緯編針織紗線輸送狀態檢測方法及其動態特性

彭來湖，章鈺娟，呂永法，戴 寧, 李建強

(1.浙江理工大學 現代紡織裝備技術教育部工程研究中心，浙江 杭州 310018；2.浙江日發紡機技術有限公司，浙江 紹興 312500；3.浙江理工大學龍港研究院有限公司，浙江 溫州 325000)

針織生產過程中，紗線斷裂是較常見的一種故障[1]，當紗線運動時發生速度過快或者張力過大等突變時易造成斷紗，不僅浪費針織原料、增加工作量，而且降低產品質量[2]。傳統紡織企業對紗線狀態的檢測通常采用人工檢測的方法，但是針織機輸紗口一般多達數十個甚至逾百個且針筒轉動迅速，即使發生紗線斷裂的情況，肉眼也很難分辨[3]。

通過國內外學者們的研究，當今的紗線狀態檢測技術已經得到了有效的提升，現在紗線輸送狀態的檢測方法有2大類：接觸式檢測和非接觸式檢測。接觸式主要通過機械傳感[4]，通過接觸的方式根據紗線強度來判斷紗線是否斷開，但結構比較復雜，而且接觸過程中易沾染粉塵油污，準確性不高。非接觸式主要有2種：一種通過運用工業相機[5]，對圖像數據進行采集、計算和處理，如果圖像中有不符合判定規律的情況出現，就說明出現了斷紗的情況，這種方法準確率較高，但是成本也比較高；另一種是通過光電傳感的方式，將紗線的運動信號轉化為電信號，并對其進行信號處理從而分析是否斷紗，這種方式成本低、適用范圍廣[6-7]。

本文基于光電傳感的非接觸式紗線輸送狀態檢測方法進行研究，提出雙目式光電感應差分測量方法，以期對針織過程中紗線輸送狀態的檢測方法進一步探究。

1 緯編針織紗線輸送狀態特征

針織機送紗過程如圖1[8-9]所示，紗線從紗筒上牽引下來, 經過輸紗器上的傳動組件和傳感器組件, 纏繞到輸紗器的繞紗筒上, 經過輸紗器的斷紗報警器感應桿后,鉤在針筒內織針的針鉤上，所需輸紗器的個數由圓緯機紗線路數決定。當針織機正常工作時，紗線在針筒的轉動下隨著織針的不同動作完成相應的編織。

圖1 針織機送紗示意圖

紗線經過送紗后傳輸到提花編織機構，提花編織工藝廣義上指通過不同顏色的紗線形成花紋圖案或者同種顏色的紗線由組織結構的變化形成花紋或者成形織物，系統提花編織主要根據用戶提供的花型信息配合編織；在變密度編織工藝過程中，通過動態地改變1個編織橫列的編織密度，即可以產生特殊的花型效果[10-11]，也可以在編織絞花和收針時根據需要在不同部位設定不同的線圈長度。

紗線輸送準確的狀態特征以及相關工藝的實現對紗線動/停狀態以及紗線張力的穩定有嚴格的要求，一旦紗線動/停狀態或者紗線張力出現差異，編織過程中花型密度、排列和線圈長度等就會出現異常，從而影響產品質量。因此，研究在輸送過程中紗線的狀態以及紗線張力的變化，對后續織物進行質量分析評估具有重要意義。

2 紗線輸送狀態檢測原理

2.1 光電傳感檢測原理

利用光電傳感的原理來檢測紗線的輸送狀態主要運用到紅外發射二極管和光電傳感器，感應區紗線狀態示意如圖2所示。紅外發射二極管通電時會發射出一定波長的紅外光，將其作為紗線狀態感應的光源，可以減少可見光的干擾。光電傳感器使用兩分割雙向感應雙輸出紅外接收器，其內部由2個光敏二極管組成。紗線處于發射二極管與光電傳感器構成的通道感應空間內，使得紗線平面投影處于2個光敏二極管的中間位置，在感應區中工作的紗線有2種狀態，分別為紗線靜止和紗線運動，受紗線遮擋，光電傳感器感生的雙路電流具有差分特性，并隨紗線波動而差動變化。

圖2 感應區紗線狀態示意圖

正常工作狀態下，在同一固定長度內，當紗線靜止時，紅外光經過感光區到達光電傳感器上兩側的投影是固定不變的；當紗線運動時，紗線會因為輸送中的約束而抖動，并上下左右晃動擋住部分紅外光而形成不同的投影，并且隨著紗線張力或者紗線粗細的變化，紗線在弦線效應作用下的抖動也會隨之變化，從而導致光電傳感器左右兩側接收到的光量不同，繼而兩路輸出的電流值存在差異。紗線在不同狀態下得到的光電傳感器兩路輸出量IN1和IN2波形如圖3所示,當紗線靜止時，兩路輸出量保持不變，如圖3(a)所示；當紗線正常運動時，光電傳感器兩路輸出的是差分信號，如圖3(b)所示，并且它們之間的差值在時刻變化。通常情況下紗線都非常細，在感應區引起的光量改變很小，所以光電傳感器的兩路輸出電流非常小，轉換成電壓量后需要將其進行放大處理。

