紗管振幅檢測(cè)技術(shù)研究

葛宇騫 楊會(huì)會(huì) 羅孝

摘 要：針對(duì)紗管振幅檢測(cè)問(wèn)題，基于激光位移傳感器檢測(cè)原理，建立了紗管振幅檢測(cè)系統(tǒng)模型，提出了紗管振幅數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)算法；在不考慮錠子本身振幅的情況下，利用紗管振幅檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)不同磨損類(lèi)型的紗管進(jìn)行振幅檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，得出不同振幅閾值下的振幅偏移率和積分變化率，并提出選用振幅閾值為0.5mm作為使用后的紗管振幅評(píng)價(jià)閾值較為合理，為今后紗管振程檢測(cè)機(jī)制提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：紗管振幅；振幅檢測(cè)；紗管振幅評(píng)價(jià)

Research on Amplitude Measurement of Tube

GE Yu-qian1，2，YANG Hui-hui1，2， LUO Xiao1，2

（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2. Key Laboratory of Advanced Mechatronics Equipment Technology，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Abstract： Aiming at the problem of bobbin amplitude detection， based on the detection principle of laser displacement sensor， the model of bobbin amplitude detection system is established and the evaluation algorithm of bobbin amplitude data is put forward. Without considering the amplitude of spindle itself， Different types of wear bobbins were tested by amplitude， and the amplitude deviation rate and integral change rate under different amplitude thresholds were obtained. It was reasonable to choose the amplitude threshold value of 0.5mm as the evaluation index of bobbin amplitude after use. Pipe vibration detection mechanism to provide technical support.

Key words： tube amplitude；amplitude detection；tube amplitude evaluation

紗管振幅檢測(cè)技術(shù)研究

葛宇騫1，2 楊會(huì)會(huì)1，2 羅孝1，2

（1.天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

摘 要：針對(duì)紗管振幅檢測(cè)問(wèn)題，基于激光位移傳感器檢測(cè)原理，建立了紗管振幅檢測(cè)系統(tǒng)模型，提出了紗管振幅數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)算法；在不考慮錠子本身振幅的情況下，利用紗管振幅檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)不同磨損類(lèi)型的紗管進(jìn)行振幅檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，得出不同振幅閾值下的振幅偏移率和積分變化率，并提出選用振幅閾值為0.5mm作為使用后的紗管振幅評(píng)價(jià)閾值較為合理，為今后紗管振程檢測(cè)機(jī)制提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：紗管振幅；振幅檢測(cè)；紗管振幅評(píng)價(jià)

Research on Amplitude Measurement of Tube

GE Yu-qian1，2，YANG Hui-hui1，2， LUO Xiao1，2

（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2. Key Laboratory of Advanced Mechatronics Equipment Technology，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Abstract： Aiming at the problem of bobbin amplitude detection， based on the detection principle of laser displacement sensor， the model of bobbin amplitude detection system is established and the evaluation algorithm of bobbin amplitude data is put forward. Without considering the amplitude of spindle itself， Different types of wear bobbins were tested by amplitude， and the amplitude deviation rate and integral change rate under different amplitude thresholds were obtained. It was reasonable to choose the amplitude threshold value of 0.5mm as the evaluation index of bobbin amplitude after use. Pipe vibration detection mechanism to provide technical support.

