（机械制造及其自动化专业论文）自调匀整装置检测系统的研究与开发.pdf

表藏走学磺士学位论文 嗣调匀整装置蓥蠡测系统的研究与开发 摘要 自调匀整是一种用来检测棉条粗细不匀的自动调节装谶，在纺纱过程中，纱条 鬻甏粗绥誉匀懿炎佬是释平稔耱褫过程，窀惫括麓各释形式匏苓匈，渡形菱杂， 如果对纱条不匀不如控制，那么所加工豹纱条，除原有的不匀辨，还会增加备道 工序的不匀，这姥不匀都将出现在成纱中，最后导致成纱强力低、断汰率高、均 匀度差、晶质指稀下降、严重影响缀翰的质爨，必须采取舀诵匀整装鬣。 塞谖匀楚戆磺究帮发曩涉及裂多门学科耧技拳，在研究纱条络擒窝枣傍过攫方 面，应用了数理统计和概率论的基本原理。在纱条不匀分析中，应用了平稳随机 过程，自调匀整驻置是自动控制在纺纱过程中的其型应用，它涉及到电子技术、 痿号捡测按术、橇械动力学。 零文是以国产a 1 8 6 型撬棉机为实际研究对象，谯有实际应用的谤碱下进秽梳 棉机匀整控制系统中的检测部分的研究”。在整个研究过程中，荫先分析了梳棉机 静工作特点、纤维的运动规律，并分桥、 e 较几种裣颟l 税梅检测的效果。 捡溪l 飙橡在熬个系绫孛起豢重要黪髂廷。其糖发壹接影响到摈条豹最终凌藿， 对成品质墩有很大的影响，本研究采用c c d 传感器对纱条进行粗细不匀的检测， 该课题的研制将会促进纺织机械的机电一体化的发展。 其往点骞： ( 1 ) 聚用非接触检测原理，对纤维的运动影响小。 ( 2 ) 检测的耪度高，有力于提高产品质量。 关键词：梳棉机，自调匀整，牮伸 - i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ha n d e x p l o i t a t i o no n a u t o l e v e l l e ri n s p e e t a la n d m e t r i c a ls y s t e m a bs t r a c t t h ea u t o l e v e l l e ri sa ns e l f - a d j u s t i n gs y s t e mu s e dt oi n s p e c tt h ec o t t o n s t r i pu n i f o r m i t y ，i nt h ep r o c e s so fs p i n n i n g ，t h ec h a n g eo fu n i f o r m i t y i n c o t t o ns t r i pc r o s ss e c t i o ni s ak i n do fb a l a n c e da n ds t o c h a s t i cp r o c e s s ， w h i c hi n c l u d ea l lk i n d so fu n i f o r m i t y ，a n dw a v ef o r mc o m p l e x i ft h e e f f e c t i v em e a s u r en o ta d o p tt oc o n t r o li t su n i f o r m i t y ，t h es t r i pw i l ln o to n l y i n c l u d et h e q u o n d a mu n i f o r m i t y ，b u t a l s oa d du n e v e ni ne a c hw o r k i n g p r o c e d u r e ，w h i c hw i l la p p e a ri ny a r na n dr e s u l t i nl o wm i g h t i n e s s ，h i g h s e v e rr a t ea n db a du n i f o r m i t y i t sq u a l i t yw i l ld r o p ，a n dw i l li n f l u e n c et h e q u a l i t yo f t h ep r o d u c t ，s oa na u t o l e v e l l e rm u s tb ea d o p t e d t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fa u t o l e v e l l e rr e l a t et om o r ek n o w l e d g e a n dt e c h n i q u e ，i nt h ea s p e c to fr e s e a r c hi ns t r u c t u r eo fy a r na n dt o wp r o c e s s t h eb a s i cp r i n c i p l eo fs y m b o l i cs t a ta n dp r o b a b i l i t yt h e o r yi s a d o p t e d ，i n a n a l y z i n gt h ey a r nu n i f o r m i t y , b a l a n c es t o c h a s t i cp r o c e s s i s a p p l i e d ，t h