劉 紅，王 強(qiáng)，劉曉東，劉廣喜

（1．成都紡織高等?？茖W(xué)校，成都 611731；2．北京眾仁智杰科技發(fā)展有限公司，北京 100176）

0 引言

并條機(jī)的主要功能是將生條處理為熟條，便于后工序紡制成紗。熟條的條干不勻率、質(zhì)量不勻率、質(zhì)量偏差等指標(biāo)，對(duì)成紗質(zhì)量的影響很大。因此，并條工序多采用自調(diào)勻整系統(tǒng)控制熟條質(zhì)量。

自調(diào)勻整系統(tǒng)是現(xiàn)代并條機(jī)的核心技術(shù)之一，也是穩(wěn)定和提高半制品乃至成紗質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［1］。自調(diào)勻整系統(tǒng)包括輸入棉條厚度檢測(cè)與信號(hào)輸出、信號(hào)處理與運(yùn)算、控制與執(zhí)行等子系統(tǒng)，其中輸入棉條厚度檢測(cè)與信號(hào)輸出技術(shù)是衡量自調(diào)勻整系統(tǒng)應(yīng)用性能的基礎(chǔ)。

在并條機(jī)自調(diào)勻整系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)程中，行業(yè)關(guān)注較多的是多種檢測(cè)反饋控制方式、檢測(cè)信號(hào)的運(yùn)算處理和控制執(zhí)行方面的研究，如開環(huán)、閉環(huán)、混合環(huán)或雙開環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)用與研究，各種非線性預(yù)測(cè)算法和策略模型的構(gòu)建與創(chuàng)新，多種控制執(zhí)行硬件方案的選擇應(yīng)用等，而對(duì)于輸入棉條厚度檢測(cè)與信號(hào)輸出方面的研究相對(duì)較少，進(jìn)展不大。

1 并條機(jī)自調(diào)勻整檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外主流并條機(jī)多采用檢測(cè)凹凸羅拉鉗口的相對(duì)位移來(lái)檢測(cè)喂入棉條厚度。這是因?yàn)榘纪沽_拉鉗口對(duì)棉條的動(dòng)態(tài)握持與棉條行進(jìn)同步，其工作過(guò)程中金屬檢測(cè)元件與纖維間基本無(wú)摩擦，不破壞棉條原有的線密度分布；自清潔功能可避免沉積物在凹凸羅拉中的累積，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)增大羅拉鉗口的壓力，提高棉條厚度的檢測(cè)精度。

現(xiàn)有技術(shù)中，主流的凹凸羅拉檢測(cè)系統(tǒng)是利用直線位移傳感器將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)輸出，經(jīng)過(guò)比較、放大、A／D 轉(zhuǎn)換等處理后，得到采樣棉條厚度數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)去噪、低通濾波等處理，才能供計(jì)算機(jī)后期處理。然而，變頻和伺服控制等技術(shù)在紡紗設(shè)備上的廣泛應(yīng)用，在提高紡紗設(shè)備整體性能的同時(shí)，給紡紗車間電氣環(huán)境、空間電磁環(huán)境帶來(lái)很大干擾，也對(duì)弱電系統(tǒng)及微小變化的檢測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)負(fù)面影響。

對(duì)自調(diào)勻整檢測(cè)控制系統(tǒng)而言，棉條厚度的變化是通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)化成微弱變化的電信號(hào)，檢測(cè)控制系統(tǒng)要準(zhǔn)確地過(guò)濾掉干擾信號(hào)，精確地識(shí)別出假信號(hào)很困難；且不同紡紗廠的干擾源、干擾類型、干擾強(qiáng)度都不同，不能依靠經(jīng)驗(yàn)值保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，如何提高檢測(cè)精確度、改善檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性及怎樣避免干擾，是自調(diào)勻整檢測(cè)系統(tǒng)一直無(wú)法很好解決的三大技術(shù)難題，也是制約其進(jìn)步的重要瓶頸。

