CN1699999A - 纱线或织物表面特征的光学与力学组合测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纱线或织物的表面毛羽、表观厚度、压缩性能和摩擦性能的光学与力学组合测量方法及装置。该方法是通过导纱辊托起和罗拉牵引试样，使用高分辨率数码CCD摄像器动态摄取试样表面毛羽形态并获得毛羽数量；通过驱动压缩块压缩导纱辊上托起的试样，测量试样的表观厚度；通过驱动压缩杆竖直往复压缩支撑块上的试样，测量试样压缩性能和压缩回弹性；通过罗拉牵引试样水平方向移动，测量试样的摩擦性能。实现该方法的装置是由底板，载物台，定位杆，导纱辊，压缩块，一对前罗拉，压块，支撑块，一对后罗拉，盛样桶，高分辨率数码CCD摄像器，分别与压缩块、压块和支撑块相连的力传感器，罗拉牵引机构，位移驱动机构，力及形态信号采集、控制和处理系统以及计算机构成。其特点是测量为光学与力学的组合原位测量，且机构精巧、测量简便、快速。

Description

纱线或织物表面特征的光学与力学组合测量方法及装置

技术领域：

本发明属于纺织精密计量仪器技术领域，涉及纱线、绳和织物表面特征的光学与力学组合测量方法及装置，可适用于纱线可织造和可加工性能的评价，织物的蓬松性能、光泽和服用性能评价等的研究和测定。

技术背景：

纱线表面毛羽的数量和分布、纱线的压缩性能和摩擦性能不仅影响织物成形时的加工性能，如经、纬停机、织造开口不清、织造效率、制成率、产品织疵和后道的染色印染质量，而且影响织物的质量、外观效果、穿着舒适性和他用性能。因此，对纱线和织物的表面毛羽、压缩性能和摩擦性能进行测量和分析及其定量化的表征，有着及其重要的实用意义。

目前，国内外测量上述性能的仪器主要采取单机单测单指标为主，如纱线毛羽测试仪：Zweigle G 565 Hairiness Meter(A.Barella，A.Egio，L.Castro，and J.M.Gelabert.Textile Res.J.，1989，59，711)，该仪器给出毛羽12个等级长度的频率谱图和毛羽指数；Uster Tester 3(Zellweger Uster AG.’Measurement of YarnHairiness’(TE 460)，Zellweger Uster AG，Uster，Switzerland，1984)，该测试仪利用毛羽对光的衍射和透射进行感光测量，但对经吸光染料整理后的毛羽测量不适用；Shirley Yarn Hairiness Tester(Shirley Developments Ltd.Catalogue，1989，pp.44，46)和国产YG-172型纱线毛羽测试仪，在摄取纱线表面毛羽前由于毛羽已经经过罗拉的压缩作用而产生倒伏，因此，对结果有一定的偏差。纱线摩擦测试仪有TwistFriction Method(ASTM.D 3412-95，Standard Test Method for Coefficient ofFriction，Yarn-to-Yarn，in Annual Book of ASTM Standards，American Society forTesting and Materials，Philadelphia，PA，USA.1995)和Zweigle G 532-Meter等；纱线压缩测量仪(孙建鹏，张玲.纱线横向压缩性能测试仪的研制.天津纺织工学院学报，1992，11(3)，42-46)；织物摩擦测量仪有KES-FB4表面性能实验仪和YG-821风格仪；织物压缩测量仪有KES-FB3压缩实验仪、FAST-1压缩仪和YG-821风格仪等。

上述实验仪器和方法仅用于测量单项指标，是传统的单机单测单指标或多机多测多指标的测量，无法在同一台仪器上完成纱线和织物的测量，或完成纱线或织物的表面毛羽、压缩性能和摩擦性能的全部测量。然而，实际中需要这些性能同用同测，便于纱线和织物之间的各项力学性能研究和分析。

