本發(fā)明涉及一種在線檢測環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡紗張力的裝置及方法，屬于紡紗技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

環(huán)錠紡紗是對粗紗進(jìn)行牽伸、加捻、卷繞工藝的紗線形成過程，紡紗過程中的紡紗張力是指經(jīng)牽伸的紗條在加捻段、氣圈段、卷繞段所受到的張力。通常將紗條由后喇叭口(或后羅拉鉗口)至前羅拉鉗口的這段區(qū)域稱為紗條的牽伸區(qū)，由前羅拉鉗口至導(dǎo)紗鉤的這段區(qū)域稱為紗條的加捻區(qū)；由導(dǎo)紗鉤至鋼絲圈的這段高速旋轉(zhuǎn)的弧形紗條稱為紗條的氣圈區(qū)；由鋼絲圈到高速旋轉(zhuǎn)錠子上的卷繞點這段區(qū)域稱為紗條的卷繞區(qū)。環(huán)錠紡紗過程中廣義的紡紗張力是指紗條在加捻區(qū)、氣圈區(qū)和卷繞區(qū)所受到的張力，分別被稱為加捻區(qū)紗條張力、氣圈區(qū)紗條張力和卷繞區(qū)紗條張力，也可分別簡稱為紡紗張力、氣圈張力和卷繞張力。狹義的紡紗張力是特指在加捻段紗條所受的張力；氣圈張力又分為氣圈頂部張力和氣圈底部張力。一般在錠子一個回轉(zhuǎn)的加捻過程、紗管一個層級的卷繞過程和一落紗的紡紗過程中，由于紡紗過程中導(dǎo)紗板及綱領(lǐng)板有升降運動，同時氣圈高度及形態(tài)、紗管卷繞半徑等都時刻變化的，由此紗條所受張力都是動態(tài)變化的。由于環(huán)錠紡紗系統(tǒng)是一個高速旋轉(zhuǎn)的柔性、非線性加工系統(tǒng)，一般認(rèn)為，影響紡紗張力變化的因素應(yīng)該包含錠子速度、氣圈高度及形態(tài)、紗條細(xì)度、綱領(lǐng)板的位置及管紗卷繞半徑、鋼絲圈重量等因素，紡紗過程中紗條所受紡紗張力的變化是上述諸多因素非線性耦合及相互作用形成的結(jié)果，故紡紗過程紗條所受張力的變化是一個及其復(fù)雜的力學(xué)和非線性數(shù)學(xué)問題。

由于在紗線和織物的生產(chǎn)過程中，紗線張力值過大或其波動值超出允許范圍將造成紡紗斷頭。紗線斷頭率是衡量紗線質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，影響細(xì)紗的產(chǎn)量、質(zhì)量及工人看臺能力。因此在生產(chǎn)過程中測量紗線張力，對紗線張力的變化進(jìn)行均衡性控制，將成為實現(xiàn)高速高效紡紗及黑燈紡紗的一個必要條件。在線檢測環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡紗張力，是環(huán)錠紡紗技術(shù)進(jìn)步進(jìn)程中的一個重要課題。

國內(nèi)外研究者對于上述問題的研究主要集中在以下兩點：①建立力學(xué)模型，結(jié)合微分幾何對紡紗過程中紗條張力及其變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)學(xué)解析，對紡紗張力及其變化進(jìn)行預(yù)測；②數(shù)字化測量技術(shù)對實際紡紗過程中紡紗張力進(jìn)行在線即時測量。

上世紀(jì)80年代，華東紡織工學(xué)院機(jī)械系陳人哲教授創(chuàng)立了紗線力學(xué)理論，以紡紗的加捻—卷繞過程中形成的氣圈為研究對象，建立模型和數(shù)學(xué)解析方法，對氣圈張力、氣圈形態(tài)的形成及其控制進(jìn)行了完美地解析，能對氣圈張力及其影響因素進(jìn)行定量分析，對氣圈形態(tài)變化等進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，但需要實驗手段進(jìn)行驗證。