Key words： tube amplitude；amplitude detection；tube amplitude evaluation

紗管的振幅直接影響紗線的質(zhì)量，可利用直射式激光檢測(cè)技術(shù)對(duì)紗管振幅進(jìn)行檢測(cè)，以快速排查不合格紗管，提高紗管質(zhì)量和生產(chǎn)效率[1，2]。王文彬[3]針對(duì)錠子錠腳上下端與錠端振動(dòng)，設(shè)計(jì)了振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試分析，這種測(cè)試系統(tǒng)能很好的對(duì)錠子進(jìn)行質(zhì)量分析及故障診斷。劉妍等[4]設(shè)計(jì)了一套包括機(jī)械、檢測(cè)、控制三大部分的錠子振動(dòng)測(cè)試裝置，完成了集錠子振動(dòng)信號(hào)的采集、處理和分析于一體，很大程度上減少了測(cè)試裝置的成本。振動(dòng)信號(hào)采集時(shí)有接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N方式，目前針對(duì)錠子和紗管的檢測(cè)方法主要采用非接觸式激光測(cè)量法[5-7]，其優(yōu)點(diǎn)是傳感器結(jié)構(gòu)小，安裝方便并且適應(yīng)性很強(qiáng)，無(wú)論被測(cè)物體為何種材料和形狀都能滿足其要求，其不足之處便是在使用激光位移傳感器之前都需對(duì)其進(jìn)行必要的校準(zhǔn)和標(biāo)定[8，9]，且其校準(zhǔn)和標(biāo)定過(guò)程較為繁瑣。由于激光位移傳感器優(yōu)點(diǎn)突出，因此其被廣泛用于各種管道的檢測(cè)以及各種細(xì)小的位移檢測(cè)等多方面的領(lǐng)域[10-11]。本文基于激光測(cè)量原理設(shè)計(jì)一種新的非接觸式紗管振幅監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，紗管振幅數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)算法，利用所得系統(tǒng)對(duì)不同磨損類(lèi)型紗管進(jìn)行振幅檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，為今后紗管振程檢測(cè)機(jī)制提供技術(shù)支持，有助于提高紗管質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1紗管振幅檢測(cè)原理

本次紗管振幅檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，考慮紗管表面特性選用直射式激光測(cè)量原理對(duì)紗管上部振幅進(jìn)行檢測(cè)，圖1示出直射式激光位移傳感器原理圖。

激光位移傳感器的工作原理為通過(guò)傳感器內(nèi)的激光發(fā)射器向被測(cè)物體的待測(cè)面發(fā)射一束激光束，由于散射或反射現(xiàn)象激光束照射到被測(cè)物體表面后返回到傳感器內(nèi)部的CMOS影像上，通過(guò)位移傳感器的內(nèi)部算法從而計(jì)算出被測(cè)物體表面到傳感器的距離，并將位移顯示在傳感器的LED顯示屏上，同時(shí)還輸出相應(yīng)位移的電壓值并傳送給數(shù)據(jù)采集卡，圖2示出激光三角法測(cè)量模型圖。

2紗管振幅數(shù)據(jù)處理算法

（1）紗管振幅均值

紗管振幅均值反應(yīng)了振幅數(shù)據(jù)的集中趨勢(shì)，其表達(dá)式為：

式中：N—采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)；

xi—第i個(gè)采樣點(diǎn)。

（2）紗管振幅偏移率和積分變化率

紗管振幅偏移率是指在做紗管振幅檢測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)超出給定標(biāo)準(zhǔn)振幅部分檢測(cè)個(gè)數(shù)占總體檢測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)的比例，利用紗管振幅偏移率來(lái)評(píng)價(jià)紗管，其表達(dá)式為：

式中： —設(shè)定的紗管振幅閾值，mm。

上述DR僅表示超過(guò)紗管振幅閾值點(diǎn)個(gè)數(shù)的比例，還可利用積分變化率（IDR（%））來(lái)評(píng)價(jià)紗管振幅超過(guò)閾值的程度，該參數(shù)反應(yīng)了所檢測(cè)的紗管振幅超過(guò)閾值的程度，且該值隨著閾值的增大而減小。其計(jì)算公式如下：

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1系統(tǒng)組成及實(shí)驗(yàn)條件

紗管振幅檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)過(guò)程主要是通過(guò)激光位移傳感器檢測(cè)高速旋轉(zhuǎn)紗管的上部垂直于激光束方向的擺頭位移，并在傳感器上顯示位移大小，同時(shí)將相應(yīng)的電壓信號(hào)傳遞給數(shù)據(jù)采集卡，最后將采集到的電壓信號(hào)顯示在計(jì)算機(jī)上。圖5示出紗管

振幅檢測(cè)系統(tǒng)工作簡(jiǎn)圖，圖6示出紗管振幅檢測(cè)總體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖5紗管振幅檢測(cè)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，選用激光器位移傳感器型號(hào)為松下公司的HG-C1030型，表2給出傳感器的基本參數(shù)。實(shí)驗(yàn)中選用研華公司生產(chǎn)的PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡，其工作原理主要是采集傳感器對(duì)被測(cè)物體所檢測(cè)的信號(hào)傳送到上位機(jī)中進(jìn)行分析和處理。本實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集卡主要是將激光位移傳感器傳送過(guò)來(lái)的模擬量信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)，并通過(guò)相應(yīng)的軟件對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行顯示。

