宋繼紅，衣文索

(長春大學 電子信息工程學院，長春 130022)

紡織卷繞筒絲線長度測量系統(tǒng)設計

宋繼紅，衣文索

(長春大學 電子信息工程學院，長春 130022)

介紹一種直接在線測量卷繞輥絲線長度的方法，首先建立了圓錐卷繞絲線動態(tài)數(shù)學模型，然后對工作過程和數(shù)學模型解態(tài)進行分析，通過測量卷繞機梭子擺動次數(shù)和卷繞轉速間接算出纏線的長度。實際測量數(shù)據(jù)表明，該方法測量精度優(yōu)于傳統(tǒng)方法，穩(wěn)定性好，一致性強。

卷繞輥;絲線測長;數(shù)學模型

0 引言

紡織行業(yè)卷繞絲線長度測量是亟待解決的問題，目前，國內該行業(yè)主要采用絲密度長度測量的辦法，如測厚度、測質量等。絲線線徑很細，質量很輕，卷繞機成型后成品后長度很長，這就給準確測量帶來了很大困難。由于絲線本身材料不均勻特性限制，使這種測量方法存在很大的誤差，所以一種準確可靠的測量手段亟待出現(xiàn)。根據(jù)卷繞絲線輥的實際物理尺寸和工作過程繞絲的動作，建立動態(tài)卷繞數(shù)學模型，同時采用厚度動態(tài)補償實時調整絲線的長度誤差，采用經(jīng)過簡化后的數(shù)學模型，對卷繞絲線輥的轉速和繞絲撥叉的動作次數(shù)進行測量，可以計算出卷繞絲線輥動態(tài)實時繞線長度。本設計采用光電檢測非接觸測量技術，對繞絲撥叉的動作次數(shù)進行測量，同時采用霍爾元器件測量繞絲輥的旋轉頻率，通過測量卷繞機機床撥叉擺動次數(shù)和卷繞轉速間接算出纏線量。采用Silicon Labs公司的C8051F410單片機、光電接近開關傳感器采集數(shù)據(jù)后根據(jù)數(shù)學模型積分計算，實現(xiàn)了卷繞機絲線長度的自動化測量，提高了絲線長度的準確率。

1 卷繞絲線輥結構模型

如圖1所示，卷繞絲線輥的結構組成，絲線是螺旋方式纏繞到絲線輥上，工作過程中絲線輥做旋轉運動，撥叉做軸向往復運動。

圖1 絲輥線長計算演化

簡化工作過程，假定在撥叉的一個往復周期內，形成如圖1(b)的螺旋曲線。為了分析簡便，將絲線輥沿端面展開，得到如圖1(c)的近似直角三角形。因此有空間一點M在圓錐面x2+y2=z2上以角速度ω繞z軸旋轉，同時又以線速度v沿平行于z軸的正方向上升，這點M的軌跡就是一條螺旋線。如圖2所示。卷繞絲線的纏繞方式正是這種圓錐螺旋線。所以我們可以把研究絲線的長度問題轉化成研究圓錐螺旋線的長度問題。首先采用微元法把底圓周長分成微小的n等分，由于纏線高度z是和底面垂直的，因此當?shù)走厴O微小時，斜邊就可以近似成一條直線，三條邊就能構成一個直角三角形，應用勾股定理Δl2+z2=ΔL2，所求斜邊ΔL即是一小段絲線的長度，再應用積分原理就可以求出絲線的總長度L。建立空間直角坐標系，以線軸底圓圓心為原點建立空間直角坐標系，空間任意一點M的坐標為(x，y，z)，底圓半徑為R，纏線高度為H，圓錐角度為θ。這些均為已知量，均可以根據(jù)實際樣品測得。M點的軌跡對平面做投影即是一段螺旋線，如圖所示。M點在平面上的坐標為(x，y)，旋轉角度為α，由于線軸是圓錐體，半徑是逐漸減少的，我們定義半徑減少量為ΔR，對線軸做切面圖，如圖3所示，可算得，ΔR=ztanθ，根據(jù)圓的參數(shù)方程可知任意一點M在平面上的坐標(x，y)。

圖2 M點的軌跡對平面做投影

圖3 ΔR對線軸做切面圖

2 動態(tài)卷繞過程分析

2.1 底圓周長計算

絲線線軸和卷繞機擺動梭子是同軸轉動的，通過擺子的往復擺動來改變纏線位置，假設機床梭子往復擺動一次，絲線繞線軸旋轉了2n圈，n值可由實際情況測出，所以，梭子擺動一次M點的旋轉角度為2nπ。因為是同軸轉動，可知絲線是以恒定速度纏繞在線軸上的，假設纏線高度為H。由此可得縱坐標z和旋轉角度α的關系式為:

變換得:

所以，由式(1)可知，M 點的三維坐標(x，y，z)為:

由式(2)可知，底圓半徑RL為:

對底圓取微元，由公式(3)和圓的周長公式l=R?可知:

所以有

再對微元取積分得:

把式(2)中z坐標帶入上式得:

最終得:

2.2 斜邊L計算

然后根據(jù)勾股定理L2=l2+z2，由式(2)和(4)可得:

