本實(shí)用新型涉及一種用于檢測(cè)電腦橫機(jī)開(kāi)始運(yùn)行或者運(yùn)行中是否撞針的裝置。

背景技術(shù)：

電腦橫機(jī)是一種針織橫編織機(jī)，在橫機(jī)編織過(guò)程中，容易因?yàn)闄C(jī)頭，針床，織針，三角系統(tǒng)等機(jī)構(gòu)發(fā)生撞針現(xiàn)象，為了保證編織的正常進(jìn)行，電腦橫機(jī)上設(shè)計(jì)和安裝了撞針檢測(cè)自停裝置。目前，市場(chǎng)上常用的撞針檢測(cè)方法有兩種：

第一種是通過(guò)安裝在針床背面的振動(dòng)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。振動(dòng)傳感器共8個(gè)，前后針床各4個(gè)，當(dāng)發(fā)生撞針時(shí)，裝機(jī)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)通過(guò)振動(dòng)傳感器傳遞到CPU，若振動(dòng)超過(guò)閾值則發(fā)出停機(jī)指令并報(bào)警。電腦橫機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)一直存在，為了消除這種振動(dòng)導(dǎo)致誤判，會(huì)將橫機(jī)剛剛進(jìn)入編織時(shí)的振動(dòng)在程序中屏蔽掉，但是，撞針現(xiàn)象通常情況下都發(fā)生在剛開(kāi)始編織時(shí)。因此，這樣的裝置容易發(fā)生漏判和誤報(bào)警，且不靈敏，同時(shí)，采用多個(gè)振動(dòng)傳感器的方式成本較高。

第二種是利用檢測(cè)機(jī)頭阻力的大小來(lái)判斷是否發(fā)生了撞針，其具體實(shí)施方法參見(jiàn)專利號(hào)CN 102199843 A文件中的內(nèi)容。采用檢測(cè)機(jī)頭阻力大小是基于伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中伺服電機(jī)的輸出參數(shù)進(jìn)行計(jì)算的來(lái)實(shí)現(xiàn)的，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器本身的靈敏度低且對(duì)機(jī)頭的阻力進(jìn)行的是間接檢測(cè)，所以存在一定的誤差；橫機(jī)初始時(shí)力矩較大，不能檢測(cè)力矩的突變，容易造成誤報(bào)警現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本實(shí)用新型提供一種電腦橫機(jī)撞針檢測(cè)裝置，通過(guò)對(duì)機(jī)頭加速度變化來(lái)判定是否撞針。其響應(yīng)靈敏，判定準(zhǔn)確，減少了誤判和漏判。

為解決以上技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型的技術(shù)方案為采用一種電腦橫機(jī)撞針檢測(cè)裝置，包括用于檢測(cè)電腦橫機(jī)機(jī)頭加速度的加速度傳感器、用于將加速度傳感器反饋的機(jī)頭加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的控制器；所述控制器與電腦橫機(jī)主控系統(tǒng)電氣連接。

作為一種改進(jìn)，所述加速度傳感器為三軸加速度傳感器。三軸加速度傳感器分為X、Y、Z三個(gè)軸，并且兩軸成一平面。加速度是個(gè)空間矢量，一方面，要準(zhǔn)確了解物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必須測(cè)得其三個(gè)坐標(biāo)軸上的分量；另一方面，在預(yù)先不知道物體運(yùn)動(dòng)方向的場(chǎng)合下，只有應(yīng)用三軸加速度傳感器來(lái)檢測(cè)加速度信號(hào)。三軸加速度傳感器與作為控制器的單片機(jī)之間通過(guò)I2C接口進(jìn)行連接。而單片機(jī)與電腦橫機(jī)主控系統(tǒng)之間通過(guò)CAN通信接口進(jìn)行連接。

作為一種進(jìn)一步的改進(jìn)，所述三軸加速度傳感器的XY平面和機(jī)頭斜面平行，并讓三軸加速度傳感器X軸與機(jī)頭運(yùn)動(dòng)方向平行。

作為一種優(yōu)選，所述控制器為單片機(jī)。

作為一種優(yōu)選，所述三軸加速度傳感器通過(guò)I2C接口與單片機(jī)電氣連接。

作為一種優(yōu)選，所述單片機(jī)通過(guò)CAN接口與電腦橫機(jī)主控系統(tǒng)電氣連接。

本實(shí)用新型的有益之處在于：

1.采用檢測(cè)機(jī)頭的加速度的方式靈敏度高，檢測(cè)性能好且穩(wěn)定；

2.對(duì)機(jī)頭的加速度檢測(cè)是直接檢測(cè)，減少誤差產(chǎn)生的幾率，能夠更加準(zhǔn)確地分析是否發(fā)生撞針或其他現(xiàn)象；

