在線檢測環錠細紗機紡紗張力的裝置及方法與流程
本發明涉及一種在線檢測環錠細紗機紡紗張力的裝置及方法，屬于紡紗技術領域。
背景技術：
環錠紡紗是對粗紗進行牽伸、加捻、卷繞工藝的紗線形成過程，紡紗過程中的紡紗張力是指經牽伸的紗條在加捻段、氣圈段、卷繞段所受到的張力。通常將紗條由后喇叭口(或后羅拉鉗口)至前羅拉鉗口的這段區域稱為紗條的牽伸區，由前羅拉鉗口至導紗鉤的這段區域稱為紗條的加捻區；由導紗鉤至鋼絲圈的這段高速旋轉的弧形紗條稱為紗條的氣圈區；由鋼絲圈到高速旋轉錠子上的卷繞點這段區域稱為紗條的卷繞區。環錠紡紗過程中廣義的紡紗張力是指紗條在加捻區、氣圈區和卷繞區所受到的張力，分別被稱為加捻區紗條張力、氣圈區紗條張力和卷繞區紗條張力，也可分別簡稱為紡紗張力、氣圈張力和卷繞張力。狹義的紡紗張力是特指在加捻段紗條所受的張力；氣圈張力又分為氣圈頂部張力和氣圈底部張力。一般在錠子一個回轉的加捻過程、紗管一個層級的卷繞過程和一落紗的紡紗過程中，由于紡紗過程中導紗板及綱領板有升降運動，同時氣圈高度及形態、紗管卷繞半徑等都時刻變化的，由此紗條所受張力都是動態變化的。由于環錠紡紗系統是一個高速旋轉的柔性、非線性加工系統，一般認為，影響紡紗張力變化的因素應該包含錠子速度、氣圈高度及形態、紗條細度、綱領板的位置及管紗卷繞半徑、鋼絲圈重量等因素，紡紗過程中紗條所受紡紗張力的變化是上述諸多因素非線性耦合及相互作用形成的結果，故紡紗過程紗條所受張力的變化是一個及其復雜的力學和非線性數學問題。
由于在紗線和織物的生產過程中，紗線張力值過大或其波動值超出允許范圍將造成紡紗斷頭。紗線斷頭率是衡量紗線質量的一個重要指標，影響細紗的產量、質量及工人看臺能力。因此在生產過程中測量紗線張力，對紗線張力的變化進行均衡性控制，將成為實現高速高效紡紗及黑燈紡紗的一個必要條件。在線檢測環錠細紗機紡紗張力，是環錠紡紗技術進步進程中的一個重要課題。
國內外研究者對于上述問題的研究主要集中在以下兩點：①建立力學模型，結合微分幾何對紡紗過程中紗條張力及其變化規律進行數學解析，對紡紗張力及其變化進行預測；②數字化測量技術對實際紡紗過程中紡紗張力進行在線即時測量。
上世紀80年代，華東紡織工學院機械系陳人哲教授創立了紗線力學理論，以紡紗的加捻—卷繞過程中形成的氣圈為研究對象，建立模型和數學解析方法，對氣圈張力、氣圈形態的形成及其控制進行了完美地解析，能對氣圈張力及其影響因素進行定量分析，對氣圈形態變化等進行準確預測，但需要實驗手段進行驗證。
對于紡紗張力的實驗測試，目前普遍采用接觸式測量法測量加捻段的紗條張力，對于氣圈段張力、卷繞段張力還無法測量。在使用接觸法測量紗線張力時，通過位于兩個固定導輪中間的活動導輪感知紗線張力的手持式全數字式紗線張力儀，由于導輪與紗線直接接觸，不但增加了額外的摩擦，還使紗條運動狀態發生變化，由此改變了氣圈原有的形態和原有的紡紗狀態。這種接觸式測量會造成較大的誤差，測量結果不可復制，不宜用于長時間的在線檢測，因此存在很多問題。
技術實現要素：
本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種在線檢測環錠細紗機紡紗張力的裝置及方法，能夠對環錠紡紗過程中紗條的動態張力進行非接觸測量。
按照本發明提供的技術方案，所述在線檢測環錠細紗機紡紗張力的裝置，其特征是：包括力傳感器、位置傳感器、cpu以及提供電壓的穩壓電源；所述力傳感器嵌在導紗板上，導紗板由基座安裝在細紗機導紗板升降桿橫上，力傳感器能夠檢測導紗板處的垂直力以及與導紗板安裝面垂直的水平力；所述位置傳感器設置在基座上，用于檢測導紗板的位置；
