（机械制造及其自动化专业论文）纺织机械中丝线张力在线监控技术的研究.pdf

摘要 摘要 在纺纱、假捻等加工过程中，丝线张力是影响产品质量与加工效率的一个重要参数。 丝线张力波动越大则产品质量越差，并将影响后序加工的产品外观及舒适性。因此需要 对生产过程中丝线张力加以监测与控制，以减小丝线张力波动。 国内对丝线张力的监测大多还停留在随机抽检阶段，其监测的准确性与效率都很 低。国外的一些监测设备可以实现对丝线张力的实时监测，但是其价格昂贵且技术保密。 因此迫切需要自主研究设计一套丝线张力在线监控设备，鉴于此，本文从丝线张力传感 器、数据采集以及系统软件设计等方面做了较为深入完整的分析。 传感器方面，分析和总结了丝线张力传感器的原理与种类，选择电阻应变式张力传 感器为研究对象，从传感器弹性体的结构设计到静态、动态分析都做了详细的分析。 数据采集方面，结合实际情况，分析了现有技术的缺点与不足。对张力信号在数据 采集过程中进行了滤波处理，提出了基于提升框架的滤波算法，并对该算法进行了仿真 试验，结果表明该算法可以有效的消除各类噪声，与国外产品的相关技术相比，具有一 定的先进性。 当前，国外产品配备的丝线质量监控系统只是针对丝线张力的监测与控制，本文结 合实际的生产加工工艺提出了对加热温度、罗拉转速、丝线张力以及卷绕张力同时进行 监测与控制的监控系统，可以更有效的保证生产过程中丝线质量的稳定。 关键词：假捻机械；张力传感器；信号滤波； 小波变换；监控系统 a b s t r a c t y a mt e n s i o ni sa 1 1i m p o r t a n tp a r a m e t e rf o rq u a l i t ya n de f f i c i e n c yi nt e x t i l ep r o c e s s e s t h e m o r et h ey 锄t e n s i o nv i b r a t e s ，t h ew o r s et h ey a mq u a l i t yi s t h ey a m t e n s i o nw i l la f f e c tt h e a p p e a r a n c ea n dc o m f o r t o ft h ep r o d u c t sm a d eo ft h ey a r n s ot h ey a m t e n s l o nl sn e e d e dt ob e m e a s u r e da n dc o n t r o l l e di nt h et e x t i l ep r o c e s s e s t ol i m i tt h ev i b r a t i o no ft h ey a mt e n s l o n a g r e a tm a i o r i t yo fy a m sa r et e n s i o n e db yp r i m i t i v em e a n s ，r e s u l t i n g i nl o s so fp r o d u c t l o na n d i n f e r i o rq u a l i t va th o m e t h e r ea r ee q u i p m e n t st h a tc a nm e a s u r et h ey a m t e n s i o nr e a l - t i m ea t a b r o a d b u tt h e ya l ee x p e n s i v ea n ds e c r e c yt ou s i ti su r g e n c yt or e s e a r c ha n dd e v e l o pt n e r e a l t i m ev a mt e n s i o nm e a s m e m e n ts y s t e mf o rt h ed o m e s t i cn e e d s ，s oi t i sa n a l y z e dd e e p l y a n dc o m p r e h e n s i v e l yf o rt h er e a l t i m ey a mt e n s i o nm e a s u r e m e n t i nt h ep a p e r , i n c l u d i n gt h e y a mt e n s i o ns e n s o ld a t aa c q u i s i t i o na n d t h ed e s i g no ft h es y s t e ms o f t w a r e i ns e n s 0 li ti sa n a l y z e da n dr e v i e w e dt h ep r i n c i p l ea n ds o r to ft h ey a ms e n s o r ；t h es t r a m g a u g ey a ms e n s o ri ss e l e c t e da st