基于壓電黏合體的電磁選針檢測技術(shù)

王羅俊，彭來湖，史偉民，張偉中

(1.浙江機電職業(yè)技術(shù)學院，浙江 杭州 310051；2.浙江理工大學 現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)教育部工程研究中心，浙江 杭州 310018；3.浙江理工大學 浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點實驗室，浙江 杭州 310018)

在針織行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要時期，“中國制造 2025”戰(zhàn)略進入了攻堅階段，在我國針織裝備控制技術(shù)的整體水平亟需穩(wěn)步提高的背景下，推動針織裝備系統(tǒng)的核心控制技術(shù)智能化的研究是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢[1]。

電磁選針器作為針織圓緯機控制系統(tǒng)中的核心器件，其機械構(gòu)造精密，往復擺程微小，于工況下難以避免也出現(xiàn)錯花、亂花等毀布現(xiàn)象。目前對選針器性能的檢測技術(shù)研究普遍依靠外部系統(tǒng)，在非工況下針對選針器的工作狀態(tài)進行監(jiān)測分析，設(shè)計的電子選針檢測儀基于電磁閥的工作原理進行選針動作檢測[2]；還有研究基于頻閃原理設(shè)計了選針器頻率檢測系統(tǒng)，可提高選針器出廠前的人工肉眼判斷效率[3]。由于選針器內(nèi)嵌于機臺導致結(jié)構(gòu)布局的限制，這些研究在監(jiān)測選針刀頭于真實工況下是否提花到位存在局限性。

電磁選針性能與選針器的動態(tài)特性緊密相關(guān)，主要由選針驅(qū)動部件的工作原理及工況下的運動參數(shù)等要素決定，選針器于雙穩(wěn)態(tài)間進行小尺度往復擺動，刀頭在磁場力的驅(qū)動下獲得初始動能并進行勻加速運動，并以最大沖量與擋板發(fā)生碰撞，實現(xiàn)其動能與擋板內(nèi)能的轉(zhuǎn)換，通過應(yīng)力波的形式傳播，并伴隨著損耗、消散的過程[4]。

本文將利用激光測振儀對金屬擋板受迫振動特性所呈現(xiàn)的關(guān)鍵參數(shù)進行實驗數(shù)據(jù)采集、擬合分析來探討擋板振動特性檢測的可行性；并制備“壓電晶體+擋板”的黏合體，針對壓電黏合體建立等效電路模型，設(shè)計信號檢測硬件電路，并于軟件層面設(shè)計振動信號檢測機制，以實現(xiàn)電磁選針自檢錯半閉環(huán)控制。

1 電磁選針驅(qū)動原理分析

電磁選針器為緯編針織機控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其電磁驅(qū)動模塊分為磁能供給和動作執(zhí)行2個部件組，如圖1所示。磁能供給部件組由線圈繞組和鐵磁質(zhì)組成，永磁塊和刀頭部件繞固定軸完成選針提花。

圖1 電磁選針器驅(qū)動模塊示意圖Fig.1 Schematic diagram of drive module of electromagnetic needle selector.(a) Driving component;(b) Tool head model of electromagnetic needle selector;(c) Uniform magnetization of ferromagnetism (macro);(d) Sketch of needle selection mechanism

根據(jù)安培的分子電流假說可得，當多層線圈繞組通電產(chǎn)生磁場，對線圈中鐵磁質(zhì)材料充磁后，磁介質(zhì)中各分子磁矩將根據(jù)磁場強度轉(zhuǎn)向外加磁場方向[5]，其宏觀狀態(tài)如圖1(c)所示。當供給磁場撤去，線圈中鐵磁質(zhì)仍保持定量的剩余磁感應(yīng)強度(剩磁Br)。選針動作的改變通過線圈換向通電的方式，使鐵磁質(zhì)磁化以改變其產(chǎn)生的磁場方向，線圈電流被關(guān)斷后剩磁仍會與動作執(zhí)行部件組的磁鋼(2塊極性相反的永磁塊)產(chǎn)生作用，保持刀頭位置狀態(tài)不變(刀頭擺動極限位置受擋板位置所限，分為上、下限位)。