e a u t o l e v e l l e ri sat y p i c a la p p l i e do fa u t o m a t i o ni ns p i n n i n g ，w h i c hr e l a t et o t h em e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , s i g n a li n s p e c tt e c h n o l o g ya n d m e c h a n i c a ld y n a m i c s i nt h i s p a p e r , t h ea c t u a l r e s e a r c ho b j e c ti sd o m e s t i cm a d ec a r d i n g m a c h i n e ( a 18 6 ) a tt h ec a s eo fa c t u a la p p l i c a t i o n ，“t h er e s e a r c ho fi n s p e c t p a r t i n c a r d i n g m a c h i n ea u t o l e v e l l e rs y s t e m ”i sp r o c e s s e d i nt h ew h o l e c o u r s eo fr e s e a r c h ，f i r s to fa l l ，c a r d i n gm a c h i n e sp e c u l i a r i t ya n df i b r e s a t h l e t i cl a wa r ea n a l y z e d s e c o n d l y ，t h ee f f e c to fs o m ek i n d so fi n s p e c t s e t u pa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d i i i 东北大学硕士学位论戈 a b s t r a c t t h ei n s p e c ts e tr e a c t so ni m p o r t a n c er o l ei nt h ew h o l es y s t e m ，i t s p r e c i s i o nn o to n l ya f f e c t st h e f i n a lq u a l i t yo f s t r i pd i r e c t l y , b u ta l s oa f f e c t s t h ef i n i s h e dp r o d u c t i nt h i ss t u d y i n g ，t h ec c ds e n s o ri sa d o p t e dt oi n s p e c t t h eu n i f o r m i t yo fc o t t o ns t r i p ，t h er e s e a r c ho ft h i ss u b j e c tw i l lp r o m o t et h e d e v e l o p m e n tm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i cs y s t e mi ns p i n n i n gm a c h i n e t h em e r i t so ft h ec c ds e n s o ra r e ： ( 1 ) a d o p t i n gn o n c o n t a c ti n s p e c tm e a s u r ep r i n c i p l e ，w h i c hi m p o s e l e s s o ns t r i n gm o v e m e n t ， ( 2 ) w i t hh i g hi n s p e c t a lp r e c i s i o n ，w h i c h c a l l i m p r o v e t h e p r o d u c t q u a l i t y ， k e y w o r d ：c a r d i n gm a c h i n e ，a u t o l e v e l l e r ，t o w i u 声明 本人声明所成交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中墩 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包括其他人员已经发表 或撰麓的研究成果，也不包括本人为获得的其它学位两使用熬材料。 与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在本论文中作了明 臻的说骤势表示避意。 本人签名： 目麓： 宴酱彝 - p 钐 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 i 课题的提出 第一章绪论 在本课题的准备阶段，笔者曾到科学技术研究所、北京图书馆查阅大量资料， 并参加国际纺织机械博览会，到各个梳棉机制造厂、纺织厂进行实地调研，在实际 调查中发现，目前比较先进的梳棉机的自调匀整机构都采用接触式的检测方式，特 别是大多数梳棉机还采用机械检测，很难满足现代生产的要求。