劍麻繩芯直徑測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)

明鑫，覃秀鳳，莫建恒

（1.廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530226；2.廣西劍麻集團(tuán)山圩劍麻制品有限公司，廣西 扶綏 532100）

劍麻纖維具有質(zhì)地堅(jiān)硬、韌性良好、表面粗糙、吸放濕快、抗腐蝕性強(qiáng)、耐磨、沒(méi)有靜電等幾個(gè)非常獨(dú)特的特點(diǎn)，它是一種優(yōu)異的硬質(zhì)類(lèi)纖維材料，產(chǎn)量約占全球硬質(zhì)類(lèi)纖維材料總量的六成[1]。劍麻纖維能加工成劍麻繩芯，它是電梯鋼絲繩繩芯的一個(gè)重要原材料之一。劍麻繩芯在鋼絲繩中能對(duì)繩股產(chǎn)生儲(chǔ)油潤(rùn)滑和輪廓支撐的作用，因此鋼絲繩在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)時(shí)都能保證整繩完整的結(jié)構(gòu)和均勻的通條性能[2]。

在鋼絲繩用劍麻繩芯標(biāo)準(zhǔn)GB/T15030-2009及《鋼絲繩芯用劍麻紗》NT/T1523—2007標(biāo)準(zhǔn)中[2，3]，對(duì)利用劍麻繩芯充當(dāng)鋼絲繩芯進(jìn)行了明確的要求。繩芯必須能夠充分支撐鋼絲繩股，保證每股之間留有充足的間隙。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，大多數(shù)劍麻繩芯的直徑一般要求3～15 mm，且直徑誤差在±5%之內(nèi)的為合格產(chǎn)品，直徑誤差在±3%之內(nèi)的為優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。不同品質(zhì)的劍麻繩芯產(chǎn)品銷(xiāo)售價(jià)格有很大的差別。因此，在生產(chǎn)劍麻繩芯的過(guò)程中，對(duì)繩芯直徑這個(gè)參數(shù)的測(cè)量及控制是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，能直接影響到產(chǎn)品的品質(zhì)和銷(xiāo)售價(jià)格。

劉震等[3]根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際明確指出三股和四股構(gòu)成的劍麻繩芯應(yīng)用較廣泛，依照支數(shù)和線(xiàn)密度可以計(jì)算得出劍麻紗線(xiàn)的直徑。生產(chǎn)紗條產(chǎn)品支數(shù)的誤差范圍在±8%，紗線(xiàn)的不勻率誤差范圍在±5%的通條均勻。最好使用自帶推力測(cè)量裝置的數(shù)字顯示式游標(biāo)卡尺，從而確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。《劍麻鋼絲繩芯》特別指出，繩芯直徑的測(cè)量應(yīng)該在一定的預(yù)張力下進(jìn)行，由于劍麻芯的彈性沒(méi)有一般人造纖維芯的彈性大，可用卡尺直接測(cè)量。過(guò)惠成[4]對(duì)使用劍麻繩芯作為電梯鋼絲繩芯的結(jié)構(gòu)、劍麻紗條的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及繩芯捻制的質(zhì)控要素做了比較詳實(shí)的研究。用在電梯鋼絲繩內(nèi)的劍麻繩芯一般由分3股或者4股構(gòu)成，常見(jiàn)的直徑數(shù)值是4.8～13 mm，捻距的經(jīng)驗(yàn)值為繩芯直徑數(shù)值的3～4倍。她還提出了一種利用鋼絲繩直徑、捻制系數(shù)、鋼絲繩股數(shù)來(lái)間接確定劍麻繩芯直接的計(jì)算方法。

