織機(jī)斷線智能檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

毛王景， 熊 芝， 趙 鴻

(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

紡織機(jī)在工作過(guò)程中常發(fā)生斷線事故．若斷線事故發(fā)生而機(jī)器繼續(xù)工作，勢(shì)必生產(chǎn)出殘次品．在紡織機(jī)上安裝斷線檢測(cè)儀，當(dāng)紡織機(jī)上有斷線產(chǎn)生時(shí)，該檢測(cè)裝置能檢測(cè)到并發(fā)出警報(bào)，同時(shí)對(duì)紡織機(jī)發(fā)出停機(jī)命令，可以解決這一生產(chǎn)問(wèn)題．目前市場(chǎng)上的斷線檢測(cè)主要采用的以下方法：一是用傳感器采集紗線張力[2]，同實(shí)驗(yàn)得到的正常情況下紗線的張力比較，若張力超出正常范圍，則判定紗線發(fā)生異常；二是采用機(jī)器視覺的方法，采集當(dāng)前紗線圖像，與標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行比較，用圖像處理的方法判斷異常[3]．基于力傳感器的斷線裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且容易受到機(jī)器震動(dòng)的影響；采用圖像的方法對(duì)處理器的要求很高，一般的處理器無(wú)法滿足對(duì)響應(yīng)速度的要求．新型紡織機(jī)斷線檢測(cè)儀采用對(duì)稱式的光電探測(cè)器采集斷線信號(hào)，濾除了外界光照的影響，且由于檢測(cè)儀只要求紗線從光路上經(jīng)過(guò)便可以檢測(cè)到，通過(guò)合理布置檢測(cè)儀，允許紗線有一定的振動(dòng)范圍，這樣即使機(jī)器振動(dòng)導(dǎo)致紗線振動(dòng)，也不至于產(chǎn)生誤判．系統(tǒng)的主控部分只需完成簡(jiǎn)單的分析診斷，普通的處理器(8位單片機(jī))，便可以滿足要求．檢測(cè)儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢測(cè)穩(wěn)定可靠，體積小，同時(shí)不敏感于灰塵以及線的種類、數(shù)量和特性，具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用、易于維護(hù)的特點(diǎn)．

1 紡織機(jī)斷線檢測(cè)儀原理

系統(tǒng)主要由光電檢測(cè)單元、處理電路、主控單元和報(bào)警提示單元組成．圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖．

采用半導(dǎo)體激光發(fā)射器作為光源，PIN日字形對(duì)稱式二象限光電管接收激光，安裝時(shí)應(yīng)使激光發(fā)射器與光電管高度反射器與接收器高度對(duì)準(zhǔn)．檢測(cè)儀工作時(shí)，一旦有紗線從激光發(fā)射器的光路上經(jīng)過(guò)，細(xì)線從無(wú)到有再到無(wú)的過(guò)程，會(huì)造成二象限光電管所接收的光強(qiáng)產(chǎn)生由強(qiáng)到弱再到強(qiáng)的變化，導(dǎo)致二象限光電管光電流變化；差動(dòng)的電流經(jīng)處理電路處理，產(chǎn)生脈沖信號(hào)送入單片機(jī)，單片機(jī)記錄斷線根數(shù)送LED顯示，并控制報(bào)警停機(jī)．半導(dǎo)體激光發(fā)射器可產(chǎn)生準(zhǔn)直性較好的激光，實(shí)現(xiàn)一次檢測(cè)一排線；二象限光電管工作于差動(dòng)的方式，實(shí)現(xiàn)高靈敏度檢測(cè)．

圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光電傳感器模塊

本系統(tǒng)光電傳感器模塊包括半導(dǎo)體激光器和光電探測(cè)器,采用半導(dǎo)體激光發(fā)射器作為光源,PIN日字形對(duì)稱式二象限光電管接收激光．半導(dǎo)體的激光能產(chǎn)生準(zhǔn)直性較好，強(qiáng)度合適的激光，為準(zhǔn)確采集斷線信號(hào)提供了條件． 斷線檢測(cè)存在著許多隨機(jī)噪聲,采用PIN日字型二象限光電探測(cè)器空間對(duì)稱布置[4]，并接相同的反向偏置電壓．這種布置方法的好處是光電管兩個(gè)象限完全對(duì)稱，參考值一致，可以濾除背景光的影響[1,4]，極大地抑制直流信號(hào),獲取高信噪比、高分辨率的光電差分信號(hào)．

2.2 處理電路

如圖2所示，處理電路對(duì)光電傳感器模塊輸出的差分信號(hào)進(jìn)一步處理，包括差動(dòng)放大、微分放大和比較．

圖 2 處理電路框圖

2.2.1差動(dòng)探測(cè)電路此部分是整個(gè)方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)．由于光電管產(chǎn)生的差分信號(hào)為了消除光電轉(zhuǎn)換中背景光強(qiáng)所產(chǎn)生的直流信號(hào),光電信號(hào)采用差分接入方式．光電探測(cè)器前置放大電路采用差分和放大電路對(duì)電路信號(hào)進(jìn)行處理[6]．優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)高分辨率，高信噪比的檢測(cè)，以提高對(duì)斷線判別的可靠性，減少誤差信號(hào)的干擾．

圖3是差動(dòng)探測(cè)電路光電轉(zhuǎn)換原理圖，其兩個(gè)光電管工作于偏置方式下，故它們具有相同的反向偏置電壓，因此通過(guò)兩光電管的電流之比即是其光強(qiáng)之比．

圖 3 差動(dòng)放大電路

根據(jù)虛斷原理：

·R2=U1,

U2-I2·R3=UO,

若

R1=R2=2R，

R3=R，

則

U1=2.5+I1R.