另外，由于纤维的 长、短、种类及其排列的不均匀性和随机性，给检测、控制带来一定的困难。同时， 对纤维运动的控制不够完善，以及加工过程中的各种随机因素的影响，造成经梳棉 机加工的棉条线密度常常存在不均匀现象，如果对棉条的匀不加以控制，那么所加 工的棉条在后续加工过程中，除原有的线密度不匀外，还会增加各工序所造成的不 匀，这些不匀都将出现在成纱中，而且，不匀的最初波长都将随着各工序的牵伸倍 数的增加而增加，最后将导致成纱强度降低，断头率高，均匀度差，品质指标低， 严重影响织物的质量和外观。 纱线的重量不匀率是纺织厂进行纱线品质评定的一项重要指标。据统计，我国 纺织厂由于纱线重量不匀率指标所造成的品质下降，约占总将等数的8 3 7 【l o 】以上。 可见，降低棉条和纱线的不匀率，对于保障纱线和织物的质量是完全必要的。 为了提高产品质量，改善产品的均匀度，使经过牵伸后的棉条不匀率尽量减少， 除了选用完善的牵伸机构和合理的工艺参数外，还需采用一种能有效地减少这些不 匀的方法。这种方法称为匀整。匀整的方法很多，但从控制的角度看，可以分为两 类【4 1 ：一类是人工匀整，例如配条、配重和并合；另一类是自调匀整。自调匀整是 目前纺织工艺中，在减少工序的情况下改善纤维条干不匀率，又能保证产品质量的 最有效和最先进的方法。 在梳棉机的研究领域中，处于领先地位的是德国的特吕茨旅勒尔 ( t r u t z s c i - i i 正r ) 公司生产的( d k 7 6 0 型梳棉机) ，瑞士立达( i 陋i t e r ) 公司生 产的( c 型梳棉机) ，英国的克洛斯洛尔( c r o s r o l ) 公司生产的( h 棚k 型梳棉机) 以及意大利左马里( m o r z o l i ) 公司生产的( c x 型梳棉机) 嗍，这几家公司的梳 棉机均配有自调匀整装置，检测方式及部位各有不同，在保证梳理质量及提高生产 东北大学硕士学位论文第一幸绪论 效率方面都取得了一定的成就，但价格昂贵，令大多数纺织企业无力承受。耳前， 国内的纺纱设备比国外落后1 0 年以上，对梳棉机自调匀整装置的研究还不深入， 大多数停留在刨析国外的自调匀整装置及仿造的水平上，自行研制并成功地运用于 生产的自调匀整装置不多，而且，无论是稳定性还是匀整效果均比国外同类产品差。 又由于梳棉机机台数量多，自调匀整的价格昂贵，大多数工厂没有大量使用。因此， 大力发展我国自己的自调匀整装置，对于我国纺织机械国产化，对于新机种的开发 和老机改造都是很有现实意义的。 综观国内外的梳棉机自调匀整装置，大多数采用常规控制系统【“】。显然，常规 控制系统对改善棉条的线密度的均匀性起着重要作用，但常规控制规律是针对确定 性扰动而设计的，它们对随机扰动的控制能力比较差。在纺纱工艺中，要提高产品 质量，一项重要的技术指标是c v ( ) 4 1 值，而c v ( ) 值与输出量的测量值的 方差0 成正比，因此，可以把c v ( ) 值等效为方差指标。从理论上讲，克服随 机扰动对输出的影响，最小方差控制或最小方差控制的效果最好，输出稳态方差最 小。因此对纺纱过程而言，自调匀整装置采用最小方差或广义最小方差控制，不论 从克服随机扰动的有效性或是从要求输出方差最小的控制性能指标来说，都比常规 控制显得合适，尽管最小方差控制律在其他工艺过程中的控制有所运用，但把最小 方差控制用于梳棉工艺以前未研究过，所以利用最小方差控制律进行自调匀整的研 究也就显得很有意义。 1 2 自调匀整装置发展简述 当前纺织工业正朝着高速、高效、短流程、连续化、自动化方向发展，自动控 制在纺织工业中的应用日益广泛，自调匀整就是自动控制在纺织工程中的一个具体 应用。由于对提高产品质量、缩短工艺流程、提高劳动生产率等方面都起到一定的 作用，并为生产的连续化、自动化奠定了良好的基础，自调匀整装置己引起了人们 的重视，成为现代纺纱工程中必备的重要设备。所谓自调匀整就是该装置根据喂入 或纺出半制品的单位长度重量( 在密度均匀时可采用纱条的粗细表示) 的差异自动调 节机器的牵伸倍数，使纺出半制品的单位长度重量( 或粗细褓持一个较稳定的数值， 从而达到控制出条重量不匀率的目的。随着现代织物对成纱不匀率要求的提高和现 代科学技术的发展，自调匀整装置的准确性和快速性不断提高，匀整能力大大增强。 国际上，自调匀整系统已从传统的机械式、机电式、液压式向现代传感器技术、 计算机控制技术和交流伺服技术的现代化自调匀整系统过渡，极大地提高了短片段 的匀整能力和设备的智能化程度。目前生产的自调匀整系统在出条速度 东北大学硕士学位论文第一章绪论 3 0 0 m l m i n 4 0 0 m m i n i ”】时可匀整的最短片段长度己达到了0 0 0 6 m , - - o 0 0 8 m 。目前国 外比较先进的自调匀整装置有英国洛克斯洛尔公司的m k 5 型梳棉机自调匀整置， 日本o k k 6 型高速针梳机h l e - 6 型自调匀整装置，u s t e r 并条机自调匀整系统 a d c e a d c e c ，瑞士r j e 弧并条机的r s b 9 5 1 型的开环式自调匀整装置，它 采用动态伺服驱动系统改变牵伸的大小，条子每隔6 m m 连续地被扫描，保证了高 速输出下也能象慢速喂入时那样准确地测量条子的偏差。