集束张力自动巡回检测系统

王一帆，李德骏，周桂洋，程 康，王 成，刘会清，李广龙

(武汉纺织大学 电子与电气工程学院，湖北 武汉 430200)

牵伸张力测量在聚酯纤维后纺加工过程中十分重要，牵伸张力的大小影响着聚酯纤维产品质量[1]，因此只有实现丝束张力检测才可完成丝束张力调控。在纺织产品的张力检测过程中，有许多种张力检测方法。传统丝束张力检测的方法是工人手持便携式张力检测仪进行丝束张力检测。在张力自动检测方向，有学者研发出基于丝束形变的张力采集系统[2]，该方法通过摄像头采集丝束的图像，然后通过图像中丝束的形变程度计算丝束的张力，此系统的优点是非接触式测量，可以在不影响丝束牵伸的情况下检测出丝束的张力，缺点是这种测量方式的准确率较低。除此以外，依靠大型设备也可实现丝束张力检测和调节[3]，如天津纺织机械厂研制的FA481和太行机械厂研制的FA425等张力控制设备[4]，但此种设备造价高昂，不利于推广。袁浩然等[5]设计了一种固定式多检测头的张力检测设备，此种张力检测装置的优点是设计简单，缺点是装置复杂，成本高昂，传感器长期使用后容易变形。针对以上问题，本文设计出一套基于图像匹配定位[6]的丝束张力自动巡回检测系统，它具有高精准度、高效率、低成本等优势。

1 系统总体方案设计

本文设计系统的张力巡回检测平台是一套龙门架式结构，在龙门架横梁两端安装限位传感器限制自动巡回检测的范围[7]，在龙门架横梁中心处安装1个全景摄像头，张力巡回检测装置由横向电动机驱动在横梁两端巡回移动[8]。局部摄像头安装在巡回检测装置下方，巡回检测装置由纵向电动机、局部摄像头、检测压头、张力传感器等组成[9]。丝束在张力架下方接触辅助辊运动。单片机驱动横向伺服电动机使检测装置从左往右移动[10]，通过全景摄像头采集的丝束图像和局部摄像头采集的丝束图像进行丝束匹配[11]。当匹配成功时，横向电动机停止运动，纵向电动机开始工作。纵向伺服电动机驱动检测压头下降，当下降到某一合适位置时，纵向电动机停止运动，检测压头开始检测丝束的张力。传感器将含有张力信息的电信号经变送器以Modbus协议传输给上位机系统[12]，上位机对采集的张力数据进行实时处理并显示。当检测结束后，纵向电动机驱动检测压头复位，随后横向伺服电动机驱动检测装置向下一个检测点移动。当所有丝束的张力检测完毕后，检测装置复位，随后开始下一轮的丝束张力检测。图1为自动巡回张力检测装置示意图。

图1 自动巡回张力检测装置

张力自动巡回检测系统主要由张力检测装置定位系统、张力测量系统、图像采集系统、伺服电动机驱动系统、张力数据与上位机通信系统和软件系统组成，系统总体结构图如图2所示。

图2 张力自动巡回检测系统结构图

2 集束张力巡回检测系统设计

2.1 多丝束匹配定位算法

在集束张力巡回检测系统的设计中，需要获取待检测丝束的精确位置[13]，因此本文设计了一种多丝束匹配定位算法。在该算法中，首先在全局丝束图像和局部丝束图像中寻找到每条丝束的中心检测点，然后通过全局摄像头采集的全局丝束图像和局部摄像头采集的局部丝束图像中同一丝束的匹配，实现局部丝束图像中某一待检测张力的丝束在全局丝束图像的精准定位。

多丝束张力巡回检测工作流程图如图3所示。

图3 多丝束张力巡回检测工作流程图

2.2 巡回装置定位流程

在待检测丝束实现精确定位后，张力自动巡回检测系统利用丝束的位置信息和拟合的运动轨迹提取伺服系统的控制变量λn[14]，随后利用横向伺服定位系统控制巡回检测装置到达指定的丝束检测点。通过伺服编码器反馈的参数Δn不断调整伺服电动机的横向控制参数[15]，当确认横向伺服电动机已到达目标位置后，纵向伺服定位系统控制纵向电动机下降到达丝束的张力检测点。巡回装置到达检测点流程见图4。

图4 巡回装置到达检测点流程

2.3 伺服系统定位控制算法

2.3.1 导轨滑台定位控制

本文设计系统中伺服电动机主要采用位置模式和脉冲列加方向的逻辑型式进行控制[14]。伺服控制器接收具有方向性的脉冲进行移动[15]。伺服电动机移动的距离取决于外部输入的脉冲、导丝杆螺距的精度和伺服控制器电子齿轮参数比。位置指令需要的脉冲数见式(1)：

(1)

式中：f2为位置指令脉冲数，p/rev；f1为外部输入脉冲数，p/rev；N为电子齿轮比分子；M为电子齿轮比分母。当张力检测压头到达丝束检测点后，到达下一个丝束检测点之间的距离见式(2)：

(2)

