集束短纖張力檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周桂洋，李德駿，王一帆，王 成，程 康，劉會(huì)清，張 乾

(1.武漢紡織大學(xué) 電子與電氣工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200； 2.中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司， 江蘇 儀征 211400)

在聚酯短纖生產(chǎn)過(guò)程中，張力調(diào)節(jié)是控制聚酯短纖質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一[1]。進(jìn)入短纖維牽伸機(jī)的聚酯短纖如果張力過(guò)大，則容易造成短纖牽伸過(guò)度，影響短纖的彈性，增加細(xì)結(jié)和斷頭；而張力過(guò)小又會(huì)使聚酯短纖成形不良，產(chǎn)出粗纖維和次品纖維[2-3]。對(duì)于現(xiàn)有的聚酯短纖生產(chǎn)線中，張力調(diào)節(jié)都是工人憑借經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)盛絲桶上方的張力調(diào)節(jié)器來(lái)解決聚酯短纖在經(jīng)過(guò)牽伸機(jī)時(shí)產(chǎn)生的張力不均問(wèn)題，而沒(méi)有科學(xué)的數(shù)據(jù)去指引工人進(jìn)行精確地調(diào)節(jié)。因此研制聚酯短纖張力檢測(cè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有重要的生產(chǎn)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)紗線、鋼絲、紙張等產(chǎn)品張力檢測(cè)設(shè)備有許多的研究，但并沒(méi)有具體應(yīng)用在聚酯短纖牽伸階段張力檢測(cè)調(diào)節(jié)的設(shè)備[3-5]。意大利Savio公司生產(chǎn)的Qrion M/L/K自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)和德國(guó)Schlafhorst公司生產(chǎn)的Autoconer 338RM/K/E自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)配置的都是積極式絡(luò)紗張力控制技術(shù)，該系統(tǒng)通過(guò)單錠電腦張力控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)筒槽的伺服電動(dòng)機(jī)、張力裝置、張力傳感器形成反饋式張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)調(diào)節(jié)絡(luò)紗張力[6-7]。絡(luò)筒機(jī)絡(luò)紗的生產(chǎn)條件與短纖維牽伸機(jī)生產(chǎn)線的生產(chǎn)條件并不符合，而且這些設(shè)備在控制紗線張力時(shí)，主要使用的是電磁式絡(luò)紗張力自動(dòng)控制技術(shù)，導(dǎo)致無(wú)法直接借鑒使用。為了提高聚酯短纖產(chǎn)品的質(zhì)量和減少剩絲帶來(lái)的浪費(fèi)，在不破壞原有生產(chǎn)線的前提下，設(shè)計(jì)了一套能夠嵌入到原生產(chǎn)線上的聚酯短纖張力檢測(cè)設(shè)備。在絲束進(jìn)入牽伸機(jī)構(gòu)前的集束環(huán)節(jié)，安裝絲束張力實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置，能夠精確地采集24束絲的張力數(shù)據(jù)，保證多個(gè)張力測(cè)量裝置的準(zhǔn)確度和一致性，隨后將該信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，實(shí)時(shí)在工控機(jī)上顯示出每束絲的張力數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)記錄進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)保存，并能對(duì)超出正常范圍的異常張力數(shù)據(jù)發(fā)出警報(bào)。本文系統(tǒng)在檢測(cè)方面使用自動(dòng)校準(zhǔn)調(diào)零的控制算法，在運(yùn)行長(zhǎng)時(shí)間后，系統(tǒng)依然能夠非常精準(zhǔn)的測(cè)量集束絲的張力。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 聚酯短纖生產(chǎn)工藝流程

從原料到成品，從聚酯熔體到切割打包好的聚酯短纖，其整體的生產(chǎn)過(guò)程由前紡和后紡2部分組成。

前紡車(chē)間主要圍繞著卷繞生產(chǎn)線、配桶生產(chǎn)線開(kāi)展。在卷繞階段，聚酯熔體通過(guò)噴絲孔噴出后形成原絲，經(jīng)過(guò)成束輪之后就會(huì)產(chǎn)生束前纖維，束前纖維合并形成纖維束之后經(jīng)給濕上油后落入到盛絲桶中，盛滿絲束的盛絲桶隨著撥絲板動(dòng)作實(shí)現(xiàn)換桶。在配桶階段，操作人員將相同或相近參數(shù)的纖維束分配到同一條牽伸線上，依據(jù)配桶要求將盛絲桶轉(zhuǎn)移到集束區(qū)域，完成配桶。

后紡車(chē)間短纖生產(chǎn)流程如圖1所示。前紡加工后聚酯短纖絲束從盛絲桶中被絲束調(diào)節(jié)器牽出，經(jīng)由調(diào)節(jié)器改變方向從而穿入上方瓷眼及下方瓷眼。絲束經(jīng)由下方瓷眼穿出后直接進(jìn)入張力架、牽伸機(jī)，經(jīng)過(guò)蒸汽預(yù)熱、卷曲疊絲、熱定形等處理后再進(jìn)入蒸汽加熱箱，最后進(jìn)入切割打包流水線。

