在线检测环锭细纱机纺纱张力的装置及方法与流程

本发明涉及一种在线检测环锭细纱机纺纱张力的装置及方法，属于纺纱技术领域。

背景技术：

环锭纺纱是对粗纱进行牵伸、加捻、卷绕工艺的纱线形成过程，纺纱过程中的纺纱张力是指经牵伸的纱条在加捻段、气圈段、卷绕段所受到的张力。通常将纱条由后喇叭口(或后罗拉钳口)至前罗拉钳口的这段区域称为纱条的牵伸区，由前罗拉钳口至导纱钩的这段区域称为纱条的加捻区；由导纱钩至钢丝圈的这段高速旋转的弧形纱条称为纱条的气圈区；由钢丝圈到高速旋转锭子上的卷绕点这段区域称为纱条的卷绕区。环锭纺纱过程中广义的纺纱张力是指纱条在加捻区、气圈区和卷绕区所受到的张力，分别被称为加捻区纱条张力、气圈区纱条张力和卷绕区纱条张力，也可分别简称为纺纱张力、气圈张力和卷绕张力。狭义的纺纱张力是特指在加捻段纱条所受的张力；气圈张力又分为气圈顶部张力和气圈底部张力。一般在锭子一个回转的加捻过程、纱管一个层级的卷绕过程和一落纱的纺纱过程中，由于纺纱过程中导纱板及纲领板有升降运动，同时气圈高度及形态、纱管卷绕半径等都时刻变化的，由此纱条所受张力都是动态变化的。由于环锭纺纱系统是一个高速旋转的柔性、非线性加工系统，一般认为，影响纺纱张力变化的因素应该包含锭子速度、气圈高度及形态、纱条细度、纲领板的位置及管纱卷绕半径、钢丝圈重量等因素，纺纱过程中纱条所受纺纱张力的变化是上述诸多因素非线性耦合及相互作用形成的结果，故纺纱过程纱条所受张力的变化是一个及其复杂的力学和非线性数学问题。

由于在纱线和织物的生产过程中，纱线张力值过大或其波动值超出允许范围将造成纺纱断头。纱线断头率是衡量纱线质量的一个重要指标，影响细纱的产量、质量及工人看台能力。因此在生产过程中测量纱线张力，对纱线张力的变化进行均衡性控制，将成为实现高速高效纺纱及黑灯纺纱的一个必要条件。在线检测环锭细纱机纺纱张力，是环锭纺纱技术进步进程中的一个重要课题。

国内外研究者对于上述问题的研究主要集中在以下两点：①建立力学模型，结合微分几何对纺纱过程中纱条张力及其变化规律进行数学解析，对纺纱张力及其变化进行预测；②数字化测量技术对实际纺纱过程中纺纱张力进行在线即时测量。

上世纪80年代，华东纺织工学院机械系陈人哲教授创立了纱线力学理论，以纺纱的加捻—卷绕过程中形成的气圈为研究对象，建立模型和数学解析方法，对气圈张力、气圈形态的形成及其控制进行了完美地解析，能对气圈张力及其影响因素进行定量分析，对气圈形态变化等进行准确预测，但需要实验手段进行验证。

对于纺纱张力的实验测试，目前普遍采用接触式测量法测量加捻段的纱条张力，对于气圈段张力、卷绕段张力还无法测量。在使用接触法测量纱线张力时，通过位于两个固定导轮中间的活动导轮感知纱线张力的手持式全数字式纱线张力仪，由于导轮与纱线直接接触，不但增加了额外的摩擦，还使纱条运动状态发生变化，由此改变了气圈原有的形态和原有的纺纱状态。这种接触式测量会造成较大的误差，测量结果不可复制，不宜用于长时间的在线检测，因此存在很多问题。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种在线检测环锭细纱机纺纱张力的装置及方法，能够对环锭纺纱过程中纱条的动态张力进行非接触测量。

按照本发明提供的技术方案，所述在线检测环锭细纱机纺纱张力的装置，其特征是：包括力传感器、位置传感器、cpu以及提供电压的稳压电源；所述力传感器嵌在导纱板上，导纱板由基座安装在细纱机导纱板升降杆横上，力传感器能够检测导纱板处的垂直力以及与导纱板安装面垂直的水平力；所述位置传感器设置在基座上，用于检测导纱板的位置；