国内的，如f a 2 0 3 型高产 梳棉机配用的国产f t d 2 3 - b 型混合式自调匀整器【l 】，其匀整范围为4 - 3 0 ，生条重 量不匀小于2 ，生条重量偏差小于2 。由于现代自调匀整装置从理论到实现涉 及到多个现代化技术学科，如传感器技术、计算机控制技术、快速执行机构( 交流、 直流电机控制系统和小惯性电机技术) 以及精密机械制造技术等，开发、研制都具 有较大的难度，在国内总体上仍停留在传统的机械式自调匀整上。同时也为开发自 调匀整提供了条件。 随着计算机技术、传感器技术、电力电子技术与交流伺服系统以及现代控制理 论的发展，自调匀整装置的开发、研制工作日益增强，国内许多高等院校和科研单 位正在积极开展研制工作，在此背景下，我们承担了辽宁省科委的“a 1 8 6 型梳棉 机自调匀整装置的研究”项目。作为项目的重要部分检测部分的研制，采用 c c d 传感器检测，将极大提高检测精度，为提高产品质量提供了必备条件，同时， 填补国内的空白，为实现梳棉机的自动控制莫定了坚实的基础。 1 3 梳棉工序简介 原棉经开清联合加工成的棉卷，棉层中的纤维的排列比较紊乱，多数为松散的 棉块、棉束状态。梳棉工序的任务是对棉卷或棉层进行梳理、除杂、均匀、混合并 制成棉条，又称生条【4 】，以便下道工序的加工。 ( 1 ) 梳理：将棉块或棉束进行梳理，使其大部分分离成单根纤 状态，使纤维初步定向和伸直。 ( 2 ) 除杂：继续清除残留在棉卷或棉层中的杂志。 ( 3 ) 混合：利用梳棉机的“吸”和“放”功能，使纤维间进行充分混合，并使 其保持比较均匀的线密度。 ( 4 ) 成条：对棉卷加以1 0 0 倍左右的牵伸，制成符合一定规格和重量要求 的棉条r 俗称生条) ，并有规则地圈放在棉条筒内。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 对象特性分析 分析对象的特性是为了在理论上对对象的特性有定性的了解，以便为以后的辩 识以及控制方案的设计做准备。下图为a 1 8 6 型梳棉机同的简化结构示意图。 8 图l 。la 1 8 6 梳棉规简化结构示意图 f i g 1 1s i m p l es t r u c t u r a ls k e t c hm a po fc a r d i n gm a c h i n eo fa 1 8 6 1 棉卷2 给棉罗拉3 给棉板 卜刺辊5 锡林卜道夫 7 一棉网8 喇叭口9 一压辊 通过现场的实地考察，以及与现场技术人员、工人的交流，我们将对象的特性具 体分析如下： 这里所考虑的控制对象是包含从执行机构( 变频器、执行电机、传动机构等) 开 始，直到检测机构( 喇叭口等) 在内的广义对象。 从a 1 8 6 型梳棉机的工艺过程和所需完成的任务可知，尽管它要对棉卷进行均 匀的混合、除杂等处理，但牵伸成条仍然是它最重要的动作，所以，在此主要分析 牵伸装置的特性。下图是牵伸过程的原理。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 2 牵伸过程原理图 f i g 1 2p r i n c i p l eo f t o w 珥n v ，输出罗拉的线速度q 牵伸区内纤维的重量 v 2 - 输入罗拉的线速度v 1 g 1 单位时间内输出牵伸区的纤维的重量 g 。输出条干的线密度v 2 g 广单位时间内喂入牵伸区的纤维的重量 g 2 输入条干的线密度 q 一单位时间内q 的变化 l 牵伸区中的棉条 由于输入的棉卷厚度存在不均匀现象，同时由牵伸理论可知，单位时间内喂入 牵伸区的纤维的变速点p 分布存在着波动。所以牵伸区中的存储量是个变数，即： v 1 g l = v 2 g 2 + q ( 1 1 ) 这是牵伸的基本方程，由此可见：在实际牵伸过程中，单位时间内喂入牵伸区 的纤维量v 2 岛不等于输出牵伸区的纤维条的重量v 2 岛，存在差值a q 。纤维变速 点的分布及其稳定性对棉条的均匀度有显著的影响，变速点越稳定，即牵伸越正常。 理想均匀牵伸条件下，假定纤维的变速点固定，a q = o ，则 v l g l = v 2 g 2 。( 1 2 ) 1 5 对象扰动分析 由对象牵伸基本方程可以看出，g 2 的波动( 朝棉卷的波动) 将直接影响到g l ，为 查明这种影响的形式，以及棉卷纵向厚度均匀性的性质，在实验现场，在给棉罗拉 的附近设置了能反映棉卷纵向厚度均匀性的位移传感器，在梳棉机的输出喇叭口附 近设置了能反映梳棉机输出条干粗细变化的位移传感器，并以双指针记录仪同时记 录两个传感器的输出，以进行比较，所得记录曲线如下图所示： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 定 量 图1 3 棉卷纵向厚度均匀性和输出棉条均匀度记录曲线 f i g i 3o w 自l l 仞r c 训i 鹕o m - w eo f c o t t o nv o l u m 锄do u t p u tc o t t o ns l r i p 从记录曲线可以比较明显地看出： ( 1 ) 棉卷纵向厚度均匀性的变化和梳棉机输出线密度的变化为随机过程； ( 2 ) 除一些微小的扰动外，输出线密度的变化大体上跟随棉卷纵向厚度均匀性的 变化，且滞后于后者。