3.針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)，該檢測(cè)方法不限于檢測(cè)在橫機(jī)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的撞針現(xiàn)象，還能對(duì)電腦橫機(jī)的導(dǎo)軌是否安裝水平，是否發(fā)生機(jī)械故障進(jìn)行檢測(cè)，具有多功能的用途，更加智能和自動(dòng)化。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的流程圖。

圖2為利用MATLAB軟件繪制出的電腦橫機(jī)機(jī)頭加速度波形圖。

圖3為利用卡爾曼濾波算法優(yōu)化后的波形圖。

具體實(shí)施方式

為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本實(shí)用新型的技術(shù)方案，下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本實(shí)用新型提供一種電腦橫機(jī)撞針檢測(cè)裝置，包括用于檢測(cè)電腦橫機(jī)機(jī)頭加速度的加速度傳感器、用于將加速度傳感器反饋的機(jī)頭加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的控制器；所述控制器與電腦橫機(jī)主控系統(tǒng)電氣連接。加速度傳感器最好為三軸加速度傳感器。三軸加速度傳感器的XY平面和機(jī)頭斜面平行，并讓三軸加速度傳感器X軸與機(jī)頭運(yùn)動(dòng)方向平行。具體的，三軸加速度傳感器與作為控制器的單片機(jī)之間通過(guò)I2C接口進(jìn)行連接。而單片機(jī)與電腦橫機(jī)主控系統(tǒng)之間通過(guò)CAN通信接口進(jìn)行連接。

其中，I2C(Inter-Integrated Circuit)總線是由PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。是微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡(jiǎn)單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。I2C總線支持任何IC生產(chǎn)工藝(CMOS、雙極型)。通過(guò)串行數(shù)據(jù)(SDA)線和串行時(shí)鐘(SCL)線在連接到總線的器件間傳遞信息。每個(gè)器件都有一個(gè)唯一的地址識(shí)別(無(wú)論是微控制器——MCU、LCD驅(qū)動(dòng)器、存儲(chǔ)器或鍵盤(pán)接口)，而且都可以作為一個(gè)發(fā)送器或接收器(由器件的功能決定)。LCD驅(qū)動(dòng)器只能作為接收器，而存儲(chǔ)器則既可以接收又可以發(fā)送數(shù)據(jù)。除了發(fā)送器和接收器外，器件在執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)也可以被看作是主機(jī)或從機(jī)。主機(jī)是初始化總線的數(shù)據(jù)傳輸并產(chǎn)生允許傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)的器件。此時(shí)，任何被尋址的器件都被認(rèn)為是從機(jī)。

而CAN是Controller Area Network的縮寫(xiě)(以下稱為CAN)，是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中，出于對(duì)安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)了出來(lái)。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對(duì)可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”、“通過(guò)多個(gè)LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986年德國(guó)電氣商博世公司開(kāi)發(fā)出面向汽車(chē)的CAN通信協(xié)議。此后，CAN通過(guò)IS011898及IS011519進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，在歐洲已是汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。CAN的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面?，F(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

本實(shí)用新型同時(shí)還提供一種利用上述電腦橫機(jī)撞針檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)的方法，包括以下步驟：；

A.采樣；獲取電腦橫機(jī)機(jī)頭加速度數(shù)據(jù)。利用安裝在電腦橫機(jī)機(jī)頭上的三軸加速度傳感器來(lái)獲取機(jī)頭的加速度數(shù)據(jù)。三軸加速度傳感器的XY平面和機(jī)頭斜面平行，并讓三軸加速度傳感器X軸與機(jī)頭運(yùn)動(dòng)方向平行。

獲取到的數(shù)據(jù)通過(guò)MATLAB軟件將電腦橫機(jī)機(jī)頭加速度數(shù)據(jù)繪制成波形，如圖2。MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是matrix&Iaboratory兩個(gè)詞的組合，意為矩陣工廠(矩陣實(shí)驗(yàn)室)。是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言(如C、Fortran)的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。

再將繪制好的波形通過(guò)卡爾曼濾波算法

X(k|k-1)＝A X(k-1|k-1)+B U(k)

P(k|k-1)＝A P(k-1|k-1)A’+Q

X(k|k)＝X(k|k-1)+Kg(k)(Z(k)-H X(k|k-1))

Kg(k)＝P(k|k-1)H’/(H P(k|k-1)H’+R)

P(k|k)＝(I-Kg(k)H)P(k|k-1)

