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染整企業數字化轉型的基礎構建(十)——織物幅寬及長度的測控①

放大字體  縮小字體 發布日期:2022-04-20  作者:陳立秋  瀏覽次數:31806
核心提示:陳立秋,中國紡織工程學會染整專業委員會特聘首席專家,獲得中國染整行業終身榮譽獎?,F從事染整工程的創新工作。
1 織物幅寬的測控
作為無接觸連續測定運轉中織物門幅的方法,很早就開發出CCD圖像傳感器。根據光敏元件排列形式的不同,CCD固態圖像傳感器可分為線型和面型兩種。
1.1 線型CCD圖像傳感器
電荷耦合器件用于固態圖像傳感器中,作為攝像或像敏的器件。
線型CCD圖像傳感器由感光部分和移位寄存器組成。感光部分是指在同一半導體襯底上布設的由若干光敏單元組成的陣列元件,光敏單元簡稱“像素”。固態圖像傳感器利用光敏單元的光電轉換功能將投射到光敏單元上的光學圖像轉換成電信號“圖像”,即將光強的空間分布轉換為與光強成正比的、大小不等的電荷色空間分布,然后利用移位寄存器的移位功能將電信號“圖像”傳送,經輸出放大器輸出。
線型CCD圖像傳感器是由一列MOS光敏單元和一列CCD移位寄存器構成的,光敏單元與移位寄存器之間有一個轉移控制柵,基本結構如圖1(a)所示。轉移控制柵控制光電荷向移位寄存器轉移,一般使信號轉移時間遠小于光積分時間。在光積分周期里,各個光敏元中所積累的光電荷與該光敏元上所接收的光照強度和光積分時間成正比,光電荷存儲于光敏單元的勢阱中。當轉移控制柵開啟時,各光敏單元收集的信號電荷并行地轉移到CCD移位寄存器的相應單元。當轉移控制柵關閉時,MOS光敏元陣列又開始下一行的光電荷積累。同時,在移位寄存器上施加時鐘脈沖,將已轉移到CCD移位寄存器內的上一行的信號電荷由移位寄存器串行輸出,如此重復上述過程。
圖1(b)為CCD的雙行結構圖。光敏元中的信號電荷分別轉移到上下方的移位寄存器中,然后在時鐘脈沖的作用下向終端移動,在輸出端交替合并輸出。這種雙行結構與長度相同的單行結構相比較,可以獲得高出兩倍的分辨率;同時由于轉移次數減少一半,使CCD電荷轉移損失大為減少;雙行結構在獲得相同效果情況下,又可縮短器件尺寸。由于這些優點,雙行結構已發展成為線型CCD圖像傳感器的主要結構形式。
線型CCD圖像傳感器可以直接接收一維光信息,不能直接將二維圖像轉變為視頻信號輸出,為了得到整個二維圖像的視頻信號,就必須用掃描的方法。
線型CCD圖像傳感器主要用于測試、傳真和光學文字識別技術等方面。
1.2 線型CCD圖像傳感器測量物體尺寸
CCD圖像傳感器在許多領域內獲得了廣泛的應用。前面介紹的電荷耦合器件(CCD)具有將光像轉換為電荷分布,以及電荷的存儲和轉移等功能,所以它是構成CCD圖像傳感器的主要光敏器件,取代了攝像裝置中的光學掃描系統或電子束掃描系統。
CCD圖像傳感器具有高分辨率和高靈敏度,具有較寬的動態范圍,這些特點決定了它可以廣泛應用于自動控制和自動測量,尤其適用于圖像識別技術。CCD圖像傳感器在檢測物體的位置、工件尺寸的精確測量及工件缺陷的檢測方面有獨到之處。
圖2為應用線型CCD圖像傳感器測量物體尺寸系統。物體成像聚焦在圖像傳感器的光敏面上,視頻處理器對輸出的視頻信號進行存儲和數據處理,整個過程由微機控制完成。根據光學幾何原理,可以推導被測物體尺寸的計算公式,即:
公式1
式中:
n——覆蓋的光敏像素數;
p——像素間距;
M——倍率。
微機可對多次測量求平均值,精確得到被測物體的尺寸。任何能夠用光學成像的零件都可以用這種方法,實現不接觸的在線自動檢測。
1.3 多個投、受光元件的傳感器
多個受光元件傳感器能滿足精度±2~±5m的要求。
投光部分采用紅外光二極管,在檢測門幅內串聯所有紅外光發光二極管。由于是紅外線,所以只要有一只紅外光二極管斷線,則所有發光全部消失,人們不易了解是否在發光,因此,在最外檔采用發光二極管,如果這發光管熄了,就表示全部發光二極管不亮。
受光部分為硅幅透二極管(SPD),在檢測范圍內并列SPD,因為它是并聯,即使其中有一只斷線,只是這一部分不發生檢測作用,對大部分無影響。從發光部分發出的光到達受光部分,則受光部分的SPD產生電流,如果在檢測頭投、受光之間無任何物體時,則全部投光亮為受光部分所接收,因而受光部分產生最大輸出電源,如果在投、受光間插入被檢測物,則在被檢測物部分被遮光,因而輸出電流減少。輸出電流的大小,表明了織物的門幅值。
1.4 HD-M型門幅檢測控制系統的應用
1.4.1 系統基本原理
HD-M型門幅在線檢測及控制裝置運用紅外光電檢測技術,通過織物透光強度變化檢測織物,非接觸式實時在線測量織物門幅,運用微控制器處理數據信息,通過人機界面顯示設定參數,并輸出控制信號驅動拉幅執行機構,構成閉環控制系統。系統工作原理見圖3所示。
1.4.2 系統基本特點
HD-M型門幅在線檢測及控制裝置美觀大方、設計合理、安裝方便,可廣泛地適用于各類門幅(1.6~3.6m),各類花色和厚、薄織物;
采用最先進的嵌入式系統為控制平臺,非接觸式測量織物寬度,不影響印染工藝,紅外光電技術,抗干擾能力強;
采用了各種軟件濾波方式,保證測量的可靠及穩定性,高精度數據采集器測量精度更加精確,檢測精度:≤1.5mm和±2.5mm兩種;
可在線顯示門幅并輸出雙位式報警信號,上下限值可自由設定,可靠的數據存儲功能,存儲年限≥10年,友好的人機界面(觸摸屏),使操作更簡單、更直觀,高亮大屏幕數顯儀,便于操作工觀察。
1.4.3 拉幅定形機上的應用
在拉幅定形工藝中,在拉幅定型機落布架上(如圖3所示)安裝HD-M型門幅在線檢測及控制裝置后,當門幅值高于或低于其在觸摸屏上設置的限定值時,裝置會自動報警指示,擋車工及時處理,或者根據控制信號輸出直接調節拉幅絲桿,以達到穩定幅寬的目的。在定形機上根據不同工藝品種,要求前段、中段(單節或幾節組成一段,使中段含有幾段),分別調節門幅,每段門幅顯示表四位BCD碼需16輸入點,這樣輸入點n×16(n為段數),太多。采用分時掃描(圖2),可節省I/0點數,HD-M型采用紅外光電檢測技術和陣線CCD技術,通過單片機進行信息處理。適應門幅1.6~3.6m,精度±1.25~±2.5mm,消耗功率10W。
2 織物長度的測控
檢測機織物或針織物長度是非常困難的,因為這類織物按其所放置的情況會有所伸縮。我們所測定的長度不是絕對的,充其量是一種尺度,只是從印染廠出來的產品長度而已。
市面上有許多所謂電腦測長儀可達得到萬分之一的精度,在選用時一定要弄清,該精度是測長精度還是計長精度?計長精度是整個織物測長過程最終長度精度的組成部分,但這不是主要的,例如將編碼器的每轉脈沖量提高,便可將每一個脈沖的長度縮小,也就是提高了計長精度,而不是測長精度。
2.1 幾種測長裝置的測長精度分析
2.1.1 織物在變張力狀態下的測長
20世紀40~50年代,國際上普遍應用,目前國內仍有許多廠家沿用的測長裝置(圖4)。
主動輥帶動織物前進時,假設織物與主動輥表面間無相對滑動則:
公式2
 