所述力传感器和位置传感器的输出端连接信号采集单元，信号采集单元采集力传感器和位置传感器的输出信号，信号采集单元的输出端依次连接滤波放大器、a/d转换器和cpu，cpu根据力传感器和位置传感器的检测数据获取张力数据。

进一步的，还包括显示单元，显示单元与cpu连接。

所述在线检测环锭细纱机纺纱张力的方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)确定传感器的数据采集密度；

(2)纱线经导纱板时，张力对导纱板施加力，力传感器检测导纱板处的垂直力fz测及与导纱板安装面垂直的水平力fy测，位置传感器检测导纱板的位置zx，

(3)构建坐标系统：设导纱钩中心为o点，取x轴为过o点且平行于导纱板安装面的水平直线，取y轴为过o点且垂直于导纱板安装面的水平直线，取z轴为过o点且垂直于x-o-y平面的铅垂线，由此构建以导纱钩中心为原点的x-y-z三维空间坐标系；设纲领中心为o’，取过纲领中心o’且与x轴平行的直线为x’轴，取过纲领中心且与y轴平行的直线为y’轴，由此构建x’-y’-z三维空间坐标系；

(4)根据构建的坐标系进行受力分析，并由传感器采集的数据获取纺纱张力tf、气圈顶端张力tq、气圈底部张力tr和卷绕张力tω；

纺纱张力气圈顶部张力气圈底部张力卷绕张力其中，qz为导纱钩处支撑力q在z轴上的投影，qz＝fz测；μ为纱线与导纱钩的动摩擦系数；σ为纱线与导纱钩的包围角；β为顶部气圈切线与z轴的夹角，γ为加捻段纱线与y轴的夹角，ya为前下罗拉中心到导纱钩中心的距离，h为前罗拉中心到机台水平面的距离；m为气圈纱条的线密度；rg为纲领半径；ω为气圈回转角速度；k为卷绕张力tω与气圈底部张力tr的比值。

进一步的，所述数据采集密度设定为气圈回转速度的n倍或1/n倍。

进一步的，当测定一个气圈回转过程中的纺纱张力时，数据采集密度设定为1-4次/转；当测定一个卷绕层级过程中的纺纱张力时，数据的采集密度设定为1-2次/转；当测定整个落纱过程中的纺纱张力时，数据的采集密度设定为1次/转。

本发明所述在线检测环锭细纱机纺纱张力的装置及方法，对环锭纺纱过程中纱条的动态张力及其非接触测量方法进行研究，建立一种新的面向环锭纺纱系统的纱线张力在线检测装置，该装置对导纱板处的动态受力情况进行即时检测，在此基础上，以牵伸-加捻-卷绕等纺纱机构的力学模型和数学方程即时求解纺纱张力的动态变化规律。将即时动态监测与物理-数学方程求解相结合，由此得到纺纱锭子一个回转的加捻过程、纱管一个层级的卷绕过程和一落纱的纺纱过程中加捻区纱条张力、气圈区纱条张力、卷绕区纱条张力的瞬时变化。

附图说明

图1为本发明所述在线检测环锭细纱机纺纱张力的装置的原理框图。

图2为本发明所述在线检测环锭细纱机纺纱张力的装置的结构图。

图3为本发明所述在线检测环锭细纱机纺纱张力的装置的工作流程图。

图4为导纱钩和导纱板构建的坐标系中导纱钩处动态受力分析示意图。

图5为导纱钩处和纲领构建的坐标系中导纱钩处受力分析示意图。

图6为导纱钩受力分析示意图。

图7为图6中的i放大图。

图8为qy变化曲线示意图。

图9为气圈旋转对应位置示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

目前的纺纱过程如图2所示，纱条从后罗拉1处喂入、经过中罗拉2牵伸到前罗拉3握持、纱条经过导纱钩8加捻、锭子7回转带动纲领6在钢丝圈11上旋转形成气圈、纲领板12升降最后卷绕到纱管10上。在纺纱时，前罗拉至导纱钩之间构成纺纱段，纱线所受张力称为纺纱张力tf；导纱钩到钢丝圈之间构成气圈段，纱线所受张力分别为气圈顶部张力tq、气圈底部张力tr；钢丝圈到纱管之间构成卷绕段。