所述力傳感器和位置傳感器的輸出端連接信號采集單元，信號采集單元采集力傳感器和位置傳感器的輸出信號，信號采集單元的輸出端依次連接濾波放大器、a/d轉換器和cpu，cpu根據力傳感器和位置傳感器的檢測數據獲取張力數據。
進一步的，還包括顯示單元，顯示單元與cpu連接。
所述在線檢測環錠細紗機紡紗張力的方法，其特征是，包括以下步驟：
(1)確定傳感器的數據采集密度；
(2)紗線經導紗板時，張力對導紗板施加力，力傳感器檢測導紗板處的垂直力fz測及與導紗板安裝面垂直的水平力fy測，位置傳感器檢測導紗板的位置zx，
(3)構建坐標系統：設導紗鉤中心為o點，取x軸為過o點且平行于導紗板安裝面的水平直線，取y軸為過o點且垂直于導紗板安裝面的水平直線，取z軸為過o點且垂直于x-o-y平面的鉛垂線，由此構建以導紗鉤中心為原點的x-y-z三維空間坐標系；設綱領中心為o’，取過綱領中心o’且與x軸平行的直線為x’軸，取過綱領中心且與y軸平行的直線為y’軸，由此構建x’-y’-z三維空間坐標系；
(4)根據構建的坐標系進行受力分析，并由傳感器采集的數據獲取紡紗張力tf、氣圈頂端張力tq、氣圈底部張力tr和卷繞張力tω；
紡紗張力
進一步的，所述數據采集密度設定為氣圈回轉速度的n倍或1/n倍。
進一步的，當測定一個氣圈回轉過程中的紡紗張力時，數據采集密度設定為1-4次/轉；當測定一個卷繞層級過程中的紡紗張力時，數據的采集密度設定為1-2次/轉；當測定整個落紗過程中的紡紗張力時，數據的采集密度設定為1次/轉。
本發明所述在線檢測環錠細紗機紡紗張力的裝置及方法，對環錠紡紗過程中紗條的動態張力及其非接觸測量方法進行研究，建立一種新的面向環錠紡紗系統的紗線張力在線檢測裝置，該裝置對導紗板處的動態受力情況進行即時檢測，在此基礎上，以牽伸-加捻-卷繞等紡紗機構的力學模型和數學方程即時求解紡紗張力的動態變化規律。將即時動態監測與物理-數學方程求解相結合，由此得到紡紗錠子一個回轉的加捻過程、紗管一個層級的卷繞過程和一落紗的紡紗過程中加捻區紗條張力、氣圈區紗條張力、卷繞區紗條張力的瞬時變化。
附圖說明
圖1為本發明所述在線檢測環錠細紗機紡紗張力的裝置的原理框圖。
圖2為本發明所述在線檢測環錠細紗機紡紗張力的裝置的結構圖。
圖3為本發明所述在線檢測環錠細紗機紡紗張力的裝置的工作流程圖。
圖4為導紗鉤和導紗板構建的坐標系中導紗鉤處動態受力分析示意圖。
圖5為導紗鉤處和綱領構建的坐標系中導紗鉤處受力分析示意圖。
圖6為導紗鉤受力分析示意圖。
圖7為圖6中的i放大圖。
圖8為qy變化曲線示意圖。
圖9為氣圈旋轉對應位置示意圖。
具體實施方式
下面結合具體附圖對本發明作進一步說明。
目前的紡紗過程如圖2所示，紗條從后羅拉1處喂入、經過中羅拉2牽伸到前羅拉3握持、紗條經過導紗鉤8加捻、錠子7回轉帶動綱領6在鋼絲圈11上旋轉形成氣圈、綱領板12升降最后卷繞到紗管10上。在紡紗時，前羅拉至導紗鉤之間構成紡紗段，紗線所受張力稱為紡紗張力tf；導紗鉤到鋼絲圈之間構成氣圈段，紗線所受張力分別為氣圈頂部張力tq、氣圈底部張力tr；鋼絲圈到紗管之間構成卷繞段。
為能夠實現環錠紡細紗機紡紗張力自動檢測，需要滿足四個功能要求：一是裝置穩定，不影響員工接頭、落紗和清潔工作；二是隨紡紗張力的變化將信號自動采集的紡紗器材；三是將采集信號進行處理轉換數據輸出功能；四是得出測試結果在屏幕上顯示、打印或應用于控制整機紡紗張力。