基于激光三角法測量經(jīng)紗管振程的研究

王延蒙，紀(jì) 紅

(濟寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟寧 272073)

0 引言

經(jīng)紗管的振程直接影響紗線質(zhì)量和錠子使用壽命，目前關(guān)于振程測量的研究主要有：王文彬等基于壓電晶體的壓電效應(yīng)，利用壓電式傳感器測量錠子振動情況[1]；齊曉旭利用錠子故障診斷系統(tǒng)測量錠子振動信號，該方法可以滿足實驗室測量需求，應(yīng)必須接觸式測量而無法用于大規(guī)模檢測[2]；錠子測振儀廣泛用于經(jīng)紗管振動測量，但也須手動測量，效率較低；馬曉建等研究了影響錠子振動的因素，采用頻域分析、小波變換的方法對錠子振動進行分析，確定均方值以表示錠子振動情況[3]；王金福等通過頻域分析方法研究評價軸承的振動情況[4]。但是，測量經(jīng)紗管振程的研究較少。為此，筆者基于激光三角法測量位移原理設(shè)計塑料經(jīng)紗管振程測量平臺，統(tǒng)計分析其振動數(shù)據(jù)，以研究確定振動評價標(biāo)準(zhǔn)。

1 激光三角法測量基本原理

利用激光三角原理測量位移的方法，主要有斜射式測量和直射式測量[5]。

斜射式測量位移的工作原理為：激光器發(fā)射的激光束與被測物體表面構(gòu)成一定角度，被測物體將光線反射至線性CCD表面；當(dāng)被測物體的位移發(fā)生改變時，光斑位置在線性CCD表面發(fā)生移動，從而測量出被測物體位置的變化，如圖1所示。該測量方法經(jīng)常用于測量表面光滑的物體。

1—被測面；2—準(zhǔn)直透鏡；3—激光束；4—激光器；5—光電位置探測器；6—接收透鏡。

直射式測量位移的工作原理為：采用垂直照射的方式，當(dāng)被測物體移動時，因物體表面漫反射導(dǎo)致在線性CCD表面成像位置發(fā)生變化，如圖2所示。該測量方法適用于測量表面粗糙的物體。

1—被測面；2—激光束；3—準(zhǔn)直透鏡；4—激光器；5—光電位置探測器；6—接收透鏡。

因為塑料經(jīng)紗管應(yīng)具有加捻卷繞紗線的功能，故其表面粗糙度Ra值較大，應(yīng)根據(jù)直射式測量位移的原理對經(jīng)紗管的振動情況進行測量。

2 經(jīng)紗管振程測量系統(tǒng)

經(jīng)紗管套裝在錠子上，其振動視為是在平衡位置附近擺動，故用單方向位移傳感器進行測量[6]。

當(dāng)經(jīng)紗管工作轉(zhuǎn)速為18 kr/min時，根據(jù)香農(nóng)定理則采樣頻率不應(yīng)小于被測量信號頻率的2倍；因此經(jīng)紗管振程測量采用的傳感器頻率不應(yīng)小于600 Hz，在經(jīng)紗管一個轉(zhuǎn)動周期內(nèi)至少可以測量2個位移點。測量采樣點如圖3所示。

1—傳感器；2—光線；3—測量點；4—經(jīng)紗管。

傳感器振程測量檢測系統(tǒng)主要由激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。為統(tǒng)計振動結(jié)果，將傳感器測量數(shù)據(jù)正數(shù)設(shè)定。傳感器標(biāo)定見圖4。

1—激光位移傳感器；2—試件；3—微調(diào)臺。

測量前傳感器進行標(biāo)定，標(biāo)定的數(shù)據(jù)采用最小二乘法進行擬合[7]，擬合曲線見圖5。為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對同位置位移值取多次均值，最終擬合方程為：y=0.402x-11.258，相關(guān)系數(shù)R2=0.99。

