CN118007290A - 基于纤维集合体透光信号的纺纱牵伸区全域纤维变速点位置的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纤维集合体透光信号的纺纱牵伸区全域纤维变速点位置的测量方法，该方法通过分析纤维集合体的光学特性，探究光质量密度和透过率等因素与纤维变速点分布的关系，为纱线质量预测和纺纱工艺调整提供可参考依据，这一方法首次实现了不受人工操作影响的纺纱并条、粗纱、细纱等牵伸中所有纤维变速点位置的高效精确定位，打破传统纤维示踪法、粗纱截面法、切断称重法等因人工放置多达100根纤维或窄距切断困难造成的费时费力、且精度依赖人工操作的现状，可实现纱线关键参数指标条干均匀度的质量预测，对未来牵伸区在线质量控制系统开发具有重要潜力。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种基于纤维集合体透光信号快速测量纺纱牵伸区全域纤维变速点的方法，尤其是涉及一种利用纤维光学特性和纤维动态运动分析，探究牵伸区纤维集合体的透光与反光信号与纤维变速点分布之间关系的方法，可适用于纺纱并条、粗纱、细纱等工艺的牵伸关键参数设计、输出条干监测、粗纱线密度控制和新型在线纱线质量高效控制系统的开发。
【背景技术】
纺纱并条、粗纱、细纱等后道工序的核心是牵伸作用下的纤维不规则变速运动。在牵伸区内，纤维因前、后罗拉转速不同，由慢速变为快速的位置被称为纤维变速点。以往的大量研究证明，纤维头端变速位置不同是造成牵伸后纱条不匀恶化的主要原因。变速点越向前钳口集中，不受罗拉控制的浮游纤维的变速运动受控越好，有利于纱线条干质量的提高。因此，纤维变速点的准确测量和控制对于纱线质量的预测和纺纱工艺的调整至关重要。
目前，在牵伸区纤维曲线的研究中，传统的纤维变速点的分布通常采用示踪纤维法和等长切断称重法获得。示踪纤维法通过测量100根纤维的移距偏差，提供直观的数据以了解纤维运动规律，而等长切断称重法，即通过窄距等长切断称重，分析牵伸区内须条质量分布，研究牵伸区内纤维变速点的位置和分布集中规律寻找纤维不规则性变化的一般趋势。虽然以上方法都可用于测试牵伸区纤维变速点分布，但在试样获得过程中易产生误差，并受到仪器精度和人为主观性的限制，测量过程长期存在经验依赖度高、测试成功率低、费时、成本高等问题。
江南大学郭明华2022年的罗拉牵伸中纤维变速点分布研究，使用切断称重法对前牵伸区内纤维变速点分布进行了研究，其通过对牵伸区内须条质量分布测试分析，研究变速点集中位置。然而，这一研究方法需要将须条5mm切断，并进行称量，依赖于手工操作，存在人为误差的风险，无法提供准确的纤维变速点集中位置的数据，使得结果不够可靠。
邢声远在细纱机双皮圈牵伸中变速点分布的研究中，采用粗纱截面染色法来测定细纱机前牵伸区内纤维的变速点位置。该方法包括对细纱机吸风口的改装，外接机械电器式控制机构，用于记录粗纱染色点自须条集合器移动至承接带上所需时间的同步瞬间计时器。通过对这一过程的计算，推导出纤维的变速点位置。然而，该方法无法保证粗纱截面染色时染色截面的均匀性。并且，由于纤维在纱条中是随机排列的，粗纱染色截面内各根纤维的染色位置不同，还需测量100根纤维的移距偏差，这增加了实验的复杂性和耗时性。
为了解决传统方法的局限性，近年来光学面密度测量方法逐渐引起了研究人员的关注。吴美琴等人在2015年提出了一种基于纤维层面密度的光学新算法，被命名为Wu-Wang算法。该算法以透射和反射光学信号计算纤维集合体任意一点处的相对面密度，相较于传统方法，Wu-Wang算法考虑了光的散射和反射效应，能够更准确地描述纤维分布的变化情况。
本发明基于Wu-Wang算法，提出一种基于纤维集合体透光信号的纺纱牵伸区全域纤维变速点快速光学测量方法，为确定牵伸区纤维的变速点位置提供了一种全新的、快捷、准确的检测方法。
