集束張力自動巡回檢測系統

王一帆，李德駿，周桂洋，程 康，王 成，劉會清，李廣龍

(武漢紡織大學 電子與電氣工程學院，湖北 武漢 430200)

牽伸張力測量在聚酯纖維后紡加工過程中十分重要，牽伸張力的大小影響著聚酯纖維產品質量[1]，因此只有實現絲束張力檢測才可完成絲束張力調控。在紡織產品的張力檢測過程中，有許多種張力檢測方法。傳統絲束張力檢測的方法是工人手持便攜式張力檢測儀進行絲束張力檢測。在張力自動檢測方向，有學者研發出基于絲束形變的張力采集系統[2]，該方法通過攝像頭采集絲束的圖像，然后通過圖像中絲束的形變程度計算絲束的張力，此系統的優點是非接觸式測量，可以在不影響絲束牽伸的情況下檢測出絲束的張力，缺點是這種測量方式的準確率較低。除此以外，依靠大型設備也可實現絲束張力檢測和調節[3]，如天津紡織機械廠研制的FA481和太行機械廠研制的FA425等張力控制設備[4]，但此種設備造價高昂，不利于推廣。袁浩然等[5]設計了一種固定式多檢測頭的張力檢測設備，此種張力檢測裝置的優點是設計簡單，缺點是裝置復雜，成本高昂，傳感器長期使用后容易變形。針對以上問題，本文設計出一套基于圖像匹配定位[6]的絲束張力自動巡回檢測系統，它具有高精準度、高效率、低成本等優勢。

1 系統總體方案設計

本文設計系統的張力巡回檢測平臺是一套龍門架式結構，在龍門架橫梁兩端安裝限位傳感器限制自動巡回檢測的范圍[7]，在龍門架橫梁中心處安裝1個全景攝像頭，張力巡回檢測裝置由橫向電動機驅動在橫梁兩端巡回移動[8]。局部攝像頭安裝在巡回檢測裝置下方，巡回檢測裝置由縱向電動機、局部攝像頭、檢測壓頭、張力傳感器等組成[9]。絲束在張力架下方接觸輔助輥運動。單片機驅動橫向伺服電動機使檢測裝置從左往右移動[10]，通過全景攝像頭采集的絲束圖像和局部攝像頭采集的絲束圖像進行絲束匹配[11]。當匹配成功時，橫向電動機停止運動，縱向電動機開始工作。縱向伺服電動機驅動檢測壓頭下降，當下降到某一合適位置時，縱向電動機停止運動，檢測壓頭開始檢測絲束的張力。傳感器將含有張力信息的電信號經變送器以Modbus協議傳輸給上位機系統[12]，上位機對采集的張力數據進行實時處理并顯示。當檢測結束后，縱向電動機驅動檢測壓頭復位，隨后橫向伺服電動機驅動檢測裝置向下一個檢測點移動。當所有絲束的張力檢測完畢后，檢測裝置復位，隨后開始下一輪的絲束張力檢測。圖1為自動巡回張力檢測裝置示意圖。

圖1 自動巡回張力檢測裝置

張力自動巡回檢測系統主要由張力檢測裝置定位系統、張力測量系統、圖像采集系統、伺服電動機驅動系統、張力數據與上位機通信系統和軟件系統組成，系統總體結構圖如圖2所示。

圖2 張力自動巡回檢測系統結構圖

2 集束張力巡回檢測系統設計

2.1 多絲束匹配定位算法

在集束張力巡回檢測系統的設計中，需要獲取待檢測絲束的精確位置[13]，因此本文設計了一種多絲束匹配定位算法。在該算法中，首先在全局絲束圖像和局部絲束圖像中尋找到每條絲束的中心檢測點，然后通過全局攝像頭采集的全局絲束圖像和局部攝像頭采集的局部絲束圖像中同一絲束的匹配，實現局部絲束圖像中某一待檢測張力的絲束在全局絲束圖像的精準定位。

多絲束張力巡回檢測工作流程圖如圖3所示。

圖3 多絲束張力巡回檢測工作流程圖

2.2 巡回裝置定位流程

在待檢測絲束實現精確定位后，張力自動巡回檢測系統利用絲束的位置信息和擬合的運動軌跡提取伺服系統的控制變量λn[14]，隨后利用橫向伺服定位系統控制巡回檢測裝置到達指定的絲束檢測點。通過伺服編碼器反饋的參數Δn不斷調整伺服電動機的橫向控制參數[15]，當確認橫向伺服電動機已到達目標位置后，縱向伺服定位系統控制縱向電動機下降到達絲束的張力檢測點。巡回裝置到達檢測點流程見圖4。

圖4 巡回裝置到達檢測點流程

2.3 伺服系統定位控制算法

2.3.1 導軌滑臺定位控制

本文設計系統中伺服電動機主要采用位置模式和脈沖列加方向的邏輯型式進行控制[14]。伺服控制器接收具有方向性的脈沖進行移動[15]。伺服電動機移動的距離取決于外部輸入的脈沖、導絲桿螺距的精度和伺服控制器電子齒輪參數比。位置指令需要的脈沖數見式(1)：

(1)

式中：f2為位置指令脈沖數，p/rev；f1為外部輸入脈沖數，p/rev；N為電子齒輪比分子；M為電子齒輪比分母。當張力檢測壓頭到達絲束檢測點后，到達下一個絲束檢測點之間的距離見式(2)：

(2)

