集束短纖張力檢測系統設計

周桂洋，李德駿，王一帆，王 成，程 康，劉會清，張 乾

(1.武漢紡織大學 電子與電氣工程學院， 湖北 武漢 430200； 2.中國石化儀征化纖有限責任公司， 江蘇 儀征 211400)

在聚酯短纖生產過程中，張力調節是控制聚酯短纖質量和產量的關鍵指標之一[1]。進入短纖維牽伸機的聚酯短纖如果張力過大，則容易造成短纖牽伸過度，影響短纖的彈性，增加細結和斷頭；而張力過小又會使聚酯短纖成形不良，產出粗纖維和次品纖維[2-3]。對于現有的聚酯短纖生產線中，張力調節都是工人憑借經驗手動調節盛絲桶上方的張力調節器來解決聚酯短纖在經過牽伸機時產生的張力不均問題，而沒有科學的數據去指引工人進行精確地調節。因此研制聚酯短纖張力檢測調節系統具有重要的生產意義和經濟效益。

目前，國內外對紗線、鋼絲、紙張等產品張力檢測設備有許多的研究，但并沒有具體應用在聚酯短纖牽伸階段張力檢測調節的設備[3-5]。意大利Savio公司生產的Qrion M/L/K自動絡筒機和德國Schlafhorst公司生產的Autoconer 338RM/K/E自動絡筒機配置的都是積極式絡紗張力控制技術，該系統通過單錠電腦張力控制系統，驅動筒槽的伺服電動機、張力裝置、張力傳感器形成反饋式張力調節系統，監測調節絡紗張力[6-7]。絡筒機絡紗的生產條件與短纖維牽伸機生產線的生產條件并不符合，而且這些設備在控制紗線張力時，主要使用的是電磁式絡紗張力自動控制技術，導致無法直接借鑒使用。為了提高聚酯短纖產品的質量和減少剩絲帶來的浪費，在不破壞原有生產線的前提下，設計了一套能夠嵌入到原生產線上的聚酯短纖張力檢測設備。在絲束進入牽伸機構前的集束環節，安裝絲束張力實時監控裝置，能夠精確地采集24束絲的張力數據，保證多個張力測量裝置的準確度和一致性，隨后將該信號傳輸給計算機系統，計算機進行數據處理后，實時在工控機上顯示出每束絲的張力數據，同時將數據記錄進數據庫保存，并能對超出正常范圍的異常張力數據發出警報。本文系統在檢測方面使用自動校準調零的控制算法，在運行長時間后，系統依然能夠非常精準的測量集束絲的張力。

1 系統結構與工作原理

1.1 聚酯短纖生產工藝流程

從原料到成品，從聚酯熔體到切割打包好的聚酯短纖，其整體的生產過程由前紡和后紡2部分組成。

前紡車間主要圍繞著卷繞生產線、配桶生產線開展。在卷繞階段，聚酯熔體通過噴絲孔噴出后形成原絲，經過成束輪之后就會產生束前纖維，束前纖維合并形成纖維束之后經給濕上油后落入到盛絲桶中，盛滿絲束的盛絲桶隨著撥絲板動作實現換桶。在配桶階段，操作人員將相同或相近參數的纖維束分配到同一條牽伸線上，依據配桶要求將盛絲桶轉移到集束區域，完成配桶。

后紡車間短纖生產流程如圖1所示。前紡加工后聚酯短纖絲束從盛絲桶中被絲束調節器牽出，經由調節器改變方向從而穿入上方瓷眼及下方瓷眼。絲束經由下方瓷眼穿出后直接進入張力架、牽伸機，經過蒸汽預熱、卷曲疊絲、熱定形等處理后再進入蒸汽加熱箱，最后進入切割打包流水線。

圖1 短纖生產流程圖Fig.1 Short fiber production flow chart

1.2 張力檢測原理

根據聚酯纖維的抗皺耐磨彈力小的物理特性，建立了動態聚酯纖維相應的力學模型。張力檢測裝置模型如圖2所示。圖中①為張力架上靠近瓷眼一側原有的輔助輥，②為張力架上靠近牽伸機一側原有的輔助輥，③為根據現場工況所設計的張力檢測頭，④為正常工作狀態下移動的聚酯短纖維絲束。

圖2 張力檢測裝置模型Fig.2 Tension detection device model

當伺服機構向下移動時，張力檢測壓頭壓在集束聚酯纖維上，會與兩側的輔助輥形成基本的力學模型。如果忽略陶瓷滑輪軸承上微小的摩擦力，那么轉動中的壓頭與正在高速移動的聚酯纖維保持相對靜止狀態，利用“相對靜力分析法”來檢測聚酯纖維的張力。相對靜力分析法力學模型如圖3所示，張力檢測理論計算見式(1)：

圖3 相對靜力分析法力學模型Fig.3 Mechanical model of relative static analysis method

(1)

式中：T為聚酯纖維的張力值,N；F為傳感器測得的力,N；d為張力檢測頭底部與輔助輥頂端的垂直距離,m；l為張力檢測頭底部與輔助輥頂端的直線距離，m；v1和v2分別為兩側輔助輥線速度,m/s。

