基于FPGA的非接觸式紗線張力檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇澤斌， 李鵬飛， 景軍鋒， 張兆偉， 吳作波

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安 10048)

基于FPGA的非接觸式紗線張力檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇澤斌， 李鵬飛， 景軍鋒， 張兆偉， 吳作波

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安 10048)

紗線張力是紡織行業(yè)中需要重點(diǎn)檢測的工藝參數(shù)之一，目前應(yīng)用在絡(luò)筒機(jī)上的張力儀以接觸式為主，紗線與張力儀之間的摩擦?xí)黾蛹喚€毛羽的產(chǎn)生，也會導(dǎo)致工藝效率的下降。根據(jù)上述實(shí)際工藝問題，分析了紗線運(yùn)行過程中張力與振動頻率的關(guān)系，根據(jù)此關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種基于光電傳感器和FPGA的非接觸式紗線張力檢測系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)檢測運(yùn)行中的紗線的張力值，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，提高紡織生產(chǎn)效率。

紗線張力； 非接觸； 無損檢測； 光電傳感器

0 引言

紡織加工過程中，絡(luò)筒機(jī)中需要合適調(diào)節(jié)的一個(gè)重要工藝參數(shù)就是紗線張力，張力的大小直接影響紗線的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，進(jìn)而影響后續(xù)織物的質(zhì)量和外觀[1]。張力的變化主要影響紗線的物理性能、生產(chǎn)效率等。絡(luò)筒機(jī)運(yùn)行時(shí)往往需要更快的速率，這樣會導(dǎo)致張力值過大，一方面會使紗線產(chǎn)生變形，細(xì)節(jié)過多，影響后續(xù)織物的物理性能、外觀結(jié)構(gòu)；另一方面會導(dǎo)致斷紗，需要停機(jī)重新穿紗，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率。張力過小時(shí)，會使得織物成型不好，結(jié)構(gòu)松散，最重要的是影響了絡(luò)筒機(jī)的速度，降低了生產(chǎn)效率。因此，為了提高紡織生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，必須對紗線張力做精確檢測，同時(shí)輔助以張力實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)[2]。紗線張力的精確監(jiān)控對于促進(jìn)我國紡織技術(shù)的發(fā)展具有重要的生產(chǎn)意義。

1 接觸式紗線張力檢測

目前大多數(shù)紡織工藝中使用的仍然是接觸式的紗線張力儀，采用電阻應(yīng)變式傳感器，利用“三輥式”張力檢測裝置對紗線張力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測[3]，如圖1所示。

圖1 三輥式張力檢測裝置示意圖

其中紗線通過羅拉進(jìn)行傳動，羅拉2接懸臂梁，懸臂梁上粘貼電阻式應(yīng)變片構(gòu)成惠斯通全橋電路，當(dāng)紗線張力發(fā)生變化時(shí)，懸臂梁上電阻應(yīng)變片產(chǎn)生變形，破壞電橋平衡[1]，最終輸出電壓信號做相應(yīng)數(shù)據(jù)處理。

此種裝置的優(yōu)點(diǎn)是信號處理簡單，檢測精確，同時(shí)成本低，實(shí)現(xiàn)起來容易，對張力比較容易控制；缺點(diǎn)是高速運(yùn)行狀態(tài)下，紗線直接與張力儀接觸，運(yùn)行時(shí)間長以后，陶瓷與紗線接觸產(chǎn)生摩擦，使得紗線毛羽增加比較多，并且也容易產(chǎn)生斷紗現(xiàn)象。

2 非接觸式紗線張力檢測

隨著紡織工藝要求的不斷提高，對紗線張力檢測和控制的精度要求也越來越高。為了避免接觸式測量紗線張力檢測帶來的不良影響，采用非接觸式測量是行之有效的方法之一，既能檢測紗線的實(shí)際張力，也減小了紗線運(yùn)動狀態(tài)下的影響[4]。非接觸式測量方法能夠迅速、實(shí)時(shí)的反映紗線張力值，并且易于對張力大小進(jìn)行自動化控制，同時(shí)減少摩擦損耗。目前常用的非接觸式方法有磁電感應(yīng)方法、電容法、圖像處理方法等，本文采取振動頻率法進(jìn)行紗線張力檢測。

1) 振動頻率法測量張力關(guān)系

根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，張力值與振動頻率之間存在一定線性關(guān)系[5]，根據(jù)紗線在橫波方向上振動方程可以推導(dǎo)出紗線，張力為式(1)。