h es o l u t i o na tl a s t f r o mt h es t r u c t u r ed e s i g no f t h ee l a s t l c s o l i dt ot h es t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i s ，t h e r ea r eal o t o fw o r kh a v eb e e nd o n ef o rt h e r e s e a r c h i ti sf o u n dt h a tt h e r ea r es o m ed i s a d v a n t a g e sa n dd r a w b a c k si nt h ed a t aa c q u i s i t i o n i nc t u t e n t s y s t e mf r o mt h er e s u l t so f t h er e s e a r c h ；t h ey a mt e n s i o ns i g n a li sf i l t e r e dw i t ht h en e w f i l t e r a l g o r i t h mw h i c hi sd e v e l o p e df r o mt h el i f t i n gs c h e m e w i t ht h ee m u l a t i o n o ft h ea l g o r i t h n l ，i t i sf o u n dt h a tt h ea l g o r i t h mc a nr e m o v et h en o i s ee f f e c t i v e l y t h en e wt e c h n i q u e i sa d v a n c e d b yc o n t r a s tt ot h er e l a t i v et e c h n i q u ea b r o a d n o w a d a y s ，t h ea b r o a dy a m t e n s i o nm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mj u s tf o c u s e so n t n ey 姗 t e n s i o n a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc r a f t s m a n s h i p ，t h en e wm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o is y s t e m 1 s p r o p o s e d ，m o n i t o r i n gt h et e m p e r a t u r eo f t h eh e a t e lv e l o c i t yo ft h em i l e ra n dt h ew l n d i n g t e n s i o nb e s i d e st h ey a mt e n s i o n t h en e ws y s t e mw i l le n s u r et h es t a b i l i t yo f t h ey a mq u a l i t y m o r ee f f e c t i v e l y k e y w o r d s ：t w i s t i n gm a c h i n e r y ；t e n s i o n s e n s o r ； s y s t e m s i g n a lf i l t e r ；w a v e l e tt r a n s f o r m ；m o n i t o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：兰兰：熟垒日期：如口7 年7 月弦e t 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 主丝盘盏 导师签名： 主长塑努 日期：沙口7 年- 7 月工d 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在丝线加工过程中，丝线张力是一个十分重要的参数，张力的大小和稳定直接关系 到产品的质量、生产效率以及后续加工能否顺利进行。通过对丝线张力的实际测量，并 与加工工艺要求进行比较，从而对丝线张力采取相应的控制，以保证产品质量的稳定。 同时还可以对丝线的质量做出客观评价，进行产品分级。 然而，现实中对丝线张力的测量，仍然采用的是较原始的手工测量方法，测量精度 差、效率低。较理想的解决办法是通过对各种加工过程中的丝线张力进行实时监测，判 断丝线张力是否在允许的波动范围之内，如果丝线张力的波动过大，则启动相应的丝线 张力控制机构实时调整丝线张力，以此来达到稳定丝线张力的目的i lj 。