BD—S10松式絡(luò)筒紗線張力測(cè)量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)

金春奎 仲岑然 程小冬

摘 要：松式絡(luò)筒機(jī)張力的穩(wěn)定是保證筒紗染色均勻的前提，因此，研究分析松式絡(luò)筒時(shí)張力波動(dòng)的原因并尋求解決的辦法具有現(xiàn)實(shí)的意義。通過(guò)對(duì)傳感器蠕變誤差、設(shè)備的傳動(dòng)振動(dòng)、紗結(jié)突變和摩擦靜電等影響絡(luò)筒張力波動(dòng)的諸多因素進(jìn)行逐一分析，提出了針對(duì)不同影響因素的特征，進(jìn)行在線測(cè)量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償處理方法，并將該方法在BD-S10松式絡(luò)筒機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐，紗線張力測(cè)量精度得到提高。結(jié)合張力控制技術(shù)的應(yīng)用，BD-S10松式絡(luò)筒機(jī)取得了良好的張力控制效果。

關(guān)鍵詞：松式絡(luò)筒機(jī)；單紗張力；動(dòng)態(tài)測(cè)量；數(shù)據(jù)補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TP306.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2018）02-0076-04

Dynamic Compensation Technology Of Yarn TensionMeasurement Data In BD-S10 Soft-cone Winder

JIN Chunkui1， ZHONG Cenran2， CHENG Xiaodong

（1.Jiangsu college of Engineering and technology，Nantong 226007， China；2.BIDEN textile machinery Co. Ltd.， Changzhou 213300， China）

Abstract：Maintaining tension stability of soft-cone winder is the premise of the coloring uniformity for cone yarn. Because of this， studying the reason of tension fluctuation in soft-cone winder and finding out the solution have practical significance. many factors influencing tension fluctuation are analyzed one by one in this paper， including creep error from sensor， vibration of the equipment， mutation of yarn knot and frictional static. Besides， the dynamic compensation method for online measurement data is proposed for features of different factors. The method is applied on BD-S10 soft-cone winder， and the measurement accuracy has been improved. Combining with tension control technology， BD-S10 soft-cone winder has gained very good tension control effect.

Key words：soft-cone winder； single yarn tension； dynamic measurement； data compensation

紗線張力穩(wěn)定、卷繞密度均勻既是松式絡(luò)筒的質(zhì)量要求，也是保證筒紗染色質(zhì)量的前提。而在松式絡(luò)筒卷裝過(guò)程中，紗線的張力降低，當(dāng)張力減小到一定程度，容易形成松弛，產(chǎn)生卷裝起皺。松弛造成紗線間摩擦力減小，嚴(yán)重時(shí)可能造成紗線沿軸向向外移出，出現(xiàn)脹邊。特別是供筒子染色用的紗線，筒子卷繞的松緊度、卷裝密度的均勻性，是卷裝筒子質(zhì)量的重要指標(biāo)，直接影響后期染色的均勻性。紗線的張力控制是各種精密卷繞絡(luò)筒機(jī)必備環(huán)節(jié)[1]。

1 張力測(cè)量原理

張力測(cè)量是張力控制的前提，電阻應(yīng)變式傳感器是紡紗、絡(luò)筒、整經(jīng)及織造中的單紗張力測(cè)量應(yīng)用非常廣泛的一種傳感器[2]，它的基本結(jié)構(gòu)是由粘貼于彈性體變形敏感區(qū)的電阻應(yīng)變片組成一個(gè)電橋，從而得到與被測(cè)重量作用于該彈性體的力成比例的電壓輸出信號(hào)。常見(jiàn)的雙孔梁彈性體的電阻應(yīng)變式傳感器，輸出和載荷之間的線性好、靈敏度高、穩(wěn)定性好、成本低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，適合測(cè)試位移變化范圍比較小的場(chǎng)合。目前，大部分紗線張力檢測(cè)裝置都是這種類型。其結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，在雙孔梁的上、下表面貼上4個(gè)應(yīng)變電阻R1～R4，組成全橋電路。圖1（b）是應(yīng)變式傳感器三羅拉張力測(cè)試示意。

單紗張力測(cè)量實(shí)踐表明，影響測(cè)量精度的主要原因有蠕變漂移[3-4]、傳動(dòng)振動(dòng)干擾和其他意外干擾等。

傳感器材料蠕變普遍存在，它是由彈性體正蠕變、應(yīng)變片和應(yīng)變膠負(fù)蠕變及各種結(jié)構(gòu)因素綜合影響而形成。傳感器彈性體設(shè)計(jì)定型后，其蠕變特性也基本確定[5]。控制和調(diào)整蠕變的傳統(tǒng)做法是選用不同蠕變補(bǔ)償性能的應(yīng)變片，改變貼片位置和粘膠固化工藝等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。但這種靠調(diào)節(jié)制造工藝等方法來(lái)調(diào)控蠕變，工藝過(guò)程復(fù)雜，隨機(jī)性高，成品率低[5]。