目前國(guó)內(nèi)劍麻加工企業(yè)主要分布在南方幾省，只有廣東和廣西有為數(shù)不多的企業(yè)具有劍麻繩芯生產(chǎn)加工的能力。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有設(shè)備在生產(chǎn)繩芯的捻股和合繩環(huán)節(jié)可以通過(guò)改變股數(shù)和調(diào)節(jié)單股張力、捻距的方式來(lái)調(diào)整繩芯的直徑。這些數(shù)據(jù)都是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)值來(lái)設(shè)定。成品直徑通過(guò)數(shù)字顯示游標(biāo)卡尺來(lái)測(cè)量，只能做到人工抽樣檢測(cè)。在生產(chǎn)過(guò)程中劍麻繩芯會(huì)卷成捆，按照目前的方法只能抽檢最外層的繩芯直徑，里面部分由于已經(jīng)被遮擋不便抽檢。這對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)控帶來(lái)很大的困難。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外的科技工作者對(duì)劍麻的種植、加工、繩芯應(yīng)用等環(huán)節(jié)都有相關(guān)研究，特別是關(guān)于劍麻繩芯對(duì)改變鋼絲繩特性的作用方面有了統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)不同鋼絲繩產(chǎn)品中劍麻繩芯的直徑的要求做了明確規(guī)定。但是，在劍麻繩芯加工生產(chǎn)環(huán)節(jié)對(duì)繩芯直徑的測(cè)量、控制及溯源等環(huán)節(jié)還存在較大的不足。

因此，本文研究設(shè)計(jì)一種劍麻繩芯直徑的取樣傳感器，安裝于劍麻繩芯成品打捆工序之前。此裝置能實(shí)時(shí)采樣測(cè)量當(dāng)前繩芯的直徑數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)反饋給在捻股和合繩生產(chǎn)設(shè)備，以便設(shè)備能自動(dòng)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，確保繩芯產(chǎn)品直徑達(dá)到質(zhì)量要求。

1 設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的劍麻繩芯直徑測(cè)量傳感器能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量劍麻繩芯直徑，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給原有生產(chǎn)設(shè)備。原設(shè)備包括捻股合繩設(shè)備、壓繩機(jī)構(gòu)、燒毛刺設(shè)備、打捆設(shè)備及觸摸屏，是典型的開(kāi)環(huán)式系統(tǒng)。繩芯的直徑只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)置控制。設(shè)計(jì)的取樣傳感器，包括繩芯直徑取樣機(jī)構(gòu)、激光測(cè)距模塊、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊。取樣傳感器安裝在劍麻繩芯成品打捆工序之前。本裝置有實(shí)時(shí)采樣測(cè)量當(dāng)前繩芯的直徑數(shù)據(jù)，將繩芯的直徑數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式之后發(fā)送給原有的生產(chǎn)設(shè)備的功能。

2 直徑取樣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于劍麻繩芯是由多股細(xì)繩合股捻制而成，成品的繩芯并不是一條光滑的線(xiàn)狀外觀，而是一條呈現(xiàn)凹凸起伏的麻花狀繩線(xiàn)。為了能夠?qū)崟r(shí)獲取此特殊形狀的繩芯直徑數(shù)值，設(shè)計(jì)一個(gè)如圖1所示的繩芯直徑取樣機(jī)構(gòu)，再利用激光測(cè)距模塊就可以準(zhǔn)確地取樣單點(diǎn)的繩芯直徑[5]。

