CN103389058B - 一种卷扬器层叠式收卷物的收卷长度自动计量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卷扬器层叠式收卷物的收卷长度自动计量系统及方法，所述计量系统包括旋转编码器、输入模块、智能模块以及显示模块；其中，所述旋转编码器用于采集卷扬器相对初始位置的角位移；所述输入模块用于输入卷扬初始半径r、卷扬器收卷n圈时对应的收卷长度l；所述智能模块用于接收和储存旋转编码器信息和输入模块信息，并计算当前卷扬器的收卷长度并输送到显示模块；所述显示模块用于显示系统参数信息及计算结果。本发明的自动计量系统可以实时、方便、快捷、准确地计算当前收卷物体的收卷长度，并且测量过程中不会对卷扬器的工作进程造成影响。

Description

一种卷扬器层叠式收卷物的收卷长度自动计量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种长度计量系统，具体涉及一种卷扬器层叠式收卷物的收卷长度自动计量系统及方法。

背景技术

工程实践中，卷扬器的使用场合十分广阔，主用应用在如下场合，起重机或液压轿车卷扬机钢丝绳的收放，放线车电线排放、高空防坠器绳缆收放、打井卷扬机对工作作业人员的提放，以及工厂纸张、纱线、布料、胶片等的收卷。其中，部分收卷物属于层叠式收卷物，亦即收卷物逐圈地向外层叠式收卷，例如，农业用的喷施管道的收卷。但现有技术中无论是对层叠式收卷物或者其他类型收卷物的长度计量均缺少一套方便快捷可靠的检测方式。如造纸厂生产线送纸长度通过探头测量导纸辊旋转产生的脉冲数换算而得或者通过旋转编码器测量某固定辊的转速换算而得(刘景霞等，纸张测长仪的原理及应用.仪表技术与传感器，2001(03)：第46页.)。但导纸辊会给纸张造成压力和摩擦；导纸辊相对纸张滑动容易造成计量误差。另有高空防坠器绳揽下放工作人员，通常通过目测楼层来确定下放位置，带来不便。再如工作人员下井，井深通过人工持尺测量下放深度，并不便利。卷扬物长度计量方法还有通过重量计量测得，如收卷的电缆带可以通过总重和单位长度质量的比值求出总长，但需要称重装置。

目前工程运用中根据具体需要有对卷扬器收卷材料的计量装置设备或系统，有如下案例：如《卷扬钢丝绳长度的检测系统及方法及包括该系统的起重机》(段龙文，张铁桥与董健，卷扬钢丝绳长度的检测系统及方法及包括该系统的起重机，2012.第6页.)。通过机械物理接触的方式检测卷扬器位置和方向，精度有限。《复卷机长度测量装置的应用》(邓剑勇，复卷机长度测量装置的应用.中华纸业，2012(16)：第85页.)通过引纸复卷机的底辊转动圈数来间接得出纸卷长度，但该原理忽略了引纸复卷机前后底辊之间的速度差，以及忽略了纸张和地辊的相对滑动。再如一些其他应用，铝卷材是将长条形的铝材缠绕成圆柱状，在缠绕的过程中需要计量缠绕的长度，目前，这种计量装置是安装在卷床的上方，采用的方案是将滚轮压在行走的铝材上，滚轮和计数传感器连接，将滚轮的行走数据传递给计数器，从而实现测量铝卷材的的长度，此种方法必须在铝材上压紧，这样铝材薄弱的地方容易形成压痕，影响产品质量。

针对以上背景，总结当前测量卷扬器收卷材料长度技术装置普遍存在如下一点或几点不足：

1未能准确地、误差较小地获取当前卷扬器收卷材料长度。

2未能实时实况的测量卷扬器收卷长度。

3现有的测量方法在测量过程中对正常生产造成影响，或对收卷材料产生机械形变损害。

4在利用卷扬器计量材料的收卷长度时，忽视了卷扬器收卷半径在收卷材料后不断增大的影响，而把其作为恒定的值来计算卷扬器收卷长度，造成较大误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够实时检测卷扬器所卷材料当前收卷长度的卷扬器层叠式收卷物的收卷长度自动计量系统。

