CN115586746B - 光缆扎纱张力无线检测装置及扎纱张力监测与控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光缆扎纱张力无线检测装置及扎纱张力监测与控制方法，其中光缆扎纱张力无线检测装置采用非接触式位移检测，并通过胡克定律转换成张力，提供了有效的缓冲，避免常规用压力传感器检测过程中纱线上下跳动造成的张力突变，同时光缆扎纱张力无线检测装置自带发电装置，保证无线检测装置能够持续不断工作，不需要额外连接电源与信号引线。扎纱张力监测与控制方法基于数据的驱动，同产品结构、纱团状态、机械阻尼等外部条件深度绑定，并根据构建的产品结构张力机理模型来驱动张力控制，使生产时扎纱张力更加稳定。本发明适用于多条成缆生产线同时工作时监测与张力调控，更适合于智能制造和无人工厂，减少了人工干预，提高了控制效率。

Description

光缆扎纱张力无线检测装置及扎纱张力监测与控制方法
技术领域
本发明属于光缆成缆工序监测控制技术领域，具体涉及一种光缆扎纱张力无线检测装置及扎纱张力监测与控制方法的设计。
背景技术
在光缆行业的成缆工序中，将多根不同的套管绞合在一起后需要经过扎纱处理，以保证套管绞合结构紧密，扎纱张力大小直接影响绞合过后的产品质量，扎纱张力过小，缆芯容易变形，张力过大，扎纱容易断裂或把套管扎变形引起断纤或衰减超标，因此针对光缆扎纱张力的检测和控制十分重要。
由于普通的张力传感器有电源与信号引线，不能同光缆扎纱机的飞梭一起旋转，因此目前行业内无法在扎纱机运行时直接准确检测扎纱张力，一般采用算法间接实现扎纱张力控制，比如通过纱团大小、线速度、升降速率等由PLC间接计算控制伺服电机的张力输出。由于采用开环控制，没有有效的监测与控制方法，基本靠操作人员在后台做大量非线性补偿，操作人员凭经验手动调节，调好的参数会随着光缆的结构不同、纱团的大小不同以及升降速的起始点不同而变化，升降速中极易出现在很短的距离内，一段扎纱很松，一段扎纱很紧，进而把套管扎变形等情况。同时，现有的扎纱张力监测与控制方法对外部环境的适应性不强，扎纱机机械磨损后，机械阻尼发生变化，经常发生张力不稳定造成断纱或者生产出衰减较大的产品。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的张力传感器无法在扎纱机运行时直接准确检测扎纱张力，同时现有的扎纱张力监测与控制方法容易发生张力不稳定造成断纱或者生产出衰减较大的产品的问题，提出了一种光缆扎纱张力无线检测装置及扎纱张力监测与控制方法。
本发明的技术方案为：第一方面，本发明提供了一种光缆扎纱张力无线检测装置，包括扎纱张力轮、发电装置、位移板、壳体、锂电池、弹簧、激光位移传感器和无线收发装置，发电装置穿设于扎纱张力轮的轴向中心，并与位移板的上端固定连接，壳体与锂电池均为圆筒形，且壳体的内壁与锂电池的外壁贴合并固定连接，位移板的下端与锂电池的内壁贴合，弹簧设置于位移板的底部与锂电池的底部之间，激光位移传感器设置于锂电池的底部，无线收发装置设置于锂电池底部与壳体底部之间形成的空腔内，并与激光位移传感器通信连接。
进一步地，发电装置包括发电装置外壳以及设置于发电装置外壳内部的转子和线圈，转子与扎纱张力轮固定连接，发电装置外壳与位移板的上端固定连接，线圈与发电装置外壳固定连接，线圈通过穿设于位移板的导线与锂电池电连接。
进一步地，无线收发装置包括依次通信连接的模数转换模块、数据编码模块和蓝牙传输模块，模数转换模块与激光位移传感器通信连接，蓝牙传输模块与服务器端通信连接。
本发明的有益效果是：
(1)本发明在扎纱机工作时，纱线在扎纱张力轮上过线，带动扎纱张力轮旋转，扎纱张力轮再带动发电装置的转子旋转，转子切割线圈之间的磁感线产生电流，不断给锂电池充电，可以在工作时持续不断给光缆扎纱张力无线检测装置充电，保证光缆扎纱张力无线检测装置持续不断工作，不需要额外连接电源与信号引线。
(2)本发明通过激光位移传感器对位移板进行非接触式位移检测，并通过胡克定律转换成张力，提供了有效的缓冲，避免常规用压力传感器检测过程中纱线上下跳动造成的张力突变。
第二方面，本发明提供了一种扎纱张力监测与控制方法，包括以下步骤：
S1、通过光缆扎纱张力无线检测装置检测得到扎纱机运行时的张力，并将张力数据传输至服务器端。
S2、在服务器端对张力数据进行异常数据清洗和过滤，得到稳定张力数据。
