纺织卷绕筒丝线长度测量系统设计

宋继红，衣文索

(长春大学 电子信息工程学院，长春 130022)

纺织卷绕筒丝线长度测量系统设计

宋继红，衣文索

(长春大学 电子信息工程学院，长春 130022)

介绍一种直接在线测量卷绕辊丝线长度的方法，首先建立了圆锥卷绕丝线动态数学模型，然后对工作过程和数学模型解态进行分析，通过测量卷绕机梭子摆动次数和卷绕转速间接算出缠线的长度。实际测量数据表明，该方法测量精度优于传统方法，稳定性好，一致性强。

卷绕辊;丝线测长;数学模型

0 引言

纺织行业卷绕丝线长度测量是亟待解决的问题，目前，国内该行业主要采用丝密度长度测量的办法，如测厚度、测质量等。丝线线径很细，质量很轻，卷绕机成型后成品后长度很长，这就给准确测量带来了很大困难。由于丝线本身材料不均匀特性限制，使这种测量方法存在很大的误差，所以一种准确可靠的测量手段亟待出现。根据卷绕丝线辊的实际物理尺寸和工作过程绕丝的动作，建立动态卷绕数学模型，同时采用厚度动态补偿实时调整丝线的长度误差，采用经过简化后的数学模型，对卷绕丝线辊的转速和绕丝拨叉的动作次数进行测量，可以计算出卷绕丝线辊动态实时绕线长度。本设计采用光电检测非接触测量技术，对绕丝拨叉的动作次数进行测量，同时采用霍尔元器件测量绕丝辊的旋转频率，通过测量卷绕机机床拨叉摆动次数和卷绕转速间接算出缠线量。采用Silicon Labs公司的C8051F410单片机、光电接近开关传感器采集数据后根据数学模型积分计算，实现了卷绕机丝线长度的自动化测量，提高了丝线长度的准确率。

1 卷绕丝线辊结构模型

如图1所示，卷绕丝线辊的结构组成，丝线是螺旋方式缠绕到丝线辊上，工作过程中丝线辊做旋转运动，拨叉做轴向往复运动。

图1 丝辊线长计算演化

简化工作过程，假定在拨叉的一个往复周期内，形成如图1(b)的螺旋曲线。为了分析简便，将丝线辊沿端面展开，得到如图1(c)的近似直角三角形。因此有空间一点M在圆锥面x2+y2=z2上以角速度ω绕z轴旋转，同时又以线速度v沿平行于z轴的正方向上升，这点M的轨迹就是一条螺旋线。如图2所示。卷绕丝线的缠绕方式正是这种圆锥螺旋线。所以我们可以把研究丝线的长度问题转化成研究圆锥螺旋线的长度问题。首先采用微元法把底圆周长分成微小的n等分，由于缠线高度z是和底面垂直的，因此当底边极微小时，斜边就可以近似成一条直线，三条边就能构成一个直角三角形，应用勾股定理Δl2+z2=ΔL2，所求斜边ΔL即是一小段丝线的长度，再应用积分原理就可以求出丝线的总长度L。建立空间直角坐标系，以线轴底圆圆心为原点建立空间直角坐标系，空间任意一点M的坐标为(x，y，z)，底圆半径为R，缠线高度为H，圆锥角度为θ。这些均为已知量，均可以根据实际样品测得。M点的轨迹对平面做投影即是一段螺旋线，如图所示。M点在平面上的坐标为(x，y)，旋转角度为α，由于线轴是圆锥体，半径是逐渐减少的，我们定义半径减少量为ΔR，对线轴做切面图，如图3所示，可算得，ΔR=ztanθ，根据圆的参数方程可知任意一点M在平面上的坐标(x，y)。

图2 M点的轨迹对平面做投影

图3 ΔR对线轴做切面图

2 动态卷绕过程分析

2.1 底圆周长计算

丝线线轴和卷绕机摆动梭子是同轴转动的，通过摆子的往复摆动来改变缠线位置，假设机床梭子往复摆动一次，丝线绕线轴旋转了2n圈，n值可由实际情况测出，所以，梭子摆动一次M点的旋转角度为2nπ。因为是同轴转动，可知丝线是以恒定速度缠绕在线轴上的，假设缠线高度为H。由此可得纵坐标z和旋转角度α的关系式为:

变换得:

所以，由式(1)可知，M 点的三维坐标(x，y，z)为:

由式(2)可知，底圆半径RL为:

对底圆取微元，由公式(3)和圆的周长公式l=R∂可知:

所以有

再对微元取积分得:

