并條機牽伸羅拉同步性檢測方法

宋栓軍

(西安工程大學 機電工程學院， 陜西 西安 710048)

并條機牽伸羅拉同步性檢測方法

宋栓軍

(西安工程大學 機電工程學院， 陜西 西安 710048)

為能給判定和調試并條機整體性能提供有效的定量參考數據，開發了一種基于虛擬儀器技術的羅拉同步性檢測系統。該系統由采集卡、個人PC機和羅拉轉速曲線測試儀組成。給出了基于M/T法的羅拉轉速計算方法。利用該方法在LabVIEW平臺上設計了羅拉轉速檢測儀，并將檢測系統用于FA1382高速并條機的羅拉轉速同步性檢測。結果表明：該檢測系統可實時檢測并條機的各羅拉轉速波動情況，獲取數據準確，對數據的分析方便、直觀且數據通用性較強。通過數據分析發現，這種機型的牽伸性能較好，但其在正常停車時的非線性降速和急停時的降速時間控制有待進一步改進。

并條機； 羅拉同步性； 轉速； 檢測系統； 虛擬儀器

并條作為棉紡工藝的重要環節，其主要任務是提高生條纖維伸直度與平行度，改善條子的長短片段條干均勻度以及纖維的混和均勻度[1]。隨著出條速度由原來的40 m/min提高到現在單眼的800～1 000 m/min，并條機目前都采用加裝自調勻整裝置和改進的牽伸裝置來控制由于高速帶來的并條質量的波動[2]。并條過程中，條子被拉長拉細的過程主要是由主牽伸區和后牽伸區中的牽伸羅拉完成的[3]。由此看，牽伸區中牽伸羅拉轉速的同步性會影響牽伸的牽伸比，若牽伸區牽伸羅拉的同步性好，則條子受牽伸后的均勻度好；若同步性差，則會出現粗細節，直接影響出條質量，因此，對牽伸羅拉的轉速進行實時同步性檢測是非常必要的。通過對牽伸羅拉的轉速同步性檢測，一方面可以檢驗并條機的性能，另一方面還可以為調節并條機參數、死區長度提供必要的定量數據[4]。從理論上分析，并條機并條性能的好壞有2方面原因：在正常開車時，是否能夠及時勻整粗節和細節；啟動、停止階段，并條機的牽伸性能是否穩定。這2方面因素都與羅拉轉速的同步性相關。目前對并條機牽伸羅拉轉速同步性能檢測的方法還不多見。在長期進行在線檢測[5]的實踐基礎上，本文設計了一套專門針對并條機牽伸羅拉轉速同步性能檢測的虛擬測試儀，并在FA1382高速并條機上成功應用，為改善并條機質量提供了有效的定量化數據。

1 檢測原理

羅拉轉速檢測系統組成如圖1所示。硬件由裝在各個羅拉上的編碼器(一般并條機上都自帶)、數據采集器、個人PC機組成；軟件是基于LabVIEW或Lab Windows/CVI等其他上位機編程環境下自行開發的虛擬轉速測試儀[6]。數據采集器一般選用同步性能和采樣率較高的NI USB X系列多功能數據采集卡[7]，其基本特點是：1)具有BNC連接端子；2)具有8路同步模擬輸入，單通道采樣率1.25 MS/s, 16位分辨率；3)具有2路輸出范圍為±10 V的模擬輸出,同時該采集卡采用NI-STC3的同步技術，可實現高級定時和觸發。這樣的高速同步采集器可確保牽伸羅拉轉速信號無任何漏采。

圖1 檢測系統組成

當開啟檢測系統后，牽伸羅拉的轉速信號首先接到數據采集卡的模擬輸入端，各羅拉的轉速信號同時被數據采集卡多路同步采集經A/D轉換后通過USB總線送到上位機中。上位機軟件利用事先設計好的轉速算法，對各通道的原始數據進行運算，并將運算的結果以曲線圖的形式輸出。這樣通過多路轉速曲線在同一時刻的速度對比就很容易看出牽伸羅拉速度曲線的變化和牽伸效果的好壞。