對于紡紗張力的實驗測試，目前普遍采用接觸式測量法測量加捻段的紗條張力，對于氣圈段張力、卷繞段張力還無法測量。在使用接觸法測量紗線張力時，通過位于兩個固定導(dǎo)輪中間的活動導(dǎo)輪感知紗線張力的手持式全數(shù)字式紗線張力儀，由于導(dǎo)輪與紗線直接接觸，不但增加了額外的摩擦，還使紗條運動狀態(tài)發(fā)生變化，由此改變了氣圈原有的形態(tài)和原有的紡紗狀態(tài)。這種接觸式測量會造成較大的誤差，測量結(jié)果不可復(fù)制，不宜用于長時間的在線檢測，因此存在很多問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種在線檢測環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡紗張力的裝置及方法，能夠?qū)Νh(huán)錠紡紗過程中紗條的動態(tài)張力進(jìn)行非接觸測量。

按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述在線檢測環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡紗張力的裝置，其特征是：包括力傳感器、位置傳感器、cpu以及提供電壓的穩(wěn)壓電源；所述力傳感器嵌在導(dǎo)紗板上，導(dǎo)紗板由基座安裝在細(xì)紗機(jī)導(dǎo)紗板升降桿橫上，力傳感器能夠檢測導(dǎo)紗板處的垂直力以及與導(dǎo)紗板安裝面垂直的水平力；所述位置傳感器設(shè)置在基座上，用于檢測導(dǎo)紗板的位置；

所述力傳感器和位置傳感器的輸出端連接信號采集單元，信號采集單元采集力傳感器和位置傳感器的輸出信號，信號采集單元的輸出端依次連接濾波放大器、a/d轉(zhuǎn)換器和cpu，cpu根據(jù)力傳感器和位置傳感器的檢測數(shù)據(jù)獲取張力數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步的，還包括顯示單元，顯示單元與cpu連接。

所述在線檢測環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡紗張力的方法，其特征是，包括以下步驟：

(1)確定傳感器的數(shù)據(jù)采集密度；

(2)紗線經(jīng)導(dǎo)紗板時，張力對導(dǎo)紗板施加力，力傳感器檢測導(dǎo)紗板處的垂直力fz測及與導(dǎo)紗板安裝面垂直的水平力fy測，位置傳感器檢測導(dǎo)紗板的位置zx，

(3)構(gòu)建坐標(biāo)系統(tǒng)：設(shè)導(dǎo)紗鉤中心為o點，取x軸為過o點且平行于導(dǎo)紗板安裝面的水平直線，取y軸為過o點且垂直于導(dǎo)紗板安裝面的水平直線，取z軸為過o點且垂直于x-o-y平面的鉛垂線，由此構(gòu)建以導(dǎo)紗鉤中心為原點的x-y-z三維空間坐標(biāo)系；設(shè)綱領(lǐng)中心為o’，取過綱領(lǐng)中心o’且與x軸平行的直線為x’軸，取過綱領(lǐng)中心且與y軸平行的直線為y’軸，由此構(gòu)建x’-y’-z三維空間坐標(biāo)系；

(4)根據(jù)構(gòu)建的坐標(biāo)系進(jìn)行受力分析，并由傳感器采集的數(shù)據(jù)獲取紡紗張力tf、氣圈頂端張力tq、氣圈底部張力tr和卷繞張力tω；

紡紗張力氣圈頂部張力氣圈底部張力卷繞張力其中，qz為導(dǎo)紗鉤處支撐力q在z軸上的投影，qz＝fz測；μ為紗線與導(dǎo)紗鉤的動摩擦系數(shù)；σ為紗線與導(dǎo)紗鉤的包圍角；β為頂部氣圈切線與z軸的夾角，γ為加捻段紗線與y軸的夾角，ya為前下羅拉中心到導(dǎo)紗鉤中心的距離，h為前羅拉中心到機(jī)臺水平面的距離；m為氣圈紗條的線密度；rg為綱領(lǐng)半徑；ω為氣圈回轉(zhuǎn)角速度；k為卷繞張力tω與氣圈底部張力tr的比值。

