計算機輔助設計與制造布速在線檢測方法研究

李 芳，董 麗，朱麗娜，趙敏玲，尚德冰

(1.山東醫(yī)學高等?？茖W校，山東 濟南 250002;2.濟南大學機械工程學院，山東 濟南 250022;3.中國航空油料有限責任公司山東分公司，山東濟南 250107)

1 工藝過程分析

在溢流染色機的噴嘴內，布受到噴孔處噴射出的染液的作用，進入噴嘴彎管，實現(xiàn)布與染液的交換，然后進入橫擺布機構，實現(xiàn)布液分離，布經(jīng)縱擺布機構進入J型槽，最后經(jīng)提布羅拉將布從J型槽提升到噴嘴，完成被染布的一個循環(huán)。染液從橫擺布機構流回集水槽，經(jīng)泵的提升，進入噴嘴，實現(xiàn)染液的一個循環(huán)［5］。

由溢流染色機的工藝過程可以看出布速與以下幾個因素有關［6］:(1)染色機噴口直徑。同樣的流量，當噴口間隙小時，壓力大，布速加快;當噴口間隙大時，壓力小，布速減慢。(2)提布羅拉。布與提布羅拉之間張力很低時，布易塞噴口;太緊不易塞住噴口但布速無法達到極限值。(3)水量。在布與染液剛開始接觸的過程中，布上的染液會越來越多，導致布的質量會越來越大，布與提布羅拉之間的摩擦力發(fā)生改變，從而影響了布速。

由上面分析可知，布速受很多因素的影響，當布與提布羅拉之間的總摩擦力增加到臨界值時，布與提布羅拉之間就發(fā)生了顯著的相對滑動，形成了打滑現(xiàn)象［7］。因此，如何在避免布打滑的同時，又能測得布的速度就變得至關重要。

2 布速在線檢測方案

為了在減少布打滑現(xiàn)象的同時，又能測得布的速度，在此提出一種接觸式的測速方案。整個測速系統(tǒng)由測速滾筒、光電編碼器和單片機三部分組成，如圖1所示。其中，測速滾筒安裝在提布羅拉的上方。當布在運動時施加給測速滾筒一定的摩擦力F，測速滾筒開始轉動，測速滾筒的線速度與布的線速度在接觸點處完全一致，直接測量測速滾筒的速度，就可以間接的得到布的速度。并且布在正常的速度范圍內，它與測速滾筒之間的力是恒定的，因此，一定程度上避免了布的打滑。

圖1 布速檢測系統(tǒng)Fig.1 Speed detection system

圖2 測速原理Fig.2 relocimetry plinciple

為了保證測量精度，光電碼盤與測速滾筒同軸安裝且采用過盈配合。另外，光電編碼器輸出的兩路脈沖信號在傳送過程中容易受各種電磁信號的干擾且信號自身容易衰減［8－9］。因此，為了保證測量精度先將其轉化成差分脈沖信號，然后再傳送到單片機測量系統(tǒng)中。

另外，該裝置具有一定的通用性，當染色機對厚度不一的布進行染色時，可以通過調節(jié)測速滾筒和提布羅拉之間的間距，進行測量。

當布的運行速度測定出來以后，可根據(jù)測得的布速度，及時調整噴嘴壓力、染液進出閥的開度以及染液溫度等，防止布出現(xiàn)染花現(xiàn)象，進而保證布的染色質量。

圖3 脈沖信號傳輸電路Fig.3 Transmission circut for pulse signal

3 硬件電路設計

硬件電路設計主要包括編碼器信號傳輸和單片機測量系統(tǒng)兩部分。

3.1 脈沖信號的傳輸

光電編碼器輸出的是兩路相位相差90°的脈沖信號。為了保證測量精度先將其轉化成差分脈沖信號，如圖3所示，將脈沖信號PAA、PBB通過26LS31線性差分發(fā)送器變成差分脈沖信號輸出。到了接收端，由于差分接收器26LS32只對差分信號敏感，對干擾信號形成抑制。因此，可以把差分信號精確的還原成原始的脈沖信號PAA、PBB。最后，PAA、PBB分別通過高速光耦PC900送入單片機測量系統(tǒng)。

3.2 單片機測量系統(tǒng)

在染布過程中，需要檢測速度、液位、溫度及壓力等多路信號，因此選用資源比較豐富，性價比較高的C8051F021。系統(tǒng)框圖如圖4所示。

該型號的單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級的MCU芯片，具有32個Ⅰ/O引腳，5個定時器/計數(shù)器等豐富資源。在測布速時，只用到其部分資源。在圖4中，得到A，B兩路脈沖信號，把兩路信號同時接入一個計數(shù)器，在線速度計算時，除以2即可。用P2口做鍵盤輸入和故障及警報輸出，P3口做LED顯示。溫度、壓力、液位信號接單片機的A/D轉換接口。另外，隨著群控系統(tǒng)的發(fā)展，布速的獲得一般是對多臺染色機同時進行測量，因此，該測量方法必須實現(xiàn)單片機與PC機之間的通信，以方便對多臺染色機同時進行監(jiān)控。考慮到傳輸速度和距離的問題，這里采用基于RS485接口的總線協(xié)議，單片機選用RS485接口［10］。

4 軟件設計

軟件設計主要包括主程序的設計和子程序的設計兩個模塊。主程序主要包括一些變量的初始化、端口的初始化和子程序的循環(huán)執(zhí)行等。子程序則是通過某些中斷被主程序調用。布速的在線檢測就放在中斷子程序中執(zhí)行。

在中斷子程序中，先利用定時器和計數(shù)器實現(xiàn)布速的瞬時檢測，同時利用變量t，N分別存儲總的時間和總的脈沖數(shù)，ni表示第i秒的脈沖數(shù)，Ni－1表示(i－1)次的脈沖總數(shù)，最后N的值等于Ni的值。當染色機停止運轉時，計算出平均速度并顯示存儲。圖6為布速檢測的子程序流程圖。

5 實驗

在溢流染色機實際染色過程中，布運行的最高速度是6.3 m/s，正常速度是5 m/s。提布羅拉的直徑在0.3 m。為與系統(tǒng)匹配，測速滾筒的直徑取0.2 m。光電編碼器選擇歐姆龍E6B2－CWZ3E，轉一周產(chǎn)生360個脈沖。

假設布與測速滾筒在接觸點處的速度為v，t時間內測得的脈沖數(shù)為n，采用M法［11］測速原理，則布速v如公式1所示:

按照上面設計的方案，在溢流染色機正常運行時，現(xiàn)場采集多組數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理，得到絕對誤差最大0.1 m/s，最小誤差0.08 m/s，可以滿足測量精度的要求，且在連續(xù)染色中，沒出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

6 結論

針對染色機測速過程中存在的打滑，精度不高等問題，提出了一個新的、可行的測速方案，這個方案不僅解決了測速問題，而且可以一定程度上減少打滑現(xiàn)象。進而通過測得的布速度，及時調整噴嘴壓力、染液進出閥的開度以及染液溫度等，防止布出現(xiàn)染花現(xiàn)象。

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