由现场分析得知，在整个牵伸过程中，一般可把扰动分为： ( 1 ) 棉卷输入厚度不匀( 主扰动) 。 ( 2 ) 牵伸过程中的扰动：( a ) 牵伸罗拉的速度波动； f b ) 变速点的不稳定； ( c ) 纤维分布的随机不匀； ( d ) 机械的缺陷。 事实上，扰动比以上列举的要复杂得多，而且这些扰动绝大多数是随机扰动， 无法测量。 结论：要想得到条干比较好的纱线，就需要有均匀的棉条，即梳棉机输出棉条 的均匀性直接决定最终产品的质量。为此，梳棉机的作用就显得很重要，除了良好 的分梳、除杂外，还要保证输出棉条尽量均匀，而作为棉条均匀度的控制机构 自调匀整装置的检测机构的精度就起着重要作用，为此，本设计采用c c d 传感器 检测。 1 6 自调匀整技术原理分析 自调匀整是一种用来控制纱条粗细不匀的自动调节装置，在纺纱过程中，纱条 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 断面粗细不匀的变化是一种平稳随机过程，它包括各种形式的不匀，波形复杂。如 果对纱条不匀不加控制，那末，所加工的纱条，除原有的不匀外，还会增加各道工 序的不匀，这些不匀都将出现在成纱中，最后导致成纱强力低、断头率高、均匀度 差、品质指标下降，严重影响织物的质量和外观，为提高成纱质量，必须采用白调 匀整装置。其理论根据为： v c , - m( 1 3 ) 其中，v 纱条数粗速度 e 一纱条重量 c 常数 也就说自调匀整装置可根据纱条粗细的变换自动改变输出度，从而保证单位时 间内输出地纱条量恒定。自调匀整装置是一种检测、控制系统。可分为三种控制方 式【1 2 】： 1 6 1 开环控制系统 其框图如图1 4 所示。 图1 4 开环控制模块示惹图 f i g 1 4 t h o 蝴m a po f o p e n - l o o p e x m l m l 开环系统在自调匀整过程中先检测后控制，针对性均匀，调节性能较好。在系统 中，喂入的纱条重量是为未进入牵伸装置时由检测机构检测的，在这种情况下，只 要控制系统的时间延迟与纱条通过检测点到匀整点所需要的时间配合得当，以及使 牵伸倍数的变化完全正比于纱条厚度的变化，可以消除一定频率范围内的不匀波。 开环系统的调节性能如图1 5 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 x v y ： r ：- l - 图1 5 开环系统调节性能 f i g 1 5 t h e p e r f o r m a n c ea d j u s t e d b y o l i n - l o o ps y s t e m 图中x _ 输入纱条粗细的变化 v _ 一控制机构输出量 y _ 输出纱条的粗细变化 由图可知，当输入纱条从时间t l 有突变时，纱条在t 1 到达匀整点t z 时由控制机 构动作，经过一个动态过程，又使纱条保持正常粗细，即y 的输出值恢复正常水平， 以开环系统的调节性能来看，当机构正常工作时，在动态过程中，输出纱条粗细波 动是比较小的，能较好的实现调节作用。 从工艺角度而言，开环系统可以匀整较短的片段长度，中长以上片段的不匀可 以得到较大的改善，而中短片段的不匀也可以有一定程度的改善。开环系统的缺点 是只根据检测装置进行调节，而不核实实际输出结果，因为开环系统控制回路是非 封闭的，没有全反馈，对纱条的匀整效果不清楚每一个参考输入量有以个相应的固 定工作状态与之对应，静态特性较差，不能自动修正由于各环节变化或外界扰动所 引起的偏差。 1 6 2 闭环控制系统 其框图如图1 6 所示。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 6 闭环控制系统框图 f i g 1 6 t h es k 鼬m a po f c l o s e - l o o p c o n t r o ls y s t e m 在闭环系统中，输入纱条是经过牵伸机构后进行检测的，由于检测的纱条是已 经被匀整过的，一般，纱条的重量差异较小，因此闭环系统往往需要一个高倍放大 器，以放大检测的偏差信号，才能改变调速机构的速度，使偏差减少，这类调节机 构是按反馈原理工作的。闭环系统调节性能如图1 7 所示。 x y r t 1 图1 7 闭环系统调节性能 f i g ，1 7 t h ep c r 缸m a 蛳口t e db yc l o s e - l o o ps y s t e m 在调节机构正常工作的动态过程中，闭环系统输出纱条的精细波动幅度比开环 系统大，但闭环系统由于反馈回路的作用，能自动的修正各种因素波动所造成的偏 差，从而使输出纱条的平均粗细能符合正常水平，在生产中能使纱条支数1 4 1 保持稳 定。在闭环系统中，先调速后检测，所以纱条经过检测机构的速度高，安装要求 也高，但由于在匀整后检测，检测的波动幅度小，采用闭环系统，虽对长片段或很 东北大学硕士学位论文第一章绪论 长片段的不匀有显著效果，但对中长片段或中短片段的不匀有恶化的可能。 1 6 3 混合环控制系统 这种系统兼有开、闭环调节的优点，既能保持匀整效果，又能自动修正各种波 动所造成的偏差，从调节性能上看是比较完善的，其方框图如图1 8 图1 8 混合环控制系统 f i g 1 8 t h es k e t c hm a po f m i x - l o o p c o n t r o ls y s t e m 混合环要同时解决开环与闭环系统中的问题，机构和技术上要复杂得多，经济 上的花费也很大。