圖3 IN1和IN2輸出量波形圖

2.2 信號檢測電路

因為差分放大電路具有放大差模信號，抑制共模信號的特點，為適應紗線狀態信號弱信噪比的特點，設計的信號檢測電路如圖4所示。差分放大電路將光電傳感器輸出的兩路信號IN1和IN2的差值放大，放大倍數可通過調節電路中的電阻大小來進行調節，為濾除白噪干擾，放大后的信號設計濾波電路進行處理。

圖4 信號檢測電路

運算放大器參考地是0 V，IN1和IN2為交流信號，二者的差值有正有負，為防止信號檢測電路工作時底部失真，在差分放大電路和濾波電路中加入直流偏置電路，信號電壓與直流偏置電壓進行耦合，最終得到電壓信號OUTA。

3 實驗部分

3.1 實驗平臺搭建

由信號檢測原理可知，紗線輸送過程中IN1和IN2的大小跟隨紗線狀態的變化而時刻變化，變化量呈現差分特性，是差模信號，數值是單端檢測的2倍。差分放大電路輸入量和輸出量之間呈線性關系，在濾波電路作用下，2 kHz以內的信號可不失真1∶1通過，因此，得到的電壓信號OUTA可有效反映紗線輸送狀態變化情況。

實驗過程中，通過調節紗線張力和紗線粗細來改變紗線的輸送狀態，搭建的實驗平臺如圖5所示。實驗中固定其他變量，通過改變紗線張力或紗線粗細，利用示波器來觀察電壓信號OUTA的變化。紗線通過導向輪由伺服電動機牽引，紗線輸送張力變化通過改變伺服電動機牽引速度實現。實驗平臺中安裝紗線狀態光電傳感檢測器，紗線通過傳感器的感應區，信號檢測電路與示波器連接，對電壓信號OUTA進行采集。

圖5 實驗平臺

3.2 實驗方法

實驗主要分析研究紗線張力和紗線粗細的改變對光電傳感檢測器信號檢測電路中電壓信號的影響，因此實驗需要調節的參數是紗線張力和紗線的粗細；在紗線正常運動工作范圍內，實驗設置紗線進行勻速直線運動，采用積極式送紗方式，同時準備了5種相同紗線種類不同粗細的紗線進行實驗，紗線線密度為27.77 tex。先通過調節張力器來設置不同的張力，來觀察電壓信號OUTA的變化；再將5種不同粗細的紗線設置在同一運動速度和張力下，觀察電壓信號OUTA的變化。為了實驗數據的可靠性，每組速度下的電壓信號測量5次，且不同粗細的紗線電壓信號各測量5次，且每組實驗結束后更換新的紗線。

4 實驗數據分析

4.1 不同張力下電壓信號波動分析

紗線在正常工作時光電傳感器信號電路電壓信號曲線如圖6所示。可以看出，紗線正常工作時，電壓信號主要集中在一定的區域。且實際測試中紗線在張力大小改變時，集中的區域也在變化。

圖6 紗線正常工作時的電壓曲線

為全面評價電壓信號波動情況，借助通用評價指標對電壓信號進行分析，使用平均值和方差來描述紗線的抖動程度以及紗線抖動幅值范圍的變化。信號檢測電路輸出電壓OUTA為光電傳感器和2.5 V 直流偏置電路耦合的電壓，光電傳感器兩路輸出為交流信號，為了數據的準確性，對直流偏置前的電壓取絕對值再求取平均值和方差，根據3.2的實驗方法得到如圖7所示的統計結果。

圖7 不同張力下紗線抖動評價指標

由圖7(a)可知，隨著紗線輸送張力的增大，光電傳感器的兩路輸出差異逐漸減小，輸出電壓OUTA的平均值逐漸減小。如圖7(b)表明隨著紗線張力的增加，輸出電壓OUTA的方差逐漸減小。此時光電傳感器信號檢測電路的輸出電壓的變化量波動逐漸平緩，紗線整體波動逐漸減小。