對(duì)繪制成的波形進(jìn)行濾波處理，如圖3。

關(guān)于傳感器采樣時(shí)間間隔的選取，現(xiàn)在機(jī)頭高速運(yùn)行速度在1.4m/s到1.6m/s之間，針板上織針與織針的間距在1.6mm左右，按照機(jī)頭運(yùn)行的最大速度，可計(jì)算出機(jī)頭從一顆織針運(yùn)行到下一顆織針的時(shí)間為1ms，當(dāng)機(jī)頭發(fā)生撞針后為避免對(duì)剩下的織針造成破壞，我們應(yīng)該在機(jī)頭運(yùn)行到下一顆織針的時(shí)間內(nèi)做出保護(hù)動(dòng)作，因?yàn)椴蓸娱g隔應(yīng)該小于1ms，再兼顧到傳感器的測(cè)量穩(wěn)定時(shí)間，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，系統(tǒng)取150-250us的采樣時(shí)間間隔較合適。

B.設(shè)立一個(gè)閾值；設(shè)立閾值有三種方式：分為靜態(tài)閾值法、自適應(yīng)閾值算法和開(kāi)放給用戶實(shí)時(shí)設(shè)定的方法。

對(duì)于靜態(tài)閾值法，只能根據(jù)事先試驗(yàn)確定撞針閾值的大小，然后在橫機(jī)出廠時(shí)把靜態(tài)閾值預(yù)先燒錄在程序中，除非更換橫機(jī)的程序固件，否則此靜態(tài)閾值大小一直不改變。在電腦橫機(jī)實(shí)際安裝過(guò)程中，因所用零件批次，加工工差，工人裝配誤差等外界因素的影響，橫機(jī)的機(jī)頭運(yùn)行狀態(tài)可能會(huì)有差別，在橫機(jī)使用一定時(shí)間后，因紗杠的物理彎曲，機(jī)頭的些微偏移等因素影響，也會(huì)對(duì)機(jī)頭的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響。在誤差的累積以及橫機(jī)生產(chǎn)的不同，針對(duì)一部分橫機(jī)所測(cè)出的靜態(tài)閾值適用到全部的橫機(jī)，靈活性和魯棒性就很欠缺了。

對(duì)于把閾值開(kāi)放給用戶，讓用戶通過(guò)操作面板設(shè)置的方法。在靜態(tài)閾值的基礎(chǔ)上，給了用戶可以更改閾值的權(quán)限，這無(wú)疑增加了用戶的負(fù)擔(dān)，要求用戶對(duì)相關(guān)知識(shí)有一定的了解。不利于機(jī)器智能化，操作簡(jiǎn)單化。

因此提出了下面的自適應(yīng)閾值算法，當(dāng)機(jī)器裝配好初次運(yùn)行時(shí)仍然以提前預(yù)設(shè)到橫機(jī)內(nèi)的閾值來(lái)判斷撞針事件，當(dāng)?shù)谝淮巫册槹l(fā)生后，處理器會(huì)保留撞針事件前后的所有采樣數(shù)據(jù)利用大津法進(jìn)行動(dòng)態(tài)閾值的更新，具體過(guò)程為：

1.在步驟A中采集到的電腦橫機(jī)機(jī)頭加速度數(shù)據(jù)中隨機(jī)采集若干個(gè)采樣點(diǎn)；

2.將電腦橫機(jī)機(jī)頭平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的加速度設(shè)為Accel_sta，并用步驟1中采集到的采樣點(diǎn)均減去Accel_sta；得到采樣點(diǎn)相對(duì)于平穩(wěn)加速度值的偏差值，并絕對(duì)值化；

3.采用大津法公式：

ω0＝N0/M×N

ω1＝N1/M×N

N0+N1＝M×N

ω0+ω1＝1

μ＝ω0*μ0+ω1*μ1

g＝ω0(μ0-μ)^2+ω1(μ1-μ)^2

求得最合適的閾值，并將閾值更新到單片機(jī)的ROM中。

C.將電腦橫機(jī)機(jī)頭加速度數(shù)據(jù)與閾值進(jìn)行比較；若加速度數(shù)據(jù)超過(guò)閾值則判定為撞針。從圖3的加速度變化波形可看到，在撞針事件發(fā)生時(shí)，加速度的值會(huì)在機(jī)頭平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)加速度值的基礎(chǔ)上劇烈震蕩，表現(xiàn)最為突出的就是在加速度平面上下的兩個(gè)峰值，還有巨大的加速度數(shù)值變化率。因?yàn)槲覀兲岢隽艘韵聝煞N方式的撞針事件判定：

一是提取一段時(shí)間范圍內(nèi)的加速度數(shù)據(jù)序列，計(jì)算出這段時(shí)間間隔內(nèi)的最大值和最小值之差，得出波形峰峰值；并將該波形峰峰值與步驟B中預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)峰值超過(guò)閾值時(shí)，則認(rèn)為發(fā)生撞針。

