（机械制造及其自动化专业论文）精密络筒机卷绕头积极控制的研究.pdf

摘要 目前，我国纺织行、i p 大量使用的普通络筒机，与国外同类产品相比，许多方 面存在很大差距，在实际生产过程巾已经跟不上形势的发展。为此，国内纺织业 i f 存加快纺织装备的更新改造，以适应国内外市场对提高纺织产品质量的要求。， 络筒机技术改造就是其中重要的一环，一些食业根据产品结构特征和技术要求， 分层次地对现有络筒机设备进行更新升级。本文根据厂家对产品技术改造的要 求，首先设汁和组装了精密络筒机卷绕头机械模拟试验装置，与角度传感器和 a d 转换器共同构成实验检测系统。通过对该系统机械精度问题的讨论，给出了 设备安装允许误差的参考；对实验数据进行采集、分析和处理，结果表明选取的 角度传感器能够满足实际生产的精度要求，且检测系统可视为线形系统，使控制 系统的实现得到大大简化。其次，对卷绕头驱动控制系统进行了动态辨识，采用 复合形法优化处理实验数据，确定了其传递函数模型；探讨了电机转速闭环p i 控制，论述了其控制策略、控制算法，参数整定及一些改进措施；并对参数自寻 优整定进行了仿真，证明了该驱动系统能够满足整个控制性能的要求。检测系统 和驱动系统共同构成了卷绕头积极控制系统的下位机部分，是实现整台设备控制 的基础。 关键词： 络筒机传感器检测系统驱动系统动态辨识系统仿真 来$ 别簪、导，璀阔蕊 纫全文公稽 a b s t r a c t t h e r ei sm u c hg a pb e t w e e nt h ec o m m o n l y u s e dw i n d i n gm a c h i n e i nc h i n aa n d t h eo v e r s e a so n e s t h ef o r m e rl a g sb e h i n dt h ed e v e l o p m e n to ft e x t i l ei n d u s t r yi n p r a c t i c a lp r o d u c t i o nn o w t h e r e f o r e ，d o m e s t i c t e x t i l ee q u i p m e n t sa r eb e i n gi n n o v a t e d i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft e x t i l e s ，m e e t i n gt h ed e m a n d so fi n t e r n a t i o n a l m a r k e t t e c h n i c a li n n o v a t i o nf o r t h ew i n d i n gm a c h i n ei so n eo ft h ei m p o r t a n tc h a i n s s o m eb u s i n e s s e su p d a t ea n di n n o v a t et h ep r e s e n t l y u s e dw i n d i n gm a c h i n eg r a d u a l l y a c c o r d i n g t oi t ss t r u c t u r ef e a t u r ea n dt e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s f i r s t l y , t h i s a r t i c l e d i s c u s s e st h ed e s i g n i n ga n da s s e m b l i n go fm e c h a n i c a la n a l o ge x p e r i m e n t a ld e v i c ef o r w i n d i n gu n i to fp r e c i s i o nw i n d i n gm a c h i n e ，m a k i n gu pt h ee x p e r i m e n t a ld e t e c t i n g s y s t e m w i t l l a n g l e t r a n s d u c e ra n da d ( a n a l o gt o d i g i t a l 、c o n v e r t o l t h e nt h e m e c h a n i c a la c c u r a c yo ft h i s d e t e c t i n gs y s t e mi sd i s c u s s e d ，a n dc a nb eu s e df o r r e f e r e n c ew i t he r r o rw h i l ea s s e m b l i n gt h em a c h i n e i ti