为能够实现环锭纺细纱机纺纱张力自动检测，需要满足四个功能要求：一是装置稳定，不影响员工接头、落纱和清洁工作；二是随纺纱张力的变化将信号自动采集的纺纱器材；三是将采集信号进行处理转换数据输出功能；四是得出测试结果在屏幕上显示、打印或应用于控制整机纺纱张力。根据上述四个功能制定如图1所示的总体方案，如图1、图2所示，本发明所述在线检测环锭细纱机纺纱张力的装置包括力传感器、位置传感器、信号采集单元、滤波放大器、a/d转换器、cpu、显示单元、以及稳压电源；其中，力传感器5内嵌在导纱板9上，导纱板9由基座4安装在细纱机导纱板升降杆横上，工作性能与同台其它导纱板一样；力传感器能够实现张力变化信号的自动采集，用于检测导纱板处的垂直力以及与导纱板安装面垂直的水平力，纺纱张力tf加捻卷绕时与气圈顶部张力tq的共同作用下，运动纱线经过导纱板时，对导纱板施加力，由于导纱板与力传感器联为一体，导纱板所受的力经力传感器产生信号；所述位置传感器设置在基座4上，位置传感器检测导纱板的位置，力传感器和位置传感器输出电压信号由信号采集单元采集后经过a/d转换器进行调理转换，再由cpu读取被测数据，并由显示单元进行显示；所述稳压电源用于给cpu等供电。

本发明所述在线检测环锭细纱机纺纱张力的装置的工作原理：当纱线经导纱板时，张力对导纱板施加力，力传感器和位置传感器将发生形变，产生随力变化的模拟电压信号，位置传感器输出随导纱板位置变化的模拟电压信号；模拟电压信号经过过滤放大后，再经a/d转换器，将其模拟量信号转换成便于cpu处理的数字量信号，数字信号输出到cpu运算形成张力信号源。cpu根据键盘命令以及程序将这种结果输出到显示单元以显示结果。

下面对在线检测环锭细纱机纺纱张力的方法的原理进行阐述。

(1)纺纱过程导纱板受力的动态即时检测方法：

如图4所示，设导纱钩中心为o点，取x轴为过o点且平行于导纱板安装面的水平直线，取y轴为过o点且垂直于导纱板安装面的水平直线，取z轴为过o点且垂直于x-o-y平面的铅垂线，由此构建以导纱钩中心为原点的x-y-z三维空间坐标系。设力感应器与导纱板接触点为o’，取过接触点o’且与x轴平行的直线为x’轴，取过接触点且与y轴延长线的直线为y’轴，取z’轴为平行z轴且垂直于x’-o’-y’平面的铅垂线，由此构建以接触点o’为原点的x’-y’-z’三维空间坐标系。

导纱钩处动态受力分析由导纱钩8、导纱板9、以及力感应器5组成，力感应器受到力的作用经过信息转换，最后在显示单元显示的结果分别为fz测、fy测，fz测为导纱板处的垂直力、fy测为与导纱板安装面垂直的水平力。在导纱钩处支撑力q在z轴上的投影为qz：即

qz＝fz测(1)。

(2)加捻区纱条张力、气圈区纱条张力、卷绕区纱条张力的检测方法：

如图5所示，设导纱钩中心为o点，取x轴为过o点且平行于导纱板安装面的水平直线，取y轴为过o点且垂直于导纱板安装面的水平直线，取z轴为过o点且垂直于x-o-y平面的铅垂线，由此构建以导纱钩中心为原点的x-y-z三维空间坐标系。设纲领中心为o’，取过纲领中心o’且与x轴平行的直线为x’轴，取过纲领中心且与y轴平行的直线为y’轴，由此构建x’-y’-z三维空间坐标系。

如图5所示，设加捻段纱线与y轴的夹角为γ，顶部气圈切线与z轴的夹角为β，气圈底部与纲领钢丝圈的交叉点为p，则o’p与x’轴的夹角为α。图6、图7中，r表示前罗拉半径；h表示前罗拉中心到机台水平面的距离；ya表示前下罗拉中心到导纱钩中心的距离；γ表示导纱角；zx为位置传感器的读取数值，即导纱板到机台水平面的距离；h的固定值为95mm，ya为73.8mm，r为15mm。

