BD—S10松式絡筒紗線張力測量數(shù)據(jù)動態(tài)補償技術

金春奎 仲岑然 程小冬

摘 要：松式絡筒機張力的穩(wěn)定是保證筒紗染色均勻的前提，因此，研究分析松式絡筒時張力波動的原因并尋求解決的辦法具有現(xiàn)實的意義。通過對傳感器蠕變誤差、設備的傳動振動、紗結突變和摩擦靜電等影響絡筒張力波動的諸多因素進行逐一分析，提出了針對不同影響因素的特征，進行在線測量數(shù)據(jù)的動態(tài)補償處理方法，并將該方法在BD-S10松式絡筒機上進行了應用實踐，紗線張力測量精度得到提高。結合張力控制技術的應用，BD-S10松式絡筒機取得了良好的張力控制效果。

關鍵詞：松式絡筒機；單紗張力；動態(tài)測量；數(shù)據(jù)補償

中圖分類號：TP306.2

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2018）02-0076-04

Dynamic Compensation Technology Of Yarn TensionMeasurement Data In BD-S10 Soft-cone Winder

JIN Chunkui1， ZHONG Cenran2， CHENG Xiaodong

（1.Jiangsu college of Engineering and technology，Nantong 226007， China；2.BIDEN textile machinery Co. Ltd.， Changzhou 213300， China）

Abstract：Maintaining tension stability of soft-cone winder is the premise of the coloring uniformity for cone yarn. Because of this， studying the reason of tension fluctuation in soft-cone winder and finding out the solution have practical significance. many factors influencing tension fluctuation are analyzed one by one in this paper， including creep error from sensor， vibration of the equipment， mutation of yarn knot and frictional static. Besides， the dynamic compensation method for online measurement data is proposed for features of different factors. The method is applied on BD-S10 soft-cone winder， and the measurement accuracy has been improved. Combining with tension control technology， BD-S10 soft-cone winder has gained very good tension control effect.

Key words：soft-cone winder； single yarn tension； dynamic measurement； data compensation

紗線張力穩(wěn)定、卷繞密度均勻既是松式絡筒的質量要求，也是保證筒紗染色質量的前提。而在松式絡筒卷裝過程中，紗線的張力降低，當張力減小到一定程度，容易形成松弛，產(chǎn)生卷裝起皺。松弛造成紗線間摩擦力減小，嚴重時可能造成紗線沿軸向向外移出，出現(xiàn)脹邊。特別是供筒子染色用的紗線，筒子卷繞的松緊度、卷裝密度的均勻性，是卷裝筒子質量的重要指標，直接影響后期染色的均勻性。紗線的張力控制是各種精密卷繞絡筒機必備環(huán)節(jié)[1]。

1 張力測量原理

張力測量是張力控制的前提，電阻應變式傳感器是紡紗、絡筒、整經(jīng)及織造中的單紗張力測量應用非常廣泛的一種傳感器[2]，它的基本結構是由粘貼于彈性體變形敏感區(qū)的電阻應變片組成一個電橋，從而得到與被測重量作用于該彈性體的力成比例的電壓輸出信號。常見的雙孔梁彈性體的電阻應變式傳感器，輸出和載荷之間的線性好、靈敏度高、穩(wěn)定性好、成本低、環(huán)境適應性強，適合測試位移變化范圍比較小的場合。目前，大部分紗線張力檢測裝置都是這種類型。其結構如圖1（a）所示，在雙孔梁的上、下表面貼上4個應變電阻R1～R4，組成全橋電路。圖1（b）是應變式傳感器三羅拉張力測試示意。

單紗張力測量實踐表明，影響測量精度的主要原因有蠕變漂移[3-4]、傳動振動干擾和其他意外干擾等。

傳感器材料蠕變普遍存在，它是由彈性體正蠕變、應變片和應變膠負蠕變及各種結構因素綜合影響而形成。傳感器彈性體設計定型后，其蠕變特性也基本確定[5]?？刂坪驼{整蠕變的傳統(tǒng)做法是選用不同蠕變補償性能的應變片，改變貼片位置和粘膠固化工藝等方法來實現(xiàn)。但這種靠調節(jié)制造工藝等方法來調控蠕變，工藝過程復雜，隨機性高，成品率低[5]。

傳動振動隨機干擾是由機械的振動以及紗線通過羅拉在傳輸?shù)倪^程中，不可避免產(chǎn)生隨機的跳動，反應到傳感器上就是張力的擾動，這給張力的準確測量帶來一定難度。

除上述確定的干擾以外，一些干擾是不確定的，如紗節(jié)突變、羅拉摩擦產(chǎn)生靜電、電壓波動、場內(nèi)強電設備的電磁干擾等，都會不定時產(chǎn)生干擾。