進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)采集密度設(shè)定為氣圈回轉(zhuǎn)速度的n倍或1/n倍。

進(jìn)一步的，當(dāng)測定一個氣圈回轉(zhuǎn)過程中的紡紗張力時，數(shù)據(jù)采集密度設(shè)定為1-4次/轉(zhuǎn)；當(dāng)測定一個卷繞層級過程中的紡紗張力時，數(shù)據(jù)的采集密度設(shè)定為1-2次/轉(zhuǎn)；當(dāng)測定整個落紗過程中的紡紗張力時，數(shù)據(jù)的采集密度設(shè)定為1次/轉(zhuǎn)。

本發(fā)明所述在線檢測環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡紗張力的裝置及方法，對環(huán)錠紡紗過程中紗條的動態(tài)張力及其非接觸測量方法進(jìn)行研究，建立一種新的面向環(huán)錠紡紗系統(tǒng)的紗線張力在線檢測裝置，該裝置對導(dǎo)紗板處的動態(tài)受力情況進(jìn)行即時檢測，在此基礎(chǔ)上，以牽伸-加捻-卷繞等紡紗機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)方程即時求解紡紗張力的動態(tài)變化規(guī)律。將即時動態(tài)監(jiān)測與物理-數(shù)學(xué)方程求解相結(jié)合，由此得到紡紗錠子一個回轉(zhuǎn)的加捻過程、紗管一個層級的卷繞過程和一落紗的紡紗過程中加捻區(qū)紗條張力、氣圈區(qū)紗條張力、卷繞區(qū)紗條張力的瞬時變化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述在線檢測環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡紗張力的裝置的原理框圖。

圖2為本發(fā)明所述在線檢測環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡紗張力的裝置的結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明所述在線檢測環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡紗張力的裝置的工作流程圖。

圖4為導(dǎo)紗鉤和導(dǎo)紗板構(gòu)建的坐標(biāo)系中導(dǎo)紗鉤處動態(tài)受力分析示意圖。

圖5為導(dǎo)紗鉤處和綱領(lǐng)構(gòu)建的坐標(biāo)系中導(dǎo)紗鉤處受力分析示意圖。

圖6為導(dǎo)紗鉤受力分析示意圖。

圖7為圖6中的i放大圖。

圖8為qy變化曲線示意圖。

圖9為氣圈旋轉(zhuǎn)對應(yīng)位置示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

目前的紡紗過程如圖2所示，紗條從后羅拉1處喂入、經(jīng)過中羅拉2牽伸到前羅拉3握持、紗條經(jīng)過導(dǎo)紗鉤8加捻、錠子7回轉(zhuǎn)帶動綱領(lǐng)6在鋼絲圈11上旋轉(zhuǎn)形成氣圈、綱領(lǐng)板12升降最后卷繞到紗管10上。在紡紗時，前羅拉至導(dǎo)紗鉤之間構(gòu)成紡紗段，紗線所受張力稱為紡紗張力tf；導(dǎo)紗鉤到鋼絲圈之間構(gòu)成氣圈段，紗線所受張力分別為氣圈頂部張力tq、氣圈底部張力tr；鋼絲圈到紗管之間構(gòu)成卷繞段。