為進一步研究紗線輸送時紗線整體波動隨紗線輸送張力增大而趨向平穩的特性，對所得的20 s內的電壓信號數據進行頻數分布分析。根據頻數分布曲線圖的繪圖步驟，得到不同張力下電壓的最大值和最小值，選擇電壓統計范圍為-0.2 V～5.2 V，以組數來劃分，將電壓劃分為100組，每組電壓間距為0.054，分別統計落在這100組區間內的電壓個數，根據實驗平臺實際張力設置范圍，以5 cN為一檔進行調節，得到如圖8所示的頻數分布曲線圖。

圖8 不同張力下紗線電壓信號頻數分布曲線

對比不同張力下的曲線可以看到：張力值較小時，紗線的電壓信號分布比較分散，此時曲線的波峰低，寬度寬，說明電壓信號的分布較為分散，紗線的抖動差異較大；隨著測試張力的不斷提高，曲線的波峰越來越高，寬度不斷減小，從之前的1.25 V～4.12 V 的區間集中到2.176 V～2.77 V之間。說明紗線輸送張力的逐漸增大，使得電壓信號平均值附近數據分布逐漸集中，紗線的抖動差異在逐漸減小，趨向平穩。

4.2 不同粗細紗線電壓信號波動分析

為研究不同粗細紗線對光電傳感檢測器信號檢測電路輸出電壓信號的影響，實驗中統一伺服電動機牽引速度為600 r/min，紗線張力控制在15 cN,得到5種不同粗細紗線下OUTA的數據，通過統計平均值和方差來觀察紗線粗細對信號的影響，得到如圖9所示的曲線圖。

圖9 不同粗細紗線抖動評價指標

由圖9(a)可知，在紗線直徑為0.8 mm以下時，隨著紗線直徑的增大，OUTA的平均值和方差均逐漸增大，表明隨著紗線直徑的增加，紅外光遮擋光量面積增大，光電傳感檢測器信號檢測電路的輸出電壓的變化量也逐漸增大；由圖9(b)可知，隨著紗線直徑的繼續增大，當紗線直徑大于0.8 mm時，OUTA的平均值和方差的變化都逐漸趨于平穩。進一步對電壓信號的頻數分布統計得到圖10所示的頻數分布圖。

圖10 不同粗細紗線電壓信號頻數分布曲線

從不同粗細紗線下電壓信號頻數分布圖可以看到：紗線較細時，紗線的電壓信號主要集中在 2.122 V～2.662 V之間，且集中區域組與組之間的差距較大，曲線的波峰高，寬度窄，說明電壓信號的分布較為集中，電壓信號波動較小；隨著紗線直徑的增加，曲線的波峰越來越低，寬度不斷增大，說明紗線直徑的增大，使得光電傳感器電壓信號平均值附近數據分布逐漸分散，不同時間段電壓信號的差異增大，紗線抖動差異逐漸增大；當紗線直徑達到0.8 mm時，隨著紗線的直徑繼續增加，曲線相差很小，紗線抖動的差異趨于穩定，這是由于紗線直徑到達一定數量級時，紅外光經過紗線到達光電傳感器的投影能夠覆蓋整個感光區域，從而使得光電傳感器輸出區域穩定。

4.3 不同粗細不同張力下電壓波動分析

為進一步地研究不同張力和不同紗線粗細對光電傳感檢測器信號檢測電路的輸出電壓的影響，實驗中使用5種不同粗細的紗線，針對每一種粗細的紗線設置不同的紗線張力，觀察光電傳感器的電壓信號OUTA變化，得到如圖11所示的曲線。

圖11 不同粗細不同張力下紗線電壓信號分析

由圖11可以看出，隨著紗線張力的增大，光電傳感器得到的電壓在逐漸減小，同時保持紗線張力不變，不斷增加紗線粗細，光電傳感器的電壓信號在不斷增加，實驗結果與4.1和4.2節中的結果相對應。

5 結 論

通過對緯編針織中紗線動/停及張力波動等不同狀態導致編織異常現象的研究，本文設計了一種雙目式光電感應檢測方法，將紗線運動狀態轉化為光電傳感器的輸出信號，通過搭建實驗平臺完成不同狀態的紗線與光電傳感器輸出的實驗檢測，從而得到積極式送紗方式中針織機紗線張力及紗線粗細與光電傳感器電壓信號的關系，主要得出以下結論：

1)隨著紗線張力的增大，差值信號的平均值和方差在逐漸減小，表明紗線波動幅值在逐漸下降，紗線整體波動水平逐漸減弱。

2)改變紗線粗細會使紗線波動幅值以及紗線波動差異逐漸增大；當紗線直徑增加到一定值時，紗線波動幅值以及紗線波動差異趨于平穩。

實驗結果與檢測方法相符，對后續光電傳感檢測技術和紗線張力的運動特性研究具有廣闊的應用前景。