高速高精度的丝 线张力监测与控制可以减少丝线的断头、提高加工效率，大幅度提升产品质量。国外虽 然已经研制出相关的丝线张力在线监测系统，但是对其技术保密。而国内目前急需这方 面的技术与产品来提高纺织品的质量与纺织机械的竞争力。 2 0 0 6 年我国化纤行业完成工业总产值3 1 5 5 亿元，同比增长2 1 2 ；实现销售总产 值3 1 0 6 亿元，同比增长2 1 6 ；产销率达到9 8 5 ，比前一年同期提高0 3 个百分点； 化纤行业实现利润6 6 亿元。在人造纤维、弹力丝等生产过程中对丝线张力的监测与控 制十分重要，我国化纤工业要想取得更好更快的发展，必须有与之相配套的质量监控系 统的支持，以此来提高产品档次，提高产品竞争力。因此，丝线张力在线监控系统的研 究与开发势在必行，本文也主要是对相关技术进行研究的。 1 2 课题的背景、目的与意义 纺织业是我国的传统产业，与人们的日常生活关系密切。我国是纺织品生产大国， 主要纺织产品产量和生产能力均居世界首位。与纺织品的生产与出口相比，我国纺织机 械的生产制造水平与竞争力则逊色不少。近年来，纺织机械主要朝着高速化、自动化方 向发展。国外的纺织机械性能可靠、生产效率高，并根据市场的变化与需求不断推陈出 新。机电一体化技术包括机、电、光、气、声等在纺织机械中得到综合应用，特别是电 子技术、自动控制技术和智能技术的应用，使得纺织机械的稳定性与智能化得到很大提 高。我国的纺织机械工业也在不断发展f i i 进，但与国外相比还存在不少差距，主要在于 机电一体化技术、通用和专用自动化装胃技术的落后。 纺织机械与其它机械产品不同，有其自身的特点。一般纺织成品的产出需要多道工 序连续完成。如棉花从纺成纱线到织成布匹要经过开清棉、梳棉、并条、纺纱、捻线、 络筒、整经、浆纱、织造等许多道工序，每一道工序都前后相承、流水作业、缺一不可。 纺织加工中，每个生产环节必须有专用的生产设备，每种设备只能完成特定的工序，因 江南人学硕十学位论文 此纺织机械产品种类多，结构差异大。 丝线张力的监测与控制广泛存在于各种纺织品的加工过程中，以保证纺织品质量。 在纺纱、假捻、整经、织造等过程中，丝线张力是一个重要的参量，丝线张力监测与控 制的效果对产品质量的稳定起着重要的作用。国内生产的纺织机械中大多没有专用的张 力监测设备，张力监测的水平较低，大多停留在手工监测阶段，检测效率低、精度差。 而国外已经实现了丝线张力的自动监测，并在纺织机械中进行了配备。因此，丝线张力 监控装置的研制势在必行。 随着纺织机械朝着高速化、数字化、柔性化与自动化方向发展，丝线张力在线监控 技术的研究越来越迫切。 纺织机械的高速化可以提高加工速度、扩大产能，手工监测将不能满足监测要求， 必须使用自动监控装置。因此，丝线张力自动监控技术的研究有其必要性。 纺织机械的数字化对提升纺织企业的管理水平、对纺织行业的技术、质量、经济效 益都将产生明显的推动作用。要想实现纺织机械的数字化，就必须对纺织过程中的各种 参量进行实时的数据采集。在纺纱、假捻等过程中，丝线张力数据的实时采集必不可少。 为适应纺织品向多品种、小批量、短周期、时尚化的发展趋势，纺织机械必须实现 柔性化。柔性化生产要求纺织机械可以满足不同种类产品的生产工艺要求，当生产工艺 改变时，就更需要对各个相关参量进行实时监测与控制以保证产品质量。在纺纱、假捻 等过程中，当生产的工艺改变时，丝线张力的监测与控制也要发生改变，丝线张力监控 系统也必须具备柔性监控的特点。 纺织机械的自动化可以减少工人劳动强度、提高加工效率、提高产品档次。实现纺 织机械的自动化就必须实现对生产过程中各种重要参量监测的自动化，然后通过各种执 行机构来进行实时反馈控制进而保证产品质量。由于纺织机械类型多、结构差异大，对 各个参量的监测与控制方法也不相同，在纺纱、假捻等过程中对丝线张力的监测方法虽 然相同，而控制方法却不相同，必须根据不同的设备设计不同的监测与控制装置。本课 题研究的基于假捻机械的丝线张力在线监控系统其丝线张力监测部分可以应用于纺纱、 整经等过程中，而控制部分则只适用于假捻过程中丝线张力的控制。 1 3 丝线张力监测的现状与趋势 丝线张力的测量已经有很长的历史了，从最早发明的机械式丝线张力仪到最新出现 的非接触式丝线张力仪，丝线张力测量速度越来越快，测量精度越来越高。 最早用于丝线张力测量的是机械式丝线张力仪。机械式丝线张力仪可以用来测量静 止或运动时的丝线张力，通常为表盘指针式的。由于机械式丝线张力仪只能读出瞬时张 力，不能对数据进行保存，于是出现了电子式丝线张力仪。电子式丝线张力仪的测量原 理与机械式丝线张力仪相同，同时可以通过液晶显示屏显示张力值，在每次测量时具有 读出最大值、最小值与平均值等功能，个别产品还可以与打印机相连对张力数据进行打 2 第一章绪论 印。 机械式与电子式张力仪的生产商较多。国内的丝线张力仪有江苏南通三思机电科技 有限公司生产的s f y 型指针式纱线张力仪、常州咏春纺织机电有限公司生产的y g 3 0 2 型机械式纱线张力仪、上海江冠测试仪器有限公司生产的y g 3 0 2 型机械式纱线张力仪 ( 售价为3 7 0 0 元) 和f y s 电脑型单丝张力仪( 售价为7 7 0 0 元) 。