專利名稱：用于監(jiān)控鋼絲繩生產(chǎn)過程中股繩張力的測試儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及物理測量技術(shù)，是一種測量張力的儀器，具體地說，是一種用于監(jiān)控鋼絲繩生產(chǎn)過程中股繩張力的測試儀器。
背景技術(shù)：
國產(chǎn)鋼絲繩質(zhì)量不高的主要原因在于力學(xué)性能、化學(xué)成分、捻制質(zhì)量的不均勻，其中力學(xué)性能和化學(xué)成分的不均勻主要決定于我國冶金工業(yè)的水平，而鋼絲繩捻制質(zhì)量(主要是捻制張力均衡與否)則和鋼絲繩行業(yè)的制造水平密切相關(guān)。目前國內(nèi)鋼絲繩企業(yè)控制捻制各股張力平衡的辦法完全是經(jīng)驗(yàn)和手工的方法，因此，捻制質(zhì)量的不均勻是鋼絲繩行業(yè)應(yīng)當(dāng)解決并且急需解決的技術(shù)難題。
鋼絲繩方面的研究大體分為產(chǎn)品檢測和生產(chǎn)過程控制兩部分。國內(nèi)鋼絲繩方面的研究主要集中在產(chǎn)品檢測方面如楊叔子等以磁敏元件為基礎(chǔ)，對鋼絲繩成品中的斷絲數(shù)進(jìn)行定量檢測，有效提高了鋼絲繩的使用水平。楊公訓(xùn)等通過將技壓傳感器串入鋼絲繩的方式，提取鋼絲繩受力信號，送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，研制了提升機(jī)鋼絲繩張力在線檢測系統(tǒng)，為鋼絲繩維護(hù)提供了依據(jù)。
關(guān)于控制捻制張力、提高捻制質(zhì)量等生產(chǎn)過程控制技術(shù)，國內(nèi)的研究開始涉及由絲成股的捻股階段，技術(shù)難度更大的由股成繩的成繩階段的張力控制技術(shù)則完全空白。徐洪林等比較了歐州鋼絲繩行業(yè)與國內(nèi)鋼絲繩行業(yè)的捻股設(shè)備的差異，提出雙捻機(jī)捻制股繩是未來的發(fā)展方向，但是該文未論及成繩階段的情況，也未進(jìn)行具體的研究。季海清設(shè)計(jì)了管式捻股機(jī)的過捻器，較好地消除了捻制鋼絲的彈性應(yīng)力，有助于股內(nèi)各鋼絲的均勻一致。黃潤六通過鋼絲繩整繩試驗(yàn)驗(yàn)證了成繩階段股繩捻制張力一致程度與破斷股數(shù)、破斷拉力及疲勞性能的關(guān)系，但未能提出測定、控制成繩階段股繩捻制張力的措施。
目前國內(nèi)企業(yè)控制捻制各股張力平衡的辦法完全是經(jīng)驗(yàn)方法一般企業(yè)均規(guī)定每捻制500～800米鋼絲繩，應(yīng)當(dāng)停車，操作工人用手輕輕按壓各股，憑感覺確定各股張力是否均衡。如感覺基本一致，繼續(xù)生產(chǎn)；如認(rèn)為偏差較大，則手工調(diào)整工字輪側(cè)的張緊輪，調(diào)整完畢再次手工按壓，感覺符合要求后恢復(fù)生產(chǎn)。產(chǎn)品制成以后，對鋼絲繩的性能檢驗(yàn)，一般不進(jìn)行整繩試驗(yàn)，而用拆股試驗(yàn)代替，其結(jié)果是無法發(fā)現(xiàn)各股間張力不均衡的程度，留下事故隱患。
國外有關(guān)鋼絲繩捻制張力控制方面的研究報(bào)道也不多見，大量研究工作集中在鋼絲的張力檢測方面。JimL.johnson和Patrick Flanagan開發(fā)了一種細(xì)絲張力測量裝置，并對細(xì)絲的張力松弛情況進(jìn)行了檢測ThomasC.Renner在對線材工業(yè)控制方式全面調(diào)查的基礎(chǔ)上，發(fā)展了線材制造分布式數(shù)字控制系統(tǒng)及相應(yīng)的軟件；美國Tension Measurement，Inc的產(chǎn)品樣本中列舉了鋼絲繩張力測試傳感器，該傳感器用于使用中的鋼絲繩工作載荷的監(jiān)控；The Health and Safety Executive全面調(diào)查了國際上鋼絲繩行業(yè)無損檢測技術(shù)和裝備的情況，對業(yè)內(nèi)主要設(shè)備供應(yīng)商如英國British Coal公司、南非AATS公司、德國DMT公司、美國NDTTechnologies公司等的設(shè)備進(jìn)行了歸類匯總，匯總資料顯示，上述設(shè)備多以電磁方式為檢測原理，適用的鋼絲繩規(guī)格較寬，但其中直接針對成繩過程監(jiān)控的檢測裝置極少，而且其尺寸較大，重量在5kg-120kg之間，對于現(xiàn)有國產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)改造而言，顯然沒有使用的可能與價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能提高鋼絲繩同時(shí)拉斷的股數(shù)，滿足生產(chǎn)實(shí)際的需要，顯著提高了鋼絲繩的性能，特別是提高鋼絲繩的疲勞性能，從而提高了其使用安全性的用于監(jiān)控鋼絲繩生產(chǎn)過程中股繩張力的測試儀器。