因此，从实用和理论研究中都有必要研究和开发可同机分析纱线和织物表面毛羽、摩擦和压缩性能的组合测量方法及装置。这样的装置既能降低仪器成本、减少实验试样使用数量及更换测量单元或装置的次数，从而提高实验效率，又能实施同样的单次测量，回避换样和操作误差，提高测量的精度和稳定性，从而实现纱线或织物表面特征与性能的组合原位测量与表征。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种纱线和织物表面特征的光学与力学组合测量方法及装置，可对纱线、绳和织物的表面毛羽、表观厚度、压缩性能和摩擦性能进行光学与力学组合式的原位测量。

本发明的测量原理是通过导纱辊托起和罗拉牵引试样，使用高分辨率数码CCD摄像器动态摄取试样表面毛羽形态和获得毛羽数量；通过驱动压缩块压缩导纱辊上托起的试样，测量试样的表观厚度；驱动压块竖直方向往复压缩支撑块上的试样，测量试样压缩性能和压缩回弹性；罗拉牵引试样水平方向移动，测量试样的摩擦性能，以及给出试样的力学行为特征。

本发明的测量装置主要包括力测量机构，罗拉牵引机构，光学测量机构，位移驱动机构，力及形态信号采集、各机构驱动与控制模块、程序软件和计算机七大部分组成。其基本结构和原理是：

a.力测量机构主要由三个不同量程的高精度力传感器、压缩块、压块、支撑块、底板组件组成，完成对纱线和织物表观厚度、表面摩擦和压缩力学性能的测量，力学测量范围0～500g和0～100g；精度为0.02％。所述力传感器分别与压缩块、压块和支撑块相连，均通过底板固定；力值信号传输到A/D数据采集卡完成微力测量；

b.罗拉牵引机构包括一对前罗拉和一对后罗拉、一对传动齿轮、一对可移动滑块、盛样筒。一对前罗拉和一对后罗拉通过步进电机驱动转动共同牵引试样；试样经罗拉牵引在导纱辊上移动实现光学测量机构连续摄取试样长度方向上的表面形态；可移动滑块用于调节一对前罗拉与一对后罗拉钳口处的水平距离；盛样筒用于装载试样；

c.光学测量机构由高分辨率数码CCD摄像器组成，可完成试样长度方向上任意位置横截面的表面形态，并通过图像采集卡输入计算机，经计算机图像处理与判断可获取设定长度的表面毛羽数量、毛羽总长度、毛羽指数等；

d.位移驱动机构包括压缩块、压块、支撑块和罗拉机构的位移机构：即压缩块的竖直移动、压块和支撑块的竖直移动，一对前罗拉和一对后罗拉的水平移动机构。各套机构均由丝杆机构和步进电机构成，装于底板上，完成位移机构一般位移和精密位移。步进电机的控制由计算机程序构成，滑块的水平移动由转动曲柄手动转动完成；

e.信号采集和输入系统由模/数转换卡，图像采集卡构成。模/数转换卡用于将力传感器感应的模拟信号转换成数字信号；图像采集卡用于试样表面毛羽形态的采集，能以高速、高倍、光学变焦摄取图像。模/数转换卡和图像采集卡均与计算机相连，完成对数据的预处理和输入计算机；

f.各机构的驱动和控制模块包括位移模块和转动模块，即压缩组件机构水平和竖直移动模块、罗拉牵引机构移动和转动模块。由数/模转换卡、电压/频率变频器、驱动电路和步进电机构成，以完成摩擦和压缩模式中的机构运行和数据采集与输入：

g.程序软件与计算机系统是由数据采集与处理模块、图像采集与处理模块、运行模式与控制模块、界面操作与参数设置模块，及计算控制、处理、分析的基本功能模块构成。可完成力和形态图像采集处理、实时显示与存储、界面操作程序控制、测量设置和模式选择，可获得毛羽数量-位移曲线、毛羽指数-位移曲线、压力-位移曲线和摩擦力-位移曲线与包括表观厚度、静摩擦系数、动摩擦系数均值、压缩线性度、压缩功、压缩回弹率和压缩功回复率在内的力学特征参数的提取与计算。