S3、根据稳定张力数据进行趋势预测和张力修正，得到张力控制因子。
S4、根据张力控制因子构建产品结构张力机理模型，对扎纱机运行时的张力进行控制。
进一步地，步骤S1包括以下分步骤：
S11、通过激光位移传感器检测得到扎纱机运行时位移板相对于初始状态时的位移变化值。
S12、根据胡克定律将位移变化值转换为张力值。
S13、通过模数转换模块将张力值转换成数字信号。
S14、通过数据编码模块对数字信号进行编码，得到张力数据。
S15、通过蓝牙传输模块将张力数据传输至服务器端。
进一步地，步骤S2包括以下分步骤：
S21、在服务器端设置张力阈值。
S22、将超过张力阈值的张力数据过滤掉。
S23、根据近期采集的数据，采用最小二乘法对过滤掉的张力数据进行修正填充，得到稳定张力数据。
进一步地，步骤S3包括以下分步骤：
S31、根据当前时刻的稳定张力数据，结合纱团旋转惯量和机械阻尼，预测得到下一时刻扎纱机伺服电机的升降速值。
S32、将升降速值存放如缓存中，作为下一时刻的张力控制因子。
进一步地，扎纱机伺服电机的升、降速采用双通道独立控制。
进一步地，步骤S4包括以下分步骤：
S41、将张力控制因子与产品结构信息绑定。
S42、在服务器端构建扎纱张力数据库。
S43、通过扎纱张力数据库中的数据积累修正不同产品结构的扎纱机的张力控制参数方案，实现对扎纱机运行时的张力进行控制。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采集到实时张力数据后，通过无线收发装置发送到服务器端，由服务器端程序经过实时计算，对张力超过设定条件的生产线进行动态调节，并发送报警信号，能够有效实现扎纱张力远程监控与预警。
(2)本发明基于数据的驱动，张力的控制并非采用简单的PID控制，而是同产品结构、纱团状态、机械阻尼等外部条件深度绑定，并根据构建的产品结构张力机理模型来驱动张力控制，使生产时扎纱张力更加稳定。
(3)本发明适用于多条成缆生产线同时工作时监测与张力调控，更适合于智能制造和无人工厂，减少了人工干预，提高了控制效率。
附图说明
图1所示为本发明实施例一提供的光缆扎纱张力无线检测装置正面结构示意图。
图2所示为本发明实施例一提供的光缆扎纱张力无线检测装置侧面结构示意图。
图3所示为本发明实施例一提供的光缆扎纱张力无线检测装置工作原理示意图。
图4所示为本发明实施例二提供的扎纱张力监测与控制方法流程图。
附图标记说明：1-扎纱张力轮、2-发电装置、3-位移板、4-壳体、5-锂电池、6-弹簧、7-激光位移传感器、8-无线收发装置、9-纱线、10-发电装置外壳、11-转子、12-线圈、13-光缆扎纱张力无线检测装置、14-飞梭板、15-光缆、16-出纱筒、17-中心纱筒、18-纱筒支撑轴、19-同步带轮。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
实施例一：
本发明实施例提供了一种光缆扎纱张力无线检测装置，如图1～图2共同所示，包括扎纱张力轮1、发电装置2、位移板3、壳体4、锂电池5、弹簧6、激光位移传感器7和无线收发装置8，发电装置2穿设于扎纱张力轮1的轴向中心，并与位移板3的上端固定连接，壳体4与锂电池5均为圆筒形，且壳体4的内壁与锂电池5的外壁贴合并固定连接，位移板3的下端与锂电池5的内壁贴合，弹簧6设置于位移板3的底部与锂电池5的底部之间，激光位移传感器7设置于锂电池5的底部，无线收发装置8设置于锂电池5底部与壳体4底部之间形成的空腔内，并与激光位移传感器7通信连接。
如图2所示，本发明实施例中，发电装置2包括发电装置外壳10以及设置于发电装置外壳10内部的转子11和线圈12，转子11与扎纱张力轮1固定连接，发电装置外壳10与位移板3的上端固定连接，线圈12与发电装置外壳10固定连接，线圈12通过穿设于位移板3的导线与锂电池5电连接。
如图1～图2所示，本发明实施例中，扎纱机工作时，纱线9在扎纱张力轮1上过线，带动扎纱张力轮1旋转，扎纱张力轮1再带动发电装置2的转子11旋转，使得转子11与线圈12发生相对运动，切割线圈12之间的磁感线产生电流，不断给锂电池5充电，可以在工作时持续不断给光缆扎纱张力无线检测装置充电，保证光缆扎纱张力无线检测装置持续不断工作，不需要额外连接电源与信号引线。