根據上述四個功能制定如圖1所示的總體方案，如圖1、圖2所示，本發明所述在線檢測環錠細紗機紡紗張力的裝置包括力傳感器、位置傳感器、信號采集單元、濾波放大器、a/d轉換器、cpu、顯示單元、以及穩壓電源；其中，力傳感器5內嵌在導紗板9上，導紗板9由基座4安裝在細紗機導紗板升降桿橫上，工作性能與同臺其它導紗板一樣；力傳感器能夠實現張力變化信號的自動采集，用于檢測導紗板處的垂直力以及與導紗板安裝面垂直的水平力，紡紗張力tf加捻卷繞時與氣圈頂部張力tq的共同作用下，運動紗線經過導紗板時，對導紗板施加力，由于導紗板與力傳感器聯為一體，導紗板所受的力經力傳感器產生信號；所述位置傳感器設置在基座4上，位置傳感器檢測導紗板的位置，力傳感器和位置傳感器輸出電壓信號由信號采集單元采集后經過a/d轉換器進行調理轉換，再由cpu讀取被測數據，并由顯示單元進行顯示；所述穩壓電源用于給cpu等供電。
本發明所述在線檢測環錠細紗機紡紗張力的裝置的工作原理：當紗線經導紗板時，張力對導紗板施加力，力傳感器和位置傳感器將發生形變，產生隨力變化的模擬電壓信號，位置傳感器輸出隨導紗板位置變化的模擬電壓信號；模擬電壓信號經過過濾放大后，再經a/d轉換器，將其模擬量信號轉換成便于cpu處理的數字量信號，數字信號輸出到cpu運算形成張力信號源。cpu根據鍵盤命令以及程序將這種結果輸出到顯示單元以顯示結果。
下面對在線檢測環錠細紗機紡紗張力的方法的原理進行闡述。
(1)紡紗過程導紗板受力的動態即時檢測方法：
如圖4所示，設導紗鉤中心為o點，取x軸為過o點且平行于導紗板安裝面的水平直線，取y軸為過o點且垂直于導紗板安裝面的水平直線，取z軸為過o點且垂直于x-o-y平面的鉛垂線，由此構建以導紗鉤中心為原點的x-y-z三維空間坐標系。設力感應器與導紗板接觸點為o’，取過接觸點o’且與x軸平行的直線為x’軸，取過接觸點且與y軸延長線的直線為y’軸，取z’軸為平行z軸且垂直于x’-o’-y’平面的鉛垂線，由此構建以接觸點o’為原點的x’-y’-z’三維空間坐標系。
導紗鉤處動態受力分析由導紗鉤8、導紗板9、以及力感應器5組成，力感應器受到力的作用經過信息轉換，最后在顯示單元顯示的結果分別為fz測、fy測，fz測為導紗板處的垂直力、fy測為與導紗板安裝面垂直的水平力。在導紗鉤處支撐力q在z軸上的投影為qz：即
qz＝fz測(1)。
(2)加捻區紗條張力、氣圈區紗條張力、卷繞區紗條張力的檢測方法：
如圖5所示，設導紗鉤中心為o點，取x軸為過o點且平行于導紗板安裝面的水平直線，取y軸為過o點且垂直于導紗板安裝面的水平直線，取z軸為過o點且垂直于x-o-y平面的鉛垂線，由此構建以導紗鉤中心為原點的x-y-z三維空間坐標系。設綱領中心為o’，取過綱領中心o’且與x軸平行的直線為x’軸，取過綱領中心且與y軸平行的直線為y’軸，由此構建x’-y’-z三維空間坐標系。
如圖5所示，設加捻段紗線與y軸的夾角為γ，頂部氣圈切線與z軸的夾角為β，氣圈底部與綱領鋼絲圈的交叉點為p，則o’p與x’軸的夾角為α。圖6、圖7中，r表示前羅拉半徑；h表示前羅拉中心到機臺水平面的距離；ya表示前下羅拉中心到導紗鉤中心的距離；γ表示導紗角；zx為位置傳感器的讀取數值，即導紗板到機臺水平面的距離；h的固定值為95mm，ya為73.8mm，r為15mm。
其中，加捻段紗線與y軸的夾角為γ，
頂部氣圈切線與z軸的夾角為β，
設tf為紡紗張力，tq為氣圈頂部張力，q為導紗鉤的支撐力,則由力的平衡原理可知：
設導紗鉤處支撐力q在x、y、z軸上的投影分別為qx、qy、qz，將式(1)分別向x、y、z軸投影，可得：
qx-tqsinβcosα＝0(5)；
qy-(tqsinβsinα+tfcosγ)＝0(6)；
qz-tqcosβ+tfsinγ＝0(7)；
由式(2)、(3)、(4)聯立求解可得：
qx＝tqsinβcosα(8)；
qy＝tqsinβsinα+tfcosγ(9)；
qz＝tqcosβ+tfsinγ(10)；