圖1 取樣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

取樣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是一個(gè)水平安裝于車(chē)間地面的裝置，其底座是尺寸為30 mm×50 mm的矩形呂質(zhì)構(gòu)造，四周留φ8 mm安裝孔。底座的左右兩端居中位置設(shè)置有兩個(gè)導(dǎo)向輪，此導(dǎo)向輪分別通過(guò)4顆螺釘固定在底座上。兩個(gè)導(dǎo)向輪的凹槽處于同一平面，確保測(cè)量的時(shí)候劍麻繩芯穿過(guò)這兩個(gè)導(dǎo)向輪后不發(fā)送扭曲。底座的中間位置設(shè)置了一個(gè)由左側(cè)板、右側(cè)板和頂板組成的龍門(mén)架結(jié)構(gòu)，它們通過(guò)六角緊固螺釘與底板鎖緊。頂板與底板之間設(shè)置有一個(gè)豎直前輥筒，此滾筒通過(guò)上下法蘭固定與頂板與底板之間，因此它與底板的相對(duì)位置固定。頂板下方設(shè)有一個(gè)長(zhǎng)15 mm水平直線(xiàn)導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上安裝一個(gè)能沿著導(dǎo)軌方向前后移動(dòng)的滑塊?；瑝K下方設(shè)置一個(gè)豎直安裝一個(gè)后輥筒，后輥筒上端通過(guò)法蘭固定在滑塊上，輥筒下端為只有活動(dòng)端。兩個(gè)豎直輥筒所在的豎直面與兩個(gè)導(dǎo)向輪所在的平面相互垂直。后輥筒上端的法蘭與門(mén)框的擋板之間用一條彈簧連接，由于彈簧的拉力作用保證了兩個(gè)輥筒緊密接觸，當(dāng)繩芯穿過(guò)兩個(gè)輥筒之間時(shí)，后輥筒相對(duì)前輥筒的移動(dòng)的距離即為此處繩芯的直徑。上述移動(dòng)的距離由安裝在前擋板上的激光測(cè)距模塊測(cè)出。激光測(cè)距模塊發(fā)射和接收的光束通過(guò)前擋板的開(kāi)口，從門(mén)架外側(cè)指向門(mén)架內(nèi)的滑塊側(cè)表面。以上結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒗K芯的直徑轉(zhuǎn)換為兩個(gè)輥筒之間的移動(dòng)距離，最終通過(guò)激光測(cè)距模塊測(cè)出。

2.2 測(cè)量策略

由于劍麻繩芯產(chǎn)品的物理特點(diǎn)，成品麻繩芯由多股細(xì)繩纏繞捻制得來(lái)。成品劍麻繩芯表面并不是光滑的構(gòu)造，而是呈現(xiàn)麻花狀外形。由于節(jié)約傳感器空間和節(jié)省生產(chǎn)成本的原因，在麻繩的截面上取樣機(jī)構(gòu)只使用了一對(duì)夾持的輥筒來(lái)獲取直徑數(shù)據(jù)。而沒(méi)有在麻繩走向的垂直面設(shè)置多對(duì)夾持輥筒來(lái)采集多點(diǎn)直徑數(shù)據(jù)。所以此取樣機(jī)構(gòu)在某一時(shí)間點(diǎn)得到的繩芯直徑數(shù)值并不是實(shí)際結(jié)果，而是在某一小范圍內(nèi)反復(fù)波動(dòng)的數(shù)值。為了得到繩芯直徑的實(shí)際數(shù)值，需要配合單片機(jī)程序?qū)σ欢芜B續(xù)采集的繩芯直徑數(shù)值進(jìn)行誤差修正。之后將此修正后的直徑數(shù)據(jù)發(fā)送給原有的生產(chǎn)設(shè)備。經(jīng)過(guò)不斷的測(cè)試和對(duì)比調(diào)試，單片機(jī)程序采用了以下公式來(lái)計(jì)算繩芯的直徑：

式中，d為最終得到的某段劍麻繩芯的實(shí)際直徑數(shù)值；m為表示激光測(cè)距模塊測(cè)量的次數(shù)，取值1，2，3……，取值越高意味著選取來(lái)評(píng)估該段繩芯直徑的取樣長(zhǎng)度就越長(zhǎng)；dn為表示激光測(cè)距模塊測(cè)得的某次直徑數(shù)值；s為表示麻繩的捻距；c為表示麻繩的捻制股數(shù)，此參數(shù)視生產(chǎn)情況而定；f為表示激光測(cè)距傳模塊的測(cè)量頻率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)此頻率的范圍在5 Hz～20 Hz為宜。

