基于LabVIEW的立體織機經紗張力檢測系統設計

韓天賜，周其洪，陳 革，萬德軍，周鈞天

(1.東華大學 紡織裝備教育部工程研究中心，上海 201620；2.揚州遠睿精密機械有限公司，江蘇 揚州 225235)

目前，國內三維織造技術還處在開發研究階段，三維織物的織造設備——立體織機的自動化水平相比于國外較低，經紗張力檢測系統存在著檢測精度低、實時監測難、數據存儲容量小等問題[1]。低精度檢測導致經紗張力控制精度較低，直接影響三維織物的品質[2-3]。實時監測不當引起織物次品率上升，而數據儲存容量小將無法滿足張力數據的保存。因此，三維織物織造過程中經紗張力的檢測精度、實時監測水平、數據存儲容量是提升立體織機性能的核心要素。

國內外學者對經紗張力問題進行了研究，例如，對經紗張力進行多點檢測，然后將檢測的信號進行模糊信息融合[4]；對霍爾式張力傳感器的磁鋼探頭建立運動學模型，提出動態張力信號提取方法[5]。當前研究主要集中在提高傳統織機經紗張力檢測精度等方向。立體織機工藝結構復雜，經紗張力的測控水平直接影響織物的性能。為解決經紗張力檢測系統存在的問題，以便于實時控制和后續數據分析，本文研究了基于LabVIEW的經紗張力檢測系統。

1 檢測系統的結構及原理

多經軸立體織機經紗張力檢測系統結構如圖1所示。整個經紗張力檢測系統主要由經紗張力測量和數據后處理所構成。

1—經軸；2—張力補償設置；3—經紗1；4—固定導紗輥；5—經紗2；

6—經紗3；7—經紗4；8—張力傳感器；9—信號放大；10—A/D轉換；11—工業計算機

圖1多經軸立體織機經紗張力檢測系統結構

Fig.1Warptensiontestingsystemofthethree-dimensionalloomwithmultiplewarpbeams

1.1 經紗張力測量部分

立體織機工作時，經紗張力測量部分的張力傳感器將送經過程中經紗的張力信號轉換成毫伏級的電壓信號，利用調節電路中的放大電路將電壓信號放大后通過A/D轉換變成數字信號。最后，數據采集卡采集數據并將數據傳入到裝有LabVIEW軟件的工業計算機上。

1.2 數據后處理部分

數據后處理部分的工作全部由操作室內裝有LabVIEW軟件的工業計算機完成，包括: (1)實時檢測經紗動態張力，確定立體織機正常運行，防止織造工作中斷；(2)實時張力顯示，保證各經紗張力處在正常范圍；(3)經紗張力異常時進行事故聲光報警；(4)保存張力數據，為后續數據查詢或織物質量評定提供依據。

2 系統硬件設計

2.1 張力傳感器

傳感器是感受經紗張力信號的重要部件，可以把張力信號轉換成電信號，從而滿足信號的傳送、處理、保存、顯示、查詢等要求，是實現經紗張力精確檢測的主要環節之一[6]。

電阻應變片式張力傳感器的主要工作原理是利用了電阻應變效應，即在導體產生機械形變時，電阻值相應發生變化。送經過程中每根經軸放出的經紗有上百根，所產生的張力信號比單根紗線大很多，一般的紗線張力傳感器量程偏小，無法滿足測量要求。因此本方案采用JZHL-3型三滑輪張力傳感器，該傳感器滑輪長度可按要求定制，可用于測量片紗張力，量程為0～200 N，輸出電壓信號為0～10 V，具有精度高、線性度良好、結構簡單、頻率響應寬、使用壽命長等優點，其不僅耐振動性好，而且具有不怕灰塵、油污、水汽、粉塵的特點。由此可知，該傳感器非常適合在工作環境復雜的紡織廠中使用。JZHL-3型傳感器結構如圖2所示。

該傳感器通過滑輪1與滑輪3將張力傳到被測滑輪2上，滑輪2上紗線的包角為120°，其所受壓力即為經紗張力。當滑輪2受到來自紗線的壓力時，導體發生形狀變化，電阻值隨之也會發生改變，反映到后級電路上則表現為電壓的變化，后級電路根據電壓的變化大小便可知曉經紗張力的大小。

(a)主視圖

(b)俯視圖1—經紗；2—滑輪1 ；3—滑輪2 ；4—滑輪3 ；5—支架圖2 JZHL-3型張力傳感器結構Fig.2 Structure of JZHL-3 tension sensor

2.2 數據采集卡

數據采集卡是構成檢測系統硬件部分的核心硬件，主要用來完成張力數據采集、A/D轉換等相關功能。根據檢測系統需求以及檢測精度的要求，本系統選用了研華的PCI-1710/1710GH型數據采集卡。該數據采集卡是一款PCI總線接口的多功能DAS卡，優異的電路設計使其具有更高的品質和更多的功能，其中包括最重要的5個測量與控制功能，即12-bit A/D轉換、D/A 轉換、數字量輸入、數字量輸出，以及計數器/定時器功能。數據采集卡的轉換精度為12位；采樣頻率為0.01～105Hz；模擬輸入通道總數為16路單端，8路差分；存儲器深度為4K字FIFO存儲器。

3 系統軟件設計

張力傳感器和調理電路采集到的張力信號轉變成電信號經放大電路放大以后，通過A/D轉換輸送到數據采集卡PCI-1710/1710HG中，通過LabVIEW的數據采集助手將所采集的數據信號傳輸到計算機中。軟件設計的主要工作是紗線張力值的實時顯示、歷史數據查詢、張力異常報警、數據保存。軟件的設計實現流程如圖3所示。

