并條機(jī)牽伸羅拉同步性檢測(cè)方法

宋栓軍

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710048)

并條機(jī)牽伸羅拉同步性檢測(cè)方法

宋栓軍

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710048)

為能給判定和調(diào)試并條機(jī)整體性能提供有效的定量參考數(shù)據(jù)，開發(fā)了一種基于虛擬儀器技術(shù)的羅拉同步性檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由采集卡、個(gè)人PC機(jī)和羅拉轉(zhuǎn)速曲線測(cè)試儀組成。給出了基于M/T法的羅拉轉(zhuǎn)速計(jì)算方法。利用該方法在LabVIEW平臺(tái)上設(shè)計(jì)了羅拉轉(zhuǎn)速檢測(cè)儀，并將檢測(cè)系統(tǒng)用于FA1382高速并條機(jī)的羅拉轉(zhuǎn)速同步性檢測(cè)。結(jié)果表明：該檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)檢測(cè)并條機(jī)的各羅拉轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況，獲取數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，對(duì)數(shù)據(jù)的分析方便、直觀且數(shù)據(jù)通用性較強(qiáng)。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，這種機(jī)型的牽伸性能較好，但其在正常停車時(shí)的非線性降速和急停時(shí)的降速時(shí)間控制有待進(jìn)一步改進(jìn)。

并條機(jī)； 羅拉同步性； 轉(zhuǎn)速； 檢測(cè)系統(tǒng)； 虛擬儀器

并條作為棉紡工藝的重要環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是提高生條纖維伸直度與平行度，改善條子的長(zhǎng)短片段條干均勻度以及纖維的混和均勻度[1]。隨著出條速度由原來的40 m/min提高到現(xiàn)在單眼的800～1 000 m/min，并條機(jī)目前都采用加裝自調(diào)勻整裝置和改進(jìn)的牽伸裝置來控制由于高速帶來的并條質(zhì)量的波動(dòng)[2]。并條過程中，條子被拉長(zhǎng)拉細(xì)的過程主要是由主牽伸區(qū)和后牽伸區(qū)中的牽伸羅拉完成的[3]。由此看，牽伸區(qū)中牽伸羅拉轉(zhuǎn)速的同步性會(huì)影響牽伸的牽伸比，若牽伸區(qū)牽伸羅拉的同步性好，則條子受牽伸后的均勻度好；若同步性差，則會(huì)出現(xiàn)粗細(xì)節(jié)，直接影響出條質(zhì)量，因此，對(duì)牽伸羅拉的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)同步性檢測(cè)是非常必要的。通過對(duì)牽伸羅拉的轉(zhuǎn)速同步性檢測(cè)，一方面可以檢驗(yàn)并條機(jī)的性能，另一方面還可以為調(diào)節(jié)并條機(jī)參數(shù)、死區(qū)長(zhǎng)度提供必要的定量數(shù)據(jù)[4]。從理論上分析，并條機(jī)并條性能的好壞有2方面原因：在正常開車時(shí)，是否能夠及時(shí)勻整粗節(jié)和細(xì)節(jié)；啟動(dòng)、停止階段，并條機(jī)的牽伸性能是否穩(wěn)定。這2方面因素都與羅拉轉(zhuǎn)速的同步性相關(guān)。目前對(duì)并條機(jī)牽伸羅拉轉(zhuǎn)速同步性能檢測(cè)的方法還不多見。在長(zhǎng)期進(jìn)行在線檢測(cè)[5]的實(shí)踐基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一套專門針對(duì)并條機(jī)牽伸羅拉轉(zhuǎn)速同步性能檢測(cè)的虛擬測(cè)試儀，并在FA1382高速并條機(jī)上成功應(yīng)用，為改善并條機(jī)質(zhì)量提供了有效的定量化數(shù)據(jù)。