3 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊

劍麻繩芯直徑生產(chǎn)設(shè)備的控制核心為型號(hào)較老舊的工控機(jī)，數(shù)據(jù)接口只有常規(guī)的RS485、RS232、USB接口和網(wǎng)口，而激光傳感器輸出信號(hào)為0～5 V或者4～20 mA的模擬量形式。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊，讀取激光測(cè)距模塊輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過(guò)RS485總線(xiàn)輸出給工控機(jī)，以便工控機(jī)能實(shí)時(shí)獲取繩芯直徑數(shù)據(jù)做后續(xù)處理。數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊原圖如圖2所示，印制電路板物如圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊原理

圖3 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊實(shí)物

3.1 電路分析

圖4中，H3為整個(gè)電路的供電端子，輸入電源電壓為5 V直流。H2端子為激光傳感器電壓輸入端子，經(jīng)電壓跟隨器U3緩沖后輸入單片機(jī)模擬轉(zhuǎn)換端口ADC3，ZD1起到輸入保護(hù)作用。因輸入端子的輸入電壓范圍為0～5 V，為了保證近運(yùn)放之后輸出的電壓能達(dá)到0～5 V的范圍，選取U3型號(hào)為L(zhǎng)MV321IDBVR。它是一款典型的軌到軌運(yùn)算放大器，它能保證輸出電壓的擺幅達(dá)到電源電壓幅度，即傳感器輸入電壓在0～5 V時(shí)，U3的4腳輸出電壓為0～5 V[6]。

U1為模塊的控制核心STC15W404AS，它是一款性?xún)r(jià)比很高的單片機(jī)，具有較寬的電源電壓，4K程序儲(chǔ)存器和512ByteRAM應(yīng)用在此場(chǎng)景還有冗余空間。該芯片具有8通道的10位ADC，能實(shí)現(xiàn)傳感器輸入信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換[7]。UART接口能將換算的結(jié)果串行發(fā)送給U2。

U2型號(hào)號(hào)為MAX48CSA，它是典型的SOIC-8封裝。U2的1腳RO將485轉(zhuǎn)換之后的串行數(shù)據(jù)送單片機(jī)RXD引腳。DI引腳接收單片機(jī)發(fā)送的串行數(shù)據(jù)，U2將它轉(zhuǎn)換為485信號(hào)之后從AB輸出。RE和DE引腳為數(shù)據(jù)方向控制引腳，低電平時(shí)接收數(shù)據(jù)，高電平時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。

D1為485總線(xiàn)上的保護(hù)器件，使其端口免受ESD、EFT和雷電導(dǎo)致的浪涌電流的沖擊。PSM712瞬態(tài)抑制TVS二極管陣列是專(zhuān)為保護(hù)具有非對(duì)稱(chēng)工作電壓的RS-485應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，它能夠吸收反復(fù)性ESD放電，同時(shí)在極低的箝位電壓下安全地耗散19A的8/20 μs波形浪涌電流，具有很高的可靠性[8]。

3.2 轉(zhuǎn)換模塊程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序的核心部分：外部輸入電壓的測(cè)量，由于本電路中單片機(jī)的ADC沒(méi)有連接外部參考電壓，把外部的5 V電壓當(dāng)做電壓基準(zhǔn)。這樣測(cè)量的結(jié)果會(huì)存在一定的誤差，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的電壓并不是標(biāo)準(zhǔn)的5 V，而是存在一定的波動(dòng)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，單片機(jī)內(nèi)部提供了一個(gè)1.19 V的高精準(zhǔn)參考電壓源，為ADC的第15通道。

為了測(cè)量通道3的收入電壓（激光傳感器的輸入電壓），首先測(cè)量一次1.19 V的這個(gè)基準(zhǔn)電壓源，反算出電源電壓V1。立即再次測(cè)量一次輸入通道3的值，利用前次得出的V1就能計(jì)算出輸入通道3的實(shí)際電壓值了。這樣操作的一個(gè)前提就是，在這樣一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)單片機(jī)的電源電壓沒(méi)有產(chǎn)生波動(dòng)。