(1)

式(1)中，T為紗線張力，f為紗線頻率，l為紗線長度，ρ為紗線密度，n為出現(xiàn)駐波時(shí)波峰個(gè)數(shù)。式中表明，張力T和紗線頻率f的平方成正比，在其他參數(shù)已知的情況下，只要檢測出紗線運(yùn)行過程中橫向振動頻率，即可得出實(shí)際的張力值。

2) 系統(tǒng)檢測方案

非接觸式測量原理是根據(jù)弦振動理論中振動頻率和張力之間的關(guān)系，利用光電傳感器檢測運(yùn)動中紗線的振動頻率[6]，數(shù)據(jù)通過PS/2協(xié)議送到FPGA控制器中，通過建立紗線張力和頻率參數(shù)相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，最后計(jì)算出張力值。系統(tǒng)檢測方案框圖，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)檢測方案框圖

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紗線張力檢測裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)圖

導(dǎo)紗輪負(fù)責(zé)紗線傳導(dǎo)，檢測核心器件是光電傳感器，它主要由發(fā)光二極管、光學(xué)透鏡、光感應(yīng)器件、專用圖像分析芯片(DSP)構(gòu)成。光學(xué)傳感器底部有一個(gè)發(fā)光二極管為光感應(yīng)器件提供光線，紗線通過光電傳感器底部時(shí)，其運(yùn)動軌跡通過光感應(yīng)器件記錄為一組連貫圖像，專用圖像分析芯片(DSP)對拍攝的一系列圖像進(jìn)行分析處理，最終會輸出控制器能夠識別的電信號。

1、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

紗線張力檢測系統(tǒng)主要包括FPGA數(shù)據(jù)處理單元、非接觸式紗線張力檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊，系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

紗線運(yùn)行時(shí)，檢測模塊能夠檢測到紗線振動頻率變化，將頻率變化信號送入到處理器FPGA中，處理器負(fù)責(zé)將頻率

圖4 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)框圖

數(shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)化為張力值，同時(shí)控制電機(jī)驅(qū)動模塊、報(bào)警模塊和顯示模塊。

2、檢測模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的檢測模塊負(fù)責(zé)檢測紗線的振動頻率，是利用HDNS-2000光學(xué)傳感器，其內(nèi)部模塊圖如圖5所示。

圖5 HDNS-2000內(nèi)部模塊圖

它是一種低成本的反射光學(xué)傳感器，主要包括圖像獲取系統(tǒng)(IAS)，數(shù)字信號處理器(DSP)和PS/2協(xié)議輸出接口，其DSP通過處理獲取的圖像變化確定圖像變化移動的方向和大小，得到相對的偏移次數(shù)，根據(jù)偏移次數(shù)得到紗線的振動頻率值，最后將頻率值通過PS/2協(xié)議直接輸出到相應(yīng)數(shù)據(jù)處理單元。

3、硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路圖，如圖6所示。

圖6 硬件電路圖

HDNS-2000芯片的1引腳為PS/2的時(shí)鐘接口，16引腳為PS/2的數(shù)據(jù)接口，將HDNS-2000的1引腳和16引腳分別送入到FPGA的IO口，利用FPGA主動配置引腳功能實(shí)現(xiàn)PS/2數(shù)據(jù)接收。控制器采用Altera公司的FPGA芯片EP4CE6，在QUARTUS II集成環(huán)境下使用Verilog硬件描述語言進(jìn)行編寫。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、軟件程序總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的Verilog頂層設(shè)計(jì)如圖7所示。

頂層設(shè)計(jì)由兩個(gè)模塊PS2(PS/2數(shù)據(jù)接收模塊)，freqtest(頻率測量模塊)組成，分別進(jìn)行PS/2接口數(shù)據(jù)的讀取和頻率計(jì)算。管腳CLOCK_50為系統(tǒng)50MHZ輸入時(shí)鐘，KEY[1:0]分別為復(fù)位按鍵輸入和啟動測量輸入信號，PS2_CLK、PS2_DAT分別為來自HDNS-2000芯片的時(shí)鐘信號和數(shù)據(jù)信號，dig[3:0]為四位數(shù)碼管位選信號，seg[7:0]為數(shù)碼管的段選信號，LEDG為oY信號輸出到LED的信號，oY為Y方向上相對位移方向的改變信號，作為頻率測量模塊的待測時(shí)鐘輸入信號。頻率測量模塊將50 MHz時(shí)鐘信號分頻實(shí)現(xiàn)1 Hz頻率測量基準(zhǔn)信號，對1秒內(nèi)oY的變化次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，最終值即為紗線的振蕩頻率。