【发明内容】
本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提供一种基于纤维集合体透光信号的纺纱牵伸区全域纤维变速点位置的测量方法，能够简单、快捷、准确度高的测量纤维变速点的集中位置，避免因为染色操作繁琐、切断受限于人为操作等因素影响，引起的变速点的测试不准确、成功率较低等问题，可适用于化纤、麻、羊毛和棉等多种纤维。
为实现上述目的，本发明提出一种基于纤维集合体透光信号的纺纱牵伸区全域纤维变速点位置的测量方法，包括如下步骤：
步骤1、选取棉、麻或其他纤维须条或粗纱在牵伸区中稳定牵伸后，急停或在线获取所需测量的牵伸区域的须条变细图像，采用单色光图像采集装置分别获得变细须条的透射图像，采用Wu-Wang(W-W)透射算法，以获得精确的光学质量分布数据：
式中，mj为牵伸区纤维变细须条的线密度；R∞为无穷厚纤维材料的反射率，单位为％；Ti，j为牵伸区纤维变细须条第i行、第j列的透光率，单位为％；Tmax为纤维片最厚处的最大透光率，单位为％；
步骤2、基于质量守恒定律，单位时间内穿过每个牵伸区横截面的质量流Q保持不变，因此，在动态运动过程中，牵伸区内纤维质量分布与速度的关系：
Q＝mv (2)
式中，m为动态牵伸运动中任意截面上的纤维质量，单位为g，v为纤维在同一截面上对应的平均速度，单位为m/s；牵伸区内纤维的加速度由微分方程算得：
式中，t为单位时间，单位为s；
步骤3、根据质量守恒和牵伸定律，输入牵伸区的质量流与牵伸区内的保持一致，即Q＝vin*Lm,in和E＝Lm,in/m＝v/vin，其中，Lm,in和vin分别为输入须条的线密度、线速度；根据上述公式，牵伸区内所有截面的累积纤维加速度A可化为：
步骤4、当牵伸区各截面的加速度乘以一个常数，其累积加速度也是对应的倍数，并不影响牵伸区纤维平均加速度的位置；采用以相对光质量mr计算相对累积纤维光加速度Ar，该值均值所在位置即牵伸区所有纤维变速点的位置：
式中，k是一个诱导常数，该值代表使用归一化的相对光学质量mr代替质量m时的常数标量变化；-k/(E*vin)是表示牵伸倍数为E，实际输入须条或罗拉牵伸的速度为vin的工艺参数下，使用相对光学质量代替质量时某个特定的纤维须条耦合工艺与属性常数。
作为优选，在所述步骤1中，选取适当的粗纱样本获得牵伸区，并制备平行排列的纤维絮片，通过以下步骤实现：选择粗纱样本，按照预定的方法和参数，通过细纱机将粗纱逐渐抽长变细，形成牵伸区；同时取粗纱样本通过牵伸处理，使其排列成平行的纤维絮片。
作为优选，在所述步骤1中，提取对应透射和反射信号，通过本发明算法得到各像素点的光学面密度分布曲线，基于所述透射和反射信号的特性，同时考虑了纤维须丛的密度、光线透射和反射的特性，通过数学模型和算法计算各像素点的光学面密度值，能够准确反映纤维量在牵伸区的分布情况。
作为优选，在所述步骤1中，基于纤维集合体透光信号，分析纤维量分布差异，得到纤维变速点集中位置；以纤维量变化曲线的均值对应纤维变速点的集中位置，可用于分析与预测纱线条干不匀等质量指标。
作为优选，单色光可为任意波长的可见光、单色光或组合光。
作为优选，所适用纤维材料包括但不限于棉纤维、羊毛纤维、羊绒纤维、木棉纤维等。
为实现上述目的，本发明提出一种基于纤维集合体透光信号的纺纱牵伸区全域纤维变速点位置的测量方法的应用，本发明的测量方法可用于纺纱过程中并条、粗纱、细纱的简单罗拉牵伸、压力棒牵伸、皮圈牵伸等不同机件牵伸形式的纤维变速点位置的确定。
本发明的有益效果：
本发明公开了一种基于纤维集合体透光信号的纺纱牵伸区全域纤维变速点位置的测量方法，旨在通过分析纤维集合体的光学特性，实现对纤维变速点的准确测量。该发明考虑了纤维材料密度、透光和反光特性与牵伸区纤维变细须条中变速点分布之间的关系，通过该算法算得各像素点的光学线密度变化曲线。