本文從各種影響傳感器測量精度因素特征出發(fā)，對測量數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)蠕變動態(tài)跟蹤與校正，隨機干擾的即時濾波，及不確定干擾的在線識別與剔除分析，取得了良好的測量效果與控制效果。

2 影響傳感稱測量精度因素及特征

2.1 稱重傳感器的蠕變及蠕變恢復

以正蠕變?yōu)槔?，圖2是單次加載稱重傳感器的蠕變特性曲線，其中曲線L為傳感器的加載特性曲線，曲線C為傳感器的卸載特性曲線。加載曲線L由加載段L0和蠕變段L1組成，卸載曲線C由卸載段C0和蠕變恢復段C1組成[5-6]。加載曲線的加載段和卸載曲線的卸載段都是急應變，可以近似認為是線性的彈性應變，而兩個過程的蠕變段都是緩應變，非線性粘彈應變。且緩變過程產(chǎn)生稱量變化W、Wb延時較長，無法精確標定。

一般情況下，成品傳感器蠕變特性曲線ε-t圖的加載過程與卸載過程隨時間變化分布坐標軸的兩側，而且蠕變數(shù)值也相對較小[7]。圖3是蠕變與負載關系示意圖。加載產(chǎn)生正的蠕變，則卸載時產(chǎn)生負的蠕變。

實際應用中，紗線張力對傳感器的加載與卸載是一個反復的過程，由于傳感器加工差異關系，蠕變與蠕變恢復并不會如圖3顯示的對稱，同時蠕變是時間的函數(shù)[8]，松式絡筒生產(chǎn)過程中，反復上筒、換筒，傳感器不斷加載與卸載，各次蠕變會不斷累積[3]，導致零點的漂移，影響測量的精度。

由于生產(chǎn)過程的差異性，蠕變累積與恢復也是不確定的，零點漂移的規(guī)律性并不明顯。

2.2 傳動振動隨機干擾

一般來說，機械的振動及紗線通過羅拉在傳輸?shù)倪^程中產(chǎn)生隨機的跳動，反應到傳感器上的張力擾動，總體幅值有限，呈正負擾動特征，主要產(chǎn)生的原因一是機械的振動和羅拉跳動本身引起的振動，二是傳感器的稱量穩(wěn)定是一個阻尼衰減振蕩過程[9]。一般來說，每一次的稱量變化，都可以認為是一次階躍響應，也就是一個阻尼衰減振蕩過程。紗路中的傳感器由于機械的振動和羅拉跳動反復引起的重新加載，由于其動態(tài)特性引起反復的阻尼衰減振蕩過程。因此，測量值波動特性是無法避免的。

2.3 不確定的干擾

不確定的干擾常見的有紗節(jié)突變、羅拉摩擦產(chǎn)生靜電、電壓波動等。其特征是偶發(fā)性和無規(guī)律性。

如果張力負載是通過配重式加載的慣性負載，紗節(jié)通過時瞬間引起配重負載的變化，由于紗速很快（1 000 m/min），引起配重負載運動變化產(chǎn)生較大的加速度，從而引起張力的急劇增加。而以彈簧加壓的張力裝置，當紗節(jié)通過時，常引起彈簧的跳動，從而引起張力的急劇減小。

羅拉摩擦靜電放電呈現(xiàn)電壓高、容量小、脈沖時間短特征，但對測量放大影響大，常引起測量值的急劇波動。

場內(nèi)強電設備的電磁干擾、電壓波動等也會引起電路參數(shù)的變化，從而引起測量值的變化，其規(guī)律性一般并不明顯。

3 影響傳感稱測量精度因素消除方法

針對以上對各種張力測量影響因素的分析，BD-S10松式絡筒機張力測試系統(tǒng)，采取以下3種方法分別對各種張力影響因素進行抑制。

3.1 蠕變及蠕變恢復影響消除

加載蠕變及卸載蠕變恢復是一個與時間相關的變化，在卷裝生產(chǎn)的連續(xù)過程中，上筒、換筒、意外停機或其他中斷是無法保持其一致性的。反復加載，也增加了蠕變變化的復雜性。因此，常用與時間相關的指數(shù)函數(shù)規(guī)律的蠕變補償[4]，效果不并明顯。

從圖3可以看出，蠕變雖然是隨時間變化的，但蠕變變化速率也是隨時間逐漸減小，急速蠕變的時間有限，加上傳感器的動態(tài)特性，后期蠕變幾乎可以忽略。因此每一次加載（上筒，換筒）測量做適當?shù)难訒r，可以有效減小蠕變影響。

當整筒卷裝完成后，張力消失，傳感器處于蠕變恢復階段。短暫的停機并沒有足夠的時間完成蠕變恢復，處理的辦法是每次啟動測量時，測量系統(tǒng)進行自動零位的調整，也就是自動清零。此時測得的數(shù)據(jù)是在原有未能恢復的蠕變的基礎上測得的，清零處理符合反復加載的蠕變累積效應原理[4]。