本发明是通过如下技术方案实现的：纱线和织物表面特征的光学与力学组合测量方法及装置，如图1所示，包括由底板组件1，压缩组件机构2、5和6，转动和水平移动组件机构3和4，力传感器机构7和光学测量机构8，以及相应的力和形态图像信号处理系统及位移驱动与转动驱动控制系统组成。上述测量方法的实现是通过其测量装置完成的，该测量装置的构成与作用如下：

a.底板组件1是由底板11、载物台12和定位杆13组成，通过底板11固定压缩组件机构2、5和6及转动和水平移动组件机构3和4与光学测量机构8；对于纱线或绳类试样，可通过定位杆13直接固定；或与织物等扁平试样松散放于载物台12上，便于试样的无损牵引，其结构如图1所示。

b.压缩组件机构是由支撑块竖直移动组件机构2与压块竖直移动组件机构5构成压缩行为的测量机构和压缩块竖直移动组件机构6组成的表观厚度测量机构。所述的支撑块竖直移动组件机构2由步进电机21、蜗杆22、蜗轮23、螺杆24、握持杆25、螺钉26和支撑块27构成，通过步进电机21、转动螺杆24、驱动握持杆25和支撑块27竖直移动，可触及试样，实施试样的定位和拉伸；所述的压块竖直移动组件机构5由步进电机51、蜗杆52、蜗轮53、螺杆54、握持杆55、螺钉56和压块57构成，通过步进电机51转动螺杆54驱动握持杆55和压块57竖直移动，可下压触及试样，实施单次或多次压缩，测量试样的压缩性能和压缩回弹性能；所述的压缩块竖直移动组件机构6由步进电机61、蜗杆62、蜗轮63、螺杆64、握持杆65、螺钉66、压缩块67和导纱辊68构成，通过步进电机61转动螺杆64驱动握持杆65、螺钉66和压缩块67竖直移动，可竖直压缩或循环压缩试样，测量试样的表观厚度及其抗压缩性能，其结构如图1所示。

c.转动和水平移动组件机构3和4是由挂装在水平移动组件机构3上的前罗拉转动机构和挂装在水平移动组件机构4上的后罗拉转动机构组成。所述的水平移动组件机构3由步进电机31、蜗杆32、蜗轮33、传动齿轮34、盛样桶35、转动曲柄36、螺杆37、滑块38和一对前罗拉39构成，通过步进电机31驱动传动齿轮34转动前罗拉39从定位杆13牵引纱线或织物至盛样筒35；旋转转动曲柄36转动螺杆37驱动滑块38在水平方向移动，完成一对前罗拉39水平方向定位。所述的水平移动组件机构4由步进电机41、蜗杆42、蜗轮43、传动齿轮44、转动曲柄45、螺杆46、滑块47和一对后罗拉48构成，通过步进电机41驱动传动齿轮44转动后罗拉48从定位杆13牵引纱线或织物，通过转动曲柄45转动螺杆46驱动滑块47和一对后罗拉48在水平方向移动，完成一对后罗拉48在水平方向的定位，其结构示意如图1所示。

d.力传感器机构7其特征是由高精度力传感器71、72和73组成，分别与支撑块27、压块57和压缩块67相连并感应受力，实现试样压缩性能下的力学值测量。

e、光学测量机构8是由转动曲柄81、螺杆82、握持杆83和高分辨率数码CCD摄像器84构成，通过转动曲柄81转动螺杆82驱动握持杆83和高分辨率数码CCD摄像器84在水平方向移动，完成高分辨率数码CCD摄像器84的聚焦、放大，高分辨率数码CCD摄像器84与计算机通过高速图像采集卡相连，可高速、实时读取导纱辊68上试样的表面毛羽形态。