与传统的等长切断称重法和示踪纤维法相比，本发明方法能够实现非接触式、快速且大规模的纤维变速点测量，不需要切断纤维或掺入示踪纤维，避免了样本破坏和操作复杂性。同时，本发明方法结合图像处理技术，能够快速、精确地分析牵伸须条内纤维须丛的纤维量分布，为纱线质量预测和纺纱工艺调整提供可靠的参考依据，具有操作简便、成本低廉、效率高等优点，适用于纺织行业中纤维变速点的测量和分析。
本发明可以分析纤维量分布的差异，准确确定纤维变速点的集中位置，为纱线织造过程中的质量控制和工艺优化提供了重要的技术手段，为纱线质量预测和纺纱工艺调整提供了可靠的参考依据，对未来牵伸区在线质量控制系统开发具有重要潜力。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1为本发明方法所用的变细须条和平行絮片示意图；
图2为本发明方法搭建图像采集系统示意图；
图3为示踪纤维法所取出的染色纤维示意图；
图4为示踪纤维法与本发明方法所获得的纤维变速点集中位置与理想纱线线密度关系示意图；
图5为本发明方法与示踪纤维法测试纤维变速点位置结果对比数据示意图；
图6为本发明方法所获得细纱线密度与纤维变速点集中位置的关系示意图；
图7为示踪纤维法所获得细纱线密度与纤维变速点集中位置的关系示意图；
图8为切断称重法与本发明方法所获得的纤维变速点集中位置与理想纱线线密度关系示意图；
图9为本发明方法所获得细纱线密度与纤维变速点集中位置的关系示意图；
图10为切断称重法所获得细纱线密度与纤维变速点集中位置的关系示意图；
图11本发明方法与切断称重法测试纤维变速的位置结果对比数据示意图。
【具体实施方式】
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明公开了一种基于纤维集合体透光信号的纺纱牵伸区全域纤维变速点位置的测量方法。为验证本发明的正确性，本发明采用传统示踪纤维法与切断称重法进行验证，并提出建立纱线质量预测模型的方法。
实施例一、本发明方法与传统示踪纤维法对比
本组实验采用500tex的白棉粗纱为原料，采用在DSSp-01数字式小样细纱机上牵伸，在粗纱定量、后区牵伸倍数、罗拉隔距等实验参数保持不变的条件下，分别在细纱机前牵伸区倍数为10、15、20、25、30倍时纺制细纱。按照上述纺纱工艺设计获取对应的细纱前牵伸区的纤维变细须条。由图2所示自主搭建的图像采集装置分别测量变细须条的透射图像和纤维絮片的反射图像，如图1所示。为确保数据的准确性，每种样品测量3次。经本发明专利的公式算得须条牵伸区的光学线密度分布曲线，用于表征纤维变速点分布。
示踪纤维法的操作步骤为：在正式实验之前，用染料对该粗纱染色，染色长度为3～5mm。提前摆放好高速摄像机，使得摄像机能够清晰拍下染色点前端露出喇叭口出口前端以及紧急停车的时间。全程录像，将视频上传电脑后用Adobe Premiere Pro软件工具逐帧找出染色点前端露出喇叭口起始时间，再找出急停后罗拉停止转动的终止时间，两者做差得到时间t，精度为0.01s。牵伸过程完成之后，在导纱钩位置做好标记，剪下带有标记以及染有颜色的细纱，取三个不同位置解捻，用镊子将纤维一根一根抽出并测量，所夹出的待测纤维如图3所示。每个截面夹出10根纤维测量，每组实验测量染色纤维各30根，按示踪纤维法公式(6)测量各根纤维的变速位置。
纤维法公式(6)测量各根纤维的变速位置。
其中：
A—喇叭口出口与后罗拉钳口线的距离；
B—后罗拉钳口线导纱钩之间的距离；
S—待测变速点与后罗拉钳口线之间的距离；
X—紧急停车时，导纱钩与纤维头端之间的距离；
Z—染色点头端与纤维头端之间的距离；
Vf—前罗拉表面线速度；
Vb＝Vf/D—后罗拉表面线速度；
D—牵伸倍数；
t—计时开始到紧急停车的时间。