幾個(gè)關(guān)鍵的函數(shù)如下。AdcInit（）函數(shù)為ADC的初始化函數(shù)，每次測(cè)量之前調(diào)用。GetVolt（）函數(shù)為ADC的測(cè)量函數(shù)，輸入?yún)?shù)為1時(shí)測(cè)量3通道的值，輸入?yún)?shù)為2時(shí)測(cè)量基準(zhǔn)電壓通道的值。Measure-Data（）函數(shù)為測(cè)量并換算3通道最終電壓的函數(shù)，返回值為3通道電壓擴(kuò)大1000倍的數(shù)值。

void AdcInit（void）

{

P_SW2=0X80； //允 許 訪 問(wèn) 擴(kuò) 展RAM區(qū)的特殊功能寄存器

AdcTim|=0X3F；

AdcCfg=0x2f； //轉(zhuǎn)換結(jié)果右對(duì)齊

Adc_Contr=0x80； //使能ADC模塊

}

unsigned int GetVolt（unsigned char channel）

{ unsigned int vlot；

switch（channel）

{

case 1：Adc_Contr=Adc_Contr|0x40|0x01；

//啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換 通道1

break；

case 2：Adc_Contr=Adc_Contr|0x40|0x0f；

//測(cè)量?jī)?nèi)部1.19V標(biāo)準(zhǔn)電壓

break；

default：

break；

}

_nop_（）；

_nop_（）；

while（!（Adc_Contr & 0x20））； //查詢(xún)ADC轉(zhuǎn)換是否完成

Adc_Contr &=～0x20； //清除轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志

vlot=（Adc_Res＜＜8）|Adc_Resl； //讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果

Adc_Contr &=～0x40；

return vlot；

}

unsigned int MeasureData（void）

{

unsigned int V119，Vinput；

unsigned int Volt；

AdcInit（）；

V119=GetVolt（2）；

AdcInit（）；

Vinput=GetVolt（1）；

Volt=（unsigned int）（（Vinput*1190.0）/V119）；

return Volt；

}

4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

將劍麻繩芯測(cè)量傳感器用4顆φ10mm膨脹釘固定在設(shè)備兩立柱之間的地面，繩芯通過(guò)兩導(dǎo)線(xiàn)輪穿過(guò)傳感器。將測(cè)量控制電箱安裝與立柱左邊位置，然后將電源線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)等按照規(guī)范鏈接，形成的新設(shè)備如圖4所示。

為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的可行性，將10組取樣機(jī)構(gòu)測(cè)量得到的劍麻繩芯直徑數(shù)據(jù)與游標(biāo)卡尺測(cè)得的直徑數(shù)據(jù)做了對(duì)比，見(jiàn)表1。

在此驗(yàn)證過(guò)中，把游標(biāo)卡尺測(cè)量的數(shù)據(jù)當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將取樣機(jī)構(gòu)測(cè)量的結(jié)果與之相減得到了10組誤差值，計(jì)算出這10組誤差值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.077。

表1數(shù)據(jù)表明，設(shè)計(jì)的傳感器與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器測(cè)量數(shù)值的誤差值分布在±0.1之內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差為0.077，測(cè)量的結(jié)果穩(wěn)定可靠，滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需求。

5 結(jié)語(yǔ)

新設(shè)計(jì)的劍麻繩芯直徑取樣傳感器的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器測(cè)量數(shù)值的誤差值為±0.1，標(biāo)準(zhǔn)差為0.077，可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，安裝于劍麻繩芯成品打捆工序之前，能夠?qū)崟r(shí)采樣測(cè)量當(dāng)前繩芯的直徑數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)反饋給在捻股和合繩生產(chǎn)設(shè)備，以便設(shè)備能自動(dòng)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，確保繩芯產(chǎn)品直徑達(dá)到質(zhì)量要求。本設(shè)計(jì)的劍麻繩芯直徑取樣傳感器切實(shí)可行，具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。