數(shù)字式位移傳感器主要有光柵、磁柵、感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)編碼器等，由于其直接輸出數(shù)字脈沖，具有精度高、分辨率高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但可以直接應(yīng)用于自調(diào)勻整系統(tǒng)的數(shù)字式位移傳感器較少。因此，設(shè)計(jì)數(shù)字化自調(diào)勻整位移傳感器是需求的必然。

2 數(shù)字化自調(diào)勻整位移傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)編碼器是一種集光、機(jī)、電于一體的光電角位移傳感器。通過(guò)將計(jì)量圓光柵檢測(cè)到的空間角位置信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字代碼輸出，實(shí)現(xiàn)數(shù)字測(cè)量與動(dòng)態(tài)控制，因其測(cè)量準(zhǔn)確度高、抗干擾性強(qiáng)和分辨率高等被廣泛應(yīng)用［2］。

對(duì)自調(diào)勻整檢測(cè)系統(tǒng)位移傳感器進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)的基本思路是：將凸羅拉軸心近似直線運(yùn)動(dòng)的擺動(dòng)，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成無(wú)間隙誤差的圓周運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)高精度旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)字處理器記錄編碼器的脈沖數(shù)，并判斷編碼器的旋轉(zhuǎn)方向；對(duì)脈沖進(jìn)行加減處理，每次脈沖數(shù)的變化值就是棉條厚度的變化量，從而將棉條厚度的變化，從機(jī)械位移的模擬量直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)高精度和高穩(wěn)定性的棉條厚度變化量檢測(cè)，完成并條機(jī)自調(diào)勻整檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)字化技術(shù)方案的應(yīng)用。

圖1 數(shù)字化自調(diào)勻整位移傳感器結(jié)構(gòu)示意

為了不破環(huán)并條機(jī)的結(jié)構(gòu)，位移傳感器的安裝位置、方式與原機(jī)基本一致，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。在底板上固定高精度旋轉(zhuǎn)編碼器，中空軸上安裝特制精密齒輪，相同齒形的齒條安裝在可前后移動(dòng)的滑塊上，凹羅拉的位移通過(guò)傳導(dǎo)桿傳動(dòng)滑塊，從而將凸羅拉軸心的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)編碼器的圓周運(yùn)動(dòng)。

仔細(xì)拆分振威展覽業(yè)務(wù)來(lái)看，發(fā)現(xiàn)2015-2017年公司的其他展會(huì)業(yè)務(wù)收入均是正向增長(zhǎng)的，僅能源裝備類業(yè)務(wù)收入是逐年下滑的，而這一業(yè)務(wù)是振威展覽最大的收入來(lái)源。2015年-2017年，能源裝備類會(huì)展項(xiàng)目收入占振威展覽營(yíng)業(yè)收入比例分別為57.72%、38.50% 和27.78%，占比逐年下降，且下降幅度很大。需要注意的是能源裝備類業(yè)務(wù)收入占比下滑不只是其他業(yè)務(wù)收入增長(zhǎng)帶來(lái)的的擠占效應(yīng)，更是這一塊業(yè)務(wù)收入絕對(duì)值的下滑。2015-2017年，能源裝備業(yè)務(wù)收入分別是7996萬(wàn)元、6839萬(wàn)元、5843萬(wàn)元，2016年和2017年振威展覽能源裝備業(yè)務(wù)收入同比上一年均下滑14.5%左右。

為了避免齒條與編碼器齒輪配合間隙引起的編碼器脈沖誤差，在并條機(jī)自調(diào)勻整位移傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，增加一套可擺動(dòng)齒條和拉力彈簧機(jī)構(gòu)，由拉力彈簧拉緊齒條，使齒條與編碼器齒輪保持實(shí)時(shí)緊密接觸，消除了齒條前后移動(dòng)及齒輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)間隙，杜絕了由此產(chǎn)生的編碼器脈沖誤差。數(shù)字化自調(diào)勻整位移傳感器安裝結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)字化自調(diào)勻整位移傳感器安裝結(jié)構(gòu)示意

