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，紗線線密度為27.77 tex。先通過(guò)調(diào)節(jié)張力器來(lái)設(shè)置不同的張力，來(lái)觀察電壓信號(hào)OUTA的變化；再將5種不同粗細(xì)的紗線設(shè)置在同一運(yùn)動(dòng)速度和張力下，觀察電壓信號(hào)OUTA的變化。為了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，每組速度下的電壓信號(hào)測(cè)量5次，且不同粗細(xì)的紗線電壓信號(hào)各測(cè)量5次，且每組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后更換新的紗線。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 不同張力下電壓信號(hào)波動(dòng)分析

紗線在正常工作時(shí)光電傳感器信號(hào)電路電壓信號(hào)曲線如圖6所示?？梢钥闯?，紗線正常工作時(shí)，電壓信號(hào)主要集中在一定的區(qū)域。且實(shí)際測(cè)試中紗線在張力大小改變時(shí)，集中的區(qū)域也在變化。

圖6 紗線正常工作時(shí)的電壓曲線

為全面評(píng)價(jià)電壓信號(hào)波動(dòng)情況，借助通用評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行分析，使用平均值和方差來(lái)描述紗線的抖動(dòng)程度以及紗線抖動(dòng)幅值范圍的變化。信號(hào)檢測(cè)電路輸出電壓OUTA為光電傳感器和2.5 V 直流偏置電路耦合的電壓，光電傳感器兩路輸出為交流信號(hào)，為了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)直流偏置前的電壓取絕對(duì)值再求取平均值和方差，根據(jù)3.2的實(shí)驗(yàn)方法得到如圖7所示的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖7 不同張力下紗線抖動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

由圖7(a)可知，隨著紗線輸送張力的增大，光電傳感器的兩路輸出差異逐漸減小，輸出電壓OUTA的平均值逐漸減小。如圖7(b)表明隨著紗線張力的增加，輸出電壓OUTA的方差逐漸減小。此時(shí)光電傳感器信號(hào)檢測(cè)電路的輸出電壓的變化量波動(dòng)逐漸平緩，紗線整體波動(dòng)逐漸減小。

為進(jìn)一步研究紗線輸送時(shí)紗線整體波動(dòng)隨紗線輸送張力增大而趨向平穩(wěn)的特性，對(duì)所得的20 s內(nèi)的電壓信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻數(shù)分布分析。根據(jù)頻數(shù)分布曲線圖的繪圖步驟，得到不同張力下電壓的最大值和最小值，選擇電壓統(tǒng)計(jì)范圍為-0.2 V～5.2 V，以組數(shù)來(lái)劃分，將電壓劃分為100組，每組電壓間距為0.054，分別統(tǒng)計(jì)落在這100組區(qū)間內(nèi)的電壓個(gè)數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)際張力設(shè)置范圍，以5 cN為一檔進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到如圖8所示的頻數(shù)分布曲線圖。

圖8 不同張力下紗線電壓信號(hào)頻數(shù)分布曲線

對(duì)比不同張力下的曲線可以看到：張力值較小時(shí)，紗線的電壓信號(hào)分布比較分散，此時(shí)曲線的波峰低，寬度寬，說(shuō)明電壓信號(hào)的分布較為分散，紗線的抖動(dòng)差異較大；隨著測(cè)試張力的不斷提高，曲線的波峰越來(lái)越高，寬度不斷減小，從之前的1.25 V～4.12 V 的區(qū)間集中到2.176 V～2.77 V之間。說(shuō)明紗線輸送張力的逐漸增大，使得電壓信號(hào)平均值附近數(shù)據(jù)分布逐漸集中，紗線的抖動(dòng)差異在逐漸減小，趨向平穩(wěn)。

4.2 不同粗細(xì)紗線電壓信號(hào)波動(dòng)分析

為研究不同粗細(xì)紗線對(duì)光電傳感檢測(cè)器信號(hào)檢測(cè)電路輸出電壓信號(hào)的影響，實(shí)驗(yàn)中統(tǒng)一伺服電動(dòng)機(jī)牽引速度為600 r/min，紗線張力控制在15 cN,得到5種不同粗細(xì)紗線下OUTA的數(shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)平均值和方差來(lái)觀察紗線粗細(xì)對(duì)信號(hào)的影響，得到如圖9所示的曲線圖。