实现纱线和织物表面特征的光学与力学组合测量方法是通过下述具体过程完成的：

a.通过转动曲柄36和45分别转动螺杆37和46驱动滑块38和47和一对前罗拉39及一对后罗拉48至设定水平位置，完成对此钳口水平距离的定位；再由步进电机21转动螺杆24驱动握持杆25和支撑块27竖直移动至设定高度；再通过转动曲柄81转动螺杆82驱动握持杆83和高分辨率数码CCD摄像器84至设定水平方向位置完成高分辨率数码CCD摄像器84的水平方向聚焦和放大定位。

b.纱管可以直接放于定位杆13上，或纱线可以松散放在载物台12上；织物需裁剪成一定长×宽的织物水平松散放于载物台12上；然后将试样(纱线、绳或织物等)沿着导纱辊68、后罗拉48钳口放置，通过步进电机41转动后罗拉48牵引试样至前罗拉39钳口，再通过步进电机31转动前罗拉39牵引试样至盛样筒35。

c.启动高分辨率数码CCD摄像器84在设定时间段内摄取导纱辊68上试样的表面形态，由此获得毛羽数量-位移曲线、毛羽指数-位移曲线等。

d.由驱动电路驱动步进电机61转动螺杆64驱动握持杆65和压缩块67竖直下移压缩导纱辊68上托起的试样，压缩块67通过螺钉66(压缩块67亦可采用圆柱形或长方体等三维形状，再通过螺钉66固定)固定并与传感器73相连，传感器73感应受力，由此获得压力-位移曲线及其表观厚度等。

e.由驱动电路驱动步进电机51转动螺杆54驱动握持杆55和压块57单次或多次压缩支撑块27上托起的试样，压块57通过螺钉56固定(压块57亦可更换成圆柱形或长方体等三维形状，再通过螺钉56固定)并与传感器72相连，传感器72感应受力由此获得压力-位移曲线、压缩线性度、压缩功、压缩回弹率和压缩功回复率等特征值。

f.由驱动电路驱动步进电机51转动螺杆54驱动握持杆55和压块57竖直向下压缩支撑块27上试样直至设定压力值下停止移动；再由驱动电路驱动步进电机31和41分别驱动前罗拉39和后罗拉48转动牵引试样从定位杆13、导纱辊68、后罗拉48钳口间、支撑块27和压块57之间及前罗拉39钳口间至盛样桶35；试样由前罗拉39牵引时由于受压块57和支撑块27正压力作用须克服试样与压块57和支撑块27之间的摩擦力，支撑块27通过螺钉26与力传感器71相连，传感器71感应受力，由此获得试样在正压力作用下的摩擦力，力传感器71感应受力，由此获得摩擦力-正压力曲线和静摩擦系数与动摩擦系数等特征值，各机构的结构与基本原理如图1所示。

整个装置的控制、数据采集与处理、界面操作和设置由计算机及各软件模块完成，所述的软件模块由数据采集与处理模块、图像采集与处理模块、运行模式与控制模块、界面操作与参数设置模块，及计算控制、处理、分析的基本功能模块构成，其系统流程图如图2所示。

与现有技术相比，本发明包括如下优点：

a.本发明通过光学测量机构能实现试样动态牵引条件下其表面形态的图像摄取；

b.本发明通过微力测量机构能评价试样的表面毛羽与表观变形量；

c.本发明可实现试样不同位置、不同压力下厚度测量以及试样压缩松弛行为和回弹性的测量；

d.本发明可以集纱线和织物的静、动摩擦性能测试于一体，且整个测量自动化、实时化、智能化和高精度，且仪器机构简单、结构精巧、操作简便。

可广泛用于纱线、绳类和织物的表面毛羽、表观厚度、压缩性能和摩擦性能的综合原位分析，尤其是纱线可织造性能和织物风格等的评价。

附图说明：

图1纱线和织物表面特征的光学与力学组合测量装置主视图

图2纱线毛羽指数-位移曲线

图3织物压缩力-位移曲线

图4织物动摩擦系数-位移曲线

图5纱线和织物表面特征的光学与力学组合测量装置数据采集及数控系统流程图

图中：11-底板、12-载物台、13-定位杆；21-步进电机、22-蜗杆、23-蜗轮、24-螺杆、25-握持杆、26-螺钉、27-支撑块；31-步进电机、32-蜗杆、33-蜗轮、34-传动齿轮、35-盛样桶、36-转动曲柄、37-螺杆、38-滑块、39-前罗拉；41-步进电机、42-蜗杆、43-蜗轮、44-传动齿轮、45-转动曲柄、46-螺杆、47-滑块、48-后罗拉；51-步进电机、52-蜗杆、53-蜗轮、54-螺杆、55-握持杆、56-螺钉、57-压块；61-步进电机、62-蜗杆、63-蜗轮、64-螺杆、65-握持杆、66-螺钉、67-压缩块、68-导纱辊；71-力传感器、72-压力传感器、73-压力传感器；81-转动曲柄、82-螺杆、83-握持杆，84-高分辨率数码CCD摄像器。