1 檢測(cè)原理

羅拉轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示。硬件由裝在各個(gè)羅拉上的編碼器(一般并條機(jī)上都自帶)、數(shù)據(jù)采集器、個(gè)人PC機(jī)組成；軟件是基于LabVIEW或Lab Windows/CVI等其他上位機(jī)編程環(huán)境下自行開發(fā)的虛擬轉(zhuǎn)速測(cè)試儀[6]。數(shù)據(jù)采集器一般選用同步性能和采樣率較高的NI USB X系列多功能數(shù)據(jù)采集卡[7]，其基本特點(diǎn)是：1)具有BNC連接端子；2)具有8路同步模擬輸入，單通道采樣率1.25 MS/s, 16位分辨率；3)具有2路輸出范圍為±10 V的模擬輸出,同時(shí)該采集卡采用NI-STC3的同步技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高級(jí)定時(shí)和觸發(fā)。這樣的高速同步采集器可確保牽伸羅拉轉(zhuǎn)速信號(hào)無任何漏采。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)組成

當(dāng)開啟檢測(cè)系統(tǒng)后，牽伸羅拉的轉(zhuǎn)速信號(hào)首先接到數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入端，各羅拉的轉(zhuǎn)速信號(hào)同時(shí)被數(shù)據(jù)采集卡多路同步采集經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后通過USB總線送到上位機(jī)中。上位機(jī)軟件利用事先設(shè)計(jì)好的轉(zhuǎn)速算法，對(duì)各通道的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，并將運(yùn)算的結(jié)果以曲線圖的形式輸出。這樣通過多路轉(zhuǎn)速曲線在同一時(shí)刻的速度對(duì)比就很容易看出牽伸羅拉速度曲線的變化和牽伸效果的好壞。

2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 功能設(shè)計(jì)

此檢測(cè)系統(tǒng)依據(jù)檢測(cè)需要，主要有數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置、定時(shí)設(shè)置、記錄設(shè)置、觸發(fā)設(shè)置、轉(zhuǎn)速曲線繪制、牽伸比曲線繪制6項(xiàng)基本功能。數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置功能主要完成對(duì)檢測(cè)基本參數(shù)的設(shè)置，如編碼器的基本分辨率設(shè)置、幾組羅拉轉(zhuǎn)速信號(hào)接入的采集卡物理通道設(shè)置、接線端配置、信號(hào)的最大最小電壓范圍設(shè)置等；定時(shí)設(shè)置主要設(shè)置采集卡的采樣頻率、采樣時(shí)間、采樣時(shí)鐘源等；記錄設(shè)置主要控制采集的原始數(shù)據(jù)是否需要存儲(chǔ)、存儲(chǔ)位置和存儲(chǔ)格式等，以便在離線時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理；觸發(fā)設(shè)置控制采集卡采集方式(自動(dòng)觸發(fā)或者手動(dòng)觸發(fā))、觸發(fā)源的信號(hào)類型及接線端口，可依據(jù)需要進(jìn)行不同的采集方式選擇；轉(zhuǎn)速曲線繪制主要完成信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)速算法后的轉(zhuǎn)速結(jié)果輸出，可繪制出不同羅拉轉(zhuǎn)速的對(duì)比曲線；牽伸比曲線繪制主要繪制直觀的并條機(jī)主牽伸區(qū)、后牽伸區(qū)等的牽伸比變化情況，為分析并條機(jī)性能提供直觀依據(jù)。繪制的轉(zhuǎn)速曲線和牽伸比曲線可進(jìn)行局部放大，以便觀察分析，并且可方便導(dǎo)出圖像、Excel數(shù)據(jù)報(bào)表等。

檢測(cè)系統(tǒng)功能采用可視化編程環(huán)境LabVIEW實(shí)現(xiàn)。LabVIEW采用圖形化編程語言設(shè)計(jì)程序，不需要編寫語言代碼，且LabVIEW擁有豐富的函數(shù)資源庫(kù)，可方便調(diào)用實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)字濾波、曲線擬合等功能。此外LabVIEW編寫的程序，界面符合測(cè)試儀器的設(shè)計(jì)規(guī)范，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以為多種格式，便于后期其他分析軟件的調(diào)用[5]，因此，其語言適合于工程檢測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)檢測(cè)軟件的快速開發(fā)。

2.2 轉(zhuǎn)速算法設(shè)計(jì)

常見的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法有M法、T法和M/T法[8]。M 法也稱頻率法，它是通過在固定時(shí)間內(nèi)測(cè)量編碼器脈沖數(shù)來計(jì)算轉(zhuǎn)速的一種方法，適用于高速范圍[9]；T 法則相反，它是通過測(cè)量編碼器2個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔來計(jì)算轉(zhuǎn)速的；M/T法結(jié)合了M法和T法，它通過同時(shí)檢測(cè)編碼器的脈沖數(shù)和此脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間來確定被測(cè)對(duì)象的轉(zhuǎn)速，是一種適用范圍較廣的轉(zhuǎn)速測(cè)定方法[10]。