本发明的另外一个目的在于提供一种卷扬器层叠式收卷物的收卷长度自动计量方法。

本发明实现上述目的的技术方案为：

一种卷扬器层叠式收卷物的收卷长度自动计量系统，其特征在于，包括旋转编码器、输入模块、智能模块以及显示模块；其中，

所述旋转编码器用于采集卷扬器相对初始位置的角位移θ；

所述输入模块用于输入卷扬初始半径r、卷扬器收卷n圈时对应的收卷长度l；

所述智能模块用于接收和储存旋转编码器信息和输入模块信息，并计算当前卷扬器的收卷长度并输送到显示模块；

所述显示模块用于显示系统参数信息及计算结果。

所述旋转编码器是磁编码器或光电编码器；该旋转编码器是增量编码器或多圈绝对编码器。

所述智能模块包括电池模块、稳压模块、储存模块、微处理器、电池电量检测模块，其中，电池模块用于给整个系统提供直流电源，稳压模块用于给系统各模块提供稳定电压，存储模块用于储存相关参数的设定以及卷扬器位置信息，并在断电时保存这些信息；微处理模块用于接收输入模块信号和旋转编码器信号并进行数据处理，实现系统长度自动计量算法；电池电量检测模块用于监测电池电量多少并反映在显示模块上。

所述收卷物为悬浮管道喷施作业机具的帆布材质管道。

一种应用上述卷扬器层叠式收卷物的收卷长度自动计量系统实现的卷扬器层叠式收卷物的收卷长度自动计量方法，包括以下步骤：

(1)通过实验获取原始数据；

(1.1)测量获得卷扬器的卷扬初始半径r；

(1.2)测量卷扬器收卷n圈时对应的收卷长度l；

(2)通过输入模块向系统输入步骤(1)中的原始数据；

(3)智能模块根据输入的原始数据以及旋转编码器测得的角位移θ，计算得到卷扬器收卷物当前的收卷长度，计算公式为：L＝L₁+L₂，其中，

L₁代表卷扬器收卷圈数中整圈部分对应的收卷总长，

$L_1=2\mathrm{\π}(N_{1}r+\frac{N_1(N_1-1)}{2}\mathrm{\δ})$

N₁代表卷扬器收卷圈数中的整数部分，

N₁＝[θ/2π]

δ代表收卷物的单圈平均厚度，

$\mathrm{\δ}=\frac{l-2\mathrm{\πnr}}{2\mathrm{\π}(n-1)n}$

L₂代表卷扬器收卷N₁整卷后收卷N₁+1时对应不足一圈的收卷长度，

L₂＝2π(r+N₁δ)N₂

N₂代表卷扬器收卷圈数中的小数部分，

N₂＝{θ/2π}

(4)智能模块将计算获得的卷扬器卷扬物当前的收卷长度结果输送到显示模块显示。

所述收卷物的单圈平均厚度δ由系统根据卷扬初始半径r、卷扬器收卷n圈时对应的收卷长度l自动计算获得。

所述收卷物的单圈平均厚度δ的计算过程为：

收卷n圈时对应的卷扬器半径R＝r+(n-1)δ，

卷扬器收卷一圈对应的收卷周长C₁＝2πr，

卷扬器收卷n圈时对应的收卷周长C_n＝2π[r+(n-1)δ]，

收卷n整圈时卷扬器收卷物的收卷长度l＝C₁+C₂+C₃+…+C_n，

算得 $l=2\mathrm{\π}[\mathrm{nr}+\frac{n(n-1)}{2}\mathrm{\δ}],$

从而算得 $\mathrm{\δ}=\frac{l-2\mathrm{\πnr}}{n(n-1)\mathrm{\π}}.$

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1、本发明中，通过旋转编码器实时采集卷扬器相对初始位置的角位移θ，并结合事先输入的卷扬器的卷扬初始半径r，以及卷扬器收卷n圈时对应的收卷长度l，便可计算获得当前收卷物体的收卷长度，计算方便、快捷、准确，弥补了现有技术中卷扬器所卷层叠式收卷物长度难以实时测量的技术不足，并且测量过程中不会对卷扬器收卷或舒放材料的工作进程造成影响。

2、本发明中，单圈平均厚度计算是通过测量收卷n圈后的收卷总长度，并结合卷扬器的卷扬初始半径获得，平均厚度接近于实际值，且当n越大时越精确，为后面实时计算当前收卷物的收卷长度提供了准确的基础参数，使得计算结果更加精确。

附图说明

图1为本发明的卷扬器层叠式收卷物的收卷长度自动计量系统的示意图。

图2为本发明的智能模块的硬件框架示意图。

图3为本发明的卷扬器层叠式收卷物的收卷长度自动计量方法中卷扬物的收卷长度的计算方法框架图。

图4为卷扬器上的卷扬物的半径示意图。

图5为本发明的卷扬器层叠式收卷物的收卷长度自动计量系统的软件总体框架图。

图6为本发明中一种帆布管道材料卷扬器收卷圈数与长度关系图。

图7为采用本发明的方法与采用现有的方法计得的收卷长度与真实长度比较表。

图中：1-旋转编码器；2-卷扬器；3-收卷物。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的描述。

参见图1，发明的卷扬器层叠式收卷物的收卷长度自动计量系统的包括旋转编码器1、输入模块、智能模块以及显示模块。

所述旋转编码器1用于采集卷扬器2相对初始位置的角位移θ。该旋转编码器1可为磁编码器或光电编码器，通过法兰或者联轴器连接在卷扬器2轴上，或者可以选择使用带内置编码器的电机来驱动卷扬器2。为了满足测量圈数的作用要求使用增量编码器或者多圈绝对编码器。