其调节性能的波形如图1 9 所示。 x r r t r 图1 9 混合环系统调节性能 f i g1 9 t h ep e r f o r m a n c ea d j u s t e db ym i x - l o o ps y s t e m l o 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 7 自调匀整装置的比较 随着控制技术的发展，以及计算机技术在机械自动控制中的应用，特别是传感 器技术的发展和应用，为梳棉机自调匀整装置的研究奠定了基础，先后出现了各种 形式的自调匀整装置，其性能也在不断提高，下面就应用中的几种型式作以比较。 1 7 1 电容式 其示意图如下： 图1 1 0 电容式检测示意圈 f i g 1 1 0 t h e c a p a c i t a n c e f o r m h x t p 。c f i o us k e t c h m a p l 被检测的棉条2 电容 其检测原理为：被检测的棉条从电容的两极之间通过，棉条相当于介质。当棉 条粗细发生变化时，反映在电容两极的电压也发生变化，电容两极的电压经过取样、 放大作为输出罗拉输出速度的控制信号，从而可根据棉条粗细不同可改变输出速 度。这种电容式的自调匀整机构在梳棉机上应用并不多，主要的原因如下： ( 1 ) 电容两极之间的电压与极板间的距离有关。当生产不同定量的棉条时， 需要改变电极之间的距离，从而导致控制系统的设计复杂。 ( 2 ) 电容两极之间的电压与介质有关。而喂入的棉条的成分是经常变化的，不同 成分的纤维的介电常数不同。 ( 3 ) 纤维的介电常数还与车间的温湿度有关 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 7 2 杠杆式 其检测原理如下图 图1 1 l 杠杆检测原理示意图 f i g 1 1 1 t h e l e v e r f o r m i n s p 枷p r i n c i p l es k e t c h m a p 1 杠杆2 支点 x 一喂入端棉层厚度的变化量南r 一控制端位移的变化量 检测原理为：当喂入端棉层厚度发生变化d x 时，通过杠杆的作用使杠杆的另 一端也发生变化d y 。其比值( d y d x ) 就是放大倍数，而d y 接控制的输入端，从而 可根据d y 的变化调节喂入速度。一般情况下，在棉层的横向宽度内排放数个杠杆， e d x 的变化反映了棉层横向宽度内厚度总的变化量，d y 反映控制端总的控制信 号。其检测精度与杠杆的根数有关，根数多检测精度高。但是这种检测机构结构复 杂、机构庞大。目前主要应用在棉层厚度的检测，杠杆的数量为2 3 个1 1 0 】。 1 7 3 凹凸罗拉式 其检测示意图如1 1 2 所示： 其检测原理：当棉条粗细发生变化时，1 和2 之间的距离随着棉条粗细的变化 而变化，其中l 或2 的轴固定，而另一个轴是活动的，并接位移传感器，根据位移 传感器的位移量，由控制机构调节棉条输出速度的变化，使输出棉条的粗细得到改 进。此种检测装置，结构紧凑，可以一件二用( 即可以输出棉条又可以做为检测元 件) ，性能稳定，但检测的精度不高。 - 1 2 东北大学项士学位论文第一章绪论 疆 厂 l卜 图1 1 2 凹凸罗拉检测原理图 f i g 1 1 2 t h e i n s p e c t i o u p r i n c i p l es k e t c h m a p o f c o n c a v o - c o n v e x i l 盯 l 凹罗拉2 凸罗拉3 棉条 1 7 4 阶梯罗拉式 其原理示意图如下： 图1 1 3 阶梯罗拉检测原理示意图 f i g 1 1 3 t h e i n s p e c t i o n p r i n c i p l es k e t c h m a p o f l a d d 日r o l l e r l 活动阶梯罗拉2 棉条3 固定阶梯罗拉 此种检测原理同凹凸罗拉。凹凸罗拉式和阶梯罗拉式检测属于机械式检测，目 前，很多梳棉机仍然采用。主要用于棉条输出粗细的检测，尽管其结构紧凑，但其 检测精度不高，近几年生产的梳棉机已经很少用这种检测机构来检测棉条的粗细。 1 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 7 5 舌簧式检测 其检测示意图如下 图1 1 4 舌簧武检测原理图 f i g 1 1 4t h e i n s p e o t i o np r i n c i p l es k o o hm a po f l i g u l es p r i n g f o r m l 礴! | 叭口 2 一舌簧 其检测原理为，当喂入的棉条粗细发生变化时，舌簧产生位移变化，通过位移 传感器，最后，直接控制棉条输出速度的变化。目前生产的大多数梳棉机都采用这 种检测装置。其优点是结构更紧凑，成本低，检测精度高于凹凸罗拉式、阶梯罗拉 式。但是其检测精度还不够高，而且舌簧阻碍棉条的运动，对条干的均匀度有一定 的负面影响。 1 7 6 气流法检测 检测原理：当纤维柬通过上图的喇叭口时，由于截面的收缩，在对喇叭口产生 一定的正压。