根據(jù)電磁選針的工況需求，選針器的動作執(zhí)行部分需依據(jù)指定花型文件繞固定軸擺動至上、下限位(選針動作執(zhí)行部件于雙穩(wěn)態(tài)位置的選針機構(gòu)簡圖見圖1 (d))，與針鐘碰撞并發(fā)生端面間作用。刀頭擺至上限位則其前端面與針鐘處于相對位置，以致提花針被頂入槽內(nèi)為不出針狀態(tài)；當?shù)额^擺至下限位則其前端面與針鐘處于相錯位置，由于針三角的存在，以致提花針向上擺動，完成出針動作即實現(xiàn)成圈編織。

2 選針器擋板振動特性檢測實驗

2.1 擋板受迫振動檢測原理

由于電磁選針器的動作執(zhí)行部件組與金屬擋板裝配緊湊、間距窄，傳統(tǒng)的接觸式測量易影響耦合體自身結(jié)構(gòu)上的機械特性，從而引起對刀頭部件擺擊過程參數(shù)的測量誤差，據(jù)此選用單點式激光多普勒測振儀，采取非接觸式測量方式[6]。

利用測振儀對金屬擋板的振動進行檢測，原理如下。首先從干涉儀發(fā)出偏振光(設(shè)頻率為fa)[7]，其通過分光鏡后生成參考和測量2束光；參考光束經(jīng)聲光調(diào)制器后的頻移為fc；測量光束于金屬擋板中心位置穩(wěn)定聚焦。模擬選針動作時，刀頭部件以特定頻率撞擊上下?lián)醢澹瑩醢宓氖芷日駝邮沟脺y量光束發(fā)生頻移Δf，其計算公式為

式中：V1為偏振光的速度,mm/s；λ為偏振光的波長，nm；V2為金屬擋板的振動速率，mm/s。

通過信號處理器針對光電探測器的輸出信號進行采集、處理及分析，基于參考光束的方向、頻率等基本特性，確定擋板的振動方向，獲取振動位移、頻率等關(guān)鍵參數(shù)，分析擋板的振動特性[8]。

2.2 激光測振實驗

1)挑選在工廠進行穩(wěn)定提花作業(yè)2個月的8刀電磁選針器作為實驗對象，將反光膜準確貼在金屬擋板的中心，調(diào)整激光測振儀，使得激光光斑穩(wěn)定呈現(xiàn)在擋板中心位置。

2)通過采集卡將激光測振儀的數(shù)據(jù)導至信號處理軟件QuickSA。采樣頻率設(shè)為16 384 Hz，單幀采樣點數(shù)設(shè)為4 096，采用高通濾波器(280 Hz)，激光測振實驗平臺如圖2所示。

圖2 擋板振動檢測實驗平臺Fig.2 Experimental platform of baffle vibration detection.(a) Architecture of experimental platform;(b) Schematic of laser point

由于驅(qū)動電壓直接影響電磁選針器是否能夠有效完成選針動作，據(jù)此本文實驗采用控制變量的方法，以電源驅(qū)動電壓為變量，通過改變驅(qū)動電壓數(shù)值，模擬選針器有外界條件影響時其刀頭部件所受電磁驅(qū)動力發(fā)生變化致選針動作出錯的現(xiàn)象。通過穩(wěn)壓源控制電源驅(qū)動電壓在18～28 V之間，每組電壓間隔2 V，共計6組。選針器在3.3 Hz的工作頻率下(改變驅(qū)動電壓所得金屬擋板受迫振動的位移信號的波形如圖3所示。以刀頭部件組向下擺擊過程為例，擋板振動位移的峰值Xmax、速度的峰值Vmax數(shù)據(jù)如表1所示。

圖3 擋板振動特性檢測示意圖Fig.3 Schematic diagram of characteristic of baffle vibration detection

表1 擋板振動位移、速度峰值(動作向下)Tab.1 Vibration displacement and velocity peak of baffle (downward movement)

