并条机数字化自调匀整位移传感器的创新设计

刘 红，王 强，刘晓东，刘广喜

（1．成都纺织高等专科学校，成都 611731；2．北京众仁智杰科技发展有限公司，北京 100176）

0 引言

并条机的主要功能是将生条处理为熟条，便于后工序纺制成纱。熟条的条干不匀率、质量不匀率、质量偏差等指标，对成纱质量的影响很大。因此，并条工序多采用自调匀整系统控制熟条质量。

自调匀整系统是现代并条机的核心技术之一，也是稳定和提高半制品乃至成纱质量的关键环节［1］。自调匀整系统包括输入棉条厚度检测与信号输出、信号处理与运算、控制与执行等子系统，其中输入棉条厚度检测与信号输出技术是衡量自调匀整系统应用性能的基础。

在并条机自调匀整系统的研发进程中，行业关注较多的是多种检测反馈控制方式、检测信号的运算处理和控制执行方面的研究，如开环、闭环、混合环或双开环系统的应用与研究，各种非线性预测算法和策略模型的构建与创新，多种控制执行硬件方案的选择应用等，而对于输入棉条厚度检测与信号输出方面的研究相对较少，进展不大。

1 并条机自调匀整检测技术现状

国内外主流并条机多采用检测凹凸罗拉钳口的相对位移来检测喂入棉条厚度。这是因为凹凸罗拉钳口对棉条的动态握持与棉条行进同步，其工作过程中金属检测元件与纤维间基本无摩擦，不破坏棉条原有的线密度分布；自清洁功能可避免沉积物在凹凸罗拉中的累积，实现长期稳定运行；同时增大罗拉钳口的压力，提高棉条厚度的检测精度。

现有技术中，主流的凹凸罗拉检测系统是利用直线位移传感器将位移信号转换成模拟电信号输出，经过比较、放大、A／D 转换等处理后，得到采样棉条厚度数据，再经过去噪、低通滤波等处理，才能供计算机后期处理。然而，变频和伺服控制等技术在纺纱设备上的广泛应用，在提高纺纱设备整体性能的同时，给纺纱车间电气环境、空间电磁环境带来很大干扰，也对弱电系统及微小变化的检测系统带来负面影响。

对自调匀整检测控制系统而言，棉条厚度的变化是通过传感器转化成微弱变化的电信号，检测控制系统要准确地过滤掉干扰信号，精确地识别出假信号很困难；且不同纺纱厂的干扰源、干扰类型、干扰强度都不同，不能依靠经验值保证系统的稳定性。因此，如何提高检测精确度、改善检测系统运行稳定性及怎样避免干扰，是自调匀整检测系统一直无法很好解决的三大技术难题，也是制约其进步的重要瓶颈。

数字式位移传感器主要有光栅、磁栅、感应同步器和旋转编码器等，由于其直接输出数字脉冲，具有精度高、分辨率高和稳定性好等优点，但可以直接应用于自调匀整系统的数字式位移传感器较少。因此，设计数字化自调匀整位移传感器是需求的必然。

2 数字化自调匀整位移传感器结构设计

旋转编码器是一种集光、机、电于一体的光电角位移传感器。通过将计量圆光栅检测到的空间角位置信息转换成相应的数字代码输出，实现数字测量与动态控制，因其测量准确度高、抗干扰性强和分辨率高等被广泛应用［2］。

对自调匀整检测系统位移传感器进行数字化设计的基本思路是：将凸罗拉轴心近似直线运动的摆动，通过机械结构转换成无间隙误差的圆周运动，驱动高精度旋转编码器转动，数字处理器记录编码器的脉冲数，并判断编码器的旋转方向；对脉冲进行加减处理，每次脉冲数的变化值就是棉条厚度的变化量，从而将棉条厚度的变化，从机械位移的模拟量直接转化为数字脉冲信号输出，实现高精度和高稳定性的棉条厚度变化量检测，完成并条机自调匀整检测系统的数字化技术方案的应用。

图1 数字化自调匀整位移传感器结构示意

为了不破环并条机的结构，位移传感器的安装位置、方式与原机基本一致，结构见图1。在底板上固定高精度旋转编码器，中空轴上安装特制精密齿轮，相同齿形的齿条安装在可前后移动的滑块上，凹罗拉的位移通过传导杆传动滑块，从而将凸罗拉轴心的直线运动转换成旋转编码器的圆周运动。

仔细拆分振威展览业务来看，发现2015-2017年公司的其他展会业务收入均是正向增长的，仅能源装备类业务收入是逐年下滑的，而这一业务是振威展览最大的收入来源。2015年-2017年，能源装备类会展项目收入占振威展览营业收入比例分别为57.72%、38.50% 和27.78%，占比逐年下降，且下降幅度很大。需要注意的是能源装备类业务收入占比下滑不只是其他业务收入增长带来的的挤占效应，更是这一块业务收入绝对值的下滑。2015-2017年，能源装备业务收入分别是7996万元、6839万元、5843万元，2016年和2017年振威展览能源装备业务收入同比上一年均下滑14.5%左右。

为了避免齿条与编码器齿轮配合间隙引起的编码器脉冲误差，在并条机自调匀整位移传感器的结构设计中，增加一套可摆动齿条和拉力弹簧机构，由拉力弹簧拉紧齿条，使齿条与编码器齿轮保持实时紧密接触，消除了齿条前后移动及齿轮旋转产生的运动间隙，杜绝了由此产生的编码器脉冲误差。数字化自调匀整位移传感器安装结构示意见图2。