2.2.2微分放大電路如圖4所示微分放大電路對(duì)前置放大電路的輸出UO進(jìn)行進(jìn)一步處理：運(yùn)放對(duì)UO進(jìn)行微分放大(同向放大方式)，使信號(hào)的直流部分保持不變，交流部分放大很多倍．具體放大倍數(shù)與紗線的飄過(guò)速度有關(guān)．阻容部分對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波，通過(guò)選取合適的阻容值，得到與原直流部分相近的結(jié)果．

根據(jù)運(yùn)放虛短和分壓原理

·U5，

則

，

對(duì)直流部分有w=0，因此有

U4=U5．

圖 4 微分放大電路

2.2.3比較器電路圖5為比較器電路[7]，其比較的結(jié)果脈沖(PLUSE)就證明了紗線飄過(guò)的結(jié)果．

·UO,

U6=U5(R7只有限流作用)．

，

則

．

U7可作為基準(zhǔn)與UO進(jìn)行比較，這樣做是為了去除正常情況下的干擾和噪聲，避免產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)．比較器輸出在正常情況下由電阻R9拉高，當(dāng)有細(xì)線飄過(guò)時(shí)，信號(hào)中的交流部分被放大很多倍，在很短的時(shí)間內(nèi),總有一個(gè)時(shí)刻比較器輸出由高到低的下降沿信號(hào)，這個(gè)信號(hào)就是單片機(jī)計(jì)數(shù)的有效信號(hào)．

圖 5 比較器電路

2.3 檢測(cè)儀主控制器的選擇及軟件設(shè)計(jì)

主控制器采用STC公司的高性能單片機(jī)STC89C52．STC89C52有著功耗低、性能強(qiáng)大的特點(diǎn)，其最高運(yùn)作頻率35 MHz，可以滿足檢測(cè)儀實(shí)時(shí)檢測(cè)的需求．同時(shí)其看門狗功能可以防止程序因外部環(huán)境的影響跑飛，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]．

通過(guò)程序控不斷地掃描單片機(jī)的外部中斷口，正常情況下I/O的電平值為高，一旦發(fā)生斷線故障，比較器送出一個(gè)下降沿信號(hào)，觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)子程序中使斷線根數(shù)寄存器加一，并在主程序中將寄存器值送顯示緩沖，在LED七段數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示斷線的總根數(shù)；另一方面，程序控制報(bào)警單元報(bào)警，并對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出停機(jī)命令．程序中設(shè)置PCON位，使系統(tǒng)主控部分在沒(méi)有斷線產(chǎn)生時(shí)處于空閑模式．在空閑模式下，除CPU外，單片機(jī)內(nèi)部其他硬件資源全部處于活動(dòng)狀態(tài)，數(shù)據(jù)及寄存器的值都保持不變[5]，即數(shù)碼管仍然實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的斷線根數(shù)．當(dāng)斷線事故發(fā)生引起外部中斷時(shí)，外部中斷將喚醒單片機(jī)，程序從原來(lái)停止的地方繼續(xù)執(zhí)行．空閑模式的設(shè)置可以降低系統(tǒng)的功耗：STC89系列的單片機(jī)在空閑模式下功耗降至2 mA．中斷計(jì)數(shù)及空閑模式設(shè)置的代碼為：void main(){ PCON=0x01; } void INT0() interrupt 0{ PCON = 0;LED = 0;num++;}

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

要求一臺(tái)斷線檢測(cè)儀能檢測(cè)不同型號(hào)的紗線，同時(shí)能一次檢測(cè)多根，在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件的支持下，搭建了如圖6所示的實(shí)驗(yàn)裝置．實(shí)驗(yàn)中，用不同直徑的紗線(材料為尼龍)進(jìn)行斷線檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，控制絲線根數(shù)一定，得出不同直徑對(duì)應(yīng)的檢出率．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：絲線越細(xì)檢出率越低，在保證較高的檢出率的情況下，得出檢測(cè)的最小直徑可達(dá)頭發(fā)絲大?。〖す獍l(fā)射器光源處為坐標(biāo)原點(diǎn)，將激光光路方向分為若干等分，用單根紗線多次重復(fù)做斷線檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，得出檢測(cè)儀在激光光路的不同位置處的檢出率，由此可確定檢測(cè)距離對(duì)檢出率的影響．一般情況是：在短的檢測(cè)距離內(nèi)，檢測(cè)率高；隨著檢測(cè)距離的增大，檢出率下降．由實(shí)驗(yàn)可知當(dāng)檢測(cè)距離大于(5±0.1)m時(shí)，檢出率幾乎為零，即儀器此時(shí)失去作用，檢測(cè)不到斷線信號(hào)．因此檢測(cè)儀的有效檢測(cè)距離約為5 m．

圖 6 實(shí)驗(yàn)裝置圖

4 結(jié)論

檢測(cè)儀系統(tǒng)以二象限光電探測(cè)器為檢測(cè)元件采集斷線信號(hào)，經(jīng)處理電路以及單片機(jī)的分析診斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)紡織機(jī)斷線事故的監(jiān)測(cè)．實(shí)驗(yàn)分析和驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)不同粗細(xì)的紗線的檢出率，以及系統(tǒng)在不同的檢測(cè)距離下的檢出率．結(jié)果表明，系統(tǒng)可檢測(cè)的紗線直徑可以小至頭發(fā)絲大小,最大檢測(cè)距離約為5 m．經(jīng)過(guò)軟硬件協(xié)同調(diào)試，檢測(cè)儀系統(tǒng)運(yùn)行正常，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能．

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