為能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)紡紗張力自動檢測，需要滿足四個功能要求：一是裝置穩(wěn)定，不影響員工接頭、落紗和清潔工作；二是隨紡紗張力的變化將信號自動采集的紡紗器材；三是將采集信號進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出功能；四是得出測試結(jié)果在屏幕上顯示、打印或應(yīng)用于控制整機(jī)紡紗張力。根據(jù)上述四個功能制定如圖1所示的總體方案，如圖1、圖2所示，本發(fā)明所述在線檢測環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡紗張力的裝置包括力傳感器、位置傳感器、信號采集單元、濾波放大器、a/d轉(zhuǎn)換器、cpu、顯示單元、以及穩(wěn)壓電源；其中，力傳感器5內(nèi)嵌在導(dǎo)紗板9上，導(dǎo)紗板9由基座4安裝在細(xì)紗機(jī)導(dǎo)紗板升降桿橫上，工作性能與同臺其它導(dǎo)紗板一樣；力傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)張力變化信號的自動采集，用于檢測導(dǎo)紗板處的垂直力以及與導(dǎo)紗板安裝面垂直的水平力，紡紗張力tf加捻卷繞時與氣圈頂部張力tq的共同作用下，運動紗線經(jīng)過導(dǎo)紗板時，對導(dǎo)紗板施加力，由于導(dǎo)紗板與力傳感器聯(lián)為一體，導(dǎo)紗板所受的力經(jīng)力傳感器產(chǎn)生信號；所述位置傳感器設(shè)置在基座4上，位置傳感器檢測導(dǎo)紗板的位置，力傳感器和位置傳感器輸出電壓信號由信號采集單元采集后經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)理轉(zhuǎn)換，再由cpu讀取被測數(shù)據(jù)，并由顯示單元進(jìn)行顯示；所述穩(wěn)壓電源用于給cpu等供電。

本發(fā)明所述在線檢測環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡紗張力的裝置的工作原理：當(dāng)紗線經(jīng)導(dǎo)紗板時，張力對導(dǎo)紗板施加力，力傳感器和位置傳感器將發(fā)生形變，產(chǎn)生隨力變化的模擬電壓信號，位置傳感器輸出隨導(dǎo)紗板位置變化的模擬電壓信號；模擬電壓信號經(jīng)過過濾放大后，再經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換器，將其模擬量信號轉(zhuǎn)換成便于cpu處理的數(shù)字量信號，數(shù)字信號輸出到cpu運算形成張力信號源。cpu根據(jù)鍵盤命令以及程序?qū)⑦@種結(jié)果輸出到顯示單元以顯示結(jié)果。

下面對在線檢測環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡紗張力的方法的原理進(jìn)行闡述。

(1)紡紗過程導(dǎo)紗板受力的動態(tài)即時檢測方法：

如圖4所示，設(shè)導(dǎo)紗鉤中心為o點，取x軸為過o點且平行于導(dǎo)紗板安裝面的水平直線，取y軸為過o點且垂直于導(dǎo)紗板安裝面的水平直線，取z軸為過o點且垂直于x-o-y平面的鉛垂線，由此構(gòu)建以導(dǎo)紗鉤中心為原點的x-y-z三維空間坐標(biāo)系。設(shè)力感應(yīng)器與導(dǎo)紗板接觸點為o’，取過接觸點o’且與x軸平行的直線為x’軸，取過接觸點且與y軸延長線的直線為y’軸，取z’軸為平行z軸且垂直于x’-o’-y’平面的鉛垂線，由此構(gòu)建以接觸點o’為原點的x’-y’-z’三維空間坐標(biāo)系。

導(dǎo)紗鉤處動態(tài)受力分析由導(dǎo)紗鉤8、導(dǎo)紗板9、以及力感應(yīng)器5組成，力感應(yīng)器受到力的作用經(jīng)過信息轉(zhuǎn)換，最后在顯示單元顯示的結(jié)果分別為fz測、fy測，fz測為導(dǎo)紗板處的垂直力、fy測為與導(dǎo)紗板安裝面垂直的水平力。在導(dǎo)紗鉤處支撐力q在z軸上的投影為qz：即