无论是机械式丝线张 力仪还是电子式丝线张力仪其测量精度一般在1 左右。国外的丝线张力仪生产厂商较 多，其中德国施密特公司是世界上最大的张力仪制造商，其7 0 的产品出口，提供的张 力仪品种多，精度高，个别产品精度可达0 5 。 在纺纱、假捻等过程中丝线张力对产品质量的影响很大，必须对丝线张力进行实时 监控。由于机械式和电子式丝线张力仪都只能进行随机测量，不能满足测量要求，因此 又出现了丝线张力在线监测系统。丝线张力在线监测系统可以同时对多达2 0 0 锭位以上 的丝线进行张力测量，并且可以在计算机上实时显示张力值与张力的变化情况，为丝线 张力的测量带来了极大的方便。国内还没有相类似的监测系统，国外也主要作为与相关 纺织机械相配套的产品生产销售，并不单独出售。典型的张力监测系统有巴马格公司的 u n i t e n s 丝线质量管理系统与r e t e c h 公司的o n l i n et e n s o r 张力监测系统等【2 】。 由于接触式丝线张力测量一方面容易引起张力仪测量头的磨损，另一方面容易引起 丝线品质的改变。因此出现了非接触丝线张力仪，它是目前最先进的张力测量仪器，其 对测量环境要求苛刻而且价格昂贵，相关资料也不多。 还有一种张力测量仪器是用于整经、织造等过程中的张力测量。由于丝线的排列密 度大，因此对张力仪的外形尺寸有严格限制，必须使用由微电子机械( m e m s ) 技术制 造的微型张力仪，目前国内外还没有较成熟的产品，还处于研究阶段。 非接触丝线张力测量时不与丝线接触，对丝线品质不产生任何影响。虽然对测量环 境要求高、外形尺寸较大，但随着研究的深入，必将成为丝线张力测量的发展方向。在 整经、织造等过程中，微电子机械式张力仪也将成为其主要发展方向。在纺纱、假捻等 加工过程中，通过对丝线张力的变化情况进行分析，可以判断出纺织机械可能出现故障 的部位，故障的智能识别也将成为丝线张力监控系统的又一发展方向。 1 4 主要研究内容与相关工作 丝线张力在线监控系统主要完成丝线张力的实时测量、对张力数掘进行实时分析以 及对丝线张力进行实时控制，使丝线张力保持恒定。因此本文研究内容可分为张力传感 器的设计、数据采集电路的设计与丝线张力实时控制技术三个重要组成部分，主要包括 以下几方面的工作： ( 1 ) 分析比较各种类型张力传感器的测量原理及其优缺点，针对常用的电阻应变 式张力传感器的结构进行静态分析与动态分析，找出影响测量精度的主要因素，对张力 传感器弹性体进行结构优化； 3 江南人学硕j ：学位论文 ( 2 ) 设计丝线张力在线监控系统： ( 3 ) 对张力信号进行在线实时滤波，对传统低通滤波器与小波变换滤波器进行分 析与比较，确定并设计适合于实时滤除丝线张力信号噪声的滤波器，并对滤波算法进行 仿真与试验； ( 4 ) 使用d e l p h i 编程软件，借助于串行通信技术，完成计算机与d s p 之间的数据 通信，实现丝线张力数据的实时显示以及对假捻工艺参数的设定与保存工作； ( 5 ) 对丝线张力实时控制技术进行分析，提出控制方案。 4 第二章丝线张力的测量与传感器设计 第二章丝线张力的测量与传感器设计 在丝线、织物和化学纤维的加工过程中，张力是一个重要的影响因素，为了使织物 的质量稳定，张力在整个加工过程中应保持稳定。张力过大会造成化纤网格增大或降低 织物寿命，张力过小可能会使织物过松而引起起皱或跑偏，张力关系到产品的质量，与 人们的生活密切相关。 2 1 丝线张力的产生 当丝线或纤维受到拉力作用时，丝线或纤维被拉伸，丝线或纤维对外力的反作用力 阻止丝线或纤维被拉伸，因而产生了丝线张力。 在实际生产中，丝线的运动通常是由喂入罗拉与输出罗拉的牵引使其运动的，由于 喂入罗拉与输出罗拉的速度差异使丝线产生张力，如图2 1 所示。 ! ：q 么竺 ：q 图2 1 丝线运动示意图 丝线张力的大小可以由喂入罗拉与输出罗拉的速度来调节。速度差异以喂入率后来 表示： 厶= 睁卜 式中：石为喂入率，若为正值称超喂率； 形为喂入罗拉速度； i i o 为输出罗拉速度。 ( 2 1 ) 若等于零称为等喂；若为负值称为欠喂率； 喂入率增大，丝线张力减小，喂入率减小，丝线张力增大，但并不呈线性关系。因 此实际生产中，随着喂入罗拉与输出罗拉速度的变化，丝线的张力是变化的。丝线张力 要在规定的罗拉转速与喂入率下进行测量。 2 2 丝线张力的测量 近几年来，丝线张力的测量越来越受到人们的关注，测量精度要求也越来越高。目 前，测量丝线张力的装置很多，但是进行丝线在线张力测量的张力仪却不多。在纺织过 程中采用的张力测量装置大都是一些通用型产品，其外形尺寸、测量精度及采样频率各 不相同、差别很大。常见的丝线张力仪有：机械式丝线张力仪和电子式丝线张力仪。丝 线张力测量已经在纺纱、假捻、织造、针织等生产过程中广泛应用。 2 2 1 机械式丝线张力仪 机械式丝线张力仪是最基本的丝线张力测量装置，它也是目前最常用的丝线张力测 最装置。机械式丝线张力仪根据三岁拉测量原理柬进行怅力洲量，测量叫将丝线绕j 二 岁 t 之上，由丁丝线张力的作用使中问的罗拉产生定的位移。