基于LabVIEW的立体织机经纱张力检测系统设计

韩天赐，周其洪，陈 革，万德军，周钧天

(1.东华大学 纺织装备教育部工程研究中心，上海 201620；2.扬州远睿精密机械有限公司，江苏 扬州 225235)

目前，国内三维织造技术还处在开发研究阶段，三维织物的织造设备——立体织机的自动化水平相比于国外较低，经纱张力检测系统存在着检测精度低、实时监测难、数据存储容量小等问题[1]。低精度检测导致经纱张力控制精度较低，直接影响三维织物的品质[2-3]。实时监测不当引起织物次品率上升，而数据储存容量小将无法满足张力数据的保存。因此，三维织物织造过程中经纱张力的检测精度、实时监测水平、数据存储容量是提升立体织机性能的核心要素。

国内外学者对经纱张力问题进行了研究，例如，对经纱张力进行多点检测，然后将检测的信号进行模糊信息融合[4]；对霍尔式张力传感器的磁钢探头建立运动学模型，提出动态张力信号提取方法[5]。当前研究主要集中在提高传统织机经纱张力检测精度等方向。立体织机工艺结构复杂，经纱张力的测控水平直接影响织物的性能。为解决经纱张力检测系统存在的问题，以便于实时控制和后续数据分析，本文研究了基于LabVIEW的经纱张力检测系统。

1 检测系统的结构及原理

多经轴立体织机经纱张力检测系统结构如图1所示。整个经纱张力检测系统主要由经纱张力测量和数据后处理所构成。

1—经轴；2—张力补偿设置；3—经纱1；4—固定导纱辊；5—经纱2；

6—经纱3；7—经纱4；8—张力传感器；9—信号放大；10—A/D转换；11—工业计算机

图1多经轴立体织机经纱张力检测系统结构

Fig.1Warptensiontestingsystemofthethree-dimensionalloomwithmultiplewarpbeams

1.1 经纱张力测量部分

立体织机工作时，经纱张力测量部分的张力传感器将送经过程中经纱的张力信号转换成毫伏级的电压信号，利用调节电路中的放大电路将电压信号放大后通过A/D转换变成数字信号。最后，数据采集卡采集数据并将数据传入到装有LabVIEW软件的工业计算机上。

1.2 数据后处理部分

数据后处理部分的工作全部由操作室内装有LabVIEW软件的工业计算机完成，包括: (1)实时检测经纱动态张力，确定立体织机正常运行，防止织造工作中断；(2)实时张力显示，保证各经纱张力处在正常范围；(3)经纱张力异常时进行事故声光报警；(4)保存张力数据，为后续数据查询或织物质量评定提供依据。

2 系统硬件设计

2.1 张力传感器

传感器是感受经纱张力信号的重要部件，可以把张力信号转换成电信号，从而满足信号的传送、处理、保存、显示、查询等要求，是实现经纱张力精确检测的主要环节之一[6]。

电阻应变片式张力传感器的主要工作原理是利用了电阻应变效应，即在导体产生机械形变时，电阻值相应发生变化。送经过程中每根经轴放出的经纱有上百根，所产生的张力信号比单根纱线大很多，一般的纱线张力传感器量程偏小，无法满足测量要求。因此本方案采用JZHL-3型三滑轮张力传感器，该传感器滑轮长度可按要求定制，可用于测量片纱张力，量程为0～200 N，输出电压信号为0～10 V，具有精度高、线性度良好、结构简单、频率响应宽、使用寿命长等优点，其不仅耐振动性好，而且具有不怕灰尘、油污、水汽、粉尘的特点。由此可知，该传感器非常适合在工作环境复杂的纺织厂中使用。JZHL-3型传感器结构如图2所示。

该传感器通过滑轮1与滑轮3将张力传到被测滑轮2上，滑轮2上纱线的包角为120°，其所受压力即为经纱张力。当滑轮2受到来自纱线的压力时，导体发生形状变化，电阻值随之也会发生改变，反映到后级电路上则表现为电压的变化，后级电路根据电压的变化大小便可知晓经纱张力的大小。

(a)主视图

(b)俯视图1—经纱；2—滑轮1 ；3—滑轮2 ；4—滑轮3 ；5—支架图2 JZHL-3型张力传感器结构Fig.2 Structure of JZHL-3 tension sensor

2.2 数据采集卡

数据采集卡是构成检测系统硬件部分的核心硬件，主要用来完成张力数据采集、A/D转换等相关功能。根据检测系统需求以及检测精度的要求，本系统选用了研华的PCI-1710/1710GH型数据采集卡。该数据采集卡是一款PCI总线接口的多功能DAS卡，优异的电路设计使其具有更高的品质和更多的功能，其中包括最重要的5个测量与控制功能，即12-bit A/D转换、D/A 转换、数字量输入、数字量输出，以及计数器/定时器功能。数据采集卡的转换精度为12位；采样频率为0.01～105Hz；模拟输入通道总数为16路单端，8路差分；存储器深度为4K字FIFO存储器。

3 系统软件设计

张力传感器和调理电路采集到的张力信号转变成电信号经放大电路放大以后，通过A/D转换输送到数据采集卡PCI-1710/1710HG中，通过LabVIEW的数据采集助手将所采集的数据信号传输到计算机中。软件设计的主要工作是纱线张力值的实时显示、历史数据查询、张力异常报警、数据保存。软件的设计实现流程如图3所示。