2 檢測系統設計

2.1 功能設計

此檢測系統依據檢測需要，主要有數據采集參數設置、定時設置、記錄設置、觸發設置、轉速曲線繪制、牽伸比曲線繪制6項基本功能。數據采集參數設置功能主要完成對檢測基本參數的設置，如編碼器的基本分辨率設置、幾組羅拉轉速信號接入的采集卡物理通道設置、接線端配置、信號的最大最小電壓范圍設置等；定時設置主要設置采集卡的采樣頻率、采樣時間、采樣時鐘源等；記錄設置主要控制采集的原始數據是否需要存儲、存儲位置和存儲格式等，以便在離線時進行數據的分析和處理；觸發設置控制采集卡采集方式(自動觸發或者手動觸發)、觸發源的信號類型及接線端口，可依據需要進行不同的采集方式選擇；轉速曲線繪制主要完成信號經轉速算法后的轉速結果輸出，可繪制出不同羅拉轉速的對比曲線；牽伸比曲線繪制主要繪制直觀的并條機主牽伸區、后牽伸區等的牽伸比變化情況，為分析并條機性能提供直觀依據。繪制的轉速曲線和牽伸比曲線可進行局部放大，以便觀察分析，并且可方便導出圖像、Excel數據報表等。

檢測系統功能采用可視化編程環境LabVIEW實現。LabVIEW采用圖形化編程語言設計程序，不需要編寫語言代碼，且LabVIEW擁有豐富的函數資源庫，可方便調用實現數據采集、數據分析、數據顯示、數據存儲、數字濾波、曲線擬合等功能。此外LabVIEW編寫的程序，界面符合測試儀器的設計規范，存儲的數據可以為多種格式，便于后期其他分析軟件的調用[5]，因此，其語言適合于工程檢測系統的上位機檢測軟件的快速開發。

2.2 轉速算法設計

常見的轉速測量方法有M法、T法和M/T法[8]。M 法也稱頻率法，它是通過在固定時間內測量編碼器脈沖數來計算轉速的一種方法，適用于高速范圍[9]；T 法則相反，它是通過測量編碼器2個脈沖之間的時間間隔來計算轉速的；M/T法結合了M法和T法，它通過同時檢測編碼器的脈沖數和此脈沖數對應的時間來確定被測對象的轉速，是一種適用范圍較廣的轉速測定方法[10]。

轉速的算法結合了M/T法的原理，圖2示出轉速的算法流程。

圖2 轉速算法流程圖

轉速計算原理及其實現過程如下：

1)首先對編碼器信號進行處理。由于從采集卡獲得的編碼器信號為脈沖信號，為便于計算相鄰2個脈沖的時間間隔，首先對脈沖信號進行0/1處理。即高電平為1，低電平為0，處理前后的信號變化如圖3所示。

2)由于采集卡開始采集的時間具有一定的隨機性，所以有可能剛開始采集到的是信號高電平處，也有可能是信號低電平處，為了減小計算誤差，當為高電平時，計算信號下降沿時間間隔，否則計算信號上升沿時間間隔。

3)對處理后的0/1信號做進一步處理，使上升沿或下降沿處只出現1個1，這樣即確定了上升沿或下降沿對應的時點，處理前后的結果如圖4所示。

4)根據脈沖上升沿或下降沿的間隔時間和轉過的角度，即可計算該時段內的速度。由于只是計算了上升沿或下降沿對應的瞬時轉速，這樣在編程過程中會導致計算后的數組尺寸減小。為了與實際測量的時間對應，還需進行一次插值算法處理[11]，以便獲得與原始信號同樣的信號長度。插值前后的速度曲線如圖5所示。

圖3 轉速脈沖信號處理前后的變化對比

圖4 對0/1信號處理前后的結果

圖5 插值前后速度曲線對比

3 應 用

利用該檢測系統對FA1382型高速并條機羅拉1、2、3的轉速曲線進行檢測，共檢測了正常開車、正常啟動、正常停車、急停停車4種情況下的轉速同步情況。羅拉1、2、3的轉速信號由安裝在其上的光電編碼器發出，光電編碼器每轉產生20個脈沖信號。采集卡采用美國NI公司的USB 6356，其共有8通道模擬輸入端口，單通道最高采樣率達1.25 MS/s。圖6示出4種情況下的測試結果。