圖5 擬合曲線

3 經(jīng)紗管振程評價標(biāo)準(zhǔn)與驗證

3.1 經(jīng)紗管振程均值

在振動評價中通常采用均值作為評價的標(biāo)準(zhǔn)，振程均值可以體現(xiàn)出經(jīng)紗管振動信號距離中心的變化情況[8]，其表達式為：

(1)

3.2 經(jīng)紗管振程變異系數(shù)

經(jīng)紗管在高速旋轉(zhuǎn)過程中，方差表示經(jīng)紗管振動位移的離散程度[9]；由于經(jīng)紗管的振動中心并不總是其幾何中心，用方差評價經(jīng)紗管振程并不合理。為此，定義經(jīng)紗管振程變異系數(shù)，其表達式為：

(2)

將傳感器最大量程記為傳感器相對零點，如圖6所示。

圖6 采樣零點標(biāo)定

將測量的經(jīng)紗管振程數(shù)據(jù)以矩陣的形式表示，列方向表示測量的經(jīng)紗管振程值，行方向表示重復(fù)次數(shù)，記為Amn。

矩陣行方向數(shù)據(jù)記錄著經(jīng)紗管在1個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)傳感器測量的振程位移數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)紗管振程變異系數(shù)公式計算行方向的CV值，其表達式為：

(3)

將計算的CV值取為均值，稱為經(jīng)紗管變異系數(shù)均值，其表達式為：

(4)

另一種對矩陣數(shù)據(jù)處理的方法，為對矩陣列方向的數(shù)值取均值。列方向數(shù)據(jù)為經(jīng)紗管轉(zhuǎn)動中重復(fù)位置點的振動位移，取其均值并計算變異系數(shù)，稱為經(jīng)紗管平均變異系數(shù)，其表達式為：

(5)

圖7為經(jīng)紗管在10 s內(nèi)振程測量系統(tǒng)的變異系數(shù)均值和平均變異系數(shù)的變化情況。實驗表明：平均變異系數(shù)變化幅度平穩(wěn)，因此采用其為經(jīng)紗管振程的評價標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 變異系數(shù)均值和平均變異系數(shù)比較

經(jīng)紗管在低速旋轉(zhuǎn)時的振動幅度較高速時明顯，因此設(shè)定不同的轉(zhuǎn)速對以上2種經(jīng)紗管振程的評價標(biāo)準(zhǔn)進行試驗驗證。設(shè)定管長為195 mm經(jīng)紗管在18 kr/min，12 kr/min，6 kr/min及3 kr/min的不同轉(zhuǎn)速條件下進行試驗，采樣時間為10 s，依據(jù)式(1)和式(5)計算經(jīng)紗管振程均值和振程變異系數(shù)，試驗統(tǒng)計結(jié)果見圖8和圖9。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下經(jīng)紗管振程均值的變化曲線

圖9 不同轉(zhuǎn)速下經(jīng)紗管振程變異系數(shù)的變化曲線

當(dāng)經(jīng)紗管轉(zhuǎn)速為6 kr/min時接近第一階臨界轉(zhuǎn)速，經(jīng)紗管振動較明顯、相應(yīng)的振程變異系數(shù)值增大；隨著轉(zhuǎn)速提升,經(jīng)紗管振程變異系數(shù)降低，試驗結(jié)果與觀測結(jié)果相符，驗證了評價指標(biāo)的合理性。

4 結(jié)論

4.1塑料經(jīng)紗管表面粗糙度Ra值較大，可根據(jù)直射式測量原理對其振動情況進行測量；塑料經(jīng)紗管工作振動情況近似為強迫振動，可采用單方向位移傳感器進行測距。

4.2針對測量數(shù)據(jù)采取2種統(tǒng)計學(xué)分析方法，試驗表明塑料經(jīng)紗管振程平均變異系數(shù)變化穩(wěn)定，能更為準(zhǔn)確地反映其振動程度。

4.3當(dāng)塑料經(jīng)紗管轉(zhuǎn)速為6 kr/min時，其振程平均變異系數(shù)明顯變大。