2.3 擋板振動實驗數(shù)據(jù)分析

由圖3可知，擋板振動特性檢測可在一定程度上反映擋板振動過程的位移峰值、波形周期等時域特性。選針器刀頭部件向下擺擊至與擋板發(fā)生碰撞時，位移信號發(fā)生躍變，達到峰值后波形變?yōu)樗p振蕩，持續(xù)一小段時間，即碰撞瞬時，部件組與擋板發(fā)生撞擊，并存在一段刀頭微幅抖動直至平穩(wěn)的狀態(tài)，驗證了刀頭動作到位后波形存在微幅回彈現(xiàn)象的可靠性[4]。

分析不同驅(qū)動電壓時的位移波形可知：擋板受迫振動時自身位移變化呈現(xiàn)周期穩(wěn)定性，其一方面呈現(xiàn)出與電磁選針動作執(zhí)行部件組擺動頻率的一致性；另一方面反映了選針動作執(zhí)行部件(刀頭)在上下擺擊到位時，其作用于擋板的碰撞瞬時力(主要為垂直作用于擋板的分力)的衰減振蕩變化過程呈現(xiàn)出周期穩(wěn)定性。

利用多圖橫向?qū)Ρ确治稣駝犹匦缘男盘枏娙醭潭瓤芍阂环矫?，相同電壓下?lián)醢迨艿降额^向下擺擊的沖擊力強于其受到向上的沖擊力；另一方面，以刀頭部件向上擺擊過程為例，相同電壓下?lián)醢迨芷日駝有盘柕牟ǚ寰哂休^高的一致性，即處于穩(wěn)定提花作業(yè)下的選針器動作執(zhí)行到位與擋板碰撞時產(chǎn)生的瞬時沖擊力峰值基本一致。據(jù)此可通過采集瞬時沖擊力信號的數(shù)據(jù)，搭建信號數(shù)據(jù)庫，建立容錯機制，通過數(shù)據(jù)分析，設(shè)置合理的波峰閾值作為有效選針信號的判定依據(jù)。

利用多圖縱向?qū)Ρ确治霾⒔Y(jié)合表2分析可知，擋板振動位移峰值正比于電壓變化的整體趨勢(驅(qū)動電壓為24 V時的數(shù)據(jù)存在一定實驗誤差)，而驅(qū)動電壓為18 V時擋板振動位移信號明顯衰減，受到向上沖擊力時振動位移過于微小，說明此時刀頭部件組盡管擺動到位，但是由于沖擊力過小易出現(xiàn)刀頭與提花錘表面接觸時壓針不到位的現(xiàn)象，甚至選針失效。

上述分析一定程度上驗證了在多圖橫向?qū)Ρ确治鲋刑岢龅耐ㄟ^采集擋板受迫振動的沖擊力信號，設(shè)置合理的波峰閾值作為選針動作檢測關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可行性。

3 壓電黏合體設(shè)計及可靠性分析

3.1 壓電黏合體總體設(shè)計

壓電晶體是一種具備正、逆壓電效應(yīng)2種特性的智能材料[9]，可作執(zhí)行、傳感器兩用，實現(xiàn)對機械結(jié)構(gòu)的應(yīng)變特性監(jiān)測[10]。基于激光測振實驗所得電磁選針器刀頭部件與金屬擋板碰撞的沖擊載荷特性以及金屬擋板受迫振動的周期穩(wěn)定性，設(shè)計金屬擋板黏合壓電晶體構(gòu)成“壓電黏合體”以感知擋板于選針器工況下的應(yīng)力應(yīng)變特性，并通過焊點引出正負電極線，將壓電晶體上、下表面電荷分布特性的變化以模擬電壓信號的形式輸出，從而獲取選針器有效動作信號的方案。總體設(shè)計考慮3個要點。

1)黏合的參考位置選擇。金屬擋板與刀頭碰撞時，刀頭帶給擋板的沖擊力直接作用于擋板齒槽部位，由于齒槽受力擴散過程中齒槽根部產(chǎn)生的應(yīng)力變化最為強烈，據(jù)此將其作為壓電晶體黏合的關(guān)鍵參考位置。