通过量化这一位咎便可 以得到丝线的张力。机械式张力仪广泛廊加于纺纱、假捻等! l 产过程中，它又分为手持 式和尉定式，如图22 所示。浚犍置不能保存丝线张力数抓，只能对丝线张力进行随机 测量。 r 强 甘 硼 ( a ) 手持式( h ) 同定式 圈2 2 机械式丝线张力仪 2 2 2 电子式丝线张力仪 电子式丝线张力仪的测昂原理与机械式丝线张力仪相h ，然而f b 了式丝线张力仪可 以与打印机相连接咀记录或打e 丝线张力数抓，并可以对丝线张匀数掘进行简单的分 析，如罔23 所示。 但是无论是机械式丝线张力仪还是电r 式丝线张力仪，其外形尺、j _ 都比较人，不适 于直接安装住纺纱、假捻等纺织机械中。l 叫时由于测量元件的锁忖! ，其频率响应特性较 差，测醚精度与测量速度较低，小能满足高速测量不适f 对丝线进 ? 在线实叫洲量进 而对丝线张力进行实时控制。 2 2 3 在线张力仪 图2 3 电子式丝线张力仪 第一章# 线m 山测量1 ，传堪* 世h 与机械式丝线张力仪和电子式丝线张力仪相比。在线丝线张力仪的外形尺寸更小、 测量精度更高、测量速度更快，并具有良好的频率响应特性，可以满足丝线张力的宴时 测量要求。在线张力仪广泛应用于纺纱、假扮等对丝线张力控制要求较高的场合，可以 直接安装于各种纺织机械中。 在线丝线张力仪大多是根据电磁效应、电阻应变原理与电容变化等原理设计的，通 过丝线张力变化引起电阻、电容的变化进而进行丝线张力的测量。圈2 4 所示分别为 r e t e c h 公司和b a r m a g 公司制造的在线张力仪，r e t c c h 公司的在线张力仪是根据电磁效 应研制的，而b a r m a g 公司的在线张力仪是根据电阻应变原理研制的。 ( a ) r e t e e h ( b ) b a n n a g 图2 4 存线丝线张力仪 在线张力仪。个显著特点是可以通过数据采集电路与计算机相连接，实现对丝线张 力的统计分析，例如计算平均值、取峰值、实时显示张力曲线图等等。同时，在线张力 仪玎以与其它丝线张力控制设备相配合来实现对丝线张力的实时监测与控制。由于可以 与计算机柏连接大大增强了对丝线张力数据的存储能力。在线张力仪良好的频率u 向应 特性使得其在高速测量时仍保持较高的测量精度。 但是往线张力仪的价格很高，r e t e c h 公司的o n l i n e t e n s o r 张力监测系统用于同时测 量2 1 6 个锭位的丝线张力，包括谯线张力仪、相关硬件、软件其汁6 0 0 0 0 美元。因此， 迫切需要白e 研制丝线张力在线监控系统束降低成本、提高企业的竞争能力。 2 2 4 丝线张力监测系统 丝线张力监测系统主要由以下几部分组成：蝗线张力传感器、放大电路、数据采集 电路与系统软件，如图2 5 所示。 张力传感器安装在丝线的丝道上，通过换能元件把丝线的张力转换为电信号。此时 输出的电信号非常微弱，需要由专门的放大电路对这些微弱信号进行放大并进行初步滤 波，以减少噪声干扰。为r 能够使用微处理器或计算机对丝线张力信号进行分析与处理， 从放大电路输出的电压信号需要进行模数转换，把模拟量转换为数字量。由于一般纺织 机械中的丝道较多锭位通常在几百个左右，因此数据采集电路还要完成对丝线张力信 号采集时的协调工作。数据采集电路完成对模拟量的数字化与信号的进一步处理后将数 江南人学硕l ：学位论文 字信号上传给上位机。这时上位机上的系统软件将完成丝线张力信号的实时显示、分析 与存储等工作。 囤 张力传感器 图2 5 丝线张力监测系统 在不同的纺织机械中，使用的张力传感器可能不同，例如在假捻设备中使用电阻应 变式张力传感器，而在织造设备中使用硅微机械传感器；但是其对信号放大与采集的原 理是相同的，因此上述四个方面也是本文的主要研究内容。 2 3 丝线张力传感器设计 2 3 1 丝线张力传感器的种类 丝线张力测量可以分为接触式张力测量与非接触式张力测量两大类。接触式丝线张 力测量根据测量原理的不同，又分为以下三类p j ： 电阻应变式 电阻应变式丝线张力传感器其结构原理图如图2 6 所示，在悬臂梁的上、下表面贴 上4 个应变电阻r 1 月4 ，组成全桥电路。利用3 根罗拉将丝线张力转换成对中间罗拉 2 的压力凡传力块再将这一力传递到悬臂梁上，悬臂梁相应地产生与张力成比例的应 变，该应变转换为电阻的变化，然后通过电桥电路将电阻的变化转换成电量的变化，经 标定输给后续的信号处理装置，通过对信号进行分析就可以获取丝线张力及其变化信 息。 罗拉2 罗拉2 图2 6 电阻式张力传感器示意图 磁电感应式 如图2 7 所示，该装置由3 根罗拉、阻尼器、平衡装置和衔铁等部分组成。当不工 臼 垦 第二章丝线张力的测量与传感器设计 作时，活动衔铁处于平衡位置，次级没有电信号输出。当丝线运行时，由于丝线张力变 化而导致衔铁上下移动，此时衔铁次级输出电信号，经处理后即可显示或记录丝线张力。 电容式 图2 8 所示为电容式张力传感器示意图。当丝线张力作用于导纱轮上时，动极片上 下移动，假设定级片与动级片问的距离发生变化为万，电容量相应发生变化为a c ，其 相对变化量为a c c ，则当距离的变化量6 很小时，可以认为电容的变化量a c 与筋 近似成线性关系。