3 數(shù)字化自調(diào)勻整位移檢測(cè)信號(hào)優(yōu)化處理

在進(jìn)行棉條厚度高精度的數(shù)字脈沖信號(hào)檢測(cè)過(guò)程中，輸出棉條厚度變化的微弱信號(hào)，經(jīng)過(guò)高倍率放大及從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，不可避免地受到各種內(nèi)外因素的干擾，因此數(shù)字化自調(diào)勻整檢測(cè)系統(tǒng)必須要具備抗干擾和檢測(cè)信號(hào)的優(yōu)化功能。

3．1 輸出脈沖信號(hào)的處理

數(shù)字化自調(diào)勻整位移傳感器脈沖信號(hào)發(fā)生器是高精度旋轉(zhuǎn)編碼器，通過(guò)記錄其輸出A 相、B 相脈沖數(shù)和相位差確定棉條厚度及其增減變化。脈沖處理的基本方法是采用D 觸發(fā)器區(qū)分正反轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖3），將旋轉(zhuǎn)編碼器A 相、B 相輸出信號(hào)分別接入信號(hào)D 端和時(shí)鐘CLK 端，輸出Q 信號(hào)就是正反轉(zhuǎn)狀態(tài)信號(hào)Dir，當(dāng)編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)Dir信號(hào)為1，當(dāng)編碼器反轉(zhuǎn)時(shí)Dir信號(hào)為0。

3．2 脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)優(yōu)化

從圖3可看出，A 相、B 相輸出波形都是方波，相位差為90°，做異或處理后得到波形C，其脈沖頻率增加1 倍；對(duì)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)時(shí)，Dir為1 加計(jì)數(shù)、Dir為0減計(jì)數(shù)；脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)有多種方式，見(jiàn)表1。

由表1可知，僅對(duì)頻率信號(hào)A 相或B 相的上升沿或下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，能記錄的每轉(zhuǎn)有效脈沖數(shù)為n 個(gè)；對(duì)A ⊕B（圖3中的C）的上升沿或下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，能記錄的每轉(zhuǎn)有效脈沖數(shù)為2n；對(duì)頻率信號(hào)A 相或B 相的上升沿和下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，能記錄的每轉(zhuǎn)有效脈沖數(shù)為2n；對(duì)A ⊕B 的上升沿和下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，能記錄的每轉(zhuǎn)有效脈沖數(shù)為4n。

圖3 編碼器信號(hào)基本處理示意

表1 編碼器脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)方式

基于對(duì)編碼器輸出信號(hào)進(jìn)行重新分析，同時(shí)實(shí)現(xiàn)編碼器輸出脈沖數(shù)4倍增的目標(biāo)，決定對(duì)編碼器脈沖計(jì)數(shù)方法進(jìn)行優(yōu)化，見(jiàn)表2。即：當(dāng)A 相信號(hào)出現(xiàn)上升沿或下降沿變化時(shí)，由B 相信號(hào)的電平狀態(tài)決定計(jì)數(shù)器的加減；當(dāng)B 相信號(hào)出現(xiàn)上升沿或下降沿變化時(shí)，由A 相信號(hào)的電平狀態(tài)決定計(jì)數(shù)器的加減；在A 相、B 相脈沖的一個(gè)周期內(nèi)，計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了4倍計(jì)數(shù)。具體處理如下。

表2 編碼器脈沖計(jì)數(shù)方法

當(dāng)A 相信號(hào)出現(xiàn)下降沿時(shí)：B＝1時(shí)計(jì)數(shù)器＋1，B＝0時(shí)計(jì)數(shù)器－1；

當(dāng)B 相信號(hào)出現(xiàn)上升沿時(shí)：A＝1時(shí)計(jì)數(shù)器＋1，A＝0時(shí)計(jì)數(shù)器－1；

當(dāng)B 相信號(hào)出現(xiàn)下降沿時(shí)：A＝0時(shí)計(jì)數(shù)器＋1，A＝1時(shí)計(jì)數(shù)器－1。