式中：Dn表示从上一个检测点到达第n个检测点之间的距离，mm；L为丝束检测平面的实际长度，mm；X表示丝束检测平面在图像中像素的长度，pixel；xn表示第n个检测点的横坐标，xn-1表示第n-1个检测点的横坐标。

本文设计系统所用的伺服电动机丝杆螺距精度为3 mm，编码器PPR为2 500 pulse,采用A相编码器进行解析反馈回来的脉冲信号。若设定电子齿轮比为10 000/3 000,则丝杆1 pulse指令移动的距离为1 μm，该丝杆工作示意图如图5所示。

图5 丝杆工作示意图

在导轨滑台的定位控制过程中，通过全局丝束图像和局部丝束图像实现待检测张力丝束的定位。通过全局丝束图像计算巡回检测装置到达丝束张力检测点的控制变量，其计算见式(3)：

(3)

式中：λn为丝束检测点的实际行程，mm;L为丝束检测平面实际长度，mm;X为原始图像像素宽度，pixel;Xn为检测点横坐标。

根据本文设计系统的伺服电动机丝杆精度和编码器参数，1 pluse方向脉冲信号驱动的实际行程S(mm)的表达式为：

(4)

通过式(3)和式(4)2个参数可以得到张力巡回检测装置到达丝束检测点的方向脉冲信号数量ω(pulse)。张力自动巡回检测系统会根据该参数向伺服控制器发送相应的方向脉冲信号个数，控制伺服电动机使张力巡回检测装置到达丝束检测点，该方向脉冲信号的个数见式(5)：

(5)

系统通过伺服控制器上的信号接收端口CN1发送方向脉冲信号，并通过其内部编码器OA和/OA端子，以差动信号方式将伺服驱动器内部的脉冲计数器信号传输至单片机。系统根据理论脉冲数量n和编码器返回的实际脉冲数量n′进行比较，若系统判断实际脉冲数量与理论脉冲数量有误差，则系统通过伺服定位算法进行修正理论脉冲数量Δn。

2.3.2 导轨滑台定位精度

导轨滑台定位精度是由聚酯纤维丝束宽度和检测压头共同决定。聚酯纤维牵伸丝束宽度通常为30 mm，并且牵伸丝束数量多，间距小。通过工厂环境下测量张力检测压头的宽度为36 mm，综合以上参数将丝束的定位检测点的精度设定为±1 mm。聚酯纤维丝束精度示意图如图6所示。

图6 丝束定位精度示意图

2.3.3 张力压头的纵向控制

张力压头纵向定位是由纵向伺服电动机进行控制，根据张力检测压头与检测丝束的高度进行标定。结合工厂环境下实际丝束检测高度和纵向伺服电动机丝杆精度，当系统确定巡回滑台进行定位后，由上位机给纵向伺服控制系统发送张力检测下压指令。纵向伺服控制器给伺服电动机发送相应的方向脉冲数量，通过丝杆使张力检测压头到达丝束检测位置。

2.3.3.1检测压头纵向标定原理

检测压头纵向标定需要参考检测压头凹槽到丝束进行张力检测下压最低点距离，根据现场实践环境，发现检测压头凹槽到丝束张力检测下压最低点距离为15 cm时，为丝束张力检测最佳高度。纵向伺服电动机的丝杆精度为3 mm。结合伺服电动机定位原理，张力检测压头到达丝束检测点，则伺服电动机丝杆行程为50圈，并且电子齿轮比设定为10 000/3 000,所需的方向脉冲信号量为150 000 pluse。检测压头纵向定标示意图如图7所示。

图7 检测压头纵向定标示意图

2.3.3.2检测压头纵向定标精度

纵向伺服电动机的编码器PPR为2 500 pluse，采用A相编码器进行解析反馈回来的脉冲信号，所以检测压头的纵向定标精度可达±0.5 mm。纵向伺服电动机根据编码器反馈回来的脉冲信号进行判断检测压头下压的距离是否准确，若纵向定标精度匹配的脉冲范围内，则张力检测装置正常，若超过定标精度脉冲范围，则纵向伺服控制器自动校正误差距离，使系统形成闭环控制方式。

3 实验验证和分析

将本文设计的张力自动巡回检测系统在工厂环境下稳定运行7个多月后，取得了一系列实验数据，随机抽取实验数据中的1根丝束，记录该丝束1天的张力变化，并绘制张力曲线表。该丝束10 h张力变化如表1所示。

表1 丝束10 h张力变化

由表1可以看出，在1天内丝束的张力相对恒定，丝束张力的变化范围为20～50 N，丝束的张力均在健康范围内。随后测量多天该丝束的张力，结果表明丝束的张力具有通用性和稳定性的特点，说明张力自动巡回检测系统运行状态良好。

4 结束语

本文分析了张力检测在聚酯短纤维后纺阶段的重要作用，并设计了张力自动巡回检测系统，从系统总体结构、硬件设计、软件设计、实验验证等环节阐述了该系统的原理和功能，实现了智能化张力检测。该系统为纺织企业提高产品质量，减少生产成本提供了途径。经过工厂7个月的使用情况反馈，证明了该系统能够准确而稳定地检测聚酯纤维丝束的张力准确性和价值性。