圖9 不同粗細(xì)紗線抖動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

由圖9(a)可知，在紗線直徑為0.8 mm以下時(shí)，隨著紗線直徑的增大，OUTA的平均值和方差均逐漸增大，表明隨著紗線直徑的增加，紅外光遮擋光量面積增大，光電傳感檢測(cè)器信號(hào)檢測(cè)電路的輸出電壓的變化量也逐漸增大；由圖9(b)可知，隨著紗線直徑的繼續(xù)增大，當(dāng)紗線直徑大于0.8 mm時(shí)，OUTA的平均值和方差的變化都逐漸趨于平穩(wěn)。進(jìn)一步對(duì)電壓信號(hào)的頻數(shù)分布統(tǒng)計(jì)得到圖10所示的頻數(shù)分布圖。

圖10 不同粗細(xì)紗線電壓信號(hào)頻數(shù)分布曲線

從不同粗細(xì)紗線下電壓信號(hào)頻數(shù)分布圖可以看到：紗線較細(xì)時(shí)，紗線的電壓信號(hào)主要集中在 2.122 V～2.662 V之間，且集中區(qū)域組與組之間的差距較大，曲線的波峰高，寬度窄，說(shuō)明電壓信號(hào)的分布較為集中，電壓信號(hào)波動(dòng)較?。浑S著紗線直徑的增加，曲線的波峰越來(lái)越低，寬度不斷增大，說(shuō)明紗線直徑的增大，使得光電傳感器電壓信號(hào)平均值附近數(shù)據(jù)分布逐漸分散，不同時(shí)間段電壓信號(hào)的差異增大，紗線抖動(dòng)差異逐漸增大；當(dāng)紗線直徑達(dá)到0.8 mm時(shí)，隨著紗線的直徑繼續(xù)增加，曲線相差很小，紗線抖動(dòng)的差異趨于穩(wěn)定，這是由于紗線直徑到達(dá)一定數(shù)量級(jí)時(shí)，紅外光經(jīng)過(guò)紗線到達(dá)光電傳感器的投影能夠覆蓋整個(gè)感光區(qū)域，從而使得光電傳感器輸出區(qū)域穩(wěn)定。

4.3 不同粗細(xì)不同張力下電壓波動(dòng)分析

為進(jìn)一步地研究不同張力和不同紗線粗細(xì)對(duì)光電傳感檢測(cè)器信號(hào)檢測(cè)電路的輸出電壓的影響，實(shí)驗(yàn)中使用5種不同粗細(xì)的紗線，針對(duì)每一種粗細(xì)的紗線設(shè)置不同的紗線張力，觀察光電傳感器的電壓信號(hào)OUTA變化，得到如圖11所示的曲線。

圖11 不同粗細(xì)不同張力下紗線電壓信號(hào)分析

由圖11可以看出，隨著紗線張力的增大，光電傳感器得到的電壓在逐漸減小，同時(shí)保持紗線張力不變，不斷增加紗線粗細(xì)，光電傳感器的電壓信號(hào)在不斷增加，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與4.1和4.2節(jié)中的結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)緯編針織中紗線動(dòng)/停及張力波動(dòng)等不同狀態(tài)導(dǎo)致編織異?，F(xiàn)象的研究，本文設(shè)計(jì)了一種雙目式光電感應(yīng)檢測(cè)方法，將紗線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為光電傳感器的輸出信號(hào)，通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成不同狀態(tài)的紗線與光電傳感器輸出的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，從而得到積極式送紗方式中針織機(jī)紗線張力及紗線粗細(xì)與光電傳感器電壓信號(hào)的關(guān)系，主要得出以下結(jié)論：

1)隨著紗線張力的增大，差值信號(hào)的平均值和方差在逐漸減小，表明紗線波動(dòng)幅值在逐漸下降，紗線整體波動(dòng)水平逐漸減弱。

2)改變紗線粗細(xì)會(huì)使紗線波動(dòng)幅值以及紗線波動(dòng)差異逐漸增大；當(dāng)紗線直徑增加到一定值時(shí)，紗線波動(dòng)幅值以及紗線波動(dòng)差異趨于平穩(wěn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與檢測(cè)方法相符，對(duì)后續(xù)光電傳感檢測(cè)技術(shù)和紗線張力的運(yùn)動(dòng)特性研究具有廣闊的應(yīng)用前景。