而且喷嘴以恒定的气流唆向喇叭口内，当棉条的粗细产生变化时，接 收气压嘴接收的气压大小也发生变化。该法检测的特点是： ( 1 ) 喇叭口本身结构简单，可以安装在各种梳棉机上。 ( 2 ) 输出同棉条的线密度的关系是非线性的，如果作为数据处理系统的转换元 件，输出信号必须经过线性化处理。作为闭环调整系统的测量元件，不经过线性化 处理也可使用。 ( 3 ) 输出信号不受环境温湿度和纤维含水率变化的影响。 ( 4 ) 受到气压管道系统中空气容量的影响，有一定的“惯性”只能测量棉条中、 1 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 长片段的线密度，短片段的不匀被“滤去”。 ( 5 ) 输出的气压信号必须经过一个压力传感器转换成电压信号才能被电路系统 接受。此外，喇叭头的旁孔和气压管道需定时清洁以防止阻塞，所以一套测量装置 包括：测量喇叭头、气压传感器、压缩空气源、气动阀、控制电路。 ( 6 ) 对纤维细度变化敏感，在棉条线密度不变。速度不变的条件下，纤维细度变 化1 ，输出气压将变化0 5 t 1 3 】。近几年，采用气压喇叭头法测量棉条线密度已日 渐减少。 其检测原理示意图如下： 图1 1 5 气流法检测示意图 f i g 1 1 5 t h 豳p e c t i o e l z i n c i p l es k e t c h m a p o f a i r f l o w m e t h e d 1 喷嘴2 集束喇叭口3 上压辊 4 _ - 下压辊5 接收气压嘴6 _ - 棉条 1 7 7 放射性同位素法检测 放射性同位素一般是利用b 射线1 3 1 。当条子粗细变化时，射线穿透纱条的粒子 数也就不同。又下式表示； n o = n 洱k 2 9( 1 4 ) n c 广一通过纱条后落到检波器上的b 射线粒子数； n i 无纱条时落到检波器上的粒子数； r 放射线吸收系数； k 2 系数； 放射性同位索法的优点是：受原料性质变化的影响小，受温湿度变化的影响更 1 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 小。缺点是机构复杂，代价高昂，并要采取劳动保护措施。只有在机台少，单机产 量高的粗梳毛纺中有少量应用，对棉纺梳棉机不适合。 1 7 8c c d 传感器检测 检测的原理示意图如下： 图1 1 6c c d 传感器检测原理示意图 f i g 1 1 6t h o i l g p c 甜o a p r i n c i p l es k o t c h m a p o f c c ds e n s o r 1 光源2 光线3 被检测的棉条 4 - c c d 传感器5 控制机构 检测原理为：光源发出的光线照在c c d 光敏器件上，产生电荷耦合，经过内部转 换，转化为模拟电压输出。其输出电压的大小与c c d 接收的光强有关，当棉条的粗 细发生变化时，c c d 接受到的光强就发生变化，所以产生的电荷耦合的数量就不同， 输出的模拟电压就不同。也就是说，输出的模拟电压的大小与棉条的粗细有一定的 对应关系。根据输出模拟电压的不同，相应地改变棉条的输出速度，就起到匀整棉 条粗细的作用。 c c d 检测，是一种非接触检测，比上述几种检测机构具有很大的优越性，检测 精度高，对棉条无损伤，这也是本课题采用它作为检测传感器的主要原因。 1 6 东北大学硕士学位论文 第二章c c d 光源的选择 第二章c c d 光源的选择 2 1 光的特性及度量 2 1 1 光的特性 光是以电磁波的方式传播的物质。几何光学研究了光的成像规律，并依据光的 波动性解释了光的干涉、衍射等现象。光是以电磁波方式传播的粒子，称为光量子 或光子。光子的静止质量为零。其能量和动能分别为 e = h v ( 2 1 ) p = h v c ( 2 2 ) 式中：h _ 普郎克常数，为6 6 2 6 1 1 1 0 3 4 j s ； v 一光的频率( 1 ，s ) ； c 一光在真空中的传播的速度。 电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线到无线电波( 1 0 乙1 0 2 询的宽度 领域。光波仅仅是电磁波的一小部分，它包括的波长区间约从几纳米到一个毫米a 而在这个范围内，只有o 3 8 加7 8 1 m 光才能被人眼所见。 c c d 器件的光谱响应范围宽于人眼的视觉范围，一般在0 2 - 1 1 i m 的波长范围 内。特种材料的红外c c d 的波长响应可扩展到几个微米，即c c d 的光谱响应范围 从远紫外线、近紫外线、可见光到近红外区，甚至到中红外区。 2 1 2 光的度量 为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应、分析c c d 器件的光电特 性及用c c d 定量计算各种光的度量，需要给出计量光波能量的参数和量纲。光的 度量有两种方式1 9 】，一种是物理的计量方式，成为辐射度学或称辐射度参数，它实 用于整个电磁辐射区；另一种是从生理的角度，以人眼所见的光辐射对大脑的刺激 程度来进行计量的度量方式，成为光度学或光度参数。光度参数只实用于 0 3 8 - - - 0 7 8 i _ u n 的可见光谱区，超过这个谱区，没有任何意义。 