CN105333829A - 一种化纤卷绕丝卷直径检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化纤卷绕丝卷直径检测方法，首先，在测量开始阶段，从光源C点向测量开始位置A点发出一束测量光束；然后，在测量过程中，光源、探测器、丝卷转动轴和入射角度都固定不动，随着丝卷的转动，丝束缠绕到丝卷上，丝卷的直径会随之增加，光束对应丝卷的表面的位置变为F点，半径为OF，入射角会随着改变，改变后的入射法线与原法线夹角为α，入射角变为Φ，反射后光束在探测器的D位置，可以精确得到BD的长度；最后，推算出夹角α以及丝卷增加后的半径OF，由半径OF可得到变化后化纤卷绕丝卷直径。本发明可实时监测卷绕丝卷直径，进而得出丝束的速度，测量精度更高，为控制装置提供更为精确的反馈信息。

Description

一种化纤卷绕丝卷直径检测方法

技术领域

本发明涉及纺织技术，尤其涉及化纤卷绕丝卷直径检测方法。

背景技术

化纤卷绕是化纤生产过程的一个极其重要的环节，化纤卷绕直接决定所产出的化纤的质量好坏，化纤卷绕过程中的好坏最为关键的是控制技术的恒张力控制，张力不稳定会影响丝束的物理性质和均匀率，卷绕丝卷成型的质量。在角速度恒定的情况下，随着卷绕丝卷直径的增加，丝卷线速度会越来越大，进而与牵引辊形成速度差，产生张力变化。要解决这一问题就是要保证控制牵引辊的速度与卷绕丝卷的线速度相同，恒张力控制就是通过控制系统保证卷绕丝卷的线速度与牵引辊之间保持相同。控制的关键实时精确测量卷绕丝卷线速度变换并反馈给控制系统调整丝卷转速保证丝束线速度保持恒定。

由于丝束直径极小，直接由丝束测量速度的可实现性很小，一个通用的方法是根据丝束直径，丝卷角速度，和丝卷卷绕方式对丝束线速度进行估值，但是估值的误差随着丝卷直径的变大会越来越大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种化纤卷绕丝卷直径检测方法，可实时监测卷绕丝卷直径，进而获得丝束线速度，测量精度更高，为控制装置提供更为精确的反馈信息。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种化纤卷绕丝卷直径检测方法，其特征在于：通过四象限光电探测器进行检测，丝卷旋转的圆心位于O点，丝卷转动轴所在圆半径为OA，四象限光电探测器发射检测光的光源位于C点，以丝卷外圆上A点为测量开始位置，光源距离A点垂直距离为H，具体检测方法包括如下步骤：

首先，在测量开始阶段，从光源C点向测量开始位置A点发出一束测量光束，则入射角为θ，OG为法线，反射光束到达四象限光电探测器上B点，直线OA垂直于直线BC；

然后，在测量过程中，光源、探测器、丝卷转动轴和入射角度都固定不动，随着丝卷的转动，丝束缠绕到丝卷上，丝卷的直径会随之增加，光束对应丝卷的表面的位置变为F点，半径为OF，入射角会随着改变，改变后的入射法线与原法线夹角为α，入射角变为Φ，反射后光束在探测器的D位置；

最后，推算出丝卷增加后的半径OF，半径OF计算公式如下：

令：d＝|OA|

x＝|OF|-|OA|

h＝|AG|

l＝|BG|

则： $\left|AF\right|=\frac{-2d+\sqrt{4d^2+4(\frac{l^2}{h^2}+1)(2dx+x^2)}}{2(\frac{l^2}{h^2}+1)}$

$cos\mathrm{\Φ}=\frac{(\frac{l^2}{h^2}+1)A+2sx+x^2}{2\sqrt{\frac{l^2}{h^2}+1}(d+x)A}$

$\left|CD\right|=\frac{\sqrt{1-{(2B^2-1)}^2}(\sqrt{l^2+h^2}-\sqrt{\frac{l^2}{h^2}+1}A)}{\frac{h}{\sqrt{h^2+l^2}}(2B^2-1)+\frac{h}{\sqrt{h^2+l^2}}\sqrt{1-{(2B^2-1)}^2}}$