图2 数字化自调匀整位移传感器安装结构示意

3 数字化自调匀整位移检测信号优化处理

在进行棉条厚度高精度的数字脉冲信号检测过程中，输出棉条厚度变化的微弱信号，经过高倍率放大及从模拟量到数字量的转换过程中，不可避免地受到各种内外因素的干扰，因此数字化自调匀整检测系统必须要具备抗干扰和检测信号的优化功能。

3．1 输出脉冲信号的处理

数字化自调匀整位移传感器脉冲信号发生器是高精度旋转编码器，通过记录其输出A 相、B 相脉冲数和相位差确定棉条厚度及其增减变化。脉冲处理的基本方法是采用D 触发器区分正反转（见图3），将旋转编码器A 相、B 相输出信号分别接入信号D 端和时钟CLK 端，输出Q 信号就是正反转状态信号Dir，当编码器正转时Dir信号为1，当编码器反转时Dir信号为0。

3．2 脉冲信号计数优化

从图3可看出，A 相、B 相输出波形都是方波，相位差为90°，做异或处理后得到波形C，其脉冲频率增加1 倍；对脉冲信号计数时，Dir为1 加计数、Dir为0减计数；脉冲信号计数有多种方式，见表1。

由表1可知，仅对频率信号A 相或B 相的上升沿或下降沿进行计数，能记录的每转有效脉冲数为n 个；对A ⊕B（图3中的C）的上升沿或下降沿进行计数，能记录的每转有效脉冲数为2n；对频率信号A 相或B 相的上升沿和下降沿进行计数，能记录的每转有效脉冲数为2n；对A ⊕B 的上升沿和下降沿进行计数，能记录的每转有效脉冲数为4n。

图3 编码器信号基本处理示意

表1 编码器脉冲信号计数方式

基于对编码器输出信号进行重新分析，同时实现编码器输出脉冲数4倍增的目标，决定对编码器脉冲计数方法进行优化，见表2。即：当A 相信号出现上升沿或下降沿变化时，由B 相信号的电平状态决定计数器的加减；当B 相信号出现上升沿或下降沿变化时，由A 相信号的电平状态决定计数器的加减；在A 相、B 相脉冲的一个周期内，计数器实现了4倍计数。具体处理如下。

表2 编码器脉冲计数方法

当A 相信号出现下降沿时：B＝1时计数器＋1，B＝0时计数器－1；

当B 相信号出现上升沿时：A＝1时计数器＋1，A＝0时计数器－1；

当B 相信号出现下降沿时：A＝0时计数器＋1，A＝1时计数器－1。

3．3 干扰信号的分析及处理

在纺织机械上使用旋转编码器记录位置时，尤其是往复运动机构，位置的零点漂移问题很难解决。实验发现：编码器的最大干扰来自设备振动，尤其在停顿、换向时，由振动产生的窄脉冲信号非常多，且脉冲宽度与设备的振动频率、振程直接相关；只有当A 相或B 相光栅处于临界位置时，干扰窄脉冲才会出现，而且A 相、B 相干扰窄脉冲不会同时出现。以正转为例，其干扰抖动输出如图4所示。按表2脉冲计数方法分析图4处理结果，当A相出现抖动脉冲时，计数器数值n 的变化是：n＋1，n－1，n＋1，n－1，n＋1；当B 相出现抖动脉冲时，计数器数值n 的变化是：n＋1，n－1，n＋1，n－1，n＋1，n－1，n＋1；从结果来看，所有抖动脉冲均被滤掉，可确定优化后的脉冲计数法能很好地滤除干扰。

图4 编码器干扰抖动信号输出示意

4 数字化自调匀整位移传感器脉冲计数编程

LM3S9B92 是一款基于ARM CortexTM－M3的32位控制器，成本低、兼容性好、开发工具丰富，能满足工业控制现场需要。设计中控制器采用LM3S9B92芯片，将编码器A 相信号分别接入PA2，PA3和PA4，B 相信号分别接入PA5，PA6和PA7。其中端口PA2，PA5 配置为上升沿中断；端口PA3，PA6配置为下降沿中断；端口PA4，PA7仅为外部输入。在中断服务函数中进行脉冲计数。以A 相边沿触发为例，脉冲计数流程见图5。

5 试验及结论

图5 脉冲计数流程

基于上述设计，定制自调匀整位移传感器并进行试验，其中旋转编码器每转输出5000个脉冲，输入轴采用直接滚齿，节圆直径为3．183 1 mm，凸罗拉移动10 mm 编码器转动1周。由于4倍计数的设计，编码器能够记录的脉冲数为2万个，每个脉冲对应棉条厚度为0．5μm，即自调匀整位移传感器对棉条厚度检测的最小分辨率为0．5μm，其检测精度大幅超过现有技术的检测精度。

在运行稳定性方面，由于齿轮与齿条实时无间隙配合，使齿条传动过来的往复运动稳定转换为齿轮及编码器的圆周运动；对于难以避免的机械振动及机械往复运动转换过程中的抖动窄脉冲干扰，采用有效过滤干扰的脉冲计数法，消除了异常信号。

该传感器在FA326型并条机上进行了功能测试，结果表明：传感器位置稳定性良好，重复精度保持在±1个脉冲内，并且有效消除了干扰信号，达到了设计的预期要求。

本技术方案大幅提高并条机自调匀整位移传感器检测精度，检测稳定性和抗干扰性显著改善，有效解决了行业技术领域存在的三大技术难题，从而提升并条机自调匀整系统性能，为该技术领域的进步和发展提供了高性价比的技术解决方案。