两种测试方法所得纤维变速点集中位置距前罗拉钳口线的距离与理想纱线线密度的关系结果如表1和图4所示。同时，由表1和图5可知由本发明方法测纤维变速点与示踪纤维法具有很高一致性，R2＝0.9872。而且本发明方法所测距前罗拉变速点距离与牵伸倍数的线性度(R2＝0.9492)略高于示踪纤维法(R2＝0.9216)，如图6和图7所示。该实施案例证明了本发明直接测量纤维变速点距前罗拉钳口线距离的有效性。
表1两种测试方法纤维变速点位置比较
实施例二、本发明方法与传统切断称重法对比
本组实验采用380tex的白棉粗纱为原料，采用在DSSp-01数字式小样细纱机上进行牵伸，在粗纱定量、后区牵伸倍数、罗拉隔距等实验参数保持不变的条件下，分别在细纱机前牵伸区倍数为10、15、20、25、30倍时纺制细纱，具体方法参见实施例一。采用380tex的棉粗纱，按上述工艺参数获得牵伸区内的纤维质量分布，具体实验步骤为：将变细须条5mm等长截断称重，通过质量变化分析牵伸区内纤维变速点的集中位置。
两种测试方法所得纤维变速点集中位置距前罗拉钳口线的距离与理想纱线线密度的关系结果如表2和图8所示，同时，由表2可知由本发明方法测纤维变速点与切断称重具有较高的一致性，且本发明方法具有更强的准确性。
表2两种测试方法纤维变速点位置比较
如图9、10所示，对变速点分布数据进行线性拟合，纤维的牵伸倍数与纤维变速点距前罗拉钳口的距离有明显的线性关系。此外，如图11所示，本发明方法与传统切断称重法的结果基本一致，进一步证明了采用本发明方法直接测量纤维变速点距前罗拉钳口线距离的有效性。
实施例三、纱线质量实时监测系统的构建
在本组实验中，在乌斯特条干仪上对表3中不同线密度的纱线性能测试分析，采用本发明方法测量纤维变速点集中位置距前罗拉钳口线的距离，具体方法参见实施例一。根据测试所得成纱质量分析前牵伸区内纤维变速点分布对成纱质量的影响。
表3不同线密度纱线性能指标
如表3所示，由于纤维加速点的位置变量为26.67mm，纱线的CV值为19.1％，说明纱线结构相对不均匀。随着牵伸倍数的逐渐降低，当牵伸倍数为10时，纤维加速点在拉伸区内延伸到11.43mm，纱线的CV值下降到13.57％。CV值的降低表明了纱线均匀度的改善。从图中可以看出，当牵伸倍数从10到30时，CV值与FAP的方差之间存在显著的相关性。
当将基于纤维集合体透光信号的纺纱牵伸区全域纤维变速点位置的测量方法用于实时监控时，可以即时调整其他相关参数以控制纱线的质量。通过结合先进的传感技术和自动化控制系统，纺织行业在高度智能化和自动化的生产流程上有巨大潜力。
本发明首次提出了一种基于纤维集合体透光信号的纺纱牵伸区全域纤维变速点位置的测量方法。在该方法中，通过分析纤维集合体的光学特性，实现对纤维变速点的准确测量。该方法考虑了光密度和透过率等光学参数与纤维变速点分布之间的关系，通过本发明算法，可以得到各像素点的光学面密度分布曲线，实现纤维变速点的位置测量。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.基于纤维集合体透光信号的纺纱牵伸区全域纤维变速点位置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、选取棉、麻或其他纤维须条或粗纱在牵伸区中稳定牵伸后，急停或在线获取所需测量的牵伸区域的须条变细图像，采用单色光图像采集装置获得变细须条的透射图像，采用Wu-Wang(W-W)透射算法，以获得精确的光学质量分布数据：
式中，mj为牵伸区纤维变细须条的线密度；R∞为无穷厚纤维材料的反射率，单位为％；Ti，j为牵伸区纤维变细须条第i行、第j列的透光率，单位为％；Tmax为纤维片最厚处的最大透光率，单位为％；
步骤2、基于质量守恒定律，单位时间内穿过每个牵伸区横截面的质量流Q保持不变，因此，在动态运动过程中，牵伸区内纤维质量分布与速度的关系：