根據聚酯纖維形態穩定的物理特性，正常狀態下v1≈v2，2根測量輥之間的距離h為固定值，而傳感器測量值F、伺服裝置垂直方向的位移量d均可由系統內部檢測得到。

2 集束張力檢測系統硬件設計

2.1 集束張力檢測系統結構方案

本系統主要由張力檢測、數據處理、檢測裝置調節和預報示警4部分組成。張力檢測部分通過應變片式壓力傳感器對24束等長等粗的集束聚酯纖維進行張力檢測，由張力變送器將采集到的張力信號進行放大濾波，通過485轉USB模塊傳給工控機進行數據處理。工控機數據處理部分主要是通過SQL Server 關系型數據庫管理系統實現對配桶環節的數字信息化管理工作，將采集到的張力數據實時顯示在車間屏幕上，同時將檢測值保存至數據庫，方便日后查詢，提高工廠的生產管理水平和生產信息記錄規范水平。檢測裝置調節部分主要是通過改變壓頭位置和伺服控制系統進行調節。預報示警部分主要是通過車間屏幕對異常數據進行實時顯示，并通過報警燈警示操作人員異常情況。集束張力檢測系統方案設計框圖如圖4所示。

圖4 集束張力檢測系統方案設計框圖Fig.4 Scheme design block diagram of cluster tension detection system

2.2 硬件系統設計

硬件系統主要由 485 通信電路、按鍵電路、限位電路、復位電路、方向電路、 PWM 波電路、編碼器電路以及繼電器模塊控制的剎車信號和警示燈9部分組成，主控制器 MCU 采用的是 STM32F407ZGT6[8-9]。硬件系統電路結構如圖5所示。

圖5 硬件系統電路結構Fig.5 Hardware system circuit structure

聚酯纖維張力的檢測就是向張力架兩側輔助輥之間的絲束施加垂直方向的力，為此設計了龍門架式結構，利用兩邊的伺服機構上下移動和橫梁上的張力檢測壓頭來對絲束施加垂直方向的力。在橫梁上系統搭建了24個可移動式伺服機構檢測頭，可以同步檢測同一批次的24束聚酯纖維，當工人收到異常張力警報時，可以通過調整壓頭上的螺母來調節壓頭的位置進而調整絲束的張力，或者利用伺服機構上下移動調節絲束的張力，龍門架式可移動檢測結構如圖6所示。

圖6 龍門架式可移動檢測結構Fig.6 Gantry movable detection structure

3 集束張力檢測系統軟件設計

3.1 張力檢測程序設計

張力檢測程序首先對系統變量進行初始化，對空載的張力傳感器進行調零校準。當張力傳感器檢測運行的聚酯纖維張力趨于穩定且測量值在±1 N范圍內保持不變時，張力變送器通過Modbus通訊協議將24路采集的張力測量值信號傳輸給上位機進行滿度校準工作。張力檢測程序流程如圖7所示。

圖7 張力檢測程序流程Fig.7 Tension detection procedure flow

3.2 單片機主程序設計

單片機主要實現對伺服電動機的控制。單片機使用2個I/O口分別接收上限位開關與下限位開關的信號，通過2個限位開關來對伺服電動機的上下限位的位置進行標定，可以有效地保證龍門架的上下移動范圍及平衡。單片機在收到上位機手動操作的指令后進入手動操作模式，可以通過按鍵控制電動機的升降，方便操作人員強制對伺服電動機進行操作。單片機主程序流程圖如圖8所示。

圖8 單片機主程序流程圖Fig.8 Single chip microcomputer main program flow chart

3.3 上位機管理系統設計

上位機使用SQL Server關系型數據庫管理系統實現對張力監測的數字信息化管理，根據實際生產過程中的需求，管理系統由調零滿度校準、伺服系統設置、張力歷史數據查詢、張力實時顯示和用戶管理5個模塊組成。該系統可以實時顯示該條生產線上所有紡絲工位的張力值，當系統檢測到某一個或多個紡絲工位張力值異常，會及時向管理系統發送警報信息，操作人員即可通過張力信息修正管理界面對這幾個紡絲工位的張力做出調整，不同權限用戶可以根據各自需求查看近期的張力記錄和報警糾錯記錄，并可以打印系統生成的記錄報表以便日常生產管理。集束張力檢測調節管理系統架構如圖9所示[10]。

圖9 集束張力檢測調節管理系統架構Fig.9 Cluster tension detection and regulation management system architecture

4 實驗結果

集束張力檢測系統是一套能夠嵌入到原生產線中的張力檢測設備，能夠實時檢測24束絲的張力，使工人能夠隨時在工控機顯示器上觀測每一束絲的張力情況，并對超出正常范圍的異常張力進行記錄以及實時報警。現場工作圖如圖10所示。

圖10 現場工作圖Fig.10 Field work diagram

首先，張力檢測裝置利用伺服電動機實現張力傳感器的同步升降，牽伸機工作時，電動機帶動檢測頭下壓到絲束上，可以實時監測絲束張力；牽伸結束時，電動機帶動檢測頭上升，為生頭留下操作空間。根據工廠實際需求，單束張力測量范圍為0～50 N，張力值檢測精度為0.1 N，檢測頻率0.3 s/次。

其次，通過聚酯短纖牽伸生產線的運行進行驗證。由于測試需要，短纖維牽伸機生產線操作人員將集束張力檢測系統開啟持續運行24 h，以檢驗系統檢測精度及穩定性。

聚酯短纖牽伸生產線測試數據信息見表1。可知，系統運行穩定，張力傳感器受力均勻，所有被測絲束的張力都被限制在±1 N范圍以內，為生產出質地均勻、品質良好的聚酯短纖提供了技術支持。

表1 聚酯短纖牽伸生產線測試數據信息Tab.1 Test data information of polyester staple fiber drafting production line N

5 結束語

集束張力檢測系統能夠實時地將24束絲的張力值通過工業網絡傳輸到工控機，檢測識別非常準確，能夠實時記錄每一批絲束的張力值，通過工控機顯示實時張力數據及報警提示，可以立即發現24束絲的張力值變化。整個系統很好地實現了集束張力的實時檢測，通過長期的運行試驗，張力檢測精度達到了0.1 N每束絲，完全滿足預期的研究指標要求。