(R、H、θ、n均為已知量，根據(jù)實際情況給出)

式(5)所求L值即為絲線的計算值。當把任一點M的旋轉角度值α帶入式(5)就可求出當前的絲線長度值L。假設卷繞機擺子擺動一次，M點旋轉角度為2nπ，所以，把α=2nπ帶入式(5)，即可求出一個L值，這個值即為卷繞機擺子擺動一次的纏線長度值。把實驗樣品的參數(shù)R、H、θ、n帶入式(5)后計算得L=37.7cm，又經(jīng)過在空線軸上多次纏線測量后，最終發(fā)現(xiàn)誤差在±1cm以內，理論值和實際值相當吻合。

2.3 絲線總長度計算

求出卷繞機擺子動作一次的纏線長度后，只要記下擺子運動次數(shù)就可求出總長度，但有一點不可忽略的是，隨著纏線圈數(shù)的不斷增加，線軸將不斷變厚，也就是說半徑將不斷變大，此時如果還按照原來的公式來計算顯然是不正確的，但是有一點可以肯定的是，絲線在線軸上纏幾圈肯定是不能纏滿一層的，所以我們只要算出絲線需要纏多少圈才能把線軸纏滿，然后再在原來的半徑R上加上絲線直徑D即是變化后的直徑。

首先，我們要用千分尺測量出絲線的實際直徑值D。H/D即為絲線纏滿線軸一層的圈數(shù)，然后再根據(jù)圈數(shù)求出卷繞機擺子擺動次數(shù)。

假設張力恒定的情況下，梭子擺動100次時絲線繞線軸恰好纏滿一層，則

則半徑可以表示為R=R+mD，即為當梭子每擺動100次時，半徑R增加一次，增加量為一根絲線直徑的長度D。

所以，總長度計算公式為:

根據(jù)傳感器測出機床梭子擺動次數(shù)S，根據(jù)公式(6)求出m值，把?=2nπ帶入式(7)即可求出絲線總長度值L。經(jīng)過多次實際測量驗證后，計算值和實際值基本吻合。

3 系統(tǒng)軟硬件設計

此課題中我們利用新華龍公司生產(chǎn)的C8051F410單片機作為控制核心，控制系統(tǒng)結構框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)結構框圖

傳感器采用了OMRON公司的接近開關，工作穩(wěn)定，且抗干擾性要強;按鍵接口電路使用五個按鍵，實現(xiàn)對長度計算所需參數(shù)的設置;液晶接口電路選用液晶1602ZK，它可以顯示兩行文字，可以顯示各個參數(shù)值，機床梭子擺動次數(shù)和實際長度;存儲電路選用24c512具有I2C接口的串行EEPROM。圖5為系統(tǒng)軟件設計基本流程框圖。主要包括初始化子程序、傳感器狀態(tài)查詢子程序、液晶顯示子程序、按鍵電路子程序、存儲單元子程序、絲線長度計算子程序等。

圖5 為系統(tǒng)軟件設計基本流程框圖

4 結語

本設計首先建立了圓錐卷繞絲線數(shù)學模型，選擇應用積分思想，通過測量卷繞機機床梭子擺動次數(shù)和卷繞轉速間接算出纏線量的方法，可以動態(tài)測量卷繞絲線輥繞線長度。整個系統(tǒng)的硬件電路采用單片機控制電路，完成信號的輸入和輸出的轉換，傳感器電路將接近開關和霍爾傳感器信號轉換成數(shù)字脈沖后進入單片機系統(tǒng)進行處理，該電路實現(xiàn)了絲線長度的采集，并通過比較器將信號送到單片機的控制電路中。軟件部分通過程序的設計實現(xiàn)各個功能，設計安全、可靠、完全能夠滿足實際需求。

［1］ 康華光.電子技術基礎/數(shù)字部分［M］北京:高等教育出版社，2006.

［2］ 譚浩強.C程序設計［M］.2版.北京:清華大學出版社，1999.

［3］ 翟玉文，梁偉，艾學忠，施云貴.電子設計與實驗［M］.北京:中國電力出版社，2005.

［4］ 潘琢金，施國軍.C8051FXXX高速SOC單片機原理及應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2002.

［5］ 潘琢金，孫德龍，夏秀峰.C8051F單片機應用解析［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2002.

Design for the Measurement System of the Length of Textile Winding Drum Thread

SONG Ji-hong，YI Wen-suo

(College of Electronic Information Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

The direct online measurement method of the length of textile winding drum thread is introduced in this paper.A dynamic mathematical model of cone winding silk is firstly created，and then the work process and solution state of the mathematical model are analyzed.By measuring the oscillating frequency of winding machine shuttle and the speed of winding roller，the length of the winding thread is indirectly calculated.Actual measurement data shows that the accuracy of this measurement method is better than traditional methods on the aspects of stability and consistency.

textile winding drum;thread length measurement;mathematical model

TP368.1

A

1009－3907(2012)08－0929－04

2012-06-18

宋繼紅(1975-)，女，吉林長春人，講師，碩士，主要從事計算機應用方面研究。

責任編輯:吳旭云