Δl＝|BD|＝2l-|CD|。

优选的，根据卷绕丝卷半径以及卷绕丝卷角速度，进而得出丝束的线速度。

优选的，控制器控制根据丝束的线速度控制牵引辊的速度，使牵引辊的速度与化纤卷绕丝卷丝束线速度相同。

本发明提出了一种可以精确测量丝卷直径的方法：化纤卷绕丝卷四象限直径检测方法，进而通过测量丝卷直径的大小来直接计算丝束的线速度，可实时监测卷绕丝卷直径，进而得出丝束的速度，测量精度更高，为控制装置提供更为精确的反馈信息。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1是本发明的结构原理图；

图2是四象限光电探测器工作原理图一；

图3是四象限光电探测器工作原理图二；

图4是镜面偏转光路图；

图5是四象限光电探测器驱动电路图。

具体实施方式

化纤卷绕丝卷四象限直径检测方法利用光学角度检测原理。如图1所示，O点为丝卷旋转的圆心，半径OA所示的圆是丝卷的转动轴，A点是测量的开始位置，在C点处放置一个光源，光源距离A点垂直距离为H，四象限光电探测器接受面与直线BC重合，直线OA垂直于直线BC。从C点向A点发出一束光(红外)，则入射角为θ，OG为法线，反射光束到达B点，并作为测量起始位置。测量过程中，光源、探测器、丝卷转动轴和入射角度都固定不动，随着丝卷的转动，丝束缠绕到丝卷上，丝卷的直径会随之增加，这光束对应丝卷的表面的位置变为F点，半径为OF，入射角会随着改变，改变后的入射法线与原法线夹角为α，入射角变为Φ，反射后光束在探测器的D位置，探测器处理系统可以精确得到BD的长度，并推算出，夹角α，丝卷增加后的半径OF。

具体的OF计算公式如下：

令：d＝|OA|

x＝|OF|-|OA|

h＝|AG|

l＝|BG|

则： $\left|AF\right|=\frac{-2d+\sqrt{4d^2+4(\frac{l^2}{h^2}+1)(2dx+x^2)}}{2(\frac{l^2}{h^2}+1)}$

$cos\mathrm{\Φ}=\frac{(\frac{l^2}{h^2}+1)A+2sx+x^2}{2\sqrt{\frac{l^2}{h^2}+1}(d+x)A}$

$\left|CD\right|=\frac{\sqrt{1-{(2B^2-1)}^2}(\sqrt{l^2+h^2}-\sqrt{\frac{l^2}{h^2}+1}A)}{\frac{h}{\sqrt{h^2+l^2}}(2B^2-1)+\frac{h}{\sqrt{h^2+l^2}}\sqrt{1-{(2B^2-1)}^2}}$

Δl＝|BD|＝2l-|CD|。

根据卷绕丝卷半径和卷绕丝卷角速度，再进而得出丝束的线速度，控制器控制根据丝束的线速度控制牵引辊的速度，使牵引辊的速度与化纤卷绕丝卷丝束线速度相同。

四象限光电探测器由四个相应特性基本相同的光电探测器按照象限排列构成，每个探测器处于一个象限，入射激光束信号在四象限光电探测器的光敏面上成像时，会形成一个光斑，当目标成像不在光轴上时，光斑在四个象限的探测器上形成光斑面积不同，因此四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同，比较四个光电信号的幅度大小就可以确定目标所成像的光斑相对位置。

如图2和图3所示，光斑在探测器的4个象限分成A，B，C，D4个部分，光斑面积分别为S1，S2，S3和S4，对应的4个象限产生的光电流为I1，I2，I3，I4，光斑中心相对于探测器中心X和Y方向的偏移量分别为ΔX和ΔY，当光学系统光轴对准目标时，圆形光斑中心与四象限中心重合，即ΔX＝ΔY，这时4个象限的光斑面积相同。四象限光电探测器光电转换电流较小，一般只有几个纳安，需要经过运算放大器转换为电压V1，V2，V3，V4，用V1，V2，V3，V4来表示偏移量ΔX和ΔY，表达式如下：

Vx＝(V1+V4)-(V2+V3)

Vy＝(V1+V2)-(V3+V4)

式中V1，V2，V3，V4为四象限输出的光电流信号I1，I2，I3，I4转换成的电压信号；Vx，Vy分别为X和Y方向的电压信号误差。

光束打在四象限光电探测器上，适当调节光路，将此时的光点打在四象限光电探测器的正中心。当镜面发生偏角时，反射光就会随之发生偏转，如图4所示，当镜面偏转θ角，相应的光线就会偏转2θ，从而打在四象限光电探测器的光点就会偏转到另一个位置，光点的移动距离计算公式如下：