2)黏合定位基準?；诮饘贀醢鍨榫€切割的軸對稱設(shè)計，據(jù)此將壓電晶體以擋板中心為參考點，以齒槽根部為參考位置，使其整體感知區(qū)域覆蓋擋板受迫振動所形成的應(yīng)力波傳遞的發(fā)散面，能夠?qū)崿F(xiàn)對撞擊過程產(chǎn)生的應(yīng)變實況作有效數(shù)據(jù)采集、檢測。

3)實驗制備耗材、儀器選用。根據(jù)金屬擋板的機械結(jié)構(gòu)，避免壓電晶體黏合后對金屬擋板的機械特性產(chǎn)生較大影響，選購厚度約為0.28 mm的方形壓電晶體作為實驗主要耗材；實驗所需的基本耗材有超細纖維無塵布、丙酮溶劑、光纖棉簽、聚四氟乙烯膠帶、495膠水、軟泡沫、高硬度鋼板、雙氧水及金屬導線等；實驗所需儀器有高精度三維手動平移臺、精密刻度尺、電烙鐵等。

3.2 壓電黏合體制備及建模

以8刀電磁選針器為測試原型，實驗對象同2.2小節(jié)，將其擋板拆卸備用。實驗制備關(guān)鍵步驟如下：首先基于實驗需求通過金屬尖頭雕刻刀完成壓電晶體的切割塑形，利用無塵布、丙酮溶劑等對擋板表面進行深度清洗；接著用膠帶固定擋板和壓電晶體的相對位置形成穩(wěn)定的鉸鏈狀結(jié)構(gòu)，如圖4(a)所示，并將擋板表面除鉸鏈結(jié)構(gòu)外的部分用聚四氟乙烯膠帶粘貼覆蓋；再次清洗后于黏合面上均勻涂抹495膠水，蓋上壓電晶體后通過重鋼板按壓使其黏合過程受力均勻，并于晶體上覆蓋一層聚四氟乙烯膠帶，依序蓋上泡沫、鋼板，利用金屬夾扣完成固定，靜置24 h后取下聚四氟乙烯膠帶，黏合過程分層示意圖如圖4(b)所示；清洗后取雙氧水滴于黏合體左側(cè)表面，將電極線置于雙氧水中配以特制焊錫絲完成電極制作。引出電極待焊點冷卻完成黏合體制備，其物理結(jié)構(gòu)模型如圖4(c)所示。

圖4 壓電黏合體制備關(guān)鍵步驟及物理模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of key steps and physical model of piezoelectric adhesive assembly.(a) Fixed a position by means of hinges before fusing;(b) Hierarchical diagram of bonding process;(c) Physical structure model of adhesive body

3.3 壓電黏合體可靠性分析

由于所設(shè)計的壓電黏合體的制備方案在實驗室制備過程中易出現(xiàn)工藝誤差，存在以下常見問題：晶體定形過程中易因受力不均勻造成晶體內(nèi)部出現(xiàn)分層及不規(guī)則裂紋等現(xiàn)象；黏合過程中易因495膠層涂制不均勻?qū)е吗ず闲Ч焕硐?；電極制備過程中易因焊點過大而致黏合體自身機械特性發(fā)生改變。

以上問題皆會直接影響壓電黏合體的阻抗頻譜特性，以致其導納特性圓圖存在寄生小圓或其電導曲線圖呈現(xiàn)多峰等現(xiàn)象，據(jù)此對制成的壓電黏合體進行阻抗計算、分析以驗證實驗制備成品的力學性能、耦合效果是否滿足選針器穩(wěn)定工作的條件，篩選性能優(yōu)良的成品進行可靠性分析。

本文實驗選取WK6500B系列(深圳市穩(wěn)科電子儀器有限公司)1J6520B型阻抗分析儀，通過阻抗分析儀對實驗所制多組黏合體進行阻抗特性分析。測試電壓設(shè)置為1 V，不加設(shè)偏置電流，初始掃頻區(qū)間為0 ～100 kHz，以黏合體的優(yōu)良成品為例，掃頻所得導納曲線如圖5所示。

圖5 壓電黏合體(成品)的電導曲線Fig.5 Conductivity graph of piezoelectric adhesive assembly (end product)