傳動(dòng)振動(dòng)隨機(jī)干擾是由機(jī)械的振動(dòng)以及紗線通過(guò)羅拉在傳輸?shù)倪^(guò)程中，不可避免產(chǎn)生隨機(jī)的跳動(dòng)，反應(yīng)到傳感器上就是張力的擾動(dòng)，這給張力的準(zhǔn)確測(cè)量帶來(lái)一定難度。

除上述確定的干擾以外，一些干擾是不確定的，如紗節(jié)突變、羅拉摩擦產(chǎn)生靜電、電壓波動(dòng)、場(chǎng)內(nèi)強(qiáng)電設(shè)備的電磁干擾等，都會(huì)不定時(shí)產(chǎn)生干擾。

本文從各種影響傳感器測(cè)量精度因素特征出發(fā)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)蠕變動(dòng)態(tài)跟蹤與校正，隨機(jī)干擾的即時(shí)濾波，及不確定干擾的在線識(shí)別與剔除分析，取得了良好的測(cè)量效果與控制效果。

2 影響傳感稱測(cè)量精度因素及特征

2.1 稱重傳感器的蠕變及蠕變恢復(fù)

以正蠕變?yōu)槔瑘D2是單次加載稱重傳感器的蠕變特性曲線，其中曲線L為傳感器的加載特性曲線，曲線C為傳感器的卸載特性曲線。加載曲線L由加載段L0和蠕變段L1組成，卸載曲線C由卸載段C0和蠕變恢復(fù)段C1組成[5-6]。加載曲線的加載段和卸載曲線的卸載段都是急應(yīng)變，可以近似認(rèn)為是線性的彈性應(yīng)變，而兩個(gè)過(guò)程的蠕變段都是緩應(yīng)變，非線性粘彈應(yīng)變。且緩變過(guò)程產(chǎn)生稱量變化W、Wb延時(shí)較長(zhǎng)，無(wú)法精確標(biāo)定。

一般情況下，成品傳感器蠕變特性曲線ε-t圖的加載過(guò)程與卸載過(guò)程隨時(shí)間變化分布坐標(biāo)軸的兩側(cè)，而且蠕變數(shù)值也相對(duì)較小[7]。圖3是蠕變與負(fù)載關(guān)系示意圖。加載產(chǎn)生正的蠕變，則卸載時(shí)產(chǎn)生負(fù)的蠕變。

實(shí)際應(yīng)用中，紗線張力對(duì)傳感器的加載與卸載是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程，由于傳感器加工差異關(guān)系，蠕變與蠕變恢復(fù)并不會(huì)如圖3顯示的對(duì)稱，同時(shí)蠕變是時(shí)間的函數(shù)[8]，松式絡(luò)筒生產(chǎn)過(guò)程中，反復(fù)上筒、換筒，傳感器不斷加載與卸載，各次蠕變會(huì)不斷累積[3]，導(dǎo)致零點(diǎn)的漂移，影響測(cè)量的精度。

由于生產(chǎn)過(guò)程的差異性，蠕變累積與恢復(fù)也是不確定的，零點(diǎn)漂移的規(guī)律性并不明顯。

2.2 傳動(dòng)振動(dòng)隨機(jī)干擾

一般來(lái)說(shuō)，機(jī)械的振動(dòng)及紗線通過(guò)羅拉在傳輸?shù)倪^(guò)程中產(chǎn)生隨機(jī)的跳動(dòng)，反應(yīng)到傳感器上的張力擾動(dòng)，總體幅值有限，呈正負(fù)擾動(dòng)特征，主要產(chǎn)生的原因一是機(jī)械的振動(dòng)和羅拉跳動(dòng)本身引起的振動(dòng)，二是傳感器的稱量穩(wěn)定是一個(gè)阻尼衰減振蕩過(guò)程[9]。一般來(lái)說(shuō)，每一次的稱量變化，都可以認(rèn)為是一次階躍響應(yīng)，也就是一個(gè)阻尼衰減振蕩過(guò)程。紗路中的傳感器由于機(jī)械的振動(dòng)和羅拉跳動(dòng)反復(fù)引起的重新加載，由于其動(dòng)態(tài)特性引起反復(fù)的阻尼衰減振蕩過(guò)程。因此，測(cè)量值波動(dòng)特性是無(wú)法避免的。