轉(zhuǎn)速的算法結(jié)合了M/T法的原理，圖2示出轉(zhuǎn)速的算法流程。

圖2 轉(zhuǎn)速算法流程圖

轉(zhuǎn)速計(jì)算原理及其實(shí)現(xiàn)過程如下：

1)首先對(duì)編碼器信號(hào)進(jìn)行處理。由于從采集卡獲得的編碼器信號(hào)為脈沖信號(hào)，為便于計(jì)算相鄰2個(gè)脈沖的時(shí)間間隔，首先對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行0/1處理。即高電平為1，低電平為0，處理前后的信號(hào)變化如圖3所示。

2)由于采集卡開始采集的時(shí)間具有一定的隨機(jī)性，所以有可能剛開始采集到的是信號(hào)高電平處，也有可能是信號(hào)低電平處，為了減小計(jì)算誤差，當(dāng)為高電平時(shí)，計(jì)算信號(hào)下降沿時(shí)間間隔，否則計(jì)算信號(hào)上升沿時(shí)間間隔。

3)對(duì)處理后的0/1信號(hào)做進(jìn)一步處理，使上升沿或下降沿處只出現(xiàn)1個(gè)1，這樣即確定了上升沿或下降沿對(duì)應(yīng)的時(shí)點(diǎn)，處理前后的結(jié)果如圖4所示。

4)根據(jù)脈沖上升沿或下降沿的間隔時(shí)間和轉(zhuǎn)過的角度，即可計(jì)算該時(shí)段內(nèi)的速度。由于只是計(jì)算了上升沿或下降沿對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，這樣在編程過程中會(huì)導(dǎo)致計(jì)算后的數(shù)組尺寸減小。為了與實(shí)際測(cè)量的時(shí)間對(duì)應(yīng)，還需進(jìn)行一次插值算法處理[11]，以便獲得與原始信號(hào)同樣的信號(hào)長(zhǎng)度。插值前后的速度曲線如圖5所示。

圖3 轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)處理前后的變化對(duì)比

圖4 對(duì)0/1信號(hào)處理前后的結(jié)果

圖5 插值前后速度曲線對(duì)比

3 應(yīng) 用

利用該檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)FA1382型高速并條機(jī)羅拉1、2、3的轉(zhuǎn)速曲線進(jìn)行檢測(cè)，共檢測(cè)了正常開車、正常啟動(dòng)、正常停車、急停停車4種情況下的轉(zhuǎn)速同步情況。羅拉1、2、3的轉(zhuǎn)速信號(hào)由安裝在其上的光電編碼器發(fā)出，光電編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生20個(gè)脈沖信號(hào)。采集卡采用美國(guó)NI公司的USB 6356，其共有8通道模擬輸入端口，單通道最高采樣率達(dá)1.25 MS/s。圖6示出4種情況下的測(cè)試結(jié)果。

由圖6可看出，該機(jī)型在正常開車時(shí)羅拉1、2、3轉(zhuǎn)速非常穩(wěn)定，羅拉轉(zhuǎn)速的同步性較好。正常啟動(dòng)時(shí)，羅拉1的升速過程經(jīng)過了2個(gè)階段，先經(jīng)過0.1 s左右升速至低速400 r/min維持了近1.1 s，隨后在2 s后轉(zhuǎn)速迅速升至正常1 990 r/min左右。在此期間羅拉2、3以同樣的升速時(shí)間間隔完成速度的變化，因此，可以看出該機(jī)型啟動(dòng)時(shí)同步性較好。正常停車時(shí)，該機(jī)型從正常轉(zhuǎn)速降至完全停轉(zhuǎn)需要大概6.2 s，而急停停車時(shí)需要2 s左右。正常停車時(shí)，羅拉速度的下降先快后慢，并非完全線性。急停停車時(shí)，羅拉的轉(zhuǎn)速經(jīng)過2次降速過程，羅拉1先是在0.2 s左右迅速降速至400 r/min，然后在1.8 s內(nèi)降速至零。急停停車2個(gè)階段的降速過程基本是線性的。急停停車和正常停車時(shí)羅拉的同步性較好。