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種用于監(jiān)控鋼絲繩生產(chǎn)過程中股繩張力的測試儀器，其特征是有用于分別測定鋼絲繩各股繩張力的應(yīng)變片式傳感器，各應(yīng)變片式傳感器的傳感器電路經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)接信號處理電路，信號處理電路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)變電路和I/O接口電路接微處理器，微處理器接有顯示電路。
本發(fā)明中所述的傳感器及傳感器電路共有分別用于測定鋼絲繩各股股繩張力的大小的六套，采用應(yīng)變片式全橋式結(jié)構(gòu)，并配有相應(yīng)的電橋平衡電路。信號處理電路采用多級放大結(jié)構(gòu)，前級采用高性能儀用放大器INA128，它內(nèi)部具有三個(gè)運(yùn)算放大器組成差分放大器結(jié)構(gòu)，內(nèi)置輸入過壓保護(hù)，且通過外置不同大小的電阻實(shí)現(xiàn)不同的增益。A/D轉(zhuǎn)換器采用8位逐次逼近式結(jié)構(gòu)，由數(shù)碼顯示器顯示相應(yīng)檢測參數(shù)大小，并由狀態(tài)指示器跟蹤顯示檢測通道。系統(tǒng)采用可編程鍵盤顯示接口芯片Intel279，配有2個(gè)控制按鍵和4位數(shù)碼顯示器，通過鍵盤可實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)的初始化狀態(tài)調(diào)整。系統(tǒng)采用單獨(dú)的優(yōu)質(zhì)電源，配有獨(dú)立的穩(wěn)壓系統(tǒng)，并將微處理機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)和所有電路控制板裝置在一個(gè)屏蔽控制箱內(nèi)，對各傳感器連線均采用帶屏蔽層的電纜。
本發(fā)明的有益效果為運(yùn)用材料變形原理，系統(tǒng)研究了三點(diǎn)彎曲傳感器的變形規(guī)律，并建立了受力過程中的數(shù)學(xué)模型，開辟了鋼絲繩股繩張力在線檢測的新途徑；首次設(shè)計(jì)并制造了股繩張力傳感器，用于提取股繩張力T信號。性能測試表明，股繩張力傳感器的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999992，相對誤差2.3457×10-3，表明傳感器具有良好的線性度和重復(fù)性；10小時(shí)30N下穩(wěn)定性測試的相對誤差6.6921×10-4，絕對誤差5.4756×10-2，表明傳感器具有良好的靜態(tài)穩(wěn)定性。首次設(shè)計(jì)并制造了與傳感器配套使用的股繩張力測量儀，在給定的靜態(tài)于擾狀態(tài)下，其電路系統(tǒng)相對誤差為1.225×10-3，絕對誤差為5.178×10-2，表明股繩張力測量電路系統(tǒng)有良好的靜態(tài)抗干擾能力；在給定的靜態(tài)條件下連續(xù)工作24小時(shí)，相對誤差為9.030×10-4，絕對誤差1.327×10-2，表明股繩張力測量硬件系統(tǒng)有良好的靜態(tài)穩(wěn)定性。在給定的動(dòng)態(tài)干擾狀態(tài)下，其相對誤差為4.976×10-2，絕對誤差為0.5431，表明股繩張力測量電路系統(tǒng)有較好的動(dòng)態(tài)抗干擾能力；在動(dòng)態(tài)狀態(tài)下連續(xù)工作12小時(shí)，相對誤差3.965×10-2，絕對誤差0.5524，表明股繩張力測量電路系統(tǒng)有較好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。