所述输入模块包括输入键盘，通过该输入模块向系统预先输入相关参数，这些参数包括卷扬器2初始半径r、收卷物3被收卷n圈时对应的收卷长度l。

所述智能模块用于接收和储存旋转编码器信息和输入模块信息，并计算当前卷扬器2的收卷长度并输送到显示模块。该智能模块包括电池模块、稳压模块、储存模块、微处理器、电池电量检测模块，其中，电池模块用于给整个系统提供直流电源，稳压模块用于给系统各模块提供稳定电压，存储模块用于储存相关参数的设定以及卷扬器位置信息，并在断电时保存这些信息；微处理模块用于接收输入模块信号和旋转编码器信号进行数据处理，实现系统长度自动计量算法；电池电量检测模块用于监测电池电量多少并反映在显示模块上。

所述显示模块包括显示屏，用于显示系统参数信息及计算结果。

本实施例中，本系统运用于对一种帆布材质管道收卷的长度计量，卷扬器2安装的旋转编码器1采用3通道信号输出的欧姆龙编码器E6B2-CWZ6C1000P/R，有ABZ三通道，AB正交解码后用来确定旋转方向和位移，Z通道用来确定旋转圈数。对旋转编码器1E6B2-CWZ6C的正交解码可以通过软件方式来实现脉冲鉴相、计数，也可以通过硬件实现。本方案是通过单片机内部计数器实现可逆计数，运用了单片机的中断和计数器。微控制器为STC12C5A60S，但8051内部的计数器是加1计数器，所以不能直接应用，经过了适当的软件编程，实现其“减”计数功能。集中在安装外壳上的键盘用来输入预先的实验数据。采用24c08模块对采集的数据进行储存。稳压模块满足STC12C5A60S和编码器不同的电压需求，确保旋转编码器1电压稳定可靠。

所述显示模块是用于显示系统参数信息及计算结果。

参见图3，本发明的应用上述卷扬器层叠式收卷物的收卷长度自动计量系统实现的卷扬器收卷物长度自动计量方法，包括以下步骤：

(1)通过实验获取原始数据；

(1.1)测量获得卷扬器的卷扬初始半径r；

(1.2)测量卷扬器收卷n圈时对应的收卷长度l；通常，n取卷扬器满量程圈数的1/3较为合理；

(2)通过输入模块向系统输入步骤(1)中的原始数据，包括卷扬初始半径r、卷扬器收卷n圈时对应的收卷长度l；

(3)智能模块根据输入的原始数据，计算得到收卷物的单圈平均厚度，计算公式为 $\mathrm{\δ}=\frac{l-2\mathrm{\πnr}}{2\mathrm{\π}(n-1)n};$

参见图3和图4，该计算公式的推导过程为：

收卷n圈时对应的卷扬器半径R＝r+(n-1)δ，

卷扬器收卷一圈对应的收卷周长C₁＝2πr，

卷扬器收卷n圈时对应的收卷周长C_n＝2π[r+(n-1)δ]，

收卷n整圈时卷扬器收卷物的收卷长度l＝C₁+C₂+C₃+…+C_n，

算得 $l=2\mathrm{\π}[\mathrm{nr}+\frac{n(n-1)}{2}\mathrm{\δ}],$

从而算得 $\mathrm{\δ}=\frac{l-2\mathrm{\πnr}}{n(n-1)\mathrm{\π}};$

(4)智能模块根据收卷物的单圈平均厚度δ以及旋转编码器1测得的角位移θ，计算得到卷扬器收卷物当前的收卷长度，计算公式为L＝L₁+L₂，其中，

L₁代表卷扬器收卷圈数中整圈部分对应的收卷总长，

$L_1=2\mathrm{\π}(N_{1}r+\frac{N_1(N_1-1)}{2}\mathrm{\δ})$

N₁代表卷扬器收卷圈数中的整数部分，

N₁＝[θ/2π]