由圖6可看出，該機型在正常開車時羅拉1、2、3轉速非常穩定，羅拉轉速的同步性較好。正常啟動時，羅拉1的升速過程經過了2個階段，先經過0.1 s左右升速至低速400 r/min維持了近1.1 s，隨后在2 s后轉速迅速升至正常1 990 r/min左右。在此期間羅拉2、3以同樣的升速時間間隔完成速度的變化，因此，可以看出該機型啟動時同步性較好。正常停車時，該機型從正常轉速降至完全停轉需要大概6.2 s，而急停停車時需要2 s左右。正常停車時，羅拉速度的下降先快后慢，并非完全線性。急停停車時，羅拉的轉速經過2次降速過程，羅拉1先是在0.2 s左右迅速降速至400 r/min，然后在1.8 s內降速至零。急停停車2個階段的降速過程基本是線性的。急停停車和正常停車時羅拉的同步性較好。

圖6 測試結果

圖7示出急停停車和正常停車時該種機型的總牽伸比隨時間的變化曲線。可以看出，由于正常停車時，羅拉1在6.5～7.7 s為非線性降速，使并條機的總牽伸比出現下降波動。急停停車時，由于羅拉1、2的降速時間不一致及降速的非線性，使并條機的總牽伸比波動更為明顯。

圖7 急停停車和正常停車時的總牽伸比

通過用這種方法對羅拉同步性檢測，發現該并條機型的牽伸性能較好，但其在正常停車時的非線性降速和急停時的降速時間控制有待進一步改進。利用本檢測系統得到的定量檢測結果為改進此種機型的電機特性和工藝參數提供了有效的參考。

4 結 語

本文所設計的檢測系統基于虛擬儀器技術，是目前廣為流行的快速高性能檢測平臺。從硬件組成看，硬件組成簡單，只需1塊高性能數據采集卡，不需要附加任何額外的硬件處理和二次儀表，就可快速搭建檢測系統，與并條機上的各種標準信號對接，完成羅拉轉速的同步性檢測任務。從軟件組成來看，采用無代碼的圖形化編程語言LabVIEW作為開發平臺，編程速度快，檢測任務的定制非常靈活，數據容易存儲為txt文本、二進制文件、Excel文件格式等，數據的可移植性性較強，方便對檢測數據的全方位多角度分析。基于LabVIEW開發的羅拉轉速測試儀可運行在目前的Winxp、Win7、Win8等Windows操作系統平臺上，可安裝在筆記本電腦上通過USB接口與采集卡通信，攜帶方便。從算法設計來看，系統的轉速算法靈活性較強，是M/T法的一種變形形式，可依據不同檢測任務的需要，靈活轉為M法或T法。該同步性檢測系統搭建方案及其軟件算法還可適當變化，用于其他并條機、紡織機械、電動機等轉速同步性的測量。從檢測系統的應用情況看，系統搭建迅速，攜帶方便，數據存儲方便，測量數據準確，系統可擴展性強。

FZXB

[1] 尚紅衛.實現并條機高速與高質的途徑[J].棉紡織技術，2013,41(1): 41-43. SHANG Hongwei. Method on realizing higher speed and higher quality of drawing frame[J]. Cotton Textile Technology, 2013, 41(1): 41-43.

[2] 李宏亮,周武能,王新厚.并條機自調勻整雙開環控制系統[J].紡織學報，2010,31(2)：106-114. LI Hongliang, ZHOU Wuneng, WANG Xinhou. Dual open-loop control system on auto leveler of drawing frame[J]. Journal of Textile Research,2010,31(2)：106-114.

[3] 宋育紅.并條機牽伸機構優化設計[J].陜西理工學院學報(自然科學版),2012,28(1):5-10. SONG Yuhong. Optimized design of the drafting system in drawing frame[J]. Journal of Shaanxi University of Technology (Natural Science Edition), 2012,28(1):5-10.