采用匯編語言分別開發(fā)了測量股繩張力的控制軟件，采用AT89C52單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對6路模擬量進(jìn)行采樣，并采用軟件方式實(shí)現(xiàn)傳感器的線性化處理，動(dòng)態(tài)顯示檢測結(jié)果。通過檢測股繩張力，監(jiān)控6X19-3.00mm、6X19-6.20mm鋼絲繩的生產(chǎn)過程，抽取代表性樣品，按GB8358-87《鋼絲繩破斷拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行整繩拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明鋼絲繩同時(shí)拉斷的股數(shù)平均增加了1股，增加比例27.8％。整繩試驗(yàn)的結(jié)果表明，本項(xiàng)目研究的鋼絲繩安全性能在線檢測和實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)完全滿足生產(chǎn)實(shí)際的需要，顯著提高了鋼絲繩的性能，特別是提高了鋼絲繩的疲勞性能，從而提高了其使用安全性，為金屬制品行業(yè)提供了在設(shè)備基本不改動(dòng)的前提下升級換代的全新途徑，具有廣闊的推廣使用前景。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明


圖1為本發(fā)明的一種用于監(jiān)控鋼絲繩生產(chǎn)過程中股繩張力的測試儀器的電路結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明的用于監(jiān)控鋼絲繩生產(chǎn)過程中股繩張力的測試儀器電路圖；圖3為本發(fā)明的用于監(jiān)控鋼絲繩生產(chǎn)過程中股繩張力的測試儀器中實(shí)用的傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的用于監(jiān)控鋼絲繩生產(chǎn)過程中股繩張力的測試儀器所實(shí)用的軟件流程圖。
具體實(shí)施例方式圖1、圖2、圖3、圖4共同描述了本發(fā)明的實(shí)施例。以下作具體說明一、芯片說明UI-AT89C52-24PC；U2-TMP82C79P-2；U3-74LS138；U4-ADC0809CCN；U5-INA128PA；U6-LM308；U7-MC1403U；U8-DM7406N；U9-DM7406N；U10-74LS74；U11-74LS02；U12-DS75451N；U13-DS75451N。
二、檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖1中包括狀態(tài)指示器1、I/O接口電路2、顯示器接口電路3、LED顯示器4、微處理器5、信號處理電路6、A/D轉(zhuǎn)換器7、I/O接口電路8、時(shí)序控制邏輯電路9、模擬信號轉(zhuǎn)換開關(guān)10、傳感器電路11、12、13、地址鎖存器14等。
微處理機(jī)系統(tǒng)采用AT89系列單片機(jī)ATMEL89C52作為微控制器，片內(nèi)有8K可重復(fù)編程的Flash存儲器。根據(jù)檢測系統(tǒng)應(yīng)用要求，進(jìn)行了必要的功能擴(kuò)展后組成應(yīng)用系統(tǒng)，其中包括A/D接口電路和可編程鍵盤/顯示接口電路等。檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
檢測系統(tǒng)共有六套相同的傳感器電路，分別用于測定鋼絲繩各股股繩張力的大小，采用應(yīng)變片式全橋式結(jié)構(gòu)，并配有相應(yīng)的電橋平衡電路。通過微處理機(jī)的時(shí)序控制邏輯經(jīng)地址譯碼選通相應(yīng)通道，進(jìn)行信號的數(shù)據(jù)采樣，硬件信號處理電路采用多級放大結(jié)構(gòu)，前級采用高性能儀用放大器INA128，它內(nèi)部具有三個(gè)運(yùn)算放大器組成差分放大器結(jié)構(gòu)，內(nèi)置輸入過壓保護(hù)，且通過外置不同大小的電阻實(shí)現(xiàn)不同的增益，應(yīng)用靈活方便。A/D轉(zhuǎn)換器采用8位逐次逼近式結(jié)構(gòu)。為了監(jiān)視相應(yīng)通道的檢測情況，由數(shù)碼顯示器顯示相應(yīng)檢測參數(shù)大小，并由狀態(tài)指示器跟蹤顯示檢測通道，根據(jù)檢測標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置高水平值和低水平值。