圖6紗管振幅檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1-紗管2-激光位移傳感器3-工作臺(tái)4-PCI-1711 I/O接口5-紗管增速裝置6-數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)

本次實(shí)驗(yàn)中，選擇不同磨損類(lèi)型的205紗管及相配套的錠子進(jìn)行振幅檢測(cè)，錠子轉(zhuǎn)速為18000r/min，表3給出紗管的幾種磨損類(lèi)型，圖7示出不同磨損類(lèi)型紗管部分樣本。

3.2檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定

檢測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定實(shí)際上就是確定輸入輸出關(guān)系的函數(shù)表達(dá)式，此時(shí)通過(guò)控制物體離傳感器的位移變化值來(lái)輸出相應(yīng)的電壓變化信號(hào)值，并且利用最小二乘擬合得出輸入與輸出的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式，假設(shè)此時(shí)y表示位移，x表示相應(yīng)的電壓輸出信號(hào)。經(jīng)過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和MTLAB最小二乘曲線擬合可得出其相應(yīng)的線性擬合函數(shù)為：

圖8示出系統(tǒng)標(biāo)定的線性擬合直線圖。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)表3所示的紗管不同磨損類(lèi)型對(duì)紗管進(jìn)行振幅檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，其中振幅閾值α根據(jù)新紗管振幅的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)選擇0.3mm、0.4mm和0.5mm等三組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并列出各組紗管的振幅數(shù)據(jù)，得出相應(yīng)的結(jié)果如下：

（1）上部完全接觸下底口也接觸良好

表4給出在該組實(shí)驗(yàn)下十支紗管振幅統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖5-9示出1號(hào)紗管振幅曲線圖，選擇600個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作為樣本點(diǎn)進(jìn)行繪圖。

由表4和圖9可知：紗管不偏心且與錠子上部完全接觸下底口也接觸良好時(shí)紗管振幅的最大值、最小值和振幅均值都較小，由紗管振幅偏移率可知在振幅閾值為0.3mm時(shí)其振幅偏移率都較大，隨著振幅閾值的增大，其振幅偏移率逐漸減小，尤其在閾值為0.5mm時(shí)十支紗管的振幅偏移率均值為0.043%，基本接近0，說(shuō)明此時(shí)紗管振幅擺動(dòng)大部分在其給定振幅標(biāo)準(zhǔn)閾值內(nèi)；由振幅積分變化率均值從17.06%降低到0.004%可知其振幅積分變化率也隨著振幅閾值的增大而減小甚至接近為0，說(shuō)明此時(shí)振幅超過(guò)給定振幅閾值的程度隨閾值的增大而減小。由三

（a）第1種磨損類(lèi)型 （b）第2種磨損類(lèi)型 （c）第3種磨損類(lèi)型

（d）第4種磨損類(lèi)型 （e）第5種磨損類(lèi)型 （f）五種磨損類(lèi)型紗管樣本

圖8系統(tǒng)標(biāo)定擬合直線

個(gè)振幅偏移率均值可知振幅閾值選為0.3mm和0.4mm時(shí)其振幅偏移率均值分別為64.04%和22.68%都較大，而振幅閾值為0.5mm時(shí)其振幅偏移率均值為0.043%，其振幅基本在給定振幅閾值內(nèi)擺動(dòng)，基本符合使用后紗管合格要求條件，因此可以提出使用后的紗管合格時(shí)振幅評(píng)價(jià)閾值應(yīng)為0.5mm較合適。而實(shí)際檢測(cè)出的振幅值比上章中同種接觸情況下ADMAS仿真得出的振幅稍大一些，其主要原因是實(shí)驗(yàn)中使用的是使用后的紗管且無(wú)法完全控制紗管的不偏心，以及一些其它影響因素也會(huì)影響其振幅值的大小，但二者振幅曲線基本類(lèi)似，其振幅值都較小，變化也較均勻，符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期結(jié)果。

（2）上部損壞下底口接觸良好

表5給出在該組實(shí)驗(yàn)下十支紗管振幅統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖10示出7號(hào)紗管振幅曲線圖，選擇600個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作為樣本點(diǎn)進(jìn)行繪圖。