2.3 不確定的干擾

不確定的干擾常見(jiàn)的有紗節(jié)突變、羅拉摩擦產(chǎn)生靜電、電壓波動(dòng)等。其特征是偶發(fā)性和無(wú)規(guī)律性。

如果張力負(fù)載是通過(guò)配重式加載的慣性負(fù)載，紗節(jié)通過(guò)時(shí)瞬間引起配重負(fù)載的變化，由于紗速很快（1 000 m/min），引起配重負(fù)載運(yùn)動(dòng)變化產(chǎn)生較大的加速度，從而引起張力的急劇增加。而以彈簧加壓的張力裝置，當(dāng)紗節(jié)通過(guò)時(shí)，常引起彈簧的跳動(dòng)，從而引起張力的急劇減小。

羅拉摩擦靜電放電呈現(xiàn)電壓高、容量小、脈沖時(shí)間短特征，但對(duì)測(cè)量放大影響大，常引起測(cè)量值的急劇波動(dòng)。

場(chǎng)內(nèi)強(qiáng)電設(shè)備的電磁干擾、電壓波動(dòng)等也會(huì)引起電路參數(shù)的變化，從而引起測(cè)量值的變化，其規(guī)律性一般并不明顯。

3 影響傳感稱測(cè)量精度因素消除方法

針對(duì)以上對(duì)各種張力測(cè)量影響因素的分析，BD-S10松式絡(luò)筒機(jī)張力測(cè)試系統(tǒng)，采取以下3種方法分別對(duì)各種張力影響因素進(jìn)行抑制。

3.1 蠕變及蠕變恢復(fù)影響消除

加載蠕變及卸載蠕變恢復(fù)是一個(gè)與時(shí)間相關(guān)的變化，在卷裝生產(chǎn)的連續(xù)過(guò)程中，上筒、換筒、意外停機(jī)或其他中斷是無(wú)法保持其一致性的。反復(fù)加載，也增加了蠕變變化的復(fù)雜性。因此，常用與時(shí)間相關(guān)的指數(shù)函數(shù)規(guī)律的蠕變補(bǔ)償[4]，效果不并明顯。

從圖3可以看出，蠕變雖然是隨時(shí)間變化的，但蠕變變化速率也是隨時(shí)間逐漸減小，急速蠕變的時(shí)間有限，加上傳感器的動(dòng)態(tài)特性，后期蠕變幾乎可以忽略。因此每一次加載（上筒，換筒）測(cè)量做適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，可以有效減小蠕變影響。

當(dāng)整筒卷裝完成后，張力消失，傳感器處于蠕變恢復(fù)階段。短暫的停機(jī)并沒(méi)有足夠的時(shí)間完成蠕變恢復(fù)，處理的辦法是每次啟動(dòng)測(cè)量時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)零位的調(diào)整，也就是自動(dòng)清零。此時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)是在原有未能恢復(fù)的蠕變的基礎(chǔ)上測(cè)得的，清零處理符合反復(fù)加載的蠕變累積效應(yīng)原理[4]。

3.2 傳動(dòng)振動(dòng)隨機(jī)干擾影響消除

傳動(dòng)振動(dòng)隨機(jī)干擾影響消除一般可通過(guò)移動(dòng)平均的方法加以消除。當(dāng)測(cè)量開(kāi)始，設(shè)定一個(gè)存儲(chǔ)數(shù)組，數(shù)組的元素約為10～20個(gè)，系統(tǒng)每隔一定的時(shí)間連續(xù)采樣，并存儲(chǔ)在數(shù)組中，存儲(chǔ)的規(guī)則遵循先進(jìn)后出的原則。以10個(gè)元素的數(shù)組為例，就是第一次采集，數(shù)據(jù)放在數(shù)組的1號(hào)位，第二次采集，1號(hào)位數(shù)據(jù)移到2號(hào)位，采集數(shù)據(jù)依然存在1號(hào)位，依此類推。當(dāng)采集第11次數(shù)據(jù)時(shí)，10號(hào)位數(shù)據(jù)自動(dòng)舍棄。由于隨機(jī)干擾的隨機(jī)性，移動(dòng)平均相當(dāng)于一個(gè)高頻濾波器，采集數(shù)據(jù)更穩(wěn)定可靠。

3.3 不確定的干擾影響消除

如前所述，不確定的干擾具有偶發(fā)性和無(wú)規(guī)律性特征。脈沖時(shí)間短，常引起測(cè)量值的急劇波動(dòng)。針對(duì)這種特征，在采集的數(shù)據(jù)做移動(dòng)平均前，可對(duì)采集的數(shù)組內(nèi)數(shù)據(jù)的依照3σ準(zhǔn)則進(jìn)行校驗(yàn)與剔除，然后再進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)據(jù)運(yùn)算處理。