當(dāng)檢測結(jié)果高于所設(shè)置高水平值時(shí)，表明該股股繩張力過大，高水平指示燈(紅色)點(diǎn)亮；當(dāng)檢測結(jié)果低于所設(shè)置低水平值時(shí)，表明該股股繩張力過小，低水平指示燈(綠色)點(diǎn)亮。系統(tǒng)采用可編程鍵盤顯示接口芯片Intel 8279，配有2個(gè)控制按鍵和4位數(shù)碼顯示器，通過鍵盤可實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)的初始化狀態(tài)調(diào)整。
為了提高整體檢測系統(tǒng)的可靠性，采取了一定的抗干擾措施。檢測系統(tǒng)采用了單獨(dú)的優(yōu)質(zhì)電源供電，并配有獨(dú)立的穩(wěn)壓系統(tǒng)。為了避免外部的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)干擾，將微處理機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)和所有電路控制板裝置在一個(gè)屏蔽控制箱內(nèi)，對各傳感器連線均采用帶屏蔽層的電纜。
四、檢測傳感器與檢測儀配套使用的鋼絲繩股繩張力測定傳感器也為自制，與檢測儀共同組成完整的測試儀器。該傳感器由電阻應(yīng)變計(jì)、彈性載體和檢測電路三部分組成。電阻應(yīng)變計(jì)選用市售120歐姆的標(biāo)準(zhǔn)電阻應(yīng)變計(jì)。該股繩張力傳感器的幾何結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。它由一個(gè)支座35和三個(gè)懸臂梁32、33、36組成。其中33和36是固定梁，32是工作梁。四個(gè)電阻應(yīng)變片34分別對應(yīng)貼在工作梁32的上下兩面，組成全橋式結(jié)構(gòu)。鋼絲繩股繩31從梁33凹槽下面進(jìn)來，繞到梁32凹槽的上面，然后再繞到梁36凹槽下面出來。這樣，當(dāng)鋼絲繩股繩31拉緊時(shí)，就會(huì)對懸臂梁32、33、36相接觸的三個(gè)點(diǎn)處產(chǎn)生壓力，使其產(chǎn)生一定的彎曲變形。當(dāng)懸臂梁彎曲時(shí)，貼在32梁上的應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變量。使得橋臂電阻發(fā)生變化，輸出相應(yīng)電壓信號V。
五、檢測儀軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)軟件采用模塊程序設(shè)計(jì)技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，將系統(tǒng)軟件劃分為相對獨(dú)立的模塊。軟件功能主要包括二大類一類是完成各種實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用軟件，包括檢測操作、各通道數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理和顯示功能等；另一類是監(jiān)控程序，專門用于協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊，完成系統(tǒng)自檢、初始化和處理命令等。
開機(jī)時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行全面的上電自檢，包括CPU指令系統(tǒng)、內(nèi)存貯器RAM、中斷功能、固化程序等，系統(tǒng)完成自檢后，將進(jìn)行初始化工作，包括設(shè)置堆棧指針，給數(shù)據(jù)緩沖區(qū)置初值，置各標(biāo)志位狀態(tài)等。
微處理器外部中斷INT1輸入信號來自于接口芯片A/D的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC引腳，采用中斷方式讀取采樣數(shù)據(jù)。對同一通道進(jìn)行連續(xù)5次數(shù)據(jù)采樣，去掉其中最大值和最小值，然后求剩下的三個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，以濾除迭加在信號上的噪聲。
權(quán)利要求