圖7 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)頂層原理圖

2、頻率計(jì)模塊中計(jì)數(shù)器子模塊設(shè)計(jì)

頻率計(jì)模塊的主要源程序包括計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入、進(jìn)位輸入、進(jìn)位輸出、計(jì)數(shù)器輸出等，主要源代碼為

module cnt10(clock,rst,cin,cout,dout);

input clock; //計(jì)數(shù)器時(shí)鐘輸入

input cin; //計(jì)數(shù)器進(jìn)位輸入

input rst; //計(jì)數(shù)器復(fù)位輸入

output cout; //計(jì)數(shù)器進(jìn)位輸出

output[3:0] dout;//計(jì)數(shù)器輸出

reg[3:0]counter; //中間寄存器

assign dout=counter;

assign cout=cin&&(counter>=4'd9);//進(jìn)位輸入為1且counter值大于等于9進(jìn)位輸出為1

always @(posedge clock or posedge rst)

begin

if (rst)counter<=4'd0; //復(fù)位時(shí)counter寄存器清零

else if(cin)//進(jìn)位輸入為1

beginif(cout) //進(jìn)位輸出為1counter<=4'd0;//counter清零

elsecounter<=counter+1'b1;//counter值加1

end

end

endmodule

5 總結(jié)

系統(tǒng)能夠利用光電傳感器檢測紗線運(yùn)行狀態(tài)中的頻率，通過建立紗線頻率和張力的模型，設(shè)計(jì)了基于FPGA的紗線張力檢測系統(tǒng)，最終能檢測出實(shí)際的張力值。同時(shí)也存在很多問題，(1)紗線運(yùn)行過程中絡(luò)筒機(jī)振動影響到紗線本身的振動頻率，最終影響張力值的準(zhǔn)確性；(2)系統(tǒng)目前仍然屬于靜態(tài)測量，最后要實(shí)現(xiàn)在線測量，需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，通過算法優(yōu)化，構(gòu)建最優(yōu)頻率與張力關(guān)系；(3)系統(tǒng)目前只能檢測到實(shí)時(shí)的張力值，只能手動調(diào)節(jié)速度去調(diào)節(jié)張力值，需要更進(jìn)一步研究基于閉環(huán)控制的自適應(yīng)調(diào)整張力系統(tǒng)。系統(tǒng)可以作為弦類張力檢測的通用平臺，具有一定的應(yīng)用前景。

[1] 庾在海,吳文英,陳瑞琪. 紗線張力動態(tài)測試方法[J]. 自動化儀表,2005,10:36-38.

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Measurement of Weld Pool Oscillation for Pulsed

Su Zebin,Li Pengfei,Jing Junfeng, Zhang Zhaowei,Wu Zuobo

(College of Electrics and Information, Xi’an Polytechnic University， Xi’an, 10048, China)

Yarn tension is one of the key parameters in the textile industry. The instrument, which based on contact detection, is mainly used in the winding machine. The friction between the yarn and the tension sensor will increase the value of the yarn hairiness. It can also lead to a decline in process efficiency. According to the above-mentioned practical process, this paper firstly analyzes the relationship between the tension and the vibration frequency in the operation. A non-contact yarn tension detection system based on photoelectric sensor and FPGA is designed, after analysis of the relationship. By detecting the tension value of the running yarn, it can make appropriate adjustment, so that the efficiency of textile production can be improved.

Yarn tension; Non-contact; Nondestructive testing; Photoelectric Sensors

陜西省工北科技項(xiàng)關(guān)項(xiàng)目(2015GY034)，西安工程大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目(2016005)

蘇澤斌(1989-)，男，助教，碩士研究生，研究方向：紡織印染設(shè)備工藝參數(shù)在線檢測與機(jī)器視角研究。 李鵬飛(1962-)，教授，碩士，研究方向：紡織印染設(shè)備智能化檢測與控制系統(tǒng)。 景軍鋒(1978-)，副教授，博士研究生，研究方向：機(jī)器視覺圖像處理與模式識別。 張兆偉(1991-)，碩士研究生，研究方向：紗線質(zhì)量檢測。 吳作波(1993-)，本科，研究方向：紗線質(zhì)量檢測。

1007-757X(2017)08-0033-03

TG409

A

2017.03.07)