s p r o v e db yd a t as a m p l i n g ， a n a l y z i n ga n dp r o c e s s i n gt h a tt h ea n g l et r a n s d u c e ri sa p p r o p r i a t et ob eu s e df o r p r a c t i c a lp r o d u c t i o na n d t h es y s t e mi sa p p r o x i m a t i v e l yl i n e a r , w h i c hi sc o n v e n i e n tf o r r e a l i z a t i o no fc o n t r o ls y s t e m s e c o n d l y ，o nt h eb a s i so f d y n a m i cs y s t e mi d e n t i f i c a t i o n t h et r a n s f e rf i m c t i o nm o d e lo ft h ed r i v ea n dc o n t r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e db yd a t a p r o c e s s i n g 谢廿lo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mo f t h ec o m p l e xb o d yt h e nt h ep ic o n t r o lo f m o t o r sr e vc l o s e dl o o pi s d i s c u s s e d ，m o r e o v e r ，t h ec o n t r o ls t r a t e g ya n da r i t h m e t i c ， p a r a m e t e rr e t o u c ha n ds o m ei m p r o v e dm e t h o d sa r ed i s s e r t a t e d i ti sp r o v e dt h a tt h e d r i v ea n dc o n t r o ls y s t e mc a ns u f f i c ef o rt h ew h o l e s p i n d l ec o n t r o lb ye m u l a t i o n b o t h ；h ed e t e c t i n gs y s t e ma n dt h ed r i v es y s t e mf o r mt h el o w e rc o n t r o l l e r o f p o s i t i v ec o n t r o l s y s t e m ，w h i c hl a y st h ef o u n d a t i o nf o r t h ec o n t r o lo f t h i sm a c h i n e k e yw o r d s ：w i n d i n gm a c h i n et r a n s d u c e r d e t e c t i n gs y s t e m d r i v e s y s t e m d y n a m i c i d e n t i f i c a t i o n s y s t e m e m u l a t i o n 独创性声明 y 6 2 7 4 64 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和取得的研究 成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得丞婆王些盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我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 明并表示了谢意。 学位论文作者签名：套岛哈签字日期咖。严年) 月付日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权玉婆工些友堂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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：毋南碜 签字日期：妒产年月少目 导师签名 签字日期：加。绛2 月加目 天津工业大学硕士学位论文 前言 本论文研究内容是对天津宏大纺织机械有限公司的精密络筒机进行技术改 造，解决其中的关键技术问题实现卷绕头积极控制以提高控制精度并降低成 本。