紡紗過(guò)程中紗線(xiàn)張力的非接觸式測(cè)量

摘要：本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外紗線(xiàn)張力直接接觸測(cè)量存在的局限性進(jìn)行分析，運(yùn)用紗線(xiàn)氣圈理論及數(shù)字圖像處理技術(shù)，提出一種紗線(xiàn)動(dòng)態(tài)張力測(cè)量新方法——非接觸式測(cè)量。

關(guān)鍵詞：紗線(xiàn)張力 非接觸測(cè)量 圖像處理

1 簡(jiǎn)介

柔體在人類(lèi)的活動(dòng)中廣泛的存在和使用，在對(duì)其進(jìn)行加工和使用的過(guò)程中，通常都要求測(cè)量和控制其張力。所以，紗線(xiàn)張力是很重要的一個(gè)因素，必須對(duì)其進(jìn)行測(cè)量與控制?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外測(cè)量紗線(xiàn)張力最常見(jiàn)的方式是直接接觸測(cè)量方法，但是由于該方法具有很大的局限性，并且不適合用于長(zhǎng)時(shí)間的在線(xiàn)檢測(cè)與控制。因此本文提出一種紗線(xiàn)動(dòng)態(tài)張力測(cè)量新方法——非接觸式測(cè)量。

2 紗線(xiàn)氣圈

2.1 紗線(xiàn)氣圈的形成 在加捻卷繞過(guò)程中，紗線(xiàn)被導(dǎo)紗鉤至鋼絲圈間，由于以錠子軸為中心鋼絲圈會(huì)進(jìn)行高速回轉(zhuǎn)，且紗條作直線(xiàn)移動(dòng)，這時(shí)作用在紗線(xiàn)上的力有離心力、哥氏力、重力、空氣阻力等，在這種情況下，紗線(xiàn)會(huì)向錠子軸旁張開(kāi)，形成一空間封閉的曲線(xiàn)，即我們通常所稱(chēng)的紗線(xiàn)氣圈。

2.2 紗線(xiàn)氣圈的運(yùn)動(dòng)微分方程 研究氣圈紗線(xiàn)上任一微小段。環(huán)錠紡紗的氣圈紗線(xiàn)一般都是瘦長(zhǎng)形，幾乎沒(méi)有空間扭曲和紗線(xiàn)重力，并且實(shí)踐表明，哥氏慣性力也可以忽略不計(jì)，其受力分析如圖1所示。

深入研究了紡紗張力T0與氣圈紗線(xiàn)形態(tài)幾何參數(shù)rm、α0、h間的關(guān)系，得出如下關(guān)系式[1]：

T0=f（t，ω，β，h，rm，α0）（1）

因此氣圈上紗線(xiàn)點(diǎn)O處的張力可簡(jiǎn)化為

T0=f（t，ω，r，α0）（2）

式中：T0——?dú)馊旤c(diǎn)O處張力（N）；t——紗線(xiàn)的細(xì)度（kg/m）；

β——空氣阻力等因素的影響系數(shù)s；h——?dú)馊Ω叨龋╩）；r——?dú)馊Φ撞浚ㄤ擃I(lǐng)處）半徑（m）；

rm——?dú)馊Φ淖畲蟀霃剑╩）；α0——?dú)馊斀牵ɑ《龋?；ωn——錠子角速度（rad/s）。

由于紡紗時(shí)紗線(xiàn)張力較小，很難在生產(chǎn)車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)定紗線(xiàn)的張力。因此要想使測(cè)定方便簡(jiǎn)單，并且保證很高的正確性，應(yīng)該以氣圈的形態(tài)特征來(lái)計(jì)算紗線(xiàn)的張力，知道某瞬時(shí)氣圈紗線(xiàn)形態(tài)參數(shù)（如rm、α0），則可根據(jù)式（2）計(jì)算得出此時(shí)紡紗張力T0。

3 紡紗張力非接觸測(cè)量

3.1 紡紗張力非接觸量原理

紗線(xiàn)氣圈形態(tài)及其測(cè)量原理如圖2所示。

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圖2 紡紗張力非接觸測(cè)量方法原理圖

如圖2（b）所示，該方法就是首先利用CCD圖像傳感器獲取紗線(xiàn)運(yùn)動(dòng)形態(tài)圖像，然后經(jīng)圖像處理得到運(yùn)動(dòng)形態(tài)幾何參數(shù)，最后得到紗線(xiàn)張力大小。

3.2 紗線(xiàn)氣圈邊緣提取

從圖3中人為分割出紗線(xiàn)氣圈部分的圖像，可以看出，紗管和纏繞在紗管上的紗線(xiàn)都在紗線(xiàn)運(yùn)動(dòng)形成的氣圈圖像內(nèi)。

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圖3 CCD捕獲的紗線(xiàn)圖像

根據(jù)紗線(xiàn)氣圈邊緣提取的原理與步驟，本文以MATLAB6.5為平臺(tái)編程實(shí)現(xiàn)了紗線(xiàn)氣圈圖像邊緣的提取，結(jié)果如圖4所示。

3.3 氣圈圖像標(biāo)定與動(dòng)態(tài)張力測(cè)量

由于捕獲的紗線(xiàn)氣圈圖像為實(shí)時(shí)紗線(xiàn)回轉(zhuǎn)在CCD上所成的圖像，紗線(xiàn)氣圈參數(shù)在圖像上是以像素的個(gè)數(shù)表示，像素個(gè)數(shù)與紗線(xiàn)氣圈參數(shù)（如氣圈半徑）成一定的比例關(guān)系，為了獲得這個(gè)比例關(guān)系，需要對(duì)物體與圖像進(jìn)行標(biāo)定，即物體與像素之間的比例i比：

i比=■（3）

由于錠子的軸距是一定的，因此選擇錠子的軸距作為測(cè)量的標(biāo)尺，對(duì)于紗線(xiàn)氣圈來(lái)說(shuō)，氣圈頂部紗線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的速度較慢，因此其形成的氣圈在頂部可以近似于直線(xiàn)。利用擬合方法對(duì)氣圈邊緣頂角進(jìn)行直線(xiàn)擬合，求解出氣圈頂角的值，如圖5所示。

紗線(xiàn)張力非接觸式測(cè)量的紗線(xiàn)張力大小如表1所示。

4 結(jié)論

對(duì)比表1可見(jiàn)，非接觸式測(cè)量與接觸式測(cè)量得到的測(cè)量值在數(shù)級(jí)上是相同的，測(cè)量結(jié)果相近。通過(guò)以上測(cè)量試驗(yàn)分析得出，利用氣圈形態(tài)參數(shù)的非接觸式測(cè)量方法完全可行，并且該方法不需要與紗線(xiàn)直接接觸，不改變紗線(xiàn)原有的受力狀態(tài)，測(cè)量方便。

參考文獻(xiàn)：

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[3]Songtag Eckhard. The use of computer aided measuring technology for ring spinning process system analysis[J].Part 1：Senor analysis. Melliand Textilber，1993（12）：402～404.

作者簡(jiǎn)介：陳小蘭（1981-），女，福建長(zhǎng)泰人，碩士研究生，助教，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造，機(jī)電一體化，數(shù)控技術(shù)；陳曉波（1982-），男，河北遷安人，本科，助教，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造，機(jī)電一體化，數(shù)控技術(shù)。