由歐拉公式可得：
tf＝tqe-μσ(11)；
式中：μ為紗線與導紗鉤的動摩擦系數；σ為紗線與導紗鉤的包圍角，與導紗角和氣圈頂角有關。
將式(8)代入式(7)，可得：
紡紗張力tf為：
氣圈頂部張力tq為：
又由氣圈基礎理論知，氣圈頂部張力tq與氣圈底部張力tr的關系為：
式中：rg為綱領半徑；m為氣圈紗條的線密度；ω為氣圈回轉角速度(一般可用錠子回轉角速度近似表達)；
將式(14)代入式(15)，可得氣圈底端張力tr為：
卷繞張力合適是保證卷裝質量的基礎。氣圈底端張力tr是由卷繞張力tω克服紗條與鋼絲圈的摩擦阻力后向上傳遞到氣圈底端的，兩者的關系一般表示為：
tω＝ktr(16)；
式(16)中，k為卷繞張力tω與氣圈底部張力tr的比值，簡稱張力比，鋼絲圈線材不同截面形狀的張力比的試驗數據如表1所示：
表1鋼絲圈線材不同截面形狀的張力比
將式(16)帶入(17)，可得卷繞張力tω為：
(3)一個氣圈回轉過程中、一個卷繞層級過程中及整個落紗過程中的紡紗張力、氣圈張力、卷繞張力實時檢測方法：
(a)氣圈旋轉位置的判斷：
由qy＝tqsinβsinα+tfcosγ可得，一個氣圈回轉過程中tqsinβ、tfcosγ可視為常量，又因為α＝ωt1，t1為氣圈回轉時間；那么qy可視為關于錠子回轉角的正弦函數如圖8所示，氣圈旋轉對應位置如圖9所示。當氣圈旋轉到p2位置時，所測得qy最大，當氣圈旋轉到p4位置時，所測得qy最小，根據所測得的qy值頻譜圖進行判斷獲得氣圈實際回轉規律(氣圈回轉的速度、氣圈回轉的位置)。
(b)氣圈回轉過程中最大張力及最小張力的測定：
當氣圈旋轉到p2位置時，所測得的qy最大，qymax＝tqsinβ+tfcosγ，當氣圈旋轉到p4位置時，所測得qy最小，qymin＝-tqsinβ+tfcosγ。由此可得，將氣圈旋轉到p2位置時和p4位置時的qz、β、γ和σ值代入式(12)-式(17)，計算可得該時刻的紡紗張力、氣圈張力、卷繞張力。
(c)數據采集密度的設定：
假定錠子的回轉速度為18000轉/分，數據采集密度設定為氣圈回轉速度的n倍或1/n倍，從而保證檢測點的重復性和數據的再現性。那么，當測定一個氣圈回轉過程中的紡紗張力時，數據的采集密度可設定為1-4次/轉，即18000-72000次/分；當測定一個卷繞層級過程中的紡紗張力時，數據的采集密度可設定為1-2次/轉，即18000-36000次/分；當測定整個落紗過程中的紡紗張力時，數據的采集密度可設定為1次/轉，即18000次/分。
實施例二：
紡純棉20支紗，錠子速度12846r/min，測定一個氣圈回轉過程中的紡紗張力時，數據的采集密度設定為1次/轉，即12846次/分；測定一個卷繞層級過程中的紡紗張力時，數據的采集密度可設定為1次/轉，即12846次/分；測定整個落紗過程中的紡紗張力時，數據的采集密度可設定為1次/轉，即12846次/分。
如圖7所示，導紗板位于最低位置時zx＝0.038332，h固定值為95mm，ya為73.8mm，r為15mm。測試張力為fz測＝2.15cn，fy測＝7.51cn。
由
由
查閱文獻可知紗條與導紗鉤的動摩擦系數為μ＝0.26；σ的范圍為1～2°，取1°；qz＝fz測＝2.15cn。
由此可得，
綱領半徑rg為21mm；氣圈紗條的線密度m為18.5tex；氣圈回轉角速度ω為12846r/min；卷繞張力tω與張力tr的比值k為1.5。
由
由tω＝ktr可得：tω＝1.5×7.01＝10.52cn。
表2環錠紡細紗機紡紗張力在線采集結果
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