该设备所加工的产品由后续的染色工序进行再处理，为了保证络筒后的纱线 筒子顺利进入染缸及染色质量，对成形纱线筒子直径需要严格的控制。由于卷绕 头部分的控制精度及成本问题，该升级产品一直未能推向市场，厂家一直在寻求 并不断尝试解决办法，但仍不能达到预期效果。作者准备做一个实际的课题，以 完成硕士学位论文，而厂家也想借助高校的科研成果，以促进产品早日投入生产 实践。于是由厂家提供实验装备，首先在学校实验室进行实验，研究精密络筒机 卷绕头的积极控制。 厂家曾采用电子定长装置，期望能够间接控制卷装纱线筒子直径，但是该方 式只能被动检测出所卷绕的纱线长度，无法保证成形纱线筒子直径的一致性，若 再增加其他辅助控制装置，则整台设备的成本会相应增加。综合考虑控制精度与 生产成本等因素，本文采取积极定径控制的新方法，即由角度传感器直接检测出 纱线筒子卷绕半径的变化，并据此控制卷绕头驱动电机的转速，既能保持纱线卷 绕线速度的恒定，又可以保证卷装纱线筒子直径均等。 本文主要研究的是检测系统和驱动控制系统组成的下位机控制系统。首先对 纱线卷绕理论作了阐述，为进行实验分析计算打下基础；接着设计和组装了卷绕 头机械模拟试验装置，研究了其机械安装精度问题；其次构造实验检测系统并进 行了数据的采集、分析和处理：然后对卷绕头驱动控制系统进行了开环动态辨识 及参数优化，探讨了电机转速闭环p i 控制，论述了p i 控制参数寻优整定的仿真。 通过实验分析和理论验证，得到如下研究结论：选取的角度传感器在设备上 的应用是可行的，彻底解决了公司长期购不到高精度传感器的问题：实验检测系 统可视为线性，进而使积极控制系统的实现得到大大简化：给出了角度传感器弹 性安装及卷绕头机械安装精度允许误差的参考；动态辨识及参数优化的结果，确 定了驱动控制系统的传递函数模型：在电机转速闭环控制下，该驱动系统可以实 现对精密络简机卷绕头的积极控制。 天津工业大学硕士学位论文 第1 章纱线络筒卷绕理论 1 1 络筒的目的和要求 纺纱过程包括若干个工序，在生产过程中，需要将各工序的产品从一台机器 输送到另一台机器上。为了便于存储、搬运和后道工序的加工，各工序的产品必 须卷绕成一定的卷装形式。络筒工序的任务就是将纱线加工成容量较大，成形较 好，有利于下一道工序( 整经、卷纬、无梭织机供纬或漂染) 进行的纱线筒子卷 装，以及检查纱线直径和清除纱疵杂质。 络筒是在络筒机上进行的，其要求如下： 1 ) 有较大的卷装容量，以减少落纱或下道工序换管或换筒的次数，提高劳 动生产率。但卷装尺寸不宜过大，必须在下道工序的机器上能容纳下且不影响操 作，并便于运输与储存。相邻纱圈排列整齐，能够很好地平衡在纱层面上，无重 叠、凸环、脱边、蛛网等弊病。因此，卷绕密度要适当，使一定的卷装具有较大 的容量。 2 ) 便于下一道工序的加工与退绕，防止粘连、扭结或脱圈，避免退绕时受 到损伤或因纠缠而断头。筒子上纱线的接头要小而牢，纱线上的疵点尽可能除去， 以提高织物的质量。 3 ) 卷装的结构与形成的方法应对纱线的外观、均匀度和其它品质无损害， 卷绕张力大小调节适当，张力波动要小，以保证良好的成形，并保持纱线的物理 机械性能。 对于要进行染色工序处理的纱线筒子，必须保证结构均匀，使工作介质( 如 染色液) 能够顺利地透过卷装整体。本文研究的精密络筒机所加工的纱线筒子就 是为进行染色处理做准备的，除要求卷绕密度均匀外，为便于纱线筒子进入染缸， 筒子卷装直径也是一个非常重要的技术指标。 1 2 纱线筒子卷绕原理 络筒机的卷装，是将纱线以等螺旋线的形状一层层有规律地紧绕在筒管表 面，形成圆柱形或圆锥形纱线筒子。纱线卷绕到筒子表面某点时，纱线的切线方 2 天律工业大学硕士学位论文 向与筒子表面该点圆周速度方向所夹的锐角为螺旋线升角口，通常称为卷绕角或 导纱角，如图1 1 所示的a 角。当纱线往复绕在筒子表面时，相邻两层纱线成交 叉状，来回两根纱线之间的夹角称为交叉角，数值上等于来回两个卷绕角之和 2 口。卷绕角是纱线筒子卷绕的一个重要特征参数。 图1 1 纱线卷绕螺线圈 纱线筒子的卷绕运动，是由筒子的回转运动与导纱的往复运动合成的，如用 u l 表示纱线筒子的圆周线速度，表示导纱的往复速度( 导纱速度) ，) 表示纱 线筒子的卷绕速度( 单位时间内的纱线卷绕长度) ，则有 u = 瓣 t a n a ：丝( i - 1 ) u ， u ：l( 1 - 2 ) c o s 口 由( 1 - 1 ) 式或( 1 - - 2 ) 式可算出卷绕角口，其大小与纱线筒子成形关系很大。 口太大时，当纱线在筒子两端折回时，纱线要回缩，而不能稳定在筒子上，使纱 线原有的张力松弛，卷装则因松散会引起乱纱。若口太小，内外层纱线不能很好 的抱合，纱线在筒子两边易塌边，因此口应选择适当。 图1 2 一个往复纱线卷绕展开图 把纱线卷绕一个往复展开，如图1 2 所示，根据直角三角形的边角关系可得 t a n 口= 导：导( 1 - 3 ) u l丌d r 3 天津工业大学硕士学位论文 且有 式中 q = z d x n r ( 1 _ 4 ) 一轴向螺距( 纱线筒子每转的导纱动程) d 。