ΔL＝H×tan2θ(1)

上式中的H为镜面距离四象限光点探测器距离，2θ为光线偏转的角度，ΔL为打在四象限光点探测器上的光点移动的距离。

当打在四象限光电探测器上的光点偏移后，四个象限的光电流就会发生变化。在后级加上如图5所示的电路，将电流转换成电压信号进行处理。

$\mathrm{\ΔL}=\sqrt{\mathrm{\Δ}{X}^2+\mathrm{\Δ}{Y}^2}---\left(2\right)$

如图5所示，四象限光电探测器电流经过电路中的第一级，将电流信号转换为电压信号A，B，C，D。再经过第二级的加减法器，可得到电压信号(A+D)-(B+C)，(A+B)-(C+D)，A+B+C+D。最后经过除法器，得到X＝[(A+D)-(B+C)]/(A+B+C+D)，Y＝[(A+B)-(C+D)]/(A+B+C+D)。

如图5所示，在电路中可以产生四象限光电探测器对应四个象限的电压信号A，B，C，D，以及Xoutput＝[(A+D)-(B+C)]/(A+B+C+D)，Youtput＝[(A+B)-(C+D)]/(A+B+C+D)，通过数据Xoutput与Youtput，可以推算出光点在四象限光电探测器上X轴偏移距离ΔX和Y轴偏移距离ΔY，经过计算可以算出光点的偏移距离：

$\mathrm{\ΔL}=\sqrt{\mathrm{\Δ}{X}^2+\mathrm{\Δ}{Y}^2}---\left(2\right)$

结合公式(1)，可以得出镜面的偏转角度为：

$\mathrm{\θ}=\arctan (\sqrt{\mathrm{\Δ}{X}^2+\mathrm{\Δ}{Y}^2}/2H)---\left(3\right)$

根据上述原理，四象限光电探测器即可计算得到所需的距离和角度。

Claims (3)

1.一种化纤卷绕丝卷直径检测方法，其特征在于：通过四象限光电探测器进行检测，丝卷旋转的圆心位于O点，丝卷转动轴所在圆半径为OA，四象限光电探测器发射检测光的光源位于C点，以丝卷外圆上A点为测量开始位置，光源距离A点垂直距离为H，具体检测方法包括如下步骤：

首先，在测量开始阶段，从光源C点向测量开始位置A点发出一束测量光束，则入射角为θ，OG为法线，反射光束到达四象限光电探测器上B点，直线OA垂直于直线BC；

然后，在测量过程中，光源、探测器、丝卷转动轴和入射角度都固定不动，随着丝卷的转动，丝束缠绕到丝卷上，丝卷的直径会随之增加，光束对应丝卷的表面的位置变为F点，半径为OF，入射角会随着改变，改变后的入射法线与原法线夹角为α，入射角变为Φ，反射后光束在探测器的D位置；

最后，推算出丝卷增加后的半径OF，半径OF计算公式如下：

令：d＝|OA|

x＝|OF|-|OA|

h＝|AG|

l＝|BG|

则： $\left|AF\right|=\frac{-2d+\sqrt{4d^2+4(\frac{l^2}{h^2}+1)(2dx+x^2)}}{2(\frac{l^2}{h^2}+1)}$

$cos\mathrm{\Φ}=\frac{(\frac{l^2}{h^2}+1)A+2sx+x^2}{2\sqrt{\frac{l^2}{h^2}+1}(d+x)A}$

$\left|CD\right|=\frac{\sqrt{1-{(2B^2-1)}^2}(\sqrt{l^2+h^2}-\sqrt{\frac{l^2}{h^2}+1}A)}{\frac{h}{\sqrt{h^2+l^2}}(2B^2-1)+\frac{h}{\sqrt{h^2+l^2}}\sqrt{1-{(2B^2-1)}^2}}$

Δl＝|BD|＝2l-|CD|。

2.根据权利要求1所述的一种化纤卷绕丝卷直径检测方法，其特征在于：根据卷绕丝卷半径以及卷绕丝卷角速度，进而得出丝束的线速度。

3.根据权利要求2所述的一种化纤卷绕丝卷直径检测方法，其特征在于：控制器控制根据丝束的线速度控制牵引辊的速度，使牵引辊的速度与化纤卷绕丝卷丝束线速度相同。