该距离变化量通过相应的电路转换为电信号的变化量，经处理后就可 以得到丝线张力。 图2 7 磁电感应式张力传感器示意图图2 8 电容式张力传感器示意图 由于接触器丝线张力测量容易引起传感器测量头的磨损、丝线的断头等问题，因此 出现了非接触式丝线张力传感器。非接触式丝线张力测量是指使用c c d 图像传感器来 进行丝线张力的测量。c c d 图像传感器是采用光电转换原理，摄取平面光学图像并将 其转换为电子图像信号的器件。c c d 图像传感器的核心是电荷耦合器件c c d ，它具有 存贮、转移并逐一读出信号电荷的功能。如图2 9 所示，应用c c d 图像传感器测量丝 线张力的原理是在平行光源的照射下，通过光学系统将丝线直径的阴影反映在光电阵列 上，从而使c c d 图像传感器输出与丝线阴影相对应的电信号，经过放大处理后输入计 算机，通过专用的分析算法记录或显示丝线张力大小及丝线张力的变化情况。 图2 9 非接触式张力传感器示意图 2 3 2 丝线张力传感器的选择 电阻应变式、磁电感应式和电容式三种接触式丝线张力传感器相比较，其中磁电感 应式与电容式张力传感器非线性大且易受到外部干扰。电阻应变式张力传感器精度高、 稳定性好，适用于各种环境，常用于纺纱、络筒、假捻等生产过程中来测量丝线的张力。 非接触式c c d 图像张力传感器是最近研制出的新型丝线张力传感器，但是其在测 量速度与可靠性方面还存在一定问题【2 】，而且其结构尺寸较大，安装不便。硅微机械张 9 江南人学硕i j 学位论文 力传感器虽然也可以用来测量丝线张力，但是其主要应用在丝线排列密度较高的织造等 场合，而且其制造难度较大，价格昂贵，还没有较成熟的产品。根据实际的生产环境与 制造成本等因素综合考虑，本文选用电阻应变式张力传感器作为研究对象，以期达到提 高测量精度的目的。 2 3 3 电阻应变式张力传感器的设计要点 电阻应变式张力传感器的设计中，弹性体结构的设计是关键。弹性体结构的好坏将 直接影响到传感器的灵敏度与精度。电阻应变式张力传感器的工作频率由弹性体元件与 其上的电阻应变敏感元件决定。在动态测量中应尽可能的提高传感器的固有频率，电阻 应变敏感元件的频率通常很高，因此如何提高弹性体结构的固有频率将是张力传感器设 计的要点之一。 另外，在设计电阻应变式张力传感器时必须保证弹性体上粘贴电阻应变片部位的应 力( 应变) 与弹性体承受的载荷( 被测力) 保持严格的对应关系，以提高测量精度。同 时为了提高张力传感器的灵敏度，还应使贴片部位达到较高的应力( 应变) 水平。所以 确定弹性体的最大应变位置与确保贴片部位的应力均匀分布也是张力传感器的设计要 点之一。 一般情况下，传感器安装的场所并非理想化，在温度、湿度等效应的综合影响下， 可以引起传感器零点漂移和灵敏度的变化。因此，在传感器的设计过程中还要采取相应 的温度补偿和防潮措施。 2 4 本章小结 本章介绍了纺织过程中测量丝线张力的一些方法，比较了各种测量方法的优缺点。 随着对丝线张力测量速度与测量精度的要求的提高，必须对丝线张力进行在线实时监 测。丝线张力在线监测系统包括丝线张力传感器、放大电路、数据采集与系统软件，最 后分析了丝线张力传感器设计时应注意的问题。 l o 第三章张力传感器弹性体的结构设计 第三章张力传感器弹性体的结构设计 3 1 丝线张力传感器弹性体结构的有限元分析 丝线张力传感器的弹性体结构设计是影响丝线张力传感器性能的核心技术，弹性体 结构设计的优劣直接影响到丝线张力传感器的各项指标。近年来，借助于具有高速运算 能力的计算机，运用数值模拟方法来对传感器的弹性体结构进行分析已经被广泛采用。 其中利用有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称f e m ) 进行结构分析是一种十分有效 的方法。 3 1 1 弹性体结构形式的选择 设计弹性体结构通常需要考虑的两个主要问题是弹性体结构的固有频率与弹性体 结构上的最大应变。特别是在设计测量动态变量的传感器时，应尽量提高其弹性体结构 的固有频率，进而提高其测量精度。同时应保证敏感元件安装在弹性体结构的最大应变 处，否则当传感器在满量程使用时，弹性元件上某部件的材料可能会进入塑性状态，严 重影响传感器的精度。 常见的弹性体结构形式有：悬臂梁式、双孔梁式和s 型，如图3 1 所示。弹性体结 构形式的选择主要从弹性体结构在工作时所受到的载荷的大小与性质来确定，同时还要 满足弹性体结构材料的强度和刚度要求。 rr - _ 一 rr a 悬臂梁b 双孔梁c s 型 图3 1 弹性体结构形式 ( 1 ) 悬臂梁式结构分析 图3 2 悬臂梁式结构 如图3 2 所示，设悬臂梁长为厶横截面长为6 ，高为办，悬臂梁的自由端受到竖直向下 的载荷尸，假设在截面a - a 处悬臂梁受到的弯矩为m 。则在截面口a 处沿截面高度正应力 的为： 江南人学硕十学位论文 a 彳1 ， 仃= 乙 i ： 式中：口为j 下应力； m 为截面口口处的弯矩； y 为悬臂梁上点到中性面的距离； ，：为横截面对中性轴的惯性矩。 