此外，場(chǎng)內(nèi)強(qiáng)電設(shè)備的電磁干擾、電壓波動(dòng)等一般采用合理的電磁屏蔽，改善穩(wěn)定電源性能來(lái)消除。

4 動(dòng)態(tài)測(cè)量與跟蹤補(bǔ)償方法

根據(jù)上述分析，針對(duì)各種張力測(cè)量影響因素，設(shè)計(jì)以下數(shù)據(jù)處理過(guò)程，動(dòng)態(tài)測(cè)量與補(bǔ)償流程見(jiàn)圖4。

a）卷裝電機(jī)啟動(dòng)后，測(cè)量系統(tǒng)以卷裝電機(jī)啟動(dòng)為開(kāi)始信號(hào)，首先進(jìn)行零位自動(dòng)校準(zhǔn)，以消除殘余的蠕變恢復(fù)。蠕變是時(shí)間的函數(shù)，恢復(fù)的時(shí)間無(wú)法確定，不同的環(huán)境條件蠕變恢復(fù)特性也有差異。采用每次啟動(dòng)自動(dòng)校準(zhǔn)，可以降低每次蠕變恢復(fù)差異，提高測(cè)量精度。

b）接著以固定的時(shí)間間隔（100 ms）采集數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

c）存儲(chǔ)數(shù)組獲取足夠的數(shù)據(jù)（圖4以10個(gè)為例），再依照3σ準(zhǔn)則進(jìn)行校驗(yàn)與剔除無(wú)效數(shù)據(jù)。主要是排除靜電、電磁場(chǎng)突發(fā)性干擾對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。

d）擬合計(jì)算數(shù)據(jù)斜率，判別蠕變數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。在蠕變初期，數(shù)據(jù)變化較大，反應(yīng)在分時(shí)采集的數(shù)據(jù)上有一定的變化趨勢(shì)，而在蠕變后期，蠕變相對(duì)比較穩(wěn)定，分時(shí)采集的數(shù)據(jù)斜率較小，反應(yīng)在坐標(biāo)軸時(shí)，更接近于一條直線，斜率接近0。張力測(cè)量是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程，斜率判別能有效保證測(cè)量的穩(wěn)定性。

e）計(jì)算平均值，輸出張力信號(hào)。平均計(jì)算可以有效降低周期性傳動(dòng)振動(dòng)產(chǎn)生的干擾。

5 應(yīng)用效果

BD-S10松式絡(luò)筒機(jī)，以上述的張力測(cè)量補(bǔ)償技術(shù)為基礎(chǔ)，準(zhǔn)確測(cè)量紗線動(dòng)態(tài)的張力，反饋給張力控制系統(tǒng)，結(jié)合張力控制機(jī)構(gòu)，實(shí)施對(duì)卷繞張力的在線控制，并取得了良好的控制效果。表1是相同工藝參數(shù)下不同錠號(hào)卷裝筒子的質(zhì)量及密度的比較。通過(guò)計(jì)算，卷裝筒子的質(zhì)量及密度的CV值指標(biāo)好于同類設(shè)備的控制，特別是密度的CV值，對(duì)照組設(shè)備一般在0.027左右，明顯高于本設(shè)備。良好的卷裝一致性控制，對(duì)后道染色工序質(zhì)量控制有積極的作用。表2是不同錠號(hào)卷裝筒子紗長(zhǎng)一致性試驗(yàn)，可以看出，由于紗線張力的精確測(cè)量與控制，卷裝筒子紗長(zhǎng)一致性得到了較大的提升，最大錠差控制在0.3%～0.6%，而對(duì)照組設(shè)備則在0.6%～2.2%徘徊。絡(luò)筒精確定長(zhǎng)，有效減少整經(jīng)浪費(fèi)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)據(jù)采集與處理是自動(dòng)控制的基礎(chǔ)，松式絡(luò)筒工藝中，單紗張力本身十分微小，同時(shí)由于傳感器和各種環(huán)境因素的影響[10]，動(dòng)態(tài)測(cè)量有一定的難度，而張力測(cè)量的準(zhǔn)確度直接影響紗線張力的控制。本文通過(guò)對(duì)紗線動(dòng)態(tài)測(cè)量影響因素的分析，提出了動(dòng)態(tài)采集數(shù)據(jù)的處理與補(bǔ)償方法，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了理想的結(jié)果。通過(guò)對(duì)卷裝張力的精確測(cè)量，反饋給張力控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)張力控制，BD-S10松式絡(luò)筒機(jī)卷裝質(zhì)量較同類設(shè)備取得了一定的優(yōu)勢(shì)。

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