把式(2)中z坐标带入上式得:

最终得:

2.2 斜边L计算

然后根据勾股定理L2=l2+z2，由式(2)和(4)可得:

(R、H、θ、n均为已知量，根据实际情况给出)

式(5)所求L值即为丝线的计算值。当把任一点M的旋转角度值α带入式(5)就可求出当前的丝线长度值L。假设卷绕机摆子摆动一次，M点旋转角度为2nπ，所以，把α=2nπ带入式(5)，即可求出一个L值，这个值即为卷绕机摆子摆动一次的缠线长度值。把实验样品的参数R、H、θ、n带入式(5)后计算得L=37.7cm，又经过在空线轴上多次缠线测量后，最终发现误差在±1cm以内，理论值和实际值相当吻合。

2.3 丝线总长度计算

求出卷绕机摆子动作一次的缠线长度后，只要记下摆子运动次数就可求出总长度，但有一点不可忽略的是，随着缠线圈数的不断增加，线轴将不断变厚，也就是说半径将不断变大，此时如果还按照原来的公式来计算显然是不正确的，但是有一点可以肯定的是，丝线在线轴上缠几圈肯定是不能缠满一层的，所以我们只要算出丝线需要缠多少圈才能把线轴缠满，然后再在原来的半径R上加上丝线直径D即是变化后的直径。

首先，我们要用千分尺测量出丝线的实际直径值D。H/D即为丝线缠满线轴一层的圈数，然后再根据圈数求出卷绕机摆子摆动次数。

假设张力恒定的情况下，梭子摆动100次时丝线绕线轴恰好缠满一层，则

则半径可以表示为R=R+mD，即为当梭子每摆动100次时，半径R增加一次，增加量为一根丝线直径的长度D。

所以，总长度计算公式为:

根据传感器测出机床梭子摆动次数S，根据公式(6)求出m值，把∂=2nπ带入式(7)即可求出丝线总长度值L。经过多次实际测量验证后，计算值和实际值基本吻合。

3 系统软硬件设计

此课题中我们利用新华龙公司生产的C8051F410单片机作为控制核心，控制系统结构框图如图4所示。

图4 系统结构框图

传感器采用了OMRON公司的接近开关，工作稳定，且抗干扰性要强;按键接口电路使用五个按键，实现对长度计算所需参数的设置;液晶接口电路选用液晶1602ZK，它可以显示两行文字，可以显示各个参数值，机床梭子摆动次数和实际长度;存储电路选用24c512具有I2C接口的串行EEPROM。图5为系统软件设计基本流程框图。主要包括初始化子程序、传感器状态查询子程序、液晶显示子程序、按键电路子程序、存储单元子程序、丝线长度计算子程序等。

图5 为系统软件设计基本流程框图

4 结语

本设计首先建立了圆锥卷绕丝线数学模型，选择应用积分思想，通过测量卷绕机机床梭子摆动次数和卷绕转速间接算出缠线量的方法，可以动态测量卷绕丝线辊绕线长度。整个系统的硬件电路采用单片机控制电路，完成信号的输入和输出的转换，传感器电路将接近开关和霍尔传感器信号转换成数字脉冲后进入单片机系统进行处理，该电路实现了丝线长度的采集，并通过比较器将信号送到单片机的控制电路中。软件部分通过程序的设计实现各个功能，设计安全、可靠、完全能够满足实际需求。

［1］ 康华光.电子技术基础/数字部分［M］北京:高等教育出版社，2006.

［2］ 谭浩强.C程序设计［M］.2版.北京:清华大学出版社，1999.

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［4］ 潘琢金，施国军.C8051FXXX高速SOC单片机原理及应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2002.

［5］ 潘琢金，孙德龙，夏秀峰.C8051F单片机应用解析［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2002.

Design for the Measurement System of the Length of Textile Winding Drum Thread

SONG Ji-hong，YI Wen-suo

(College of Electronic Information Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

The direct online measurement method of the length of textile winding drum thread is introduced in this paper.A dynamic mathematical model of cone winding silk is firstly created，and then the work process and solution state of the mathematical model are analyzed.By measuring the oscillating frequency of winding machine shuttle and the speed of winding roller，the length of the winding thread is indirectly calculated.Actual measurement data shows that the accuracy of this measurement method is better than traditional methods on the aspects of stability and consistency.

textile winding drum;thread length measurement;mathematical model

TP368.1

A

1009－3907(2012)08－0929－04

2012-06-18

宋继红(1975-)，女，吉林长春人，讲师，硕士，主要从事计算机应用方面研究。

责任编辑:吴旭云