具体实施方式：

通过以下的基本实施方式和实施例有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。

本发明的装置主视图如图1所示，该装置数据采集及数控系统流程如图5所示。

按照测量要求，通过转动曲柄(36和45)分别转动螺杆(37和46)驱动滑块(38和47)和一对前罗拉39及一对后罗拉48至设定水平位置，完成对此钳口水平距离定位；再由步进电机21转动螺杆24驱动握持杆25和支撑块27竖直移动至设定高度；再通过转动曲柄81转动螺杆82驱动握持杆83使高分辨率数码CCD摄像器84至合适的放大倍率与清晰聚焦位置完成高分辨率数码CCD摄像器84的水平方向定位。将织物裁剪成一定长×宽的织物松散放于载物台12上；将纱管(或绳类等试样)直接放于定位杆13上，或松散放于载物台12上；然后将试样(纱线、绳或织物等)沿着导纱辊68、后罗拉48钳口放置，通过步进电机41转动后罗拉48牵引试样至前罗拉39钳口，再控制步进电机31转动前罗拉39牵引试样至盛样筒35。

实施例1，毛羽指数-位移曲线获得

按测量要求并执行上述测量预备步骤，将纱管固定于定位杆13上，然后沿导纱辊68牵引纱线至后罗拉48钳口处，通过步进电机41驱动后罗拉48转动牵引纱线至前罗拉39钳口处，再由步进电机31驱动前罗拉39转动牵引纱线至盛样桶35。启动高分辨率数码CCD摄像器84在设定时间段内摄取导纱辊68上试样的表面形态，由此获得毛羽指数-位移曲线见图2。

实施例2，表观厚度参数获得

按测量要求，裁一定长×宽的织物试样松散放于定位杆13上，然后沿导纱辊68牵引织物至后罗拉48钳口处，通过步进电机41驱动后罗拉48转动牵引织物至前罗拉39钳口处，再由步进电机31驱动前罗拉39转动牵引织物至盛样桶35。由驱动电路驱动步进电机61转动螺杆64驱动握持杆65和压缩块67竖直下移压缩导纱辊68上试样的表面，压力通过与压缩块67相连的力传感器73感应受力，由此获得压力-位移曲线、试样厚度-压力曲线，按两个设定压力(N1、N2)作用下分别测得的试样厚度(H1、H2)，获得试样表观厚度T，其结果见下表1。

                      表1试样表观厚度测量数据

N1(cN/cm2)	N2(100cN/cm2)	H1(mm)	H2(mm)	T(mm)
					2	100	0.343	0.281	0.063

实施例3，压力-位移曲线及参数获得

按测量要求，裁一定长×宽的织物试样，按实施例2的测试步骤完毕后，由驱动电路驱动步进电机51转动螺杆54驱动握持杆55和压块57循环压缩试样(循环次数可以设定，本实施例只做一次循环)，由此获得压力-位移曲线见图3，根据压力-位移曲线可求得相应的力学特征参数。

实施例4，动摩擦系数-位移曲线及参数获得

按测量要求裁取一定长×宽的织物试样，按实施例2和实施例3的测试步骤完毕后，由驱动电路驱动步进电机51转动螺杆54驱动握持杆55和压块57竖直向下压缩支撑块27上托起的试样直至设定压力值下停止移动；再由驱动电路驱动步进电机(31和41)分别驱动前罗拉39和后罗拉48转动牵引试样从定位杆13、导纱辊68、后罗拉48钳口间、支撑块27和压块57之间及前罗拉39钳口间至盛样桶35，由此获得试样在正压力作用下的摩擦力，获得摩擦力—正压力曲线(见图4)和静摩擦系数与动摩擦系数等特征值。