由圖5可得，實驗所制性能優(yōu)良的黏合體其前四階自振頻率約為36、42、48、86 kHz，遠高于實際電磁選針器的工頻(40～80 Hz)，據(jù)此將第一階自振頻率作為黏合體于選針器工況下的主要特征頻率，并對其并進行頻譜特性分析。針對實驗所制黏合體的第一階自振頻率所處區(qū)間進行重復掃頻獲得清晰曲線，實驗所制黏合體的成品和次品及二者的RLC(由電阻R、電感L、電容C組成的電路結(jié)構(gòu))電路等效模型的電導曲線分別如圖6所示。

圖6 壓電黏合體等效電路模型擬合曲線Fig.6 Fitting curve of equivalent circuit model of piezoelectric adhesive assembly.(a) Finished product and its equivalent circuit model;(b)Ungraded product and its equivalent circuit model

從圖6可看出，在外部條件一致的前提下壓電黏合體成品與次品的電導曲線差異明顯。圖6 (a)所示成品圖中電導曲線光滑無雜波，呈現(xiàn)穩(wěn)定的波峰，一定程度上驗證了成品具備優(yōu)良的耦合特性，其第一階自振頻率約為36.31 kHz，滿足電磁選針器工況要求。圖6 (a)中還示出由阻抗分析擬合所得等效電路模型下的電導特性曲線，其RLC參數(shù)分別為R1=401.43 Ω，L1=649.13 mH，C1=29.796 pF，C0=4.749 7 nF。其中：R1、C1和C0分別為壓電黏合體的動態(tài)電阻、電容和靜態(tài)電容；L1為壓電黏合體的等效電感。L1、R1、C1實際與壓電黏合體的質(zhì)量、內(nèi)摩擦因數(shù)以及彈性系數(shù)相關(guān)，在簡易處理求等效電路模型時將這三者模擬為電學量處理[11]。二者特性曲線基本貼合進一步驗證了成品的可靠性。

圖6(b)中次品的電導曲線平滑度不高，局部波動明顯，存在多峰現(xiàn)象，呈現(xiàn)出壓電黏合體耦合性能較差的阻抗特性，也一方面驗證了工藝誤差帶來的不穩(wěn)定性。圖6(b)中還示出次品等效電路模型的擬合電導特性曲線，其RLC參數(shù)分別為：R1=1 kΩ，L1=12.5 mH，C1=105.60 pF，C0=4 nF。盡管其第一階自振頻率接近145.5 kHz，滿足工況需求，但等效電路的擬合曲線與次品特性曲線差異較大，進一步驗證了次品在等效電路模型的構(gòu)建上存在不可靠性。據(jù)此認為，壓電黏合體成品的耦合性能較佳，符合實驗及選針工況要求。

4 選針動作檢測方案可行性分析

將實驗制備所得的壓電黏合體成品與選針器殼體完成裝配，將正負電極通過導線引至高性能示波器，實驗控制變量為電源驅(qū)動電壓(與激光測振實驗一致)，檢測選針器于不同驅(qū)動電壓下壓電黏合體輸出電壓的信號波形，通過時、頻域進行綜合分析以驗證利用壓電黏合體完成動作信號檢測方案的可行性。

4.1 壓電黏合體的振動檢測實驗

實驗平臺同激光測振實驗，完成壓電黏合體裝配后，引出黏合體表面的正負電極線至MSO9404A型示波器，采樣頻率設(shè)為每秒10萬個樣本，其他變量控制及實驗條件同測振實驗。以驅(qū)動電壓24 V為例，圖7為壓電黏合體輸出電壓波形示意圖。

圖7 壓電黏合體輸出電壓波形示意圖Fig.7 Schematic diagram of waveform of output voltage of piezoelectric adhesive assembly.(a) Part of complete waveform of output voltage;(b) Output voltage waveform when head swings upward;(c) Output voltage waveform when head swings downward

實驗以2 V電壓為電壓間隔，電壓測試區(qū)間為18～28 V，于不同驅(qū)動電壓下分別存儲100組壓電黏合體的輸出電壓波形，將其采樣點數(shù)據(jù)導出后通過電腦端進行數(shù)據(jù)處理，篩選不同驅(qū)動電壓下100組輸出電壓波形的峰值進行取算數(shù)平均處理，所得波峰均值數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 壓電黏合體輸出電壓信號波峰均值Tab.2 Average value of output voltage signal peaks of piezoelectric adhesive assembly