式中：Dn表示從上一個檢測點到達第n個檢測點之間的距離，mm；L為絲束檢測平面的實際長度，mm；X表示絲束檢測平面在圖像中像素的長度，pixel；xn表示第n個檢測點的橫坐標，xn-1表示第n-1個檢測點的橫坐標。

本文設計系統所用的伺服電動機絲桿螺距精度為3 mm，編碼器PPR為2 500 pulse,采用A相編碼器進行解析反饋回來的脈沖信號。若設定電子齒輪比為10 000/3 000,則絲桿1 pulse指令移動的距離為1 μm，該絲桿工作示意圖如圖5所示。

圖5 絲桿工作示意圖

在導軌滑臺的定位控制過程中，通過全局絲束圖像和局部絲束圖像實現待檢測張力絲束的定位。通過全局絲束圖像計算巡回檢測裝置到達絲束張力檢測點的控制變量，其計算見式(3)：

(3)

式中：λn為絲束檢測點的實際行程，mm;L為絲束檢測平面實際長度，mm;X為原始圖像像素寬度，pixel;Xn為檢測點橫坐標。

根據本文設計系統的伺服電動機絲桿精度和編碼器參數，1 pluse方向脈沖信號驅動的實際行程S(mm)的表達式為：

(4)

通過式(3)和式(4)2個參數可以得到張力巡回檢測裝置到達絲束檢測點的方向脈沖信號數量ω(pulse)。張力自動巡回檢測系統會根據該參數向伺服控制器發送相應的方向脈沖信號個數，控制伺服電動機使張力巡回檢測裝置到達絲束檢測點，該方向脈沖信號的個數見式(5)：

(5)

系統通過伺服控制器上的信號接收端口CN1發送方向脈沖信號，并通過其內部編碼器OA和/OA端子，以差動信號方式將伺服驅動器內部的脈沖計數器信號傳輸至單片機。系統根據理論脈沖數量n和編碼器返回的實際脈沖數量n′進行比較，若系統判斷實際脈沖數量與理論脈沖數量有誤差，則系統通過伺服定位算法進行修正理論脈沖數量Δn。

2.3.2 導軌滑臺定位精度

導軌滑臺定位精度是由聚酯纖維絲束寬度和檢測壓頭共同決定。聚酯纖維牽伸絲束寬度通常為30 mm，并且牽伸絲束數量多，間距小。通過工廠環境下測量張力檢測壓頭的寬度為36 mm，綜合以上參數將絲束的定位檢測點的精度設定為±1 mm。聚酯纖維絲束精度示意圖如圖6所示。

圖6 絲束定位精度示意圖

2.3.3 張力壓頭的縱向控制

張力壓頭縱向定位是由縱向伺服電動機進行控制，根據張力檢測壓頭與檢測絲束的高度進行標定。結合工廠環境下實際絲束檢測高度和縱向伺服電動機絲桿精度，當系統確定巡回滑臺進行定位后，由上位機給縱向伺服控制系統發送張力檢測下壓指令。縱向伺服控制器給伺服電動機發送相應的方向脈沖數量，通過絲桿使張力檢測壓頭到達絲束檢測位置。

2.3.3.1檢測壓頭縱向標定原理

檢測壓頭縱向標定需要參考檢測壓頭凹槽到絲束進行張力檢測下壓最低點距離，根據現場實踐環境，發現檢測壓頭凹槽到絲束張力檢測下壓最低點距離為15 cm時，為絲束張力檢測最佳高度。縱向伺服電動機的絲桿精度為3 mm。結合伺服電動機定位原理，張力檢測壓頭到達絲束檢測點，則伺服電動機絲桿行程為50圈，并且電子齒輪比設定為10 000/3 000,所需的方向脈沖信號量為150 000 pluse。檢測壓頭縱向定標示意圖如圖7所示。

圖7 檢測壓頭縱向定標示意圖

2.3.3.2檢測壓頭縱向定標精度

縱向伺服電動機的編碼器PPR為2 500 pluse，采用A相編碼器進行解析反饋回來的脈沖信號，所以檢測壓頭的縱向定標精度可達±0.5 mm。縱向伺服電動機根據編碼器反饋回來的脈沖信號進行判斷檢測壓頭下壓的距離是否準確，若縱向定標精度匹配的脈沖范圍內，則張力檢測裝置正常，若超過定標精度脈沖范圍，則縱向伺服控制器自動校正誤差距離，使系統形成閉環控制方式。

3 實驗驗證和分析

將本文設計的張力自動巡回檢測系統在工廠環境下穩定運行7個多月后，取得了一系列實驗數據，隨機抽取實驗數據中的1根絲束，記錄該絲束1天的張力變化，并繪制張力曲線表。該絲束10 h張力變化如表1所示。

表1 絲束10 h張力變化

由表1可以看出，在1天內絲束的張力相對恒定，絲束張力的變化范圍為20～50 N，絲束的張力均在健康范圍內。隨后測量多天該絲束的張力，結果表明絲束的張力具有通用性和穩定性的特點，說明張力自動巡回檢測系統運行狀態良好。

4 結束語

本文分析了張力檢測在聚酯短纖維后紡階段的重要作用，并設計了張力自動巡回檢測系統，從系統總體結構、硬件設計、軟件設計、實驗驗證等環節闡述了該系統的原理和功能，實現了智能化張力檢測。該系統為紡織企業提高產品質量，減少生產成本提供了途徑。經過工廠7個月的使用情況反饋，證明了該系統能夠準確而穩定地檢測聚酯纖維絲束的張力準確性和價值性。