圖1 短纖生產(chǎn)流程圖Fig.1 Short fiber production flow chart

1.2 張力檢測(cè)原理

根據(jù)聚酯纖維的抗皺耐磨彈力小的物理特性，建立了動(dòng)態(tài)聚酯纖維相應(yīng)的力學(xué)模型。張力檢測(cè)裝置模型如圖2所示。圖中①為張力架上靠近瓷眼一側(cè)原有的輔助輥，②為張力架上靠近牽伸機(jī)一側(cè)原有的輔助輥，③為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況所設(shè)計(jì)的張力檢測(cè)頭，④為正常工作狀態(tài)下移動(dòng)的聚酯短纖維絲束。

圖2 張力檢測(cè)裝置模型Fig.2 Tension detection device model

當(dāng)伺服機(jī)構(gòu)向下移動(dòng)時(shí)，張力檢測(cè)壓頭壓在集束聚酯纖維上，會(huì)與兩側(cè)的輔助輥形成基本的力學(xué)模型。如果忽略陶瓷滑輪軸承上微小的摩擦力，那么轉(zhuǎn)動(dòng)中的壓頭與正在高速移動(dòng)的聚酯纖維保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，利用“相對(duì)靜力分析法”來(lái)檢測(cè)聚酯纖維的張力。相對(duì)靜力分析法力學(xué)模型如圖3所示，張力檢測(cè)理論計(jì)算見(jiàn)式(1)：

圖3 相對(duì)靜力分析法力學(xué)模型Fig.3 Mechanical model of relative static analysis method

(1)

式中：T為聚酯纖維的張力值,N；F為傳感器測(cè)得的力,N；d為張力檢測(cè)頭底部與輔助輥?lái)敹说拇怪本嚯x,m；l為張力檢測(cè)頭底部與輔助輥?lái)敹说闹本€距離，m；v1和v2分別為兩側(cè)輔助輥線速度,m/s。

根據(jù)聚酯纖維形態(tài)穩(wěn)定的物理特性，正常狀態(tài)下v1≈v2，2根測(cè)量輥之間的距離h為固定值，而傳感器測(cè)量值F、伺服裝置垂直方向的位移量d均可由系統(tǒng)內(nèi)部檢測(cè)得到。

2 集束張力檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 集束張力檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

本系統(tǒng)主要由張力檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、檢測(cè)裝置調(diào)節(jié)和預(yù)報(bào)示警4部分組成。張力檢測(cè)部分通過(guò)應(yīng)變片式壓力傳感器對(duì)24束等長(zhǎng)等粗的集束聚酯纖維進(jìn)行張力檢測(cè)，由張力變送器將采集到的張力信號(hào)進(jìn)行放大濾波，通過(guò)485轉(zhuǎn)USB模塊傳給工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。工控機(jī)數(shù)據(jù)處理部分主要是通過(guò)SQL Server 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)配桶環(huán)節(jié)的數(shù)字信息化管理工作，將采集到的張力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在車(chē)間屏幕上，同時(shí)將檢測(cè)值保存至數(shù)據(jù)庫(kù)，方便日后查詢，提高工廠的生產(chǎn)管理水平和生產(chǎn)信息記錄規(guī)范水平。檢測(cè)裝置調(diào)節(jié)部分主要是通過(guò)改變壓頭位置和伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。預(yù)報(bào)示警部分主要是通過(guò)車(chē)間屏幕對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并通過(guò)報(bào)警燈警示操作人員異常情況。集束張力檢測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 集束張力檢測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)框圖Fig.4 Scheme design block diagram of cluster tension detection system

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要由 485 通信電路、按鍵電路、限位電路、復(fù)位電路、方向電路、 PWM 波電路、編碼器電路以及繼電器模塊控制的剎車(chē)信號(hào)和警示燈9部分組成，主控制器 MCU 采用的是 STM32F407ZGT6[8-9]。硬件系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 硬件系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)Fig.5 Hardware system circuit structure

聚酯纖維張力的檢測(cè)就是向張力架兩側(cè)輔助輥之間的絲束施加垂直方向的力，為此設(shè)計(jì)了龍門(mén)架式結(jié)構(gòu)，利用兩邊的伺服機(jī)構(gòu)上下移動(dòng)和橫梁上的張力檢測(cè)壓頭來(lái)對(duì)絲束施加垂直方向的力。在橫梁上系統(tǒng)搭建了24個(gè)可移動(dòng)式伺服機(jī)構(gòu)檢測(cè)頭，可以同步檢測(cè)同一批次的24束聚酯纖維，當(dāng)工人收到異常張力警報(bào)時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整壓頭上的螺母來(lái)調(diào)節(jié)壓頭的位置進(jìn)而調(diào)整絲束的張力，或者利用伺服機(jī)構(gòu)上下移動(dòng)調(diào)節(jié)絲束的張力，龍門(mén)架式可移動(dòng)檢測(cè)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 龍門(mén)架式可移動(dòng)檢測(cè)結(jié)構(gòu)Fig.6 Gantry movable detection structure

3 集束張力檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 張力檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