4.2 振動檢測實驗數(shù)據(jù)時頻域分析

時域分析：從表2數(shù)據(jù)看出，驅(qū)動電壓接近 18 V 時，由于壓電黏合體自身應(yīng)變傳遞較為微弱，壓電晶體無法有效感知應(yīng)力傳播信號，輸出電壓為等幅雜波，無明顯波峰，判斷刀頭向上動作為失效狀態(tài)。驅(qū)動電壓為20～28 V時，伴隨驅(qū)動電壓的升降，壓電黏合體輸出電壓信號成正比例升降趨勢，且輸出電壓區(qū)分度合理，可設(shè)定工況下黏合體輸出電壓峰值的有效誤差區(qū)間，將其作為選針器動作是否有效的依據(jù)。

頻域分析：由于壓電黏合體完成實際裝配后其機械耦合特性發(fā)生變化，趨向于復雜化，根據(jù)此對振動信號進行頻譜分析以驗證壓電黏合體在實際應(yīng)用場景下的可靠性。利用MatLab軟件的快速傅里葉變換算法[12]，針對驅(qū)動電壓于20～28 V區(qū)間變化時壓電黏合體的輸出電壓信號進行頻域計算分析。

為突出輸出電壓信號點數(shù)據(jù)在頻域分析中的表象直觀性，選用Hann窗函數(shù)，可使信號在結(jié)束處能夠逐步衰減平滑過渡到截斷處[13]。據(jù)此對壓電晶體輸出電壓信號的采樣點數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變化處理。改變驅(qū)動電壓數(shù)值時，圖8(a)、(b)分別示出驅(qū)動電壓為28 V時刀頭向上擺擊和向下擺擊時的輸出電壓信號頻譜圖，以驅(qū)動電壓26、24 V為例時刀頭部件向下擺擊所得壓電黏合體的輸出電壓信號頻譜圖如圖8(c)、(d)所示。

圖8 不同驅(qū)動電壓下壓電黏合體輸出信號頻譜圖Fig.8 Frequency spectra of output signal of piezoelectric adhesive assembly under different driving voltages.(a) 28 V(up);(b) 28 V(down);(c) 26 V(down);(d) 24 V(down)

由圖8(a)、(b)對比可得：驅(qū)動電壓不變，刀頭部件向下擺擊時的信號幅值在黏合體受迫振動的前三階特征頻率下均高于其向上擺擊時的幅值，據(jù)此說明激光測振實驗中單圖橫向?qū)Ρ确治鼋Y(jié)果的合理性；驅(qū)動電壓不變，壓電黏合體的前三階特征頻率在刀頭上下擺擊過程中呈現(xiàn)一致性，側(cè)面驗證了成品壓電黏合體與外殼的耦合特性較佳；獲取黏合體第一階特征頻率的取值區(qū)間(200 Hz附近)，將其作為選針動作時黏合體的第一階自振頻率，由于工況下選針頻率一般接近50 Hz，高頻選針時趨于80 Hz，據(jù)此可得其第一階自振頻率為工頻的2.5～4倍，滿足選針器作業(yè)條件，工況下不會引起黏合體自振。

由圖8 (b)～(d)可得，驅(qū)動電壓等幅降低時，壓電黏合體前三階特征頻率的分布區(qū)間基本一致，其信號幅值呈現(xiàn)出正向比例的降低趨勢，與激光測振實驗中的多圖橫向分析趨勢一致。

由于壓電黏合體受迫振動時產(chǎn)生的應(yīng)力波在壓電晶體有效感應(yīng)面積內(nèi)擴散，導致晶體內(nèi)部電荷分布差異從而以電壓信號的形式進行反饋；而激光測振實驗是針對選針動作時擋板中心點的振動參數(shù)進行采集分析，據(jù)此驗證了擋板的點、面特性與驅(qū)動電壓的變化一致性，即通過壓電黏合體(作為傳感元器件)實時監(jiān)測其自身受迫振動過程的電壓信號，以判斷工況下電磁選針可靠性的方案具備一定可行性。