L₂代表卷扬器收卷N₁整卷后对应第N₁+1圈不足一圈的收卷长度，

L₂＝2π(r+N₁δ)N₂

N₂代表卷扬器收卷圈数中的小数部分，

N₂＝{θ/2π}

(5)智能模块将计算获得的卷扬器卷扬物当前的收卷长度结果输送到显示模块显示。

参见图5，该图为本发明的卷扬器层叠式收卷物的收卷长度自动计量系统的软件总体框架图，主菜单选项为输入模式、收卷长度计量模式、舒展长度计量模式、临时模式。输入模式用于人工输入预先实验数据，如卷扬初始半径r、卷扬器收卷n圈时对应的收卷长度l，由系统自动计算收卷物的单圈平均厚度δ并储存。也可以输入系统所需相关参数，如安装高精度编码器时，可以通过输入模式调节旋转检测精度。收卷长度计量模式为实时监测显示当前卷扬器已经收卷的长度l，舒展长度计量模式，即实时显示材料未收卷部分(舒展部分)长度。其为总长与收卷长度之差，方便于起重卷扬机等场合的起吊高度显示。临时模式是设定临时计量起点，当前卷扬器收卷位置清零，开始计量收卷长度。方便于计量临时收放长度，如计量取纸长度，提升高度，放管长度等计量场合。临时模式计量不擦除储存器储存的卷扬器起始数值，回到长度计量模式和长度计量模式后，不影响这两个模式的监测计量工作。

图6为一种帆布管道材料卷扬器收卷圈数与实际长度关系图，该帆布材质管道用于喷施雾化的农药，长49.1m，宽13cm。卷扬器半径4cm，表格横坐标为卷扬器收卷圈数，表格纵坐标为收卷圈数对应的实际收卷长度，实际收卷长度通过卷尺人工测量。此数据表格用作本发明收卷长度自动计量系统的计量误差分析。

图7为采用本发明的方法与采用现有的方法计得的收卷长度与真实长度比较表，收卷材料为上述帆布材质管道。卷扬器收卷初始半径为4cm。图中曲线三为预先人工用卷尺测得卷扬器收卷1到152圈分别对应的收卷的长度，得出实际收卷曲线。曲线一为现有的常用卷扬器收卷长度计量方法测得的收卷长度，即把半径作为恒量，收卷长度为半径和圈数的乘积。曲线二为该发明系统测得的数据，处理器算法通过求出单层平均厚度，进而求出每层收卷周长，最终得出收卷总长。两种计量方法得出的数据曲线一、二和曲线三进行比较，如图，本发明的系统计量长度和实际收卷长度基本相同，系统计量结果和现有的常用计量方法相比减少了误差，更贴近真实值。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种卷扬器层叠式收卷物的收卷长度自动计量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过实验获取原始数据；

(1.1)测量获得卷扬器的卷扬初始半径r；

(1.2)测量卷扬器收卷n圈时对应的收卷长度l；

(2)通过输入模块向系统输入步骤(1)中的原始数据；

(3)智能模块根据输入的原始数据以及旋转编码器测得的角位移θ，计算得到卷扬器收卷物当前的收卷长度，计算公式为：L＝L₁+L₂，其中，

L₁代表卷扬器收卷圈数中整圈部分对应的收卷总长，

$L_1=2\mathrm{\π}(N_{1}r+\frac{N_1(N_1-1)}{2}\mathrm{\δ})$

N₁代表卷扬器收卷圈数中的整数部分，

N₁＝[θ/2π]

δ代表收卷物的单圈平均厚度，

$\mathrm{\δ}=\frac{l-2\mathrm{\π}nr}{2\mathrm{\π}(n-1)n}$

L₂代表卷扬器收卷N₁整卷后收卷N₁+1时对应不足一圈的收卷长度，

L₂＝2π(r+N₁δ)N₂

N₂代表卷扬器收卷圈数中的小数部分，

N₂＝{θ/2π}

(4)智能模块将计算获得的卷扬器卷扬物当前的收卷长度结果输送到显示模块显示。

2.根据权利要求1所述的卷扬器层叠式收卷物的收卷长度自动计量方法，其特征在于，所述收卷物的单圈平均厚度δ由系统根据卷扬初始半径r、卷扬器收卷n圈时对应的收卷长度l自动计算获得。

3.根据权利要求2所述的卷扬器层叠式收卷物的收卷长度自动计量方法，其特征在于，所述收卷物的单圈平均厚度δ的计算过程为：

收卷n圈时对应的卷扬器半径R＝r+(n-1)δ，

卷扬器收卷一圈对应的收卷周长C₁＝2πr，

卷扬器收卷n圈时对应的收卷周长C_n＝2π[r+(n-1)δ]，

收卷n整圈时卷扬器收卷物的收卷长度l＝C₁+C₂+C₃+...+C_n，

算得 $l=2\mathrm{\π}\[nr+\frac{n(n-1)}{2}\mathrm{\δ}\],$

从而算得 $\mathrm{\δ}=\frac{l-2\mathrm{\π}nr}{n(n-1)\mathrm{\π}}.$