二是提取相鄰前后兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)加速度值，根據(jù)兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)采樣時(shí)間間隔計(jì)算波形坡度；將波形坡度與步驟B中預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)波形坡度大于閾值時(shí)，則認(rèn)為發(fā)生撞針。

以下我們通過(guò)一個(gè)實(shí)例來(lái)進(jìn)行演示。

首先將三軸加速度傳感器安裝在電腦橫機(jī)機(jī)頭上，三軸加速度傳感器的XY平面和機(jī)頭斜面平行，并讓三軸加速度傳感器X軸與機(jī)頭運(yùn)動(dòng)方向平行。并通將三軸加速度傳感器通過(guò)I2C接口與單片機(jī)相連。單片機(jī)選用STM32F103C8T6。再將單片機(jī)與電腦橫機(jī)主控系統(tǒng)通過(guò)CAN接口電氣連接。

我們每200us對(duì)電腦橫機(jī)機(jī)頭加速度進(jìn)行一次采樣。采用的數(shù)據(jù)通過(guò)MATLAB軟件繪制成如圖2的波形。然后通過(guò)卡爾曼濾波算法進(jìn)行濾波處理。進(jìn)行數(shù)據(jù)矯正后，我們可以得到更具有可信度、更平滑的數(shù)據(jù)，繪出波形如圖3。

然后設(shè)立閾值，這里我們選用自適應(yīng)閾值算法。首先對(duì)圖3的波形隨機(jī)采集50個(gè)采樣點(diǎn)。將電腦橫機(jī)機(jī)頭平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的加速度設(shè)為Accel_sta，并用步驟1中采集到的采樣點(diǎn)均減去Accel_sta；得到采樣點(diǎn)相對(duì)于平穩(wěn)加速度值的偏差值，并絕對(duì)值化；采用大津法公式求得最合適的閾值，并將閾值更新到單片機(jī)的ROM中。

第一種判定方式：每200us秒提取1ms秒內(nèi)的加速度數(shù)據(jù)序列，這段時(shí)間間隔內(nèi)的最大值和最小值之差為Delta_a，則波形峰峰值為Delta_a。再將波形峰峰值Delta_a與預(yù)設(shè)的閾值Thres_a進(jìn)行比較。由于峰峰值Delta_a大于閾值Thres_a，所以判定其為撞針。此時(shí)單片機(jī)通過(guò)電腦橫機(jī)主控系統(tǒng)進(jìn)行停機(jī)報(bào)警。

第二種判定方式：每200us秒提取相鄰時(shí)間點(diǎn)加速度值為Accel_1和Accel_2，根據(jù)這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)采樣時(shí)間間隔計(jì)算出波形坡度為Slope；將該波形坡度與預(yù)設(shè)的閾值Thres_slope進(jìn)行比較，由于波形坡度Slope小于閾值Thres_slope，所以判定其為不撞針，設(shè)備繼續(xù)正常運(yùn)行。

另外，本發(fā)明不僅可以檢測(cè)出撞針，對(duì)導(dǎo)軌是否安裝水平以及是否發(fā)生機(jī)械故障也能一并檢測(cè)。

針對(duì)導(dǎo)軌是否安裝水平：由于重力的影響，加速度傳感器一直能測(cè)量到重力加速度，而加速度傳感器和機(jī)頭又是固定在一起的，機(jī)頭的傾角直接受導(dǎo)軌傾角的影響，進(jìn)而影響到加速度傳感器的值，于是我們可根據(jù)采集到的加速度傳感器某一個(gè)軸上的重力加速度的大小來(lái)判斷，導(dǎo)軌是否水平。

針對(duì)是否發(fā)生機(jī)械問(wèn)題：會(huì)影響機(jī)頭運(yùn)行的相關(guān)機(jī)械問(wèn)題，如機(jī)頭和導(dǎo)軌連接處的軸承破損，會(huì)使機(jī)頭產(chǎn)生明顯的搖晃。我們對(duì)加速度傳感器的安裝為：三軸加速度傳感器的XY平面和機(jī)頭斜面平行，并讓三軸加速度傳感器X軸與機(jī)頭運(yùn)動(dòng)方向平行。因此，正常情況下，應(yīng)該只有X軸上的加速度會(huì)有明顯變化，其他兩個(gè)軸上根本不會(huì)有運(yùn)動(dòng)速度，但機(jī)頭搖晃時(shí)，其他兩個(gè)軸上就會(huì)有明顯的加速度產(chǎn)生，也就可以根據(jù)此變化值大小來(lái)判斷機(jī)頭的機(jī)械異常。

以上僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出的是，上述優(yōu)選實(shí)施方式不應(yīng)視為對(duì)本實(shí)用新型的限制，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍內(nèi)，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。