式中:
L——出布長度,m;
D——主動輥直徑,m;
n1——出布長度L時,主動輥轉數,r/min。
經鏈輪傳動變速后,轉數表的轉數為:
公式3
式中:
d1——小鏈輪節圓直徑,mm;
d2——大鏈輪節圓直徑,mm;
n2——當出布長度為L時,轉數表轉數,r/min。
為了從轉數表的表盤上直接讀出布長度,就必須使n2=L,代入式(3)并簡化后得:
公式4
只要使測長裝置滿足式(4)的要求,主動輥導出布的長度L,必然等于轉數表上顯示的n2值。例如使πD=0.5,也等于0.5,那么當轉數表上的數字為n2=1、2、3……時,主動輥導出的布的長度L也必然是1m、2m、3m……
下面再分析影響其測長精度的因素:
(1)織物與主動輥表面間實際存在打滑現象,即主動輥(兼探測輥)經常丟轉。而且織物張力越大,丟轉現象越嚴重,這樣必然使這種測長裝置中,轉數表盤上顯示的n2值不等于主動輥導出的織物長度L。
(2)即使主動輥無丟轉現象(實際不可能),轉數表盤上顯示的n2值,也只能是織物伸長后的長度??椢镞\行時,張力隨機變化,所以織物的伸長也是無法預測的。
(3)從式(4)中可知,設計這種裝置時,其中π是無理數,D只能取近似值,這樣不可避免地造成了測長誤差。而且由此產生的測長誤差是無法完全消除的。但由于此誤差很小,并不影響此裝置廣泛應用。
綜上所述,這種測長裝置的測長精度較低,一般在±0.8%左右對于彈性織物,測長精度更低。
滾輪式測長裝置(圖5):利用測長輪代替主動輥發布出布長度L的信號。所以上述計算公式中的D、d1、d2,在這里分別表示測長輪直徑、變速小齒輪節圓直徑和變速大齒輪節圓直徑,計算方法與其一樣。
由于織物在運行中,帶動轉動輕快的、專用的測長輪旋轉,所以測長輪與織物間不易打滑(即測長輪不易丟轉)。即使其間有打滑現象,其打滑量也與織物的張力變化無關。因為使織物運行所需的張力不是由測長輪的動力產生的,而是由主動輥與織物間產生的摩擦力克服織物運行所受到的阻力產生的。如果這種摩擦力不足,只會使主動輥和織物間打滑(即主動輥丟轉),而測長輪與織物間不會受其影響。所以,此裝置與上述裝置比較,同是在變張力工作條件下,測長精度較高。對于非彈性織物,其測長精度可達±0.5%。
 
 
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