圖6 測(cè)試結(jié)果

圖7示出急停停車和正常停車時(shí)該種機(jī)型的總牽伸比隨時(shí)間的變化曲線。可以看出，由于正常停車時(shí)，羅拉1在6.5～7.7 s為非線性降速，使并條機(jī)的總牽伸比出現(xiàn)下降波動(dòng)。急停停車時(shí)，由于羅拉1、2的降速時(shí)間不一致及降速的非線性，使并條機(jī)的總牽伸比波動(dòng)更為明顯。

圖7 急停停車和正常停車時(shí)的總牽伸比

通過用這種方法對(duì)羅拉同步性檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該并條機(jī)型的牽伸性能較好，但其在正常停車時(shí)的非線性降速和急停時(shí)的降速時(shí)間控制有待進(jìn)一步改進(jìn)。利用本檢測(cè)系統(tǒng)得到的定量檢測(cè)結(jié)果為改進(jìn)此種機(jī)型的電機(jī)特性和工藝參數(shù)提供了有效的參考。

4 結(jié) 語

本文所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)基于虛擬儀器技術(shù)，是目前廣為流行的快速高性能檢測(cè)平臺(tái)。從硬件組成看，硬件組成簡(jiǎn)單，只需1塊高性能數(shù)據(jù)采集卡，不需要附加任何額外的硬件處理和二次儀表，就可快速搭建檢測(cè)系統(tǒng)，與并條機(jī)上的各種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)對(duì)接，完成羅拉轉(zhuǎn)速的同步性檢測(cè)任務(wù)。從軟件組成來看，采用無代碼的圖形化編程語言LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái)，編程速度快，檢測(cè)任務(wù)的定制非常靈活，數(shù)據(jù)容易存儲(chǔ)為txt文本、二進(jìn)制文件、Excel文件格式等，數(shù)據(jù)的可移植性性較強(qiáng)，方便對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的全方位多角度分析?；贚abVIEW開發(fā)的羅拉轉(zhuǎn)速測(cè)試儀可運(yùn)行在目前的Winxp、Win7、Win8等Windows操作系統(tǒng)平臺(tái)上，可安裝在筆記本電腦上通過USB接口與采集卡通信，攜帶方便。從算法設(shè)計(jì)來看，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速算法靈活性較強(qiáng)，是M/T法的一種變形形式，可依據(jù)不同檢測(cè)任務(wù)的需要，靈活轉(zhuǎn)為M法或T法。該同步性檢測(cè)系統(tǒng)搭建方案及其軟件算法還可適當(dāng)變化，用于其他并條機(jī)、紡織機(jī)械、電動(dòng)機(jī)等轉(zhuǎn)速同步性的測(cè)量。從檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用情況看，系統(tǒng)搭建迅速，攜帶方便，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方便，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)。

FZXB

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Detection method for speed synchronization of drawing frame rollers

SONG Shuanjun

(CollegeofMechatronicsEngineering，Xi′anPolytechnicUniversity，Xi′an，Shaanxi710048，China)

A roller synchronization detecting system based on virtual instrument technology is proposed to detect the speed synchronization of rollers of a drawing frame. The system is composted of DAQ cards, PCs and roller speed curve testers. The speed calculation method based on M/T is proposed and the roller speed tester is designed in LabVIEW environment. The detection system has been successfully used on detecting performance of the drawing frame FA1382. The results show that the detection system can acquire accurate data and data is highly versatile and intuitive. Data analysis show that the drawing frame has good draft performance, but it has also some aspects to be further improved such as nonlinear speed down in normal stop and time control of slowdown in emergency stop. This detection system provides more effective quantitative reference data for judging the performance of drawing frame and improving drawing frame.

drawing frame； roller synchronization； speed； detecting system； virtual instrument

10.13475/j.fzxb.20150904806

2015-09-22

2016-06-01

陜西省教育廳科研基金項(xiàng)目(15JK1311)；西安工程大學(xué)博士基金項(xiàng)目(BS1301)

宋栓軍(1974—)，男，副教授，博士。主要研究方向?yàn)樘摂M儀器開發(fā)、在線監(jiān)測(cè)及計(jì)算機(jī)集成制造。E-mail: songshuanjun@126.com。

TS 101.2

A