1.一種用于監(jiān)控鋼絲繩生產(chǎn)過程中股繩張力的測試儀器，其特征是有用于分別測定鋼絲繩各股繩張力的應(yīng)變片式傳感器，各應(yīng)變片式傳感器的傳感器電路經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)接信號處理電路，信號處理電路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)變電路和I/O接口電路接微處理器，微處理器接有顯示電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于監(jiān)控鋼絲繩生產(chǎn)過程中股繩張力的測試儀器，其特征是傳感器及傳感器電路共有分別用于測定鋼絲繩各股股繩張力的大小的六套，采用應(yīng)變片式全橋式結(jié)構(gòu)，并配有相應(yīng)的電橋平衡電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于監(jiān)控鋼絲繩生產(chǎn)過程中股繩張力的測試儀器，其特征是信號處理電路采用多級放大結(jié)構(gòu)，前級采用高性能儀用放大器INA128，它內(nèi)部具有三個(gè)運(yùn)算放大器組成差分放大器結(jié)構(gòu)，內(nèi)置輸入過壓保護(hù)，且通過外置不同大小的電阻實(shí)現(xiàn)不同的增益。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于監(jiān)控鋼絲繩生產(chǎn)過程中股繩張力的測試儀器，其特征是A/D轉(zhuǎn)換器采用8位逐次逼近式結(jié)構(gòu)，由數(shù)碼顯示器顯示相應(yīng)檢測參數(shù)大小，并由狀態(tài)指示器跟蹤顯示檢測通道。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于監(jiān)控鋼絲繩生產(chǎn)過程中股繩張力的測試儀器，其特征是系統(tǒng)采用可編程鍵盤顯示接口芯片Intel 8279，配有2個(gè)控制按鍵和4位數(shù)碼顯示器，通過鍵盤可實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)的初始化狀態(tài)調(diào)整。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于監(jiān)控鋼絲繩生產(chǎn)過程中股繩張力的測試儀器，其特征是系統(tǒng)采用單獨(dú)的優(yōu)質(zhì)電源，配有獨(dú)立的穩(wěn)壓系統(tǒng)，并將微處理機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)和所有電路控制板裝置在一個(gè)屏蔽控制箱內(nèi)，對各傳感器連線均采用帶屏蔽層的電纜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于監(jiān)控鋼絲繩生產(chǎn)過程中股繩張力的測試儀器，其特征是有用于分別測定鋼絲繩各股繩張力的應(yīng)變片式傳感器，各應(yīng)變片式傳感器的傳感器電路經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)接信號處理電路，信號處理電路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)變電路和I/O接口電路接微處理器，微處理器接有顯示電路。其有益效果為結(jié)構(gòu)新穎，設(shè)計(jì)巧妙，開辟了鋼絲繩股繩張力在線檢測的新途徑；具有良好的性能穩(wěn)定性。鋼絲繩同時(shí)拉斷的股數(shù)平均增加了1股，增加比例27.8％。完全滿足生產(chǎn)實(shí)際的需要，顯著提高了鋼絲繩的性能，特別是提高了鋼絲繩的疲勞性能，從而提高了其使用安全性，為金屬制品行業(yè)提供了在設(shè)備基本不改動(dòng)的前提下升級換代的全新途徑，具有廣闊的推廣使用前景。
文檔編號G01L5/10GK1749718SQ20051003834
公開日2006年3月22日 申請日期2005年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月6日
發(fā)明者王杰, 雷毅, 陶宏錦, 余圣甫, 施伯明, 夏良森, 邱林弟, 趙凡偉, 王豪, 徐方霞, 丁煒 申請人:中華人民共和國南通出入境檢驗(yàn)檢疫局