本发明实施例中，无线收发装置8包括依次通信连接的模数转换模块、数据编码模块和蓝牙传输模块，模数转换模块与激光位移传感器7通信连接，蓝牙传输模块与服务器端通信连接。
本发明实施例中，位移板3会随着扎纱张力变化上下径向位移，通过激光位移传感器7检测得到扎纱机运行时位移板3相对于初始状态时的位移变化值x，由于位移变化值x为弹簧6弹性形变内的变化，因此可根据胡克定律将位移变化值x转换为张力值F＝kx，其中k为弹簧6的弹性系数。
得到张力值F后，首先通过模数转换模块将张力值F转换成数字信号，再通过数据编码模块对数字信号进行编码，得到张力数据，最后通过蓝牙传输模块将张力数据传输至服务器端进行后续处理。
如图3所示，本发明实施例中，扎纱机的同步带轮19与纱筒支撑轴18通过螺栓连接在一起，中心纱筒17套设在纱筒支撑轴18上并固定，同步带轮19通过同步带与伺服电机连接，通过伺服电机驱动中心纱筒17旋转，绞合后的光缆15从扎纱机的中心穿过，从中心纱筒17拉出来的纱线9依次经过出纱筒16、飞梭板14和光缆扎纱张力无线检测装置13后对光缆15进行旋转包裹。光缆扎纱张力无线检测装置13装配在飞梭板14的一侧，飞梭板14与中心纱筒17通过螺栓连接，通过伺服电机驱动飞梭板14旋转，实现扎纱的绞合。
实施例二：
本发明实施例提供了一种扎纱张力监测与控制方法，如图4所示，包括以下步骤S1～S4：
S1、通过光缆扎纱张力无线检测装置检测得到扎纱机运行时的张力，并将张力数据传输至服务器端。
步骤S1包括以下分步骤S11～S15：
S11、通过激光位移传感器检测得到扎纱机运行时位移板相对于初始状态时的位移变化值。
S12、根据胡克定律将位移变化值转换为张力值。
本发明实施例中，由于位移变化值x为弹簧弹性形变内的变化，因此可根据胡克定律将位移变化值x转换为张力值F＝kx，其中k为弹簧的弹性系数。
S13、通过模数转换模块将张力值转换成数字信号。
S14、通过数据编码模块对数字信号进行编码，得到张力数据。
S15、通过蓝牙传输模块将张力数据传输至服务器端。
S2、在服务器端对张力数据进行异常数据清洗和过滤，得到稳定张力数据。
本发明实施例中，由于采用了实时张力检测，纱团在高速旋转中，多种外部条件情况下会造成张力突变，比如纱团在放线中，由于压线等排线不均，机械放线中的异常震动传递到激光位移传感器，因此需要对张力数据进行异常数据清洗和过滤，可有效避免直接由PLC做PID控制时造成的输出异常波动。
步骤S2包括以下分步骤S21～S23：
S21、在服务器端设置张力阈值。
S22、将超过张力阈值的张力数据过滤掉。
S23、根据近期采集的数据，采用最小二乘法对过滤掉的张力数据进行修正填充，得到稳定张力数据。
S3、根据稳定张力数据进行趋势预测和张力修正，得到张力控制因子。
本发明实施例中，服务器端根据采集的张力数据，把扎纱机的升降速方式由常规的匀速控制方式，改变为采用计算修正后的S型升降速，曲线为类抛物线型，抛物线型的斜率每次由采集的张力数据在服务端自动计算完成，所谓S型就是开机平滑起步，中间加速运行，接近设定最高速时加速度逐渐变小，从加速曲线来看是一个类似字母S的抛物线型，这个抛物线型如果计算调整到合理的状态并配合纱团大小不同和机械阻尼系数，就能有效的防止升降速的张力不稳，其实很多张力不稳是由于加减速振荡造成的，如果人为的通过分段速度大幅度进行补偿，效果并不好，因此本发明实施例中根据稳定张力数据进行趋势预测和张力修正，基于实时数据的驱动，更能有效的自适应外部条件的变化，有效减少升降速振荡，保持张力控制的稳定。
步骤S3包括以下分步骤S31～S32：
S31、根据当前时刻的稳定张力数据，结合纱团旋转惯量和机械阻尼，预测得到下一时刻扎纱机伺服电机的升降速值。
S32、将升降速值存放如缓存中，作为下一时刻的张力控制因子。
本发明实施例中，将张力控制因子发送回无线收发装置，再由无线收发装置输出值驱动伺服电机工作，克服了直接由PLC简单的PID计算直接驱动伺服电机造成张力控制不稳。
本发明实施例中，扎纱机伺服电机的升、降速采用双通道独立控制，互不影响，提高了张力控制的稳定性。
S4、根据张力控制因子构建产品结构张力机理模型，对扎纱机运行时的张力进行控制。
步骤S4包括以下分步骤S41～S43：
S41、将张力控制因子与产品结构信息绑定。
S42、在服务器端构建扎纱张力数据库。
S43、通过扎纱张力数据库中的数据积累修正不同产品结构的扎纱机的张力控制参数方案，实现对扎纱机运行时的张力进行控制。