[4] 周鎖林. 并條機棉條質量的控制與研究[J].上海紡織科技,2009,37(5):51-53. ZHOU Suolin. Control of sliver quality on drawing frame[J].Shanghai Textile Science & Technology, 2009,37(5):51-53.

[5] 宋栓軍,曹麗娟,王貫超,等. 基于PXI總線的織機經紗張力測試系統[J].棉紡織技術,2007,35(11):661-663. SONG Shuanjun, CAO Lijuan, WANG Guanchao, et al. Test system of loom warp tension based on PXI bus[J]. Cotton Textile Technology, 2007, 35(11):661-663.

[6] 霍鋮宇,華強,盧達，等. 基于虛擬儀器的針織機械用高速電磁閥測試系統[J]. 紡織學報，2011,32(10)：134-139. HUO Chengyu, HUA Qiang, LU Da, et al. Testing system for high-speed solenoid valve of knitting machinery based on virtual instrument[J]. Journal of Textile Research，2011,32(10)：134-139.

[7] 賈高鵬，來侃，孫潤軍．基于LabVIEW的纖維集合體微電流測試儀的研制[J]．紡織學報，2010，31(3):119-122. JIA Gaopeng，LAI Kan，SUN Runjun．Development of fiber assembly weak current tester based on LabVIEW[J]．Journal of Textile Research，2010，31(3):119-122.

[8] 魯進軍，梅志千，劉向紅，等.電動機的高精度寬范圍轉速測量方法[J].中國電機工程學報,2011,31(24):118-123. LU Jinjun, MEI Zhiqian, LIU Xianghong, et al. Investigation of precision wide-range velocity

measurement method for motor[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(24):118-123.

[9] 周正干，李然，李和平．高精度數字式轉速測量系統的研究[J]．測控技術，2000，15(5)：60-61． ZHOU Zhenggan，LI Ran，LI Heping．Research on high precision measurement system of rotation rate[J]．Measurement & Control Technology, 2000,15(5)：60-61.

[10] RICHARD C Kavanagh. Performance analysis of M/T-type digital tachometer[C]//IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference. Ireland: Department of Electrical Engineering and Electronic Engineering, 2000:447-452．

[11] 孫云嶺,樸甲哲,張永祥. 插值算法在內燃機瞬時轉速測量中的應用研究[J].內燃機學報,2002,20(4):335-338. SUN Yunling, PIAO Jiazhe, ZHANG Yongxiang. Investigation on interpolation method in transient speed measurement for internal combustion engines [J]. Transactions of CSICE, 2002, 20(4):335-338.

Detection method for speed synchronization of drawing frame rollers

SONG Shuanjun

(CollegeofMechatronicsEngineering，Xi′anPolytechnicUniversity，Xi′an，Shaanxi710048，China)

A roller synchronization detecting system based on virtual instrument technology is proposed to detect the speed synchronization of rollers of a drawing frame. The system is composted of DAQ cards, PCs and roller speed curve testers. The speed calculation method based on M/T is proposed and the roller speed tester is designed in LabVIEW environment. The detection system has been successfully used on detecting performance of the drawing frame FA1382. The results show that the detection system can acquire accurate data and data is highly versatile and intuitive. Data analysis show that the drawing frame has good draft performance, but it has also some aspects to be further improved such as nonlinear speed down in normal stop and time control of slowdown in emergency stop. This detection system provides more effective quantitative reference data for judging the performance of drawing frame and improving drawing frame.

drawing frame； roller synchronization； speed； detecting system； virtual instrument

10.13475/j.fzxb.20150904806

2015-09-22

2016-06-01

陜西省教育廳科研基金項目(15JK1311)；西安工程大學博士基金項目(BS1301)

宋栓軍(1974—)，男，副教授，博士。主要研究方向為虛擬儀器開發、在線監測及計算機集成制造。E-mail: songshuanjun@126.com。

TS 101.2

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