qz＝fz測(1)。

(2)加捻區(qū)紗條張力、氣圈區(qū)紗條張力、卷繞區(qū)紗條張力的檢測方法：

如圖5所示，設(shè)導(dǎo)紗鉤中心為o點，取x軸為過o點且平行于導(dǎo)紗板安裝面的水平直線，取y軸為過o點且垂直于導(dǎo)紗板安裝面的水平直線，取z軸為過o點且垂直于x-o-y平面的鉛垂線，由此構(gòu)建以導(dǎo)紗鉤中心為原點的x-y-z三維空間坐標(biāo)系。設(shè)綱領(lǐng)中心為o’，取過綱領(lǐng)中心o’且與x軸平行的直線為x’軸，取過綱領(lǐng)中心且與y軸平行的直線為y’軸，由此構(gòu)建x’-y’-z三維空間坐標(biāo)系。

如圖5所示，設(shè)加捻段紗線與y軸的夾角為γ，頂部氣圈切線與z軸的夾角為β，氣圈底部與綱領(lǐng)鋼絲圈的交叉點為p，則o’p與x’軸的夾角為α。圖6、圖7中，r表示前羅拉半徑；h表示前羅拉中心到機(jī)臺水平面的距離；ya表示前下羅拉中心到導(dǎo)紗鉤中心的距離；γ表示導(dǎo)紗角；zx為位置傳感器的讀取數(shù)值，即導(dǎo)紗板到機(jī)臺水平面的距離；h的固定值為95mm，ya為73.8mm，r為15mm。

其中，加捻段紗線與y軸的夾角為γ，

頂部氣圈切線與z軸的夾角為β，

設(shè)tf為紡紗張力，tq為氣圈頂部張力，q為導(dǎo)紗鉤的支撐力,則由力的平衡原理可知：

設(shè)導(dǎo)紗鉤處支撐力q在x、y、z軸上的投影分別為qx、qy、qz，將式(1)分別向x、y、z軸投影，可得：

qx-tqsinβcosα＝0(5)；

qy-(tqsinβsinα+tfcosγ)＝0(6)；

qz-tqcosβ+tfsinγ＝0(7)；

由式(2)、(3)、(4)聯(lián)立求解可得：

qx＝tqsinβcosα(8)；

qy＝tqsinβsinα+tfcosγ(9)；

qz＝tqcosβ+tfsinγ(10)；

由歐拉公式可得：

tf＝tqe^-μσ(11)；

式中：μ為紗線與導(dǎo)紗鉤的動摩擦系數(shù)；σ為紗線與導(dǎo)紗鉤的包圍角，與導(dǎo)紗角和氣圈頂角有關(guān)。

將式(8)代入式(7)，可得：

紡紗張力tf為：

氣圈頂部張力tq為：

又由氣圈基礎(chǔ)理論知，氣圈頂部張力tq與氣圈底部張力tr的關(guān)系為：

式中：rg為綱領(lǐng)半徑；m為氣圈紗條的線密度；ω為氣圈回轉(zhuǎn)角速度(一般可用錠子回轉(zhuǎn)角速度近似表達(dá))；

將式(14)代入式(15)，可得氣圈底端張力tr為：

卷繞張力合適是保證卷裝質(zhì)量的基礎(chǔ)。氣圈底端張力tr是由卷繞張力tω克服紗條與鋼絲圈的摩擦阻力后向上傳遞到氣圈底端的，兩者的關(guān)系一般表示為：