本发明实施例中通过构建产品结构张力机理模型对扎纱机运行时的张力进行控制，动态适配不同产品结构，能够使得张力控制更加平稳。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种光缆扎纱张力无线检测装置，其特征在于，包括扎纱张力轮(1)、发电装置(2)、位移板(3)、壳体(4)、锂电池(5)、弹簧(6)、激光位移传感器(7)和无线收发装置(8)，所述发电装置(2)穿设于扎纱张力轮(1)的轴向中心，并与位移板(3)的上端固定连接，所述壳体(4)与锂电池(5)均为圆筒形，且所述壳体(4)的内壁与锂电池(5)的外壁贴合并固定连接，所述位移板(3)的下端与锂电池(5)的内壁贴合，所述弹簧(6)设置于位移板(3)的底部与锂电池(5)的底部之间，所述激光位移传感器(7)设置于锂电池(5)的底部，所述无线收发装置(8)设置于锂电池(5)底部与壳体(4)底部之间形成的空腔内，并与激光位移传感器(7)通信连接。
2.根据权利要求1所述的光缆扎纱张力无线检测装置，其特征在于，所述发电装置(2)包括发电装置外壳(10)以及设置于发电装置外壳(10)内部的转子(11)和线圈(12)，所述转子(11)与扎纱张力轮(1)固定连接，所述发电装置外壳(10)与位移板(3)的上端固定连接，所述线圈(12)与发电装置外壳(10)固定连接，所述线圈(12)通过穿设于位移板(3)的导线与锂电池(5)电连接。
3.根据权利要求1所述的光缆扎纱张力无线检测装置，其特征在于，所述无线收发装置(8)包括依次通信连接的模数转换模块、数据编码模块和蓝牙传输模块，所述模数转换模块与激光位移传感器(7)通信连接，所述蓝牙传输模块与服务器端通信连接。
4.一种基于权利要求1-3任一所述的光缆扎纱张力无线检测装置的扎纱张力监测与控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过光缆扎纱张力无线检测装置检测得到扎纱机运行时的张力，并将张力数据传输至服务器端；
S2、在服务器端对张力数据进行异常数据清洗和过滤，得到稳定张力数据；
S3、根据稳定张力数据进行趋势预测和张力修正，得到张力控制因子；
S4、根据张力控制因子构建产品结构张力机理模型，对扎纱机运行时的张力进行控制。
5.根据权利要求4所述的扎纱张力监测与控制方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下分步骤：
S11、通过激光位移传感器检测得到扎纱机运行时位移板相对于初始状态时的位移变化值；
S12、根据胡克定律将位移变化值转换为张力值；
S13、通过模数转换模块将张力值转换成数字信号；
S14、通过数据编码模块对数字信号进行编码，得到张力数据；
S15、通过蓝牙传输模块将张力数据传输至服务器端。
6.根据权利要求4所述的扎纱张力监测与控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下分步骤：
S21、在服务器端设置张力阈值；
S22、将超过张力阈值的张力数据过滤掉；
S23、根据近期采集的数据，采用最小二乘法对过滤掉的张力数据进行修正填充，得到稳定张力数据。
7.根据权利要求4所述的扎纱张力监测与控制方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下分步骤：
S31、根据当前时刻的稳定张力数据，结合纱团旋转惯量和机械阻尼，预测得到下一时刻扎纱机伺服电机的升降速值；
S32、将升降速值存放入缓存中，作为下一时刻的张力控制因子。
8.根据权利要求7所述的扎纱张力监测与控制方法，其特征在于，所述扎纱机伺服电机的升、降速采用双通道独立控制。
9.根据权利要求4所述的扎纱张力监测与控制方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下分步骤：
S41、将张力控制因子与产品结构信息绑定；
S42、在服务器端构建扎纱张力数据库；
S43、通过扎纱张力数据库中的数据积累修正不同产品结构的扎纱机的张力控制参数方案，实现对扎纱机运行时的张力进行控制。
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