一纱线筒子卷绕直径： ”，一纱线筒子卷绕的转速( r r a i n ) 。 设筒子上每一单程纱线卷绕的圈数为m ，其值可由下式确定 m ，：n z 2 ( t - 5 ) ，雄 式中m 一导纱器单位时间内单向导纱次数( 次r a i n ) ，它是个常数。 采用纱线筒子表面摩擦传动的卷绕机构，能保证整个卷绕过程中“基本不 变，导纱速度口：也保持不变，于是卷绕角口为常数，该卷绕方式称为等升角卷 绕。随着纱线筒子卷绕直径的不断增加，其卷绕转速h ，则相应减小，而导纱器 单位时间内单向导纱次数m 恒定不变，因此每层纱线卷绕圈数m 不断减小。m 的值有可能为整数，则必然会产生纱线重叠。并且由( 1 - 3 ) 式可知，轴向螺距h 将与卷绕直径成正比变化。 由( 1 - 3 ) 和( 1 _ 4 ) 式可知，存在下列等式关系 即 竺2 ：旦 z d r z d x h ：生( 1 6 ) 采用卷装轴心直接传动的锭轴卷绕机构能够保证u ：与唧之间的比值恒定不 变，由( i - 6 ) 式知，此时轴向螺距日值不变，该卷绕方式称为轴向等螺距卷绕。 此时，根据( i - 3 ) 式可知卷绕角口随卷绕直径的增加而在逐渐减小。 设纱线筒子每卷绕一单程，纱线卷绕长度为，卷绕时间为，由图1 2 可得 ，：旦堑肌，( 1 7 ) c o s 口 t ：三( 1 8 ) = 一 ( 1 j u 由( 1 - 2 ) 式、( 1 - 7 ) 式和( 1 8 ) 式可得 4 天津工业大学硕士学位论文 f ：盟珊， ( 1 9 ) u i 后续章节控制系统设计要利用上述纱线络简卷绕相关知识，首先明确各参数 的物理意义，以进行相关参数计算。 1 3 络筒机概述 1 3 1 国产络筒机的现状及发展趋势 目前在我国普通络筒机仍是主要的络纱设备。与国外同类产品相比，这种络 筒机在实际生产过程中，显现出装备技术水平差、工人劳动强度大、生产效率低、 阻碍产品上等级，影响企业市场竞争力，已经跟不上纺织形势的发展。与国际上 纺织装备的快速进步相比，国产纺纱设备在机电一体化、自动化程度上，在设备 的可靠性、稳定性和适纺性上，在制造精度、新材料的应用和专用配件上都存在 着差距，因此影响了用户纺制高品质纱线的生产能力和参与市场竞争的能力。许 多国际纺织机械著名厂商在新型纺纱技术上有了新的突破，如环锭纺或其它新型 纺纱设备能生产出高附加值的优质纱线，这些设备明显地优于国产设备。 加入w t o 后，为巩固和扩大纺织品的出口和提高出口创汇水平，必须加快 纺织产品的结构调整，提升产品档次。为此，国内纺织业正在加快纺织装备的更 新改造，以适应国内外市场对提高纺织产品质量的要求，络筒机的技术改造就是 其中重要一环，一些企业根据产品结构特征和技术要求，分层次对现有络筒机设 备进行更新改造，或淘汰已使用了几十年的1 3 3 2 系列络筒机而更新为g a 系列， 或花大量的外汇引进国外先进的自动络筒机，或根据情况进行电子清纱器、金属 槽筒、捻接器、电子防叠、电子定长等五配套，或其它更多的改造。 由于电子、信息等新技术的成熟和发展，纺纱设备越来越多地应用高科技含 量的电子技术、在线监控技术等。机电一体化替代了繁琐的传统机械结构，使设 备性能优化，自动化程度提高，工艺控制、调试、操作简便、直观，工艺适应性 强，质量可靠稳定。随着国际著名纺织设备制造厂家纷纷落户中国，将逐步形成 多元化纺纱设备新格局，产品总体技术水平在竞争中提升，从而使国内外纺织企 业有了更多的选择。含有自主创毅专刹技术的设备大量供应市场，其优越的性价 5 天津工业大学硕士学位论文 比获得企业的认可，并产生了较好效益。纺织机械品种规格不断增多，进一步适 应了纺纱工艺设计、制造的需要，同时质量也有较大的提高。 同其它国产纺纱设备一样，络筒机的发展趋势围绕纱线、面料、服装的质量 要求，不断巩固和提高现有机械装备机电一体化水平。面临激烈的国际竞争，我 国络筒机生产厂家必须加强国际技术交流与合作，发展具有自主知识产权的络简 设备，朝高速、高产、优质、高效、经济的方向发展。 1 3 2 精密络筒简介 精密络筒机采用锭轴传动的卷绕方式，进行精密卷绕络筒，所形成的交叉卷 绕纱线筒子称为精密纱线筒子，有圆柱形和圆锥形两种。他们都具有纱线位置精 确、排列整齐、退绕性能良好、纱线分布均匀、内外层纱线卷绕密度差异较小等 优点。生产中，对这种卷绕方式所形成的纱线筒子最大直径通常规定不大于筒管 直径的三倍。如果纱线筒子直径过大，其外层纱圈的卷绕角会过小，两端容易产 生脱圈瑕疵，而且纱线筒子内外层纱线卷绕角的差异将导致内外层卷绕密度不 匀，直接影响后续工序的纱线筒子的染色质量。此时，可采用数字式卷绕弥补这 一不足。数字式卷绕仍采用锭轴传动卷绕形式，但”，d ：的值呈有级变化，如图 1 _ 3 所示，即可实现有级精密卷绕，从而起到控制内外层卷绕角的作用，保持卷 绕密度均匀一致。 o 纱线筒子直径如 图1 3 有级精密卷绕 精密络筒技术，即采用卷绕密度均匀、无重叠的卷绕形式，以保证纱线筒子 染色时染液及热空气穿透阻力小，有利匀染和烘干，保持纱线退绕顺利且张力均 匀。