其中，加捻段纱线与y轴的夹角为γ，

顶部气圈切线与z轴的夹角为β，

设tf为纺纱张力，tq为气圈顶部张力，q为导纱钩的支撑力,则由力的平衡原理可知：

设导纱钩处支撑力q在x、y、z轴上的投影分别为qx、qy、qz，将式(1)分别向x、y、z轴投影，可得：

qx-tqsinβcosα＝0(5)；

qy-(tqsinβsinα+tfcosγ)＝0(6)；

qz-tqcosβ+tfsinγ＝0(7)；

由式(2)、(3)、(4)联立求解可得：

qx＝tqsinβcosα(8)；

qy＝tqsinβsinα+tfcosγ(9)；

qz＝tqcosβ+tfsinγ(10)；

由欧拉公式可得：

tf＝tqe^-μσ(11)；

式中：μ为纱线与导纱钩的动摩擦系数；σ为纱线与导纱钩的包围角，与导纱角和气圈顶角有关。

将式(8)代入式(7)，可得：

纺纱张力tf为：

气圈顶部张力tq为：

又由气圈基础理论知，气圈顶部张力tq与气圈底部张力tr的关系为：

式中：rg为纲领半径；m为气圈纱条的线密度；ω为气圈回转角速度(一般可用锭子回转角速度近似表达)；

将式(14)代入式(15)，可得气圈底端张力tr为：

卷绕张力合适是保证卷装质量的基础。气圈底端张力tr是由卷绕张力tω克服纱条与钢丝圈的摩擦阻力后向上传递到气圈底端的，两者的关系一般表示为：

tω＝ktr(16)；

式(16)中，k为卷绕张力tω与气圈底部张力tr的比值，简称张力比，钢丝圈线材不同截面形状的张力比的试验数据如表1所示：

表1钢丝圈线材不同截面形状的张力比

将式(16)带入(17)，可得卷绕张力tω为：

(3)一个气圈回转过程中、一个卷绕层级过程中及整个落纱过程中的纺纱张力、气圈张力、卷绕张力实时检测方法：

(a)气圈旋转位置的判断：

由qy＝tqsinβsinα+tfcosγ可得，一个气圈回转过程中tqsinβ、tfcosγ可视为常量，又因为α＝ωt1，t1为气圈回转时间；那么qy可视为关于锭子回转角的正弦函数如图8所示，气圈旋转对应位置如图9所示。当气圈旋转到p2位置时，所测得qy最大，当气圈旋转到p4位置时，所测得qy最小，根据所测得的qy值频谱图进行判断获得气圈实际回转规律(气圈回转的速度、气圈回转的位置)。

(b)气圈回转过程中最大张力及最小张力的测定：

当气圈旋转到p2位置时，所测得的qy最大，qymax＝tqsinβ+tfcosγ，当气圈旋转到p4位置时，所测得qy最小，qymin＝-tqsinβ+tfcosγ。由此可得，将气圈旋转到p2位置时和p4位置时的qz、β、γ和σ值代入式(12)-式(17)，计算可得该时刻的纺纱张力、气圈张力、卷绕张力。

(c)数据采集密度的设定：

假定锭子的回转速度为18000转/分，数据采集密度设定为气圈回转速度的n倍或1/n倍，从而保证检测点的重复性和数据的再现性。那么，当测定一个气圈回转过程中的纺纱张力时，数据的采集密度可设定为1-4次/转，即18000-72000次/分；当测定一个卷绕层级过程中的纺纱张力时，数据的采集密度可设定为1-2次/转，即18000-36000次/分；当测定整个落纱过程中的纺纱张力时，数据的采集密度可设定为1次/转，即18000次/分。

实施例二：

纺纯棉20支纱，锭子速度12846r/min，测定一个气圈回转过程中的纺纱张力时，数据的采集密度设定为1次/转，即12846次/分；测定一个卷绕层级过程中的纺纱张力时，数据的采集密度可设定为1次/转，即12846次/分；测定整个落纱过程中的纺纱张力时，数据的采集密度可设定为1次/转，即12846次/分。

如图7所示，导纱板位于最低位置时zx＝0.038332，h固定值为95mm，ya为73.8mm，r为15mm。测试张力为fz测＝2.15cn，fy测＝7.51cn。

由可得：γ＝59.33°；

由可得：β＝15.96°。

查阅文献可知纱条与导纱钩的动摩擦系数为μ＝0.26；σ的范围为1～2°，取1°；qz＝fz测＝2.15cn。

由此可得，

纲领半径rg为21mm；气圈纱条的线密度m为18.5tex；气圈回转角速度ω为12846r/min；卷绕张力tω与张力tr的比值k为1.5。

由可得：

由tω＝ktr可得：tω＝1.5×7.01＝10.52cn。

表2环锭纺细纱机纺纱张力在线采集结果