1 7 东北大学硕士学位论文g _ - 章c c d 光潭的选择 2 2 各种光源的比较 2 2 1 自然光源 光源是c c d 应用技术中的重要部分。选好光源是c c d 应用的重要环节。由自 然过程产生的辐射源称为自然光源。各种天体( 包括地球、太阳、星体) 及大气等都 是自然光源。自然光源是客观存在的，人们只能对其研究和利用，不能改变其发光 特性。 2 2 2 人工光源 为了创造良好、稳定的观察和测量条件，人们制造了许多种人工光源，如白炽 灯、卤素灯、气体放电灯、激光器等。可以根据实际需要改变其发光特性。 2 2 2 1 发光二极管光源 发光二级管发现于1 9 0 7 年，但使用发光二级管作为光源还是在7 0 年代末。发 光二级管光源有以下优点： ( 1 ) 体积小，重量轻，便于集成； ( 2 ) t 作电压低，耗电少，驱动简便，容易用计算机控制； ( 3 ) 比普通光源单色性好； ( 4 ) 发光亮度高，发光效率高，亮度便于调整，被广泛地用于数字仪表显示、大 屏幕图像显示和c c d 应用技术中的光源。 222 2 激光光源 激光作为一种新型光源，与其他光源相比有单色性好、方向性强、光亮度极高 的优点，因而在国防、科研、工农业生产和医疗等方面得到广泛的应用。 在诸多种类的激光器中，氦氖气体激光器和半导体激光器在精密检测、光信息 处理，全息摄影、准直导向、大地测量等技术中有着极为广泛的应用。 ( 1 ) 氨氖激光器 氦氖激光器具有连续输出激光的能力。输出激光功率不高，只有几毫瓦。激 光波长 为o 6 3 2um ，波长的稳定性度高达1 0 - 1 0 数量级。 氦- 氖激光器输出的光束的相干性及方向性均很强，居各类激光器首位。对o 6 3 2 1 tm 的谱线可达几公里以上，光束发散角为1 m r a d 。氦氖激光器输出功率幅度随机 波动，也有缓慢和迅速变化。 1 8 东北大学硕士学位论文第二章c c d 光源的选择 氦氖激光器的输出光通量因慢漏气，真空元件放气，工作气体的吸收、吸附 和渗透，附极溅射以及反射镜的玷污和损伤等原因，使得氮氖激光器的寿命下降。 当氮氖激光器的发光效率下降到原来的1 e 的时间称为寿命。目前这种激光器寿命 不长，而且体积较大，不适合本设计结构紧凑的要求。 ( 2 ) 半导体激光器 半导体激光器效率高，是体积最小的激光器件，适合于野外短距离通讯、测距、 引爆、军训等。半导体激光器中以砷化镓激光器的性能最好，并获得广泛应用。 2 3c c d 光源的选择 c c d 应用系统可大致分为摄像和检测两种类型。不同类型对光源有不同要求， 应根据需要选用。 检测系统一般有两种f t 9 l ：一种是通过测量被检测物体的像来测量被检测物体的 某些特征参数；另一种是通过测量被检测物体的空间频谱分布确定被检测物体的某 些特征参数。对于前者，只要选择白炽灯或卤钨灯作为照明光源就可以了；而对于 后者，应选用激光照明，因为它能满足单色性好、相干性别好、光束准直精度高等 要求。c c d 器件的光谱响应范围为o 2 1 1um ，峰值响应波长多为0 5 5pm ，氮氖 气体激光器的激光波长为0 6 3 2 8um ，光谱响应灵敏度很接近于其峰值响应波长的 光谱灵敏度，与其他激光器相比，用相同功率光束照明，可得到较大的输出信号。 根据上述对光源的分析，并结合本课题的实际情况，由于本检测系统是在纺织厂中 应用的，我国的纺织厂的情况不一。有的老厂房是锯齿型的，采用天窗和灯光照明， 白天和晚上光的照度不同，如果采用这种光作为c c d 的光源，很显然测量结果的 可信度下降。 2 4 小结 考虑到普通光源的最大缺点是光容易发生散失，光的准直度不够i 另外，考虑 到机械结构和c c d 对光源的要求，本项目采用激光二级管作为c c d 光源，激光二 级管有不同的波长，不同的颜色。选用激光的波长为0 6 3 5 l im 发红光的激光二级 管，其波长接近c c d 的峰值响应波长。为防止其它光的干扰，在c c d 光敏面前部 安装滤光片，滤掉其它波长的光，以保证c c d 只接收有效的光信号。 1 9 东北大学硕士学位论文第三章c c d 参数选取及驱动电路的设计 第三章c c d 参数选取及驱动电路的设计 3 1c c d 的选择 目前，市场上线阵c c d 芯片的种类很多，常用的如表3 1 表3 - 1 常用线阵c c d 芯片 t a b l e3 - 1t h el i n e - a r r a yc c dc m o sc h i po fc o m m o i lu s e 型号图像媛色像素个数像蒯、岬说明 t c d l 0 0 1 p 黑自 i 2 83 2 3 2 t c d l 2 0 0 d 黑白 2 l i 4 1 4 t c d l 2 嬲s u p 黑白 2 l 1 4 1 4 t c d l 2 0 8 a p翼臼2 1 1 4 1 4，e 蔫灵敏度 t c d l 2 0 9 d黑白2 0 嚣1 4 1 4蔫追2 0 m h z t c d l 2 5 1 u d 黑白 2 7 l l 1 l 动态范围3 8 0 0 t c d l 5 0 0 c 翼白 j 3 7 7 t c d l 5 0 ld 黑白 j 0 7 7 w d l 7 0 2 c 黑白 7 j 7 7奇偶输出 t c d l 7 0 3 c 黑白 7 5 7 x