5 選針器動作信號檢測方案設(shè)計

5.1 動作信號檢測電路設(shè)計

由4.2節(jié)頻域分析可得壓電黏合體與選針器完成裝配后其具備新的機械耦合特性，其電導曲線與圖9(a) 示出的成品特性曲線會存在差異，以致影響其等效電路模型的建立。據(jù)此針對其作為裝配體一部分時的阻抗特性進行測量、分析，測量過程同3.3節(jié)，初始掃頻范圍改為400 Hz～1 MHz，并根據(jù)具體波形逐步縮小掃頻區(qū)間以獲得第一階特征頻率的完整曲線，基于此利用阻抗分析儀獲得等效電路模型，其RLC參數(shù)分別為：R1=814.26 Ω，L1=12.34 mH，C1=104.35 pF，C0=4 nF。

圖9 信號檢測電路部分示意圖Fig.9 Schematic diagram of signal detection circuit.(a) Charge amplifier module;(b) Supplementary module for actual circuit design

壓電黏合體由于受到刀頭擺擊的沖擊力發(fā)生應(yīng)力應(yīng)變時，其上、下電極面會產(chǎn)生等量的極性相反的電荷從而輸出電壓信號[14]。為直觀地體現(xiàn)其作為一個容性為主的電荷發(fā)生器，據(jù)此將其等效為一個電荷源Q和電容Cq的并聯(lián)形式，如圖9(a)所示。

信號檢測電路設(shè)計關(guān)鍵點(信號獲取為主)包括：1)由于壓電晶體的輸出阻抗極高，考慮其實際輸出電荷量極小且在實際裝配及電路設(shè)計應(yīng)用中存在其他影響因素，據(jù)此選用合適的電荷放大器搭建振動信號初級放大電路，通過測量壓電晶體產(chǎn)生的電荷量[15]等效測量其應(yīng)變程度：2)壓電晶體本身存在電荷泄露現(xiàn)象，考慮其泄露電阻R2；其通過正負電極線將信號傳遞至電磁選針器驅(qū)動電路板，考慮電極線之間的等效電容C3；3)其輸出信號需經(jīng)過驅(qū)動電路板上的電荷放大器進行信號放大再處理，據(jù)此電荷放大器的等效輸入電容C4及輸入電阻R3不可忽視。

圖9(a)中C5為電荷放大器A的反饋電容，選用高容值的聚苯乙烯電容(穩(wěn)定性高)。由于壓電黏合體受力產(chǎn)生的電荷量非常微弱，為減少電荷泄露，選擇具備高等效輸入阻抗、低偏置電流、高增益等特性的電荷放大器[16]。由于選針器工作頻率處于低頻段，因此為保證盡可能低的下限截止頻率，R4采用高反饋電阻[17]。

實際信號檢測電路設(shè)計補充方案如圖9(b)所示，考慮壓電黏合體引出的正負電極線傳輸過程存在的噪聲干擾，在電荷放大器的反向輸入端增加電阻Rs，防止信號由于噪聲干擾直接作用于反向輸入端而導致電荷放大器損壞；為防止傳輸電壓出現(xiàn)過高、過低現(xiàn)象影響電荷放大器工作，設(shè)計使用D1和D22個穩(wěn)壓二極管構(gòu)成穩(wěn)壓保護電路，器件設(shè)計可選擇低泄露開關(guān)二極管BAV199來實現(xiàn)D1和D2的功能。

5.2 振動信號檢測機制構(gòu)建及程序架構(gòu)設(shè)計

基于電磁選針器實際提花工況構(gòu)建振動信號檢測機制，如圖10 (a)所示。機制構(gòu)建原理為：以選針器16個1組為例，圓緯機主控模塊發(fā)出的每條選針器動作指令等效于改變每組中指定選針器刀頭部件的狀態(tài)。當選針器主控芯片接收主控指令并進行解析后，執(zhí)行動作指令到芯片接收到刀頭撞擊黏合體產(chǎn)生的振動信號之間的時間差基本一致，因此可以設(shè)置選針器刀頭部件上、下擺擊過程所對應(yīng)的 2個時間差的容錯范圍來判斷選針器刀頭執(zhí)行動作指令的提花有效性。