3.2 傳動振動隨機干擾影響消除

傳動振動隨機干擾影響消除一般可通過移動平均的方法加以消除。當測量開始，設定一個存儲數(shù)組，數(shù)組的元素約為10～20個，系統(tǒng)每隔一定的時間連續(xù)采樣，并存儲在數(shù)組中，存儲的規(guī)則遵循先進后出的原則。以10個元素的數(shù)組為例，就是第一次采集，數(shù)據(jù)放在數(shù)組的1號位，第二次采集，1號位數(shù)據(jù)移到2號位，采集數(shù)據(jù)依然存在1號位，依此類推。當采集第11次數(shù)據(jù)時，10號位數(shù)據(jù)自動舍棄。由于隨機干擾的隨機性，移動平均相當于一個高頻濾波器，采集數(shù)據(jù)更穩(wěn)定可靠。

3.3 不確定的干擾影響消除

如前所述，不確定的干擾具有偶發(fā)性和無規(guī)律性特征。脈沖時間短，常引起測量值的急劇波動。針對這種特征，在采集的數(shù)據(jù)做移動平均前，可對采集的數(shù)組內(nèi)數(shù)據(jù)的依照3σ準則進行校驗與剔除，然后再進行進一步數(shù)據(jù)運算處理。

此外，場內(nèi)強電設備的電磁干擾、電壓波動等一般采用合理的電磁屏蔽，改善穩(wěn)定電源性能來消除。

4 動態(tài)測量與跟蹤補償方法

根據(jù)上述分析，針對各種張力測量影響因素，設計以下數(shù)據(jù)處理過程，動態(tài)測量與補償流程見圖4。

a）卷裝電機啟動后，測量系統(tǒng)以卷裝電機啟動為開始信號，首先進行零位自動校準，以消除殘余的蠕變恢復。蠕變是時間的函數(shù)，恢復的時間無法確定，不同的環(huán)境條件蠕變恢復特性也有差異。采用每次啟動自動校準，可以降低每次蠕變恢復差異，提高測量精度。

b）接著以固定的時間間隔（100 ms）采集數(shù)據(jù)，并存儲數(shù)據(jù)。

c）存儲數(shù)組獲取足夠的數(shù)據(jù)（圖4以10個為例），再依照3σ準則進行校驗與剔除無效數(shù)據(jù)。主要是排除靜電、電磁場突發(fā)性干擾對測量數(shù)據(jù)的影響。

d）擬合計算數(shù)據(jù)斜率，判別蠕變數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。在蠕變初期，數(shù)據(jù)變化較大，反應在分時采集的數(shù)據(jù)上有一定的變化趨勢，而在蠕變后期，蠕變相對比較穩(wěn)定，分時采集的數(shù)據(jù)斜率較小，反應在坐標軸時，更接近于一條直線，斜率接近0。張力測量是一個持續(xù)的過程，斜率判別能有效保證測量的穩(wěn)定性。

e）計算平均值，輸出張力信號。平均計算可以有效降低周期性傳動振動產(chǎn)生的干擾。

5 應用效果

BD-S10松式絡筒機，以上述的張力測量補償技術為基礎，準確測量紗線動態(tài)的張力，反饋給張力控制系統(tǒng)，結合張力控制機構，實施對卷繞張力的在線控制，并取得了良好的控制效果。表1是相同工藝參數(shù)下不同錠號卷裝筒子的質量及密度的比較。通過計算，卷裝筒子的質量及密度的CV值指標好于同類設備的控制，特別是密度的CV值，對照組設備一般在0.027左右，明顯高于本設備。良好的卷裝一致性控制，對后道染色工序質量控制有積極的作用。表2是不同錠號卷裝筒子紗長一致性試驗，可以看出，由于紗線張力的精確測量與控制，卷裝筒子紗長一致性得到了較大的提升，最大錠差控制在0.3%～0.6%，而對照組設備則在0.6%～2.2%徘徊。絡筒精確定長，有效減少整經(jīng)浪費，提高經(jīng)濟效益。

6 結 語

數(shù)據(jù)采集與處理是自動控制的基礎，松式絡筒工藝中，單紗張力本身十分微小，同時由于傳感器和各種環(huán)境因素的影響[10]，動態(tài)測量有一定的難度，而張力測量的準確度直接影響紗線張力的控制。本文通過對紗線動態(tài)測量影響因素的分析，提出了動態(tài)采集數(shù)據(jù)的處理與補償方法，并在實際應用中取得了理想的結果。通過對卷裝張力的精確測量，反饋給張力控制系統(tǒng)，實現(xiàn)張力控制，BD-S10松式絡筒機卷裝質量較同類設備取得了一定的優(yōu)勢。

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