織機斷線智能檢測系統的設計與實現

毛王景， 熊 芝， 趙 鴻

(湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

紡織機在工作過程中常發生斷線事故．若斷線事故發生而機器繼續工作，勢必生產出殘次品．在紡織機上安裝斷線檢測儀，當紡織機上有斷線產生時，該檢測裝置能檢測到并發出警報，同時對紡織機發出停機命令，可以解決這一生產問題．目前市場上的斷線檢測主要采用的以下方法：一是用傳感器采集紗線張力[2]，同實驗得到的正常情況下紗線的張力比較，若張力超出正常范圍，則判定紗線發生異常；二是采用機器視覺的方法，采集當前紗線圖像，與標準圖像進行比較，用圖像處理的方法判斷異常[3]．基于力傳感器的斷線裝置結構較為復雜，且容易受到機器震動的影響；采用圖像的方法對處理器的要求很高，一般的處理器無法滿足對響應速度的要求．新型紡織機斷線檢測儀采用對稱式的光電探測器采集斷線信號，濾除了外界光照的影響，且由于檢測儀只要求紗線從光路上經過便可以檢測到，通過合理布置檢測儀，允許紗線有一定的振動范圍，這樣即使機器振動導致紗線振動，也不至于產生誤判．系統的主控部分只需完成簡單的分析診斷，普通的處理器(8位單片機)，便可以滿足要求．檢測儀系統結構簡單，檢測穩定可靠，體積小，同時不敏感于灰塵以及線的種類、數量和特性，具有經濟實用、易于維護的特點．

1 紡織機斷線檢測儀原理

系統主要由光電檢測單元、處理電路、主控單元和報警提示單元組成．圖1為系統結構框圖．

采用半導體激光發射器作為光源，PIN日字形對稱式二象限光電管接收激光，安裝時應使激光發射器與光電管高度反射器與接收器高度對準．檢測儀工作時，一旦有紗線從激光發射器的光路上經過，細線從無到有再到無的過程，會造成二象限光電管所接收的光強產生由強到弱再到強的變化，導致二象限光電管光電流變化；差動的電流經處理電路處理，產生脈沖信號送入單片機，單片機記錄斷線根數送LED顯示，并控制報警停機．半導體激光發射器可產生準直性較好的激光，實現一次檢測一排線；二象限光電管工作于差動的方式，實現高靈敏度檢測．

圖 1 系統結構框圖

2 檢測系統設計

2.1 光電傳感器模塊

本系統光電傳感器模塊包括半導體激光器和光電探測器,采用半導體激光發射器作為光源,PIN日字形對稱式二象限光電管接收激光．半導體的激光能產生準直性較好，強度合適的激光，為準確采集斷線信號提供了條件． 斷線檢測存在著許多隨機噪聲,采用PIN日字型二象限光電探測器空間對稱布置[4]，并接相同的反向偏置電壓．這種布置方法的好處是光電管兩個象限完全對稱，參考值一致，可以濾除背景光的影響[1,4]，極大地抑制直流信號,獲取高信噪比、高分辨率的光電差分信號．

2.2 處理電路

如圖2所示，處理電路對光電傳感器模塊輸出的差分信號進一步處理，包括差動放大、微分放大和比較．

圖 2 處理電路框圖

2.2.1差動探測電路此部分是整個方案設計的重點．由于光電管產生的差分信號為了消除光電轉換中背景光強所產生的直流信號,光電信號采用差分接入方式．光電探測器前置放大電路采用差分和放大電路對電路信號進行處理[6]．優點：實現高分辨率，高信噪比的檢測，以提高對斷線判別的可靠性，減少誤差信號的干擾．

圖3是差動探測電路光電轉換原理圖，其兩個光電管工作于偏置方式下，故它們具有相同的反向偏置電壓，因此通過兩光電管的電流之比即是其光強之比．

圖 3 差動放大電路

根據虛斷原理：

·R2=U1,

U2-I2·R3=UO,

若

R1=R2=2R，

R3=R，

則

U1=2.5+I1R.