当今，国际先进络筒机采用单锭变频传动方式。单锭变频控制技术不仅可以 实现锭位的慢速启动、柔性开车，纱线精密络简的恒线速度控制，还能利用专用 变频器的摆频功能防止络筒机的筒子纱线重叠。精密络筒的加工为后道工序使用 6 天津工业大学硕士学位论文 这些纱线筒子提供了良好的退绕条件，特别是纱线卷绕密度均匀，保证了良好的 染色质量，显示了精密络筒的优越性。 1 3 3 本文研究的精密络筒机概况 精密络筒机单锭传动简图如图1 4 所示，根据轮系传动原理，可以得到卷绕 比为 f，nd z 3 2 5 z e ( 1 - 1 0 ) 。 n rz 2 2 4 2 7 式中一导纱器的转速( r m i n ) 。 或 l 酬。劂 二二k 1 、 蓁陇i ， 图1 4 单锭精密络筒机传动图 该精密络筒机采用双叶片导纱，根据( 1 - 5 ) 式有 州：生：旦 2 m 2 n d ， 1 m = 一 2 由( 1 - 1 0 ) 式可知，卷绕l p , i j 为一常数，则根据( 1 - 1 1 ) 式，每层纱线卷绕 圈数r a 恒定不变，计算可知其值不是整数，有效地避免了纱线的重叠。 对于轴向螺距日，也可由下式确定： h - - 尝：2 b i j ( i - 1 2 ) 由( 1 - 1 2 ) 式可知，纱线筒子各层纱圈的轴向螺距不随其卷绕直径的增加 而发生变化，故整个纱线筒子的卷绕密度是均匀的。 7 天津工业大学硕士学位论文 在络简过程中，由于纱线的线速度和张力要求恒定，卷绕线速度必须维持不 变，因此随着纱线卷绕直径的逐渐增大，卷装的转速则相应的下降，即要对卷绕 头转速加以控制。改造前卷绕头采用被动的定长控制方式，通过霍尔元件检测固 定直径的支撑辊转过的圈数，来间接得到纱线卷绕长度，但实际生产质量并不理 想，筒径一致性差，不能充分保证后续工序的正常进行。 本文着重研究探讨精密络筒机卷绕头的最优控制，在理论分析与实验论证的 基础上，提出了积极的定径控制方式，即在络筒时不断地检测纱线筒子卷绕半径 的变化，并据此控制卷绕头驱动电机转速，以保持卷取线速度在允许的小范围内 波动，保证最后成形纱线筒子直径的一致性。 8 天津工业大学硕士学位论文 第2 章卷绕头机械模拟试验装置 试验是对技术系统的安装调试和运行所进行的可行性验证，是技术创新不可 缺少的环节，它贯穿于从技术原理、构思、设计、研制到投产的技术活动的全过 程。科学原理和技术构思必须经过试验才能物化为技术成果，技术成果也必须经 过试验才能转化为现实生产力。为了对精密络筒机卷绕头控制进行全面详细的研 究，首先建立试验装置，进行模拟实验。 2 1 机械模拟试验装置的设计制造 精密络筒机卷绕头机构简图如2 1 所示，o 、0 2 和0 3 分别为转臂、支撑辊 ( 其直径固定) 和纱线筒子的回转中心轴，石两为机架，在纱线筒子卷绕半径月 不断增大的过程中，纱简绕g 回转完成卷绕的同时也随着转臂三一起绕d 转动。 随着纱筒半径r 不断地增加，0 值也相应地增大，根据余弦定理得： c 。s 曰：鱼妥掣( 2 - 1 ) 2 d d l 一转臂长度；r 一纱线筒子卷绕半径：，一支撑辊半径 口一支撑辊与转臂中心距；俨一转臂对机架回转角。 图2 1 精密络筒机卷绕头机构简图 由图2 1 知，设计试验装置的关键是在实现尺寸矗不断变化的同时，转臂绕 回转中心d l 以及支撑辊绕d 2 作相应的转动，且保证朋啊口满足( 2 1 ) 式关系。 采用丝杠副( 螺距为0 5 m m ) 来实现尺寸r 的不断变化，可得到如图2 2 所示的 9 天津工业大学硕士学位论文 径角转换装置简图，实物图片如图2 3 所示。和a 的尺寸均设计做成可调节式 的，以便于进行安装误差的实验分析，得到允许误差范围，进而为设备安装提供 装配精度参考。 占d ，凹。 ， l ，j 7 7 7i ， q 。么1 易劢另一每d 2q f 二一1 巧万乃乃r 一掣1 图2 2 径角转换装置机构简图 ( 主视) 图2 3 径角转换装置实物图 ( 后视) 已知纱线卷绕圆周线速度满足关系式 u , 1 = c o r ( 2 2 ) 式中国一纱线筒子卷绕角速度，五一纱线筒子卷绕半径。 当纱线筒子卷绕半径r 有增量足，而且卷绕角速度国不变时，对应u 有 增量a v , ，则有 a v l = 国缄( 2 3 ) 设纱线的线速度q 波动为占，则有 占2 1 ( 2 4 ) u u i 工厂实际要求s 在o 3 以内，这里取占：0 2 5 。 l o 蒌望三些盔堂堡主兰堡笙壅 d _ _ _ _ - _ _ - _ _ - _ - _ _ - 一一 将( 2 2 ) 、( 2 3 ) 两式代入( 2 4 ) 式，整理得 兄=丑(2-5) 对( 2 1 ) 式两边取导数可得 口：旦a r ( 2 6 ) a ls i n 目 把( 2 5 ) 式代入( 2 6 ) 式得 a 筘淼l s i n n ( 2 7 )d护( 一) = 旯占 式中五：当r ，称为径角增量转换系数。 