3．3 干擾信號(hào)的分析及處理

在紡織機(jī)械上使用旋轉(zhuǎn)編碼器記錄位置時(shí)，尤其是往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，位置的零點(diǎn)漂移問(wèn)題很難解決。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：編碼器的最大干擾來(lái)自設(shè)備振動(dòng)，尤其在停頓、換向時(shí)，由振動(dòng)產(chǎn)生的窄脈沖信號(hào)非常多，且脈沖寬度與設(shè)備的振動(dòng)頻率、振程直接相關(guān)；只有當(dāng)A 相或B 相光柵處于臨界位置時(shí)，干擾窄脈沖才會(huì)出現(xiàn)，而且A 相、B 相干擾窄脈沖不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)。以正轉(zhuǎn)為例，其干擾抖動(dòng)輸出如圖4所示。按表2脈沖計(jì)數(shù)方法分析圖4處理結(jié)果，當(dāng)A相出現(xiàn)抖動(dòng)脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器數(shù)值n 的變化是：n＋1，n－1，n＋1，n－1，n＋1；當(dāng)B 相出現(xiàn)抖動(dòng)脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器數(shù)值n 的變化是：n＋1，n－1，n＋1，n－1，n＋1，n－1，n＋1；從結(jié)果來(lái)看，所有抖動(dòng)脈沖均被濾掉，可確定優(yōu)化后的脈沖計(jì)數(shù)法能很好地濾除干擾。

圖4 編碼器干擾抖動(dòng)信號(hào)輸出示意

4 數(shù)字化自調(diào)勻整位移傳感器脈沖計(jì)數(shù)編程

LM3S9B92 是一款基于ARM CortexTM－M3的32位控制器，成本低、兼容性好、開發(fā)工具豐富，能滿足工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)需要。設(shè)計(jì)中控制器采用LM3S9B92芯片，將編碼器A 相信號(hào)分別接入PA2，PA3和PA4，B 相信號(hào)分別接入PA5，PA6和PA7。其中端口PA2，PA5 配置為上升沿中斷；端口PA3，PA6配置為下降沿中斷；端口PA4，PA7僅為外部輸入。在中斷服務(wù)函數(shù)中進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。以A 相邊沿觸發(fā)為例，脈沖計(jì)數(shù)流程見(jiàn)圖5。

5 試驗(yàn)及結(jié)論

圖5 脈沖計(jì)數(shù)流程

基于上述設(shè)計(jì)，定制自調(diào)勻整位移傳感器并進(jìn)行試驗(yàn)，其中旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)輸出5000個(gè)脈沖，輸入軸采用直接滾齒，節(jié)圓直徑為3．183 1 mm，凸羅拉移動(dòng)10 mm 編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)1周。由于4倍計(jì)數(shù)的設(shè)計(jì)，編碼器能夠記錄的脈沖數(shù)為2萬(wàn)個(gè)，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)棉條厚度為0．5μm，即自調(diào)勻整位移傳感器對(duì)棉條厚度檢測(cè)的最小分辨率為0．5μm，其檢測(cè)精度大幅超過(guò)現(xiàn)有技術(shù)的檢測(cè)精度。

在運(yùn)行穩(wěn)定性方面，由于齒輪與齒條實(shí)時(shí)無(wú)間隙配合，使齒條傳動(dòng)過(guò)來(lái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)換為齒輪及編碼器的圓周運(yùn)動(dòng)；對(duì)于難以避免的機(jī)械振動(dòng)及機(jī)械往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的抖動(dòng)窄脈沖干擾，采用有效過(guò)濾干擾的脈沖計(jì)數(shù)法，消除了異常信號(hào)。

該傳感器在FA326型并條機(jī)上進(jìn)行了功能測(cè)試，結(jié)果表明：傳感器位置穩(wěn)定性良好，重復(fù)精度保持在±1個(gè)脈沖內(nèi)，并且有效消除了干擾信號(hào)，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期要求。

本技術(shù)方案大幅提高并條機(jī)自調(diào)勻整位移傳感器檢測(cè)精度，檢測(cè)穩(wěn)定性和抗干擾性顯著改善，有效解決了行業(yè)技術(shù)領(lǐng)域存在的三大技術(shù)難題，從而提升并條機(jī)自調(diào)勻整系統(tǒng)性能，為該技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步和發(fā)展提供了高性價(jià)比的技術(shù)解決方案。