一般情况下，最大正应力m 默发生于弯矩最大的截面， 可得： 缸= 半 ( 3 1 ) 且距中性面最远处，于是 ( 3 2 ) 上式表明，j 下应力不仅与肼有关，而且与有关，即与截面的形状和尺寸有关。 若用抗弯截面系数形表示，因为： 1 4 ：土 ( 3 3 ) j ，麟 则( 3 2 ) 式可写为 一m 。 “2 矿 根据材料力学的相关知识【4 1 ， ：丝 6 ( 3 4 ) 可以求得图3 2 所示的悬臂梁的抗弯截面系数为： ( 3 5 ) j 司时弯曲的强度条件为： 。= m m a x 仃】 ( 3 6 ) 即最大正应力不应超过许用应力。 b 嚣箍3 3 标根据材料力学的相关h 丑， 双孔梁的横截面形状如图 所示。根据材料力学的相关 几j 匠互乙盈z 一 知识，可以求得双孔梁的惯性矩为图3 3 双孔梁横截面 ，1 ：塑二竺( 3 7 ) = 一 ，j 如果取双孔梁与悬臂梁有相同的截面面积，则双孔梁的抗弯截面系数为： 形：上：丝二竺：一7 b h 2 ( 3 8 ) = = 一= 一 l j 6 ， y m “ 1 2 一l 6 第三章张力传感器弹性体的结构设计 那么，在相同的载荷下悬臂梁与双孔梁所受到的正应力之比为旦：里：7 ，说明在 o sw 。 相同弯矩下悬臂梁受到的正应力是双孔梁受到的正应力的7 倍，在同种材料下悬臂梁得 到的应变更大。用同样的方法可以判断s 型梁的抗弯系数更大，因此文中选用悬臂梁作 为弹性体的主要结构形式。 3 1 2 弹性体结构形式的优化设计 弹性体结构形式的优化设计是为了在满足弹性体结构材料的强度和刚度要求条件 下使弹性体结构的横截面积最小，从而使弹性体的质量最小，最经济。 ( 1 ) 数学模型的建立 如图3 2 所示，设悬臂梁横截面长为b ，高为h 。 对于等截面悬臂梁，若截面积a 最小，则体现了其质量最小，所以目标函数取为 a = b h 要满足强度条件和刚度条件，则其约束方程为： 强度要求最大弯曲应力不大于容许弯曲应力，即： 0 。 ( 2 ) 优化求解 建立了弹性体结构形式的数学模型以后，根据具体情况，例如其所受到的最大弯矩、 材料的弹性模量等因素来对模型进行求解。常用的方法有直接搜索法、解析规划法等1 5 j 。 在实际应用中，由于材料和制品规格的限制，设计变量的取值范围常是一些离散性的数。 这个问题虽然在优化设计中有一些方法( 如整数规划) 处理，但都过于繁琐。一般在优 化过程中将它们视为连续变量，求得连续最优解后，在解决具体方案时，各设计变量选 用靠近最优解而稍偏“安全的离散值作为设计方案。它可能会与离散最优解重合或接 近，但也可能是边界附近的一个不可用解，因而一般还需要用常规的设计方法进行校核。 4 t ：结构设中，设计j _ 在最优 附近移动时目标两数的变化脏比较缓慢，这样处理 带米的误差小会粗大。除此之外，琏璺考虑到结构加工制造的难易程度，需要对其进行 争盅考虑。 3 1 3 弹性体模型的静态分析 ( 1 ) 弹性体模型的设训 蛭线张力传感器 要是通过弹性体的变形柬进行张力测量的。本文提到的弹性体是 用柬测量丝线张力的，而n 足动态在线测量丝线张力，所以有以下要求： 不能在测量时山于始线与弹性体的接触而造成对丝线质龟的影响，对丝线的影响 要尽可能的小： 弹性体贴片区( 娈j b i x ) 的应力( 应变) 应尽量大些，且分枷要均匀，以便减小 测量误芹。 往3i2 仃中已经给 1 了贴片k 的设| f 依据在此不再獒进。由于是动态在线测量 丝线张力，所以在弹性体与丝线的接触k ，将弹性伴设计成光滑的圆柱体结构以便减小 丝线在远行中的摩擦力、测量误差以及埘雌线质量的影响。同时由于弹性体需要同定， 而贴7 7 i 蔓的尺寸太小不易同定，因此固定端的尺寸适当大些。连接圆丰 f = 体与贴片区也需 要k 方体结构，弹性体结构的原始模型图如图3 4 所水。 图3 4 弹性体结构原始模型 d 弹性体的设汁过程叶| ，使弹性体l 的应力( 应变) 集中分巾在便于贴片 盘测的部 位，以实现测得的应力( 应盘) 与被测力基本保持严格的对应关系，从而保证传感器的 测量精度。若要使传感器达到较高的灵敏度，通常应使弹性体上贴片区有较高的应力( 应 变) 水平，常用的方法有”f j ： 整体减小弹性体的尺寸，辛面提高弹件体的麻力( 应变) 水平； 柱贴片匮附近对弹性体进行局部削弱，使贴片区局部应力( 应变) 水平提高，而 弹性体其它部位的心力( 应变) 水平基本不变。 刈弹性体整体性能而毛局部削弱弹性体的效果要远好于整体减小弹性体的尺寸， 凶为局部削弱弹件体既能提高贴片区的应力( 应变) 水平，又能使弹性体保持较高的强 度和川度，有利j 提高传感器的性能和使用效果。在弹性体设计中，不仅要求贴片【蔓应 有足够人的应力( 席变) ，迁希望在浚区域内的应力( 应变) 尽可能的均匀，前者以获 得尽可能大的输山信号，后肯则尽可能减小传感嚣的非线性，所以在实际应用中，不能 j j 。味的追求商灵敏度，m 忽视了应山( 应变) 的均匀性，另外还町通过结构或参数优 弗= 章张力传感8 弹性怍的结构设计 化设计，柬减少由于应变梯度而带束的非线性。 通常弹性体结构的尺寸都较小，应该根据使用环境与应力分布柬确定弹性体结构的 尺寸。