Q＝mv (2)
式中，m为动态牵伸运动中任意截面上的纤维质量，单位为g，v为纤维在同一截面上对应的平均速度，单位为m/s；牵伸区内纤维的加速度由微分方程算得：
式中，t为单位时间，单位为s；
步骤3、根据质量守恒和牵伸定律，输入牵伸区的质量流与牵伸区内的保持一致，即Q＝vin*Lm,in和E＝Lm,in/m＝v/vin，其中，Lm,in和vin分别为输入须条的线密度、线速度；根据上述公式，牵伸区内所有截面的累积纤维加速度A可化为：
步骤4、当牵伸区各截面的加速度乘以一个常数，其累积加速度也是对应的倍数，并不影响牵伸区纤维平均加速度的位置；采用以相对光质量mr计算相对累积纤维光加速度Ar，该值均值所在位置即牵伸区所有纤维变速点的位置：
式中，k是一个诱导常数，该值代表使用归一化的相对光学质量mr代替质量m时的常数标量变化；-k/(E*vin)是表示牵伸倍数为E,实际输入须条或罗拉牵伸的速度为vin的工艺参数下，使用相对光学质量代替质量时某个特定的纤维须条耦合工艺与属性常数。
2.如权利要求1所述的基于纤维集合体透光信号的纺纱牵伸区全域纤维变速点位置的测量方法，其特征在于：在所述步骤1中，选取适当的粗纱样本获得牵伸区，并制备平行排列的纤维絮片，通过以下步骤实现：选择粗纱样本，按照预定的方法和参数，通过细纱机将粗纱逐渐抽长变细，形成牵伸区；同时取粗纱样本通过牵伸处理，使其排列成平行的纤维絮片。
3.如权利要求1所述的基于纤维集合体透光信号的纺纱牵伸区全域纤维变速点位置的测量方法，其特征在于：在所述步骤1中，提取对应透射和反射信号，通过本发明算法得到各像素点的光学面密度分布曲线，基于所述透射和反射信号的特性，同时考虑了纤维须丛的密度、光线透射和反射的特性，通过数学模型和算法计算各像素点的光学面密度值，能够准确反映纤维质量在牵伸区的分布情况。
4.如权利要求1所述的基于纤维集合体透光信号的纺纱牵伸区全域纤维变速点位置的测量方法，其特征在于：在所述步骤1中，基于纤维集合体透光信号，分析纤维量分布差异，得到纤维变速点集中位置；以纤维量变化曲线的均值对应纤维变速点的集中位置，可用于分析与预测纱线条干不匀等质量指标。
5.如权利要求1所述的基于纤维集合体透光信号的纺纱牵伸区全域纤维变速点位置的测量方法，其特征在于：单色光可为任意波长的可见光、单色光或组合光。
6.如权利要求1所述的基于纤维集合体透光信号的纺纱牵伸区全域纤维变速点位置的测量方法，其特征在于：所适用纤维材料包括但不限于棉纤维、羊毛纤维、羊绒纤维、木棉纤维。
7.如权利要求1所述的基于纤维集合体透光信号的纺纱牵伸区全域纤维变速点位置的测量方法的应用，其特征在于：本发明的测量方法可用于纺纱过程中并条、粗纱、细纱的简单罗拉牵伸、压力棒牵伸、皮圈牵伸等不同机件牵伸形式的纤维变速点位置的确定。
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| CN202311844780.3A CN118007290A (zh) | 2023-12-29 | 2023-12-29 | 基于纤维集合体透光信号的纺纱牵伸区全域纤维变速点位置的测量方法 |
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| CN202311844780.3A CN118007290A (zh) | 2023-12-29 | 2023-12-29 | 基于纤维集合体透光信号的纺纱牵伸区全域纤维变速点位置的测量方法 |
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2023
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