圖10 振動信號檢測程序架構(gòu)及容錯機制Fig.10 Program architecture and fault tolerance mechanism of vibration signal detection.(a) Fault-tolerant mechanism of vibration detection;(b) Architecture of vibration detection program

由4.1節(jié)實驗中觀察多組壓電黏合體的輸出電壓波形可得，驅(qū)動電壓不變時，在刀頭部件往復擺擊過程中，其對應(yīng)刀頭部件上、下擺擊到位的振蕩波形峰值具有一定的穩(wěn)定性，重復性擺擊過程中基本保持一致，因此通過設(shè)置2個合理的波峰閾值作為核心芯片接收到黏合體反饋的有效振動信號的判斷依據(jù)。據(jù)此設(shè)定有效的動作時間容錯范圍，控制針織圓緯機主控系統(tǒng)重復性下發(fā)動作指令，通過選針器控制芯片記錄每次執(zhí)行動作指令開始至接收到中斷觸發(fā)信號之間的時間差，分別建立對應(yīng)刀頭上、下擺擊動作執(zhí)行過程的2個關(guān)于時間差的數(shù)據(jù)庫，再對其進行數(shù)據(jù)分析后設(shè)置合理的容錯區(qū)間。

程序架構(gòu)設(shè)計主要包括程序執(zhí)行流程和異常處理機制。程序執(zhí)行流程：當選針器核心芯片解析動作指令后進入動作執(zhí)行模塊前定時器開始計時，核心芯片實時接收黏合體反饋的振動采樣點信號，當振動信號數(shù)據(jù)值進入合理的峰值閾值容錯區(qū)間內(nèi)，即產(chǎn)生中斷觸發(fā)信號，計算時間差數(shù)據(jù)并判斷時間差是否在合理的容錯范圍內(nèi)。異常處理機制：當振動信號數(shù)據(jù)值長時間未進入合理的峰值閾值容錯區(qū)間或觸發(fā)中斷后其時間差數(shù)據(jù)不在合理容錯范圍內(nèi)，則記錄電路異常信號，停止執(zhí)行后續(xù)選針信號，控制報警燈以固定頻率閃爍，并將電路異常信號反饋至主控系統(tǒng)。振動信號檢測程序框圖如圖10(b)所示，其中Rup和Rdown分別表示刀頭部件上、下動作的容錯范圍。

據(jù)此構(gòu)建基于選針器動作狀態(tài)檢測的反饋機制，為判斷工業(yè)現(xiàn)場下選針器提花是否有效提供了新的思路。

6 結(jié)束語

本文基于壓電陶瓷傳感特性，針對電磁選針器選針動作信號的自檢測技術(shù)進行了研究。首先通過設(shè)計激光測振實驗，驗證通過采集擋板受迫振動的沖擊力信號的數(shù)據(jù)并將其作為選針動作有效性判定依據(jù)的可行性。其次設(shè)計制備壓電黏合體，通過阻抗分析儀測量實驗驗證其作為振動檢測載體的可靠性；并將其裝配于選針器殼體，通過振動檢測實驗校對驗證其于電磁選針工況頻率下作為選針動作檢測部件的合理性。最后通過設(shè)計信號檢測電路，構(gòu)建振動信號檢測機制以完善基于振動信號檢測反饋機制的電磁選針器自偵錯技術(shù)，為解決因圓緯機臺的封閉式布局導致無法檢測選針動作有效性的問題提出了新的實施策略，可于工況下實時監(jiān)測提花動作，有效降低了因選針提花動作失效帶來的布匹錯花、亂花等現(xiàn)象，提高布匹出廠的成品率，具備一定的工程應(yīng)用前景。

由于實驗條件限制，考慮壓電黏合體的批量化生產(chǎn)以及有效應(yīng)用，提高壓電黏合體的制備成品率，優(yōu)化振動信號檢測容錯機制是后續(xù)需要深入研究的工作。

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