a l s l n 伊 由( 2 6 ) 式知，纱线筒子卷绕半径的变化量a r 直接反映给了角度变化量臼， 通过角度传感器对角度的检测就可以直接得到纱线筒子卷绕半径相应的变化，从 而为系统控制提供直接明确的依据。 2 2 试验装置安装误差分析 对于一台自动化设备，首先要保证具有良好的机械精度，在此基础上再考虑 自动控制精度，两者良好的结合更加容易满足整机的控制要求。在达到定的制 造精度下，机械方面的误差主要来源于安装误差。本试验装置的安装误差有两部 分组成：一是角度传感器本身回转轴与转臂回转轴不同轴度所造成的，设为e ； 二是中心距口安装不准确所造成的，设为血。 2 2 1 误差e 对角度测量值的影响 精密络筒机所使用的角度传感器工作时，其中心轴随转臂回转轴转动。当两 者存在同轴度偏差e 时，如图2 4 所示，对应传感器检测的角度口，实际回转的 角度应为晓，并且两者之间满足下列关系式 垦：! s i n ( z 一目) s i n ( 眈一口) 天津工业大学硕士学位论文 即t a l l 只：壁旦丁 ( 2 8 ) c o s 目一 式中 r 。传感器回转轴半径。 图2 4 同轴度误差p 对角度测量的影响 可以证明当同轴度误差p 在小于o o l m m 时，由其所造成的误差对控制精度 的影响可以忽略。事实上，这样的安装精度在工程实际中很难保证，因此必须对 角度传感器采用弹性安装方式。 安装方式对传感器的正确使用是很重要的环节，合理的安装方式可以提高系 统的测量精度和传感器的使用寿命。为避免刚性安装带来的诸多问题，采用传感 器外壳弹性安装方式，如图2 5 所示。 图2 5 传感器弹性安装方式一 传感器的中心轴呈水平，外壳伸出呈悬臂状放置。若固定外壳，由于同轴度 安装误差不可避免，则在传感器中心轴回转时会产生径向作用力，角度传感器长 时间的工作必然会降低其使用寿命，且会产生一定的测量误差。外壳处于弹性支 撑状态，即可保持外壳与中心轴的相对稳定性，又不会产生径向得力。由于外壳 1 2 燃1ll_i= 一龄 藿；研 舞驴韭，蟹 一一 丕望三些查兰堡主兰焦笙苎 部分呈悬臂状态，其自重在垂直方向会对中心轴产生相应的作用力，该力的数值 相对很小，经实践证明对角度测量的影响基本上能够忽略。 图2 , 6 传感器弹性安装方式二 若进一步研究避免传感器自重的影响，可以采用如图2 6 所示的安装方案， 经过一次转换使传感器的中心轴呈垂直状态。由于两圆柱件直径完全相等，圆柱 件1 通过钢丝把回转角度的数值完全不变地传递给圆柱件2 。固定角度传感器的 外壳，即使其中心轴有径向力的作用，滑块联轴器也会将其消除，最终能够检测 到准确的角度值。 2 z 2 误差a a 对角度测量值的影响 即 中心距口的安装误差口值可正可负，求( 2 1 ) 式对口和r 的偏导数有 一s i n 口a 口：一! 塑尘衄+ ! ! 塑掣2 ：二兰口 2 口上2 口2 ， a 毋：坚生擞+ 竺二! ：二! 墨丛缸( 2 9 ) a l s i n 02 a 2 l s i n 0 这里增量a o 一部分是由纱线筒子卷绕半径的变化引起的，即a 0 ；另一部分 就是由误差曲造成的。设由安装误差血单独所引起的测量值0 误差为卯，则有 6 0 ：a 0 - a 0 = 竺二! ：二氅盟口 2 口2 s i n 口 计算可得当a a “- 0 1 ，o 1 m m 时，阳仅占目的十分之一；若a a 【0 0 5 1 3 天津工业大学硕士学位论文 o 0 5 】m m 时，阳仅占a o 的二十分之，通过对试验装置可调节部分进行实验 进一步证实了这些。上述误差分析结果是确定卷绕头机械安装精度的重要依据， 为降低机械安装精度对测量控制的影响，提高整台设备的产品生产质量，安装尺 寸矗应控制在 2 7 8 9 5 ，2 7 9 0 5 m m 范围内。 1 4 天津工业大学硕士学位论文 第3 章纱线筒子卷绕半径的实验检测系统 这里提到的检测不是对成品或半成品的检测和测量( 如表面质量、内部缺陷、 几何参数、成分分析等) 。而是为了检查、监督和控制某个生产过程或运动对象 使之处于人们选定的最佳状况下。这时必须随时掌握这种最佳状况的各种参数， 为此，也就要求随时检查和测量这些参数的大小、变化等情况。对于精密络筒机， 纱线筒子卷绕半径的变化a r 是实现其卷绕头积极控制的直接依据，如何正确地 检测并反应出这个变化应是首要解决的问题。 3 1 1 检测系统的构成 3 1 实验检测系统概论 在络简过程中，要直接检测出纱线筒子卷绕直径的值是不切实际的，由第m - - 章介绍的内容可知，检测出转臂转动角目的变化也就相当于检测出了纱线筒子卷 绕半径只的变化量尺。为此，在试验装置转臂回转中心d i 处安装角度传感器， 实现角度p 的测量；再经过a d 转换器，把角度传感器输出的电压量阼转换成 数字量，如此便构成了纱线筒子卷绕半径r 的实验检测系统，如图3 1 所示。 该系统主要由径角转换装置、角度传感器和a d 转换器组成。 