圖3 軟件設計實現流程Fig.3 Implementation process of the software design

3.1 軟件部分主要設計步驟

(1)確定張力采樣頻率。立體織機送經速度較慢且由于經紗張力是一個連續變化的量，考慮到所采集數據的準確性，設定每秒采集10次張力數據，因此在DAQ采集助手中設置其采樣率為10 Hz，以采集的每10個數據為一組，并將其以數組的形式向下級程序傳遞。

(2)確定張力保存時間間隔。考慮到系統的實際應用情況，不必每隔0.1 s就對張力數據進行保存。因此，對1 s內采集到的10個數據求平均值，即存入1 s內的平均張力。這樣既能兼顧到檢測系統的靈敏性又不至于使保存的數據文件過于龐大。

(3)利用LabVIEW軟件設計出滿足以上要求的程序。

3.2 張力實時顯示及報警界面

張力實時顯示及報警界面主要功能是將采集到的數據進行轉化后以直觀易懂的方式實時地提供給工作人員，便于工作人員及時掌握整個系統的運行狀態。張力實時顯示及報警界面如圖4所示。

圖4 張力實時顯示及報警界面Fig.4 Interface of tension real-time display and alarm

該界面包括3部分，分別是張力實時顯示、數據處理和張力異常報警。張力實時顯示部分，主要是將采集的張力以數字及曲線的形式實時顯示出來。數據處理部分，主要是對采集的張力數據進行實時分析并得到當前數據的平均值、最大值以及最小值。工作人員可參考這3個指標決定當前立體織物是否需要進行繼續織造。張力異常報警部分，主要是進行張力出錯報警，當經紗張力值超出系統所允許的范圍時，對應報警器立刻工作，提醒工作人員在立體織機經紗張力出現問題時須進行停機檢查。

3.3 數據保存

實時顯示的張力信號數據可以通過軟件程序自動保存下來。以往檢測系統對張力數據采用Excel保存方法。立體織機長時間工作采集的數據多，隨之產生的數據文件較大，如采用Excel保存則數據管理比較難，因此，張力數據可采用數據庫保存。數據庫保存方法將解決數據文件大、文件數多、管理難等問題[7-9]。

3.3.1 LabVIEW與Access數據庫的連接

Access使用方便、靈活性好、開發成本低、統計功能強，同時存儲空間滿足張力數據的要求，因此，系統數據庫采用Access。LabVIEW訪問Access前，必須首先對ODBC(open database connectivity)數據源進行配置。ODBC數據源的配置一般是通過Windows系統下的ODBC數據源管理器進行手動完成[10-11]。通過ODBC數據源連接Access數據庫的具體操作流程如圖5所示。

圖5 ODBC數據源配置操作流程Fig.5 Operation process of ODBC data source configuration

3.3.2 序列號形式

數據庫與LabVIEW的連接完成以后利用LabSQL工具包編程，實現LabVIEW與Access數據庫之間的通信。數據可采用的保存方式有兩種，分別是整體存儲和按天存儲。整體存儲方式適用于連續數據保存，按天存儲方式可避免存入數據時間出現中斷并且存入的數據便于查詢和調取。立體織機無法保證連續工作，因此，張力數據的保存適合采用按天存儲模式，每天采集的張力數據存儲到當日表格中，表格按日期自動生成的序列號命名。

3.3.3 數據保存格式

立體織機工作時，系統程序在數據庫中自動創建保存當天經紗張力數據的表格，并對其進行命名。該系統連續運行一段時間以后自動記錄并保存下來的張力數據如圖6所示。例如，第一行數據表示的是2017年5月1日第301次進行數據采集，并顯示該次采集時間是發生在21：22：24，各經紗張力值分別是30.173 248、38.435 731、25.436 183、32.367 178 N。保存下來的張力數據條理清晰、可讀性強、信息量豐富并為后續歷史數據查詢以及人工分析與反饋提供依據。

圖6 張力采集數據保存Fig.6 Preservation of tension data acquisition

3.4 張力查詢界面

張力查詢界面主要功能是對數據庫中歷史數據進行調用，并進行分析處理后以曲線及數字的形式供工作人員參考，便于工作人員及時了解所查詢數據包含的重要信息。張力查詢界面如圖7所示。

圖7 張力查詢界面Fig.7 Interface of tension query

該界面主要由查詢參數設置、歷史數據顯示、歷史數據處理3部分組成。查詢參數設置部分，主要是對序列號及所要查詢的時間段進行設置。歷史數據顯示部分，主要是將所查詢的各項歷史數據以曲線的形式顯示出來，工作人員可快速地觀察到曲線的走向及波動程度。歷史數據處理部分，主要對所查詢數據進行一定的分析處理，獲取最大值、最小值、平均值以及標準差，該4項指標對于立體織物的質量等級評定具有重要意義。

4 結 語

本文系統針對立體織機多經軸經紗張力檢測的具體要求，利用LabVIEW設計了人機友好的工作界面，可以實時檢測多個經軸的經紗張力情況，并對檢測的張力數據進行處理和分析，相較于以往的張力檢測系統，該系統顯得要更為直觀。高精度傳感器及數據采集卡提升了本文系統檢測精度。系統穩定性好、安全性高、環境適應能力強，可以實時檢測出送經過程中經紗的張力，通過對當前數據的分析降低了立體織物殘次品出現的幾率。同時，該檢測系統通用性良好，也可應用于其他紗線張力檢測領域。