2.2.2微分放大電路如圖4所示微分放大電路對前置放大電路的輸出UO進行進一步處理：運放對UO進行微分放大(同向放大方式)，使信號的直流部分保持不變，交流部分放大很多倍．具體放大倍數與紗線的飄過速度有關．阻容部分對信號進行低通濾波，通過選取合適的阻容值，得到與原直流部分相近的結果．

根據運放虛短和分壓原理

·U5，

則

，

對直流部分有w=0，因此有

U4=U5．

圖 4 微分放大電路

2.2.3比較器電路圖5為比較器電路[7]，其比較的結果脈沖(PLUSE)就證明了紗線飄過的結果．

·UO,

U6=U5(R7只有限流作用)．

，

則

．

U7可作為基準與UO進行比較，這樣做是為了去除正常情況下的干擾和噪聲，避免產生錯誤信號．比較器輸出在正常情況下由電阻R9拉高，當有細線飄過時，信號中的交流部分被放大很多倍，在很短的時間內,總有一個時刻比較器輸出由高到低的下降沿信號，這個信號就是單片機計數的有效信號．

圖 5 比較器電路

2.3 檢測儀主控制器的選擇及軟件設計

主控制器采用STC公司的高性能單片機STC89C52．STC89C52有著功耗低、性能強大的特點，其最高運作頻率35 MHz，可以滿足檢測儀實時檢測的需求．同時其看門狗功能可以防止程序因外部環境的影響跑飛，提高系統的穩定性[5]．

通過程序控不斷地掃描單片機的外部中斷口，正常情況下I/O的電平值為高，一旦發生斷線故障，比較器送出一個下降沿信號，觸發單片機產生中斷，在中斷服務子程序中使斷線根數寄存器加一，并在主程序中將寄存器值送顯示緩沖，在LED七段數碼管上實時顯示斷線的總根數；另一方面，程序控制報警單元報警，并對執行機構發出停機命令．程序中設置PCON位，使系統主控部分在沒有斷線產生時處于空閑模式．在空閑模式下，除CPU外，單片機內部其他硬件資源全部處于活動狀態，數據及寄存器的值都保持不變[5]，即數碼管仍然實時顯示當前的斷線根數．當斷線事故發生引起外部中斷時，外部中斷將喚醒單片機，程序從原來停止的地方繼續執行．空閑模式的設置可以降低系統的功耗：STC89系列的單片機在空閑模式下功耗降至2 mA．中斷計數及空閑模式設置的代碼為：void main(){ PCON=0x01; } void INT0() interrupt 0{ PCON = 0;LED = 0;num++;}

3 實驗結果分析

要求一臺斷線檢測儀能檢測不同型號的紗線，同時能一次檢測多根，在實驗室現有條件的支持下，搭建了如圖6所示的實驗裝置．實驗中，用不同直徑的紗線(材料為尼龍)進行斷線檢測實驗，控制絲線根數一定，得出不同直徑對應的檢出率．實驗結果表明：絲線越細檢出率越低，在保證較高的檢出率的情況下，得出檢測的最小直徑可達頭發絲大小．取激光發射器光源處為坐標原點，將激光光路方向分為若干等分，用單根紗線多次重復做斷線檢測實驗，得出檢測儀在激光光路的不同位置處的檢出率，由此可確定檢測距離對檢出率的影響．一般情況是：在短的檢測距離內，檢測率高；隨著檢測距離的增大，檢出率下降．由實驗可知當檢測距離大于(5±0.1)m時，檢出率幾乎為零，即儀器此時失去作用，檢測不到斷線信號．因此檢測儀的有效檢測距離約為5 m．

圖 6 實驗裝置圖

4 結論

檢測儀系統以二象限光電探測器為檢測元件采集斷線信號，經處理電路以及單片機的分析診斷，實現對紡織機斷線事故的監測．實驗分析和驗證了系統對不同粗細的紗線的檢出率，以及系統在不同的檢測距離下的檢出率．結果表明，系統可檢測的紗線直徑可以小至頭發絲大小,最大檢測距離約為5 m．經過軟硬件協同調試，檢測儀系統運行正常，可以實現預期功能．

[參考文獻]

[1] 王淑珍，謝鐵邦，常素萍，等.四象限光電探測器用于表面形貌測量的研究[J].中國機械工程，2008,19(19)：2 348-2 351.

[2] 秦 榮.電腦繡花機斷線問題的研究[J].紡織機械，2010(02)：41-44.

[3] 王銘銘，方千山，嚴佳泉，王勝.圖像處理和達芬奇技術在紡紗斷線檢測中的應用[J].電子技術應用,2012(17):45-47.

[4] Jerald Graeme.光電二極管及其放大電路設計[M].北京：科學出版社, 2012.

[5] 何立民.單片機高級教程[M].北京：北京航天航空大學出版社，1994.

[6] 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].第三版.北京：高等教育出版社，2001.

[7] 康華光.電子技術基礎·數字部分[M].第五版.北京：高等教育出版社，2006.