图3 1 纱线筒子卷绕半径r 的检测系统 3 1 2 检测采样周期r 采样周期c 决定了检测采样数据的质量和数量：e 太小，会使检测采样数 据的数量增加，占用大量的内存单元；t 太大，会使原始模拟信号的某些信息丢 失，在将检测采样后的信号恢复成原来的模拟信号时，就会出现信号失真现象， 影响数据处理的精度。因此，首先要选定一个合适的采样周期瓦。 1 5 天津工业大学硕士学位论文 对( 2 2 ) 式，也可以写作 岫= 2 r c n r r ( 3 1 ) 对于所研究的精密络筒机，又存在 n i t = i c ( 3 2 ) 式中 一为驱动电机转速( r r a i n ) ； f c 一为传动比，其值为常数1 0 6 9 5 。 把( 3 2 ) 式代入( 3 1 ) 式，有 岫= 2 r c n i c r 即r ：l( 3 3 ) 2 万甩i c 由( 3 - 3 ) 式可知，保持纱线卷绕的线速度d 1 不变，则纱线筒子卷绕半径r 与 卷绕头驱动电机转速玎成反比。若实现对卷绕头驱动电机实时的积极控制，则要 求：当纱线筒子卷绕半径矗发生最小的增量触。，引起速度波动达到占时，必 须检测出这种半径变化量，即在此过程中需至少要对纱线筒子卷绕半径r 检测一 次。 由此，可得检测采样周期瓦满足下式 瓦鲁f ( 3 - 4 ) 式中卜一纱线筒子卷绕一层纱线所需的卷绕时间。见( 1 - 9 ) 式； d 一卷绕纱线产品的直径； 七一纱线卷绕压缩系数，取其值为0 8 。 由( 2 - 5 ) 式可得 。= r 。占 ( 3 - 5 ) 因此，对( 3 4 ) 式整理可得 五s2 r 6 m r 。2 (36)kd 。 u 。1 “1 。 1 6 天津工业大学硕士学位论文 对于不同支数和密度的纱线，其直径d 也不相同，它们之间的关系如下： d ：一! ( 3 - 7 ) _ 冗n 。7 式中n ，一纱线公制支数( m g ) ： y 一纱线密度( m g m m 3 ) 。 该精密络筒机可加工的纱线支数范围是【5 ，2 0 0 】m g ，通常棉纱密度在 o 8 ， o 9 m g m m 3 内，由( 3 - 7 ) 式得到纱线直径d 的范围是 o 0 8 9 ，0 5 3 2 】m m 。 由( 3 6 ) 式和( 3 - 7 ) 式得 瓦垃删r 。：( 3 - 8 )。 k n “ 实际生产中最常用的纱线是3 2 、4 5 和6 0 支，根据具体所选用纱线的性质参 数，代入( 3 _ 8 ) 式即可求得检测采样周期瓦的最大值。 3 2 实验检测系统的主要组成元件分析 3 2 1 角度传感器的选取 传感器处在测试设备的前端位置，它将被测参数转换成可以直接测量的信 号，是构成系统信息输入的主要窗口，为系统提供进行处理和决策所必需的原始 信息，很大程度上影响和决定着检测系统的性能。在本实验检测系统中，角度传 感器是一个关键性的元件，其性能好坏决定着整个积极控制方案的实现与否。但 是它作为检测系统的一个组成单元，必须与其他单元配合才能保证检测系统的精 度要求，这也是角度传感器在实际中的典型应用。 传感器的选取要考虑很多因素，如测量条件( 测量目的、测量量的选定、要 求的精度等) 、使用条件( 温度、湿度、振动等) 以及传感器本身的性能等等。 根据实际的应用情况，对上述指标应有不同的侧重点。本检测系统选用时主要考 虑的角度传感器性能如分辨率、线性度等。 一、角度传感器的分辨率 1 7 天津工业大学硕士学位论文 在被检测量发生一定变化时，传感器要能够检测出来。分辨率是反映传感器 能够检测到被测量最小变化能力的参数，下面通过计算选取满足精密络筒机纱线 筒子卷绕半径变化检测要求的角度传感器。 由于径角增量转换系数五是纱线筒子卷绕半径兄的单调递增函数，据( 2 - 7 ) 式可知，口亦是只单调递增函数。因此，角度传感器的分辨率应由r 。求得， 即 氏j = k e ( 3 - 9 ) 式中k = i r 面m i n , t - - 五抽，o r r - - - r i 时0 的值。 由( 3 - 9 ) 式可知，选用的角度传感器分辨率不得大于。对于实验检测 系统，代入已知量求得巳。= 2 3 2 ，取为2 。据此，选用北京海淀科技发展有 限公司生产的磁敏电阻型角度传感器( 无触点电位器) ，其分辨率为0 0 1 。即0 6 ， 显然满足实验和实际的需要。 二、角度传感器的线性度 角度传感器实际的输入输出特性曲线并不是理想的直线，而是与理论直 线存在一定的偏差，该偏差最大值与输出满度值之比，即为传感器的线性度或非 线性误差。实际应用中，希望角度传感器的输入输出特性曲线尽可能近似为 线性。 图3 2 角度传感器输入输出特性曲线 实验选用的磁敏电阻型角度传感器就是用正弦曲线中的一段近似线性，如图 3 2 中长度标为 的那段( 关于正弦曲线与x 轴的交点对称) 。由正弦曲线的特性 1 8 天津工业大学硕士学位论文 知，h 段愈短，所获得的线性愈好，距离x 轴越近的点对应的线性度越小。 在生产制造角度传感器时，厂家根据测量角度的范围及所应具有的精度，进 行实际测值比对来合理的选定h 段长度。