弹性体结构的总体k 度与最大载荷确定后，弹性件所受到的弯矩也就固定f 束了， 而贴片区的尺寸应通过应力( 应变) 的大小与分布情况柬确定。 根据张力传感器受到的载荷以及具体工作环境的要求，初定张力传感器的弹性体各 部分的主要尺寸如表31 。 衷31 弹性体结构的主要尺寸( 单位：m m ) 名称长 截面 固定端 1 8 1 2 + 1 2 ( w h 、 贴片区 85 5 5 + 07 ( wh 1 连接区6 5 5 + 5 5 ( wh 1 圆柱体3 7 5z + i4 2 ( r 2 ) ( 2 ) 弹性体模型的静态分析 弹性休总长为7 0 r a m ，受到的最大找荷为f = 2o n 根 据村料力学相关知识可以得到弹性体结构的应力分布。应 力主要与弯矩和弹性体的各个横截面的形状有关。截面为 长力形时应力口：皂要：截面为网时应力。：! 坚。弹性体 6lrr 结构的应力示意图如图35 所示。 图35 应力示意图 在a n s y s 仿真环境f 建立弹性体模型，选用1 0 节点四面休s o l l d 9 2 单元，采用智 能网格划分力法，单元尺寸级别取4 级，并对局部进行网格细化，划分屙单元总数为 1 4 8 2 5 个。经过分析可以得到弹性体应力、应变图，如图3 6 、图37 所示( 弹性体材料 选用4 0 c r n i m o a 钢，其参数为【。】= 1 0 0 0 m p a , e = 2 l + 1 0 ”p a ，p = 78 5 + 1 0 s k g m ，i t = o 3 ) 。a n s y s 仿真结果与引算结果相符，最大应变发生在弹性体结构的贴片区”。 万 爵倒，一。 科“ 幽3 6 弹性体结构应力图国37 弹性体结构应变图 3 1 4 弹性体结构的动态分析 弹性体结构的动态分析包括弹性体结构的疲劳分析、摸奁分析与瞬奄分析 ( 1 ) 弹性体结构的疲劳分析 江南人学硕上学位论文 丝线张力是在某一固定张力值的附近上下波动的，因此张力传感器弹性体所受到的 载荷为动载荷，其波动可以用正弦曲线近似表示。弹性体受到的应力可以用图3 8 来近 似表示。 由于弹性体是在交变应力状态下工作的，在进行强度校核时，不能只进行静态下的 强度校核，还应该进行疲劳失效校核。在交变应力作用下，虽然应力低于屈服极限，但 长期反复之后，构件也会突然断裂。即使是塑性较好的材料，断裂前也无明显的塑性变 形，这种现象称为疲劳失效。疲劳失效是构件在名义应力低于强度极限甚至低于屈服极 限的情况下突然发生断裂。交变应力下，应力低于屈服极限时金属就可能发生疲劳。 为了保证张力传感器在交变应力下不发生失效，需要对弹性体结构进行疲劳分析。 常用疲劳极限或持久极限作为动载荷下材料的强度指标。以应力口为纵坐标，寿命n 为 横坐标，由试验结果描绘出的应力一寿命( s n ) 曲线，如图3 9 所示。 一土一二l 1 一 土j 甲l m 图3 8 应力变化示意图图3 9 应力寿命曲线图 试样的疲劳实验表明，当应力降到某一极限值时s - n 曲线趋于水平线，这表明只要 应力不超过这一极限值，n 可以无限增长，即试样可以经历无限次循环而不发生疲劳。 交变应力的这一极限值称为疲劳极限或持久极限。通常把在1 07 次循环下仍未发生疲劳 失效的最大应力规定为钢材的持久极限。 影响持久极限的因素有以下三个方面【4 1 = 构件外形的影响 常用有效应力集中系数k 来标定，构件外形的突然变化，如构件上有槽、孔、缺口、 轴肩等，将引起应力集中。在应力集中区域更易形成疲劳裂纹，使构件的持久极限显著 降低。 构件尺寸的影响 常用尺寸系数来表示，随着试样横截面尺寸的增大，持久极限却相应的降低。 构件表面质量的影响 常用表面质量系数卢来表示，一般情况下，构件的最大应力发生于构件表面，疲劳 裂纹也多于表面生成。优质钢材更需要高质量的表面加工，才能充分发挥高强度的性能。 图3 8 中，口m 戕和口m i 。分别表示循环中的最大应力和最小应力，比值，- = 生l 称为 “ 1 6 第三章张力传感器弹性体的结构设计 交变应力的循环特征。= 去( + 。) 表示平均应力，吒= ( 一) 表示应力幅。 二 1 当，= 1 ，口m = o ，口口= 口，蛾时，称为对称循环；当r = o ，= 吒= 去。时，称为脉动 循环。除了对称循环外，其它情况都称为不对称循环，可见张力传感器弹性体结构受到 的应力为不对称循环。 不对称循环下，弹性体的疲劳强度校核步骤为【4 1 ： 计算弹性体工作应力，确定口、盯牌加，然后求得，、肼、口口。 通过查表确定系数七，p ，p 。 按公式 以：垒v _ 1 一刀 驴荪加 0 0 u ”m 进行疲劳强度校核。 其中：为规定的工作安全系数； 口，为对称循环下材料的持久极限； 为构件的工作安全系数，应大于规定的工作安全系数； ：c y - i i - - ；- - ，其中盯一为脉动循环下材料的持久极限。 若胗0 时，按下式进行静强度校核， ：旦体2 。2 体 o m 钺 其中： 体为屈服极限工作安全系数； ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) 以为屈服