图3 软件设计实现流程Fig.3 Implementation process of the software design

3.1 软件部分主要设计步骤

(1)确定张力采样频率。立体织机送经速度较慢且由于经纱张力是一个连续变化的量，考虑到所采集数据的准确性，设定每秒采集10次张力数据，因此在DAQ采集助手中设置其采样率为10 Hz，以采集的每10个数据为一组，并将其以数组的形式向下级程序传递。

(2)确定张力保存时间间隔。考虑到系统的实际应用情况，不必每隔0.1 s就对张力数据进行保存。因此，对1 s内采集到的10个数据求平均值，即存入1 s内的平均张力。这样既能兼顾到检测系统的灵敏性又不至于使保存的数据文件过于庞大。

(3)利用LabVIEW软件设计出满足以上要求的程序。

3.2 张力实时显示及报警界面

张力实时显示及报警界面主要功能是将采集到的数据进行转化后以直观易懂的方式实时地提供给工作人员，便于工作人员及时掌握整个系统的运行状态。张力实时显示及报警界面如图4所示。

图4 张力实时显示及报警界面Fig.4 Interface of tension real-time display and alarm

该界面包括3部分，分别是张力实时显示、数据处理和张力异常报警。张力实时显示部分，主要是将采集的张力以数字及曲线的形式实时显示出来。数据处理部分，主要是对采集的张力数据进行实时分析并得到当前数据的平均值、最大值以及最小值。工作人员可参考这3个指标决定当前立体织物是否需要进行继续织造。张力异常报警部分，主要是进行张力出错报警，当经纱张力值超出系统所允许的范围时，对应报警器立刻工作，提醒工作人员在立体织机经纱张力出现问题时须进行停机检查。

3.3 数据保存

实时显示的张力信号数据可以通过软件程序自动保存下来。以往检测系统对张力数据采用Excel保存方法。立体织机长时间工作采集的数据多，随之产生的数据文件较大，如采用Excel保存则数据管理比较难，因此，张力数据可采用数据库保存。数据库保存方法将解决数据文件大、文件数多、管理难等问题[7-9]。

3.3.1 LabVIEW与Access数据库的连接

Access使用方便、灵活性好、开发成本低、统计功能强，同时存储空间满足张力数据的要求，因此，系统数据库采用Access。LabVIEW访问Access前，必须首先对ODBC(open database connectivity)数据源进行配置。ODBC数据源的配置一般是通过Windows系统下的ODBC数据源管理器进行手动完成[10-11]。通过ODBC数据源连接Access数据库的具体操作流程如图5所示。

图5 ODBC数据源配置操作流程Fig.5 Operation process of ODBC data source configuration

3.3.2 序列号形式

数据库与LabVIEW的连接完成以后利用LabSQL工具包编程，实现LabVIEW与Access数据库之间的通信。数据可采用的保存方式有两种，分别是整体存储和按天存储。整体存储方式适用于连续数据保存，按天存储方式可避免存入数据时间出现中断并且存入的数据便于查询和调取。立体织机无法保证连续工作，因此，张力数据的保存适合采用按天存储模式，每天采集的张力数据存储到当日表格中，表格按日期自动生成的序列号命名。

3.3.3 数据保存格式

立体织机工作时，系统程序在数据库中自动创建保存当天经纱张力数据的表格，并对其进行命名。该系统连续运行一段时间以后自动记录并保存下来的张力数据如图6所示。例如，第一行数据表示的是2017年5月1日第301次进行数据采集，并显示该次采集时间是发生在21：22：24，各经纱张力值分别是30.173 248、38.435 731、25.436 183、32.367 178 N。保存下来的张力数据条理清晰、可读性强、信息量丰富并为后续历史数据查询以及人工分析与反馈提供依据。

图6 张力采集数据保存Fig.6 Preservation of tension data acquisition

3.4 张力查询界面

张力查询界面主要功能是对数据库中历史数据进行调用，并进行分析处理后以曲线及数字的形式供工作人员参考，便于工作人员及时了解所查询数据包含的重要信息。张力查询界面如图7所示。

图7 张力查询界面Fig.7 Interface of tension query

该界面主要由查询参数设置、历史数据显示、历史数据处理3部分组成。查询参数设置部分，主要是对序列号及所要查询的时间段进行设置。历史数据显示部分，主要是将所查询的各项历史数据以曲线的形式显示出来，工作人员可快速地观察到曲线的走向及波动程度。历史数据处理部分，主要对所查询数据进行一定的分析处理，获取最大值、最小值、平均值以及标准差，该4项指标对于立体织物的质量等级评定具有重要意义。

4 结 语

本文系统针对立体织机多经轴经纱张力检测的具体要求，利用LabVIEW设计了人机友好的工作界面，可以实时检测多个经轴的经纱张力情况，并对检测的张力数据进行处理和分析，相较于以往的张力检测系统，该系统显得要更为直观。高精度传感器及数据采集卡提升了本文系统检测精度。系统稳定性好、安全性高、环境适应能力强，可以实时检测出送经过程中经纱的张力，通过对当前数据的分析降低了立体织物残次品出现的几率。同时，该检测系统通用性良好，也可应用于其他纱线张力检测领域。