tω＝ktr(16)；

式(16)中，k為卷繞張力tω與氣圈底部張力tr的比值，簡稱張力比，鋼絲圈線材不同截面形狀的張力比的試驗數(shù)據(jù)如表1所示：

表1鋼絲圈線材不同截面形狀的張力比

將式(16)帶入(17)，可得卷繞張力tω為：

(3)一個氣圈回轉(zhuǎn)過程中、一個卷繞層級過程中及整個落紗過程中的紡紗張力、氣圈張力、卷繞張力實時檢測方法：

(a)氣圈旋轉(zhuǎn)位置的判斷：

由qy＝tqsinβsinα+tfcosγ可得，一個氣圈回轉(zhuǎn)過程中tqsinβ、tfcosγ可視為常量，又因為α＝ωt1，t1為氣圈回轉(zhuǎn)時間；那么qy可視為關(guān)于錠子回轉(zhuǎn)角的正弦函數(shù)如圖8所示，氣圈旋轉(zhuǎn)對應(yīng)位置如圖9所示。當(dāng)氣圈旋轉(zhuǎn)到p2位置時，所測得qy最大，當(dāng)氣圈旋轉(zhuǎn)到p4位置時，所測得qy最小，根據(jù)所測得的qy值頻譜圖進(jìn)行判斷獲得氣圈實際回轉(zhuǎn)規(guī)律(氣圈回轉(zhuǎn)的速度、氣圈回轉(zhuǎn)的位置)。

(b)氣圈回轉(zhuǎn)過程中最大張力及最小張力的測定：

當(dāng)氣圈旋轉(zhuǎn)到p2位置時，所測得的qy最大，qymax＝tqsinβ+tfcosγ，當(dāng)氣圈旋轉(zhuǎn)到p4位置時，所測得qy最小，qymin＝-tqsinβ+tfcosγ。由此可得，將氣圈旋轉(zhuǎn)到p2位置時和p4位置時的qz、β、γ和σ值代入式(12)-式(17)，計算可得該時刻的紡紗張力、氣圈張力、卷繞張力。

(c)數(shù)據(jù)采集密度的設(shè)定：

假定錠子的回轉(zhuǎn)速度為18000轉(zhuǎn)/分，數(shù)據(jù)采集密度設(shè)定為氣圈回轉(zhuǎn)速度的n倍或1/n倍，從而保證檢測點的重復(fù)性和數(shù)據(jù)的再現(xiàn)性。那么，當(dāng)測定一個氣圈回轉(zhuǎn)過程中的紡紗張力時，數(shù)據(jù)的采集密度可設(shè)定為1-4次/轉(zhuǎn)，即18000-72000次/分；當(dāng)測定一個卷繞層級過程中的紡紗張力時，數(shù)據(jù)的采集密度可設(shè)定為1-2次/轉(zhuǎn)，即18000-36000次/分；當(dāng)測定整個落紗過程中的紡紗張力時，數(shù)據(jù)的采集密度可設(shè)定為1次/轉(zhuǎn)，即18000次/分。

實施例二：

紡純棉20支紗，錠子速度12846r/min，測定一個氣圈回轉(zhuǎn)過程中的紡紗張力時，數(shù)據(jù)的采集密度設(shè)定為1次/轉(zhuǎn)，即12846次/分；測定一個卷繞層級過程中的紡紗張力時，數(shù)據(jù)的采集密度可設(shè)定為1次/轉(zhuǎn)，即12846次/分；測定整個落紗過程中的紡紗張力時，數(shù)據(jù)的采集密度可設(shè)定為1次/轉(zhuǎn)，即12846次/分。

如圖7所示，導(dǎo)紗板位于最低位置時zx＝0.038332，h固定值為95mm，ya為73.8mm，r為15mm。測試張力為fz測＝2.15cn，fy測＝7.51cn。

由可得：γ＝59.33°；

由可得：β＝15.96°。

查閱文獻(xiàn)可知紗條與導(dǎo)紗鉤的動摩擦系數(shù)為μ＝0.26；σ的范圍為1～2°，取1°；qz＝fz測＝2.15cn。

由此可得，

綱領(lǐng)半徑rg為21mm；氣圈紗條的線密度m為18.5tex；氣圈回轉(zhuǎn)角速度ω為12846r/min；卷繞張力tω與張力tr的比值k為1.5。

由可得：

由tω＝ktr可得：tω＝1.5×7.01＝10.52cn。

表2環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)紡紗張力在線采集結(jié)果