实验选用的角度传感器其角度测量范围 为士2 0 。，线性度为o 3 f s ，达到设备精度的需要。 3 , 2 2a i d 转换器的位数 a d 转换器位数的确定。应该从数据采集系统的静态精度和动态平滑性这两 方面考虑。通常满足静态精度要求的位数，也能满足动态平滑性的要求。因此， 只从静态精度方面来考虑输入电压信号的量化误差传递到输出所产生的误差，它 是模拟信号数字化时产生误差的主要部分。量化误差是一种原理性误差，它与 a i d 转换器的位数有关，且只能减小而无法完全消除。 由角度传感器测量得到的模拟电压信号，经a i d 转换器转换之后，误差包 括测量误差和量化误差。设两种误差互不相关，他们的标准差分别为e m 和， 则总误差的标准差为 8 f = e 村2 + 2 = y e 村 ( 3 1 0 ) 式中 = e q ( 3 - 1 1 ) 图3 3 妒与e m 的关系曲线图 由( 3 1 1 ) 式可得妒与的关系曲线如图3 3 所示。当 o 。5 时 1 9 守 天律工业大学硕士学位论文 总误差增加较大，但当 0 _ 3 时，总误差减小不大，因此取为o - 3 0 5 较为合适。鉴于角度传感器的精度值不小于o 1 5 ，故a d 转换器的精度 取o 0 5 0 1 即可，相应的二进制码为1 0 1 1 位，加上符号位，即为1 l 1 2 位。 实验选用的是快速、逐次比较、1 2 位模，数转换器a d 5 7 4 a 。 另由( 2 1 ) 式，根据纱线筒子卷绕半径的取值范围可以得到测量角度目的 变化范围 1 7 1 6 1 。，3 2 8 3 6 。】，可知p 最大变化值为1 5 6 7 5 。设角度传感器以2 的 分辨率检测，则a d 转换器的位数聆应满足 当1 5 6 7 5 x6 0(3-12) 1 h1 该式变换可得珂2 8 8 8 ，因此选用1 2 位的a d 5 7 4 a 满足实验要求。 由a d 5 7 4 a 的主要性能可知，该模数转换器的非线性误差( 线性度) 为 o 0 1 2 5 ，芯片内包含高精度的参考电压源和时钟电路，所以它具有很好的输 入输出线性关系，使用非常方便。 3 2 3 采样保持器及a i ) 转换系统 模拟信号进行a d 转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的 转换时间。在这整个转换时间内，模拟信号要基本保持不变。否则，转换精度没 有保证，特别当输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。要防止这种误差 的产生，必须在a d 转换开始时保持输入信号的电平，而在a d 转换结束后又 能跟踪输入信号的电平变化。因此，在该数据采集系统中，用采样保持器来对 a d 转换器的模拟信号进行采集和保持，以确保a d 转换器的转换精度。检测 系统选用的采样保持器是l f 3 9 8 。 单片机使用的是启东公司的开发型实验系统d i c e 5 1 0 3 s ，模数转换系统接 口电路如图3 4 所示。a d 转换主程序流程图和中断程序流程图分别如图3 5 和 图3 6 所示。 天津工业大学硕士学位论文 图3 ，4a d 5 7 4 与8 0 3 l 的接口电路 否 是 广高蠢一 图3 5 a d 转换主程序流程图图3 6 a d 转换中断流程图 2 l 天津工业大学硕士学位论文 单片机汇编程序如下： o r g0 0 0 0 h a j m p m a i n m a l n w a i t z h u a n a d z h ： h e r e ： ；8 0 3 1 复位入口 ；转入主程序 o r g0 0 1 3 h ；i n t l ( 外部中断1 ) 中断入口 a j m pz h u a n ；转入中断服务程序 o r g0 1 0 0 h ：主程序：中断初始化 m o vd p t r , # 3 0 0 0 h ；采集数据存贮空间首地址 s e t be a ；开中断 s e t bi t i ；边沿中断触发方式 s e t be x l ；允许i n t l 中断 j n b p 3 3w a i t ；等待中断 e n d o r g0 2 0 0 h ：中断服务程序 m o vr 0 ，# 0 4 h ；每一个点采样4 次求平均值 c l rp 3 5 ；选中a 仍5 7 4 芯片 c l rp 3 1 ；允许启动a d 转换 c l rp 3 0 ；a d 进行1 2 位转换 s e t bp 3 2 ；启动a d 转换 j b p 3 4 ，h e r e；未转换完，则继续等待 s e t bp 3 1 ；转换完毕，准备读取高8 位转换数据 n o p n o p ；空操作 m o va ，p 1 ；读取高8 位数据 m o v x d p t r ，a：送数据到存贮区 i n cd h r ；存贮地址加一 s e t bp 3 0 ；准备读取低4 位转换数据 n o p n o p ；空操作 m