由表5和圖10可知：紗管不偏心且與錠子上部接觸損壞而下底口接觸良好時(shí)其閾值為0.3mm、0.4mm和0.5mm的振幅偏移率均值分別為86.17%、61.14%和17.35%，與前一種實(shí)驗(yàn)情況下振幅偏移率均值64.04%、22.68%和0.043%相比明顯增大，說(shuō)明此時(shí)紗管振幅數(shù)據(jù)點(diǎn)超出其給定振幅閾值的數(shù)量增加，紗管振幅擺動(dòng)明顯，其振幅積分變化率均值同樣增加明顯，此時(shí)振幅超過(guò)給定振幅閾值的程度增大。因此在此種接觸條件下紗管振幅變化較大，其振幅值偏離程度明顯增加。由三個(gè)振幅偏移率均值可知振幅閾值選為0.4mm以下時(shí)其超出振幅閾值的數(shù)據(jù)點(diǎn)比例到達(dá)60%以上，說(shuō)明此時(shí)選用振幅閾值為0.4mm及以下并不合適，而當(dāng)振幅閾值選為0.5mm時(shí)其振幅偏移率為17.35%，因此此時(shí)選擇振幅閾值為0.5mm較為合適。由于實(shí)驗(yàn)中無(wú)法精確的控制上部接觸面的接觸段數(shù)，因此并不能很好的模擬出上章中所分析的上部接觸面的接觸情況，但實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果與上章中所分析的上部接觸面磨損會(huì)增加紗管振幅的結(jié)果相類(lèi)似，驗(yàn)證了紗管與錠子上部接觸面的磨損會(huì)增加紗管振幅的結(jié)論。

4結(jié)論

本文針對(duì)紗管振幅檢測(cè)問(wèn)題，利用激光位移傳感器搭建紗管振幅檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)不同磨損類(lèi)型的紗管進(jìn)行振幅檢測(cè)，得出了各種實(shí)驗(yàn)條件下紗管振幅值；并利用本文提出的紗管振幅數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)算法，求出各實(shí)驗(yàn)條件下振幅閾值分別為0.3mm、0.4mm和0.5mm時(shí)的振幅偏移率和積分變化率，最終可得出如下結(jié)論：

（1）振幅偏移率和積分變化率隨著振幅閾值的增大而減小，通過(guò)對(duì)比各實(shí)驗(yàn)條件下的三個(gè)振幅偏移率均值和積分變化率均值可知振幅閾值選為0.4mm及以下時(shí)其超出振幅閾值的數(shù)據(jù)點(diǎn)比例較高，其振幅偏離程度也較為明顯；而當(dāng)振幅閾值選為0.5mm時(shí)其振幅偏移率較低振幅偏離程度也小，基本符合使用后紗管振幅檢測(cè)合格要求，因此選用振幅閾值為0.5mm作為紗管振幅評(píng)價(jià)閾值較為合理。

（2）振幅閾值為0.5mm時(shí)，紗管不偏心且上下接觸良好時(shí)振幅偏移率和積分變化率分別為0.043%和0.004%，而紗管偏心且上下接觸良好時(shí)振幅偏移率和積分變化率分別為10.46%和2.55%，明顯比不偏心時(shí)振幅要大，說(shuō)明紗管的偏心現(xiàn)象會(huì)增加紗管的振幅。

（3）錠子與紗管結(jié)合面的磨損會(huì)增加紗管振幅偏移率和積分變化率，且隨著磨損面積的增加紗管振幅偏移率和積分變化率也增加，所分析的錠子與紗管結(jié)合面磨損引起的接觸面積變化影響紗管振幅的結(jié)論相一致。

（4）振幅閾值為0.5mm時(shí)，紗管下底口磨損時(shí)的振幅偏移率和積分變化率分別為31.43%和8.21%，比其他實(shí)驗(yàn)條件下的振幅偏移率和積分變化率都高，尤其當(dāng)出現(xiàn)紗管上下都磨損時(shí)其振幅偏移率和積分變化率達(dá)到最大，說(shuō)明紗管下底口磨損對(duì)紗管振幅影響最大，驗(yàn)證了所分析的紗管下底口的磨損對(duì)紗管振幅影響最大的結(jié)論。

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作者簡(jiǎn)介：

葛宇騫，19950720，男，漢，河北省廊坊市，大學(xué)生，本科，天津工業(yè)大學(xué)，天津市西青區(qū)賓水西道399號(hào)，郵編300000