張力檢測(cè)程序首先對(duì)系統(tǒng)變量進(jìn)行初始化，對(duì)空載的張力傳感器進(jìn)行調(diào)零校準(zhǔn)。當(dāng)張力傳感器檢測(cè)運(yùn)行的聚酯纖維張力趨于穩(wěn)定且測(cè)量值在±1 N范圍內(nèi)保持不變時(shí)，張力變送器通過(guò)Modbus通訊協(xié)議將24路采集的張力測(cè)量值信號(hào)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行滿度校準(zhǔn)工作。張力檢測(cè)程序流程如圖7所示。

圖7 張力檢測(cè)程序流程Fig.7 Tension detection procedure flow

3.2 單片機(jī)主程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的控制。單片機(jī)使用2個(gè)I/O口分別接收上限位開(kāi)關(guān)與下限位開(kāi)關(guān)的信號(hào)，通過(guò)2個(gè)限位開(kāi)關(guān)來(lái)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的上下限位的位置進(jìn)行標(biāo)定，可以有效地保證龍門(mén)架的上下移動(dòng)范圍及平衡。單片機(jī)在收到上位機(jī)手動(dòng)操作的指令后進(jìn)入手動(dòng)操作模式，可以通過(guò)按鍵控制電動(dòng)機(jī)的升降，方便操作人員強(qiáng)制對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行操作。單片機(jī)主程序流程圖如圖8所示。

圖8 單片機(jī)主程序流程圖Fig.8 Single chip microcomputer main program flow chart

3.3 上位機(jī)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)使用SQL Server關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)張力監(jiān)測(cè)的數(shù)字信息化管理，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的需求，管理系統(tǒng)由調(diào)零滿度校準(zhǔn)、伺服系統(tǒng)設(shè)置、張力歷史數(shù)據(jù)查詢、張力實(shí)時(shí)顯示和用戶管理5個(gè)模塊組成。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示該條生產(chǎn)線上所有紡絲工位的張力值，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到某一個(gè)或多個(gè)紡絲工位張力值異常，會(huì)及時(shí)向管理系統(tǒng)發(fā)送警報(bào)信息，操作人員即可通過(guò)張力信息修正管理界面對(duì)這幾個(gè)紡絲工位的張力做出調(diào)整，不同權(quán)限用戶可以根據(jù)各自需求查看近期的張力記錄和報(bào)警糾錯(cuò)記錄，并可以打印系統(tǒng)生成的記錄報(bào)表以便日常生產(chǎn)管理。集束張力檢測(cè)調(diào)節(jié)管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖9所示[10]。

圖9 集束張力檢測(cè)調(diào)節(jié)管理系統(tǒng)架構(gòu)Fig.9 Cluster tension detection and regulation management system architecture

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

集束張力檢測(cè)系統(tǒng)是一套能夠嵌入到原生產(chǎn)線中的張力檢測(cè)設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)24束絲的張力，使工人能夠隨時(shí)在工控機(jī)顯示器上觀測(cè)每一束絲的張力情況，并對(duì)超出正常范圍的異常張力進(jìn)行記錄以及實(shí)時(shí)報(bào)警?，F(xiàn)場(chǎng)工作圖如圖10所示。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)工作圖Fig.10 Field work diagram

首先，張力檢測(cè)裝置利用伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)張力傳感器的同步升降，牽伸機(jī)工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)檢測(cè)頭下壓到絲束上，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)絲束張力；牽伸結(jié)束時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)檢測(cè)頭上升，為生頭留下操作空間。根據(jù)工廠實(shí)際需求，單束張力測(cè)量范圍為0～50 N，張力值檢測(cè)精度為0.1 N，檢測(cè)頻率0.3 s/次。

其次，通過(guò)聚酯短纖牽伸生產(chǎn)線的運(yùn)行進(jìn)行驗(yàn)證。由于測(cè)試需要，短纖維牽伸機(jī)生產(chǎn)線操作人員將集束張力檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)啟持續(xù)運(yùn)行24 h，以檢驗(yàn)系統(tǒng)檢測(cè)精度及穩(wěn)定性。

聚酯短纖牽伸生產(chǎn)線測(cè)試數(shù)據(jù)信息見(jiàn)表1?？芍?，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，張力傳感器受力均勻，所有被測(cè)絲束的張力都被限制在±1 N范圍以內(nèi)，為生產(chǎn)出質(zhì)地均勻、品質(zhì)良好的聚酯短纖提供了技術(shù)支持。

表1 聚酯短纖牽伸生產(chǎn)線測(cè)試數(shù)據(jù)信息Tab.1 Test data information of polyester staple fiber drafting production line N

5 結(jié)束語(yǔ)

集束張力檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地將24束絲的張力值通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦た貦C(jī)，檢測(cè)識(shí)別非常準(zhǔn)確，能夠?qū)崟r(shí)記錄每一批絲束的張力值，通過(guò)工控機(jī)顯示實(shí)時(shí)張力數(shù)據(jù)及報(bào)警提示，可以立即發(fā)現(xiàn)24束絲的張力值變化。整個(gè)系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了集束張力的實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行試驗(yàn)，張力檢測(cè)精度達(dá)到了0.1 N每束絲，完全滿足預(yù)期的研究指標(biāo)要求。