Claims (9)

1、一种纱线或织物的表面毛羽、表观厚度、压缩性能和摩擦性能的光学与力学组合原位测量方法，该方法是通过导纱辊托起和罗拉牵引试样，使用数码摄像器动态摄取试样的表面毛羽形态和获得毛羽数量；通过驱动压缩块压缩导纱辊上托起的试样，测量试样的表观厚度；驱动压块竖直方向往复压缩支撑块上的试样，测量试样压缩性能和压缩回弹性；罗拉水平方向牵引试样，测量试样的摩擦性能；

所述的导纱辊托起和罗拉牵引是通过步进电机驱动罗拉转动，进而牵引纱线或织物沿着导纱辊表面移动，再使用高分辨率数码CCD摄像器摄取位于导纱辊上试样的表面毛羽形态，并随着试样在导纱辊上不断移动，测得试样长度方向上任意位置的表面毛羽形态，然后，采用数字图像处理技术和计算机运算获得试样长度方向任意位置的表面毛羽数量；

所述的压缩块压缩导纱辊是通过步进电机驱动压缩块竖直向下移动，与导纱辊一起组成试样表观厚度测量压缩机构压缩试样，测量试样的表观厚度及其表面毛羽的抗压缩性能；

所述的竖直方向往复压缩是指通过步进电机驱动支撑块竖直向上移动至与前罗拉及后罗拉钳口处水平位置一致，使试样水平平放在支撑块上；再驱动压块竖直向下移动与支撑块一起组成试样压缩性能测量机构测量试样的压缩性能和压缩回弹性能；

所述的水平方向牵引是在试样被压块与克服水平方向摩擦力的支撑块以正压力压缩的条件下，通过步进电机驱动一对前罗拉和一对后罗拉转动牵引试样，测量试样的摩擦性能；

所述的测量方法是测量纱线和织物的表面毛羽、表观厚度、压缩性能和摩擦性能；其中表面毛羽是指设定长度的毛羽数量、毛羽总长度、毛羽指数和所摄取图像中距离试样中心线设定长度的毛羽感光面积；表观厚度是指在两个设定压力作用下所测试样厚度的差值；压缩性能是指在单次或多次压缩条件下试样的抗压缩性能和压缩回弹性能，包括压缩线性度、压缩功、压缩回弹率和压缩功回复率特征值；摩擦性能是指在压力作用下试样表面的摩擦行为，包括静摩擦系数和动摩擦系数特征值；相应的特征曲线为毛羽数量—位移曲线、毛羽指数—位移曲线、压力—位移曲线、摩擦力—位移曲线。

2、按照权利要求1所述方法的测量装置，其特征在于是一光学与力学组合原位测量机构，由力测量机构、罗拉牵引机构、光学测量机构、位移驱动机构、力及形态信号采集、控制和处理系统以及计算机构成。

3、根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于所述的力测量机构由三个高精度力传感器、导纱辊、压缩块、压块和支撑块及底板组件组成，力值测量范围0～500g和0～100g，精度为0.02％。

4、根据权利要求2所述方法的测量装置，其特征在于所述的底板组件由固定压缩机构、转动和水平移动机构和光学测量机构的底板、载物台和定位杆组成。

5、根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于所述的罗拉牵引机构，由完成纱线或织物在导纱辊、后罗拉、压块和支撑块之间及前罗拉上的移动一对前罗拉和一对后罗拉组成。

6、根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于所述的光学测量机构由高速、实时读取试样长度方向任意时刻试样表面毛羽形态的高分辨率数码CCD摄像器构成，并与计算机通过高速图像采集卡相连。

7、根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于所述的位移驱动机构由装于底板上的五套丝杆机构和步进电机及相应驱动电路构成，其有效量程为0～250mm，精度≤±3μm，速度为1～200mm/min可调。

8、根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于所述的光学与力学测量机构，由压缩组件驱动和罗拉转动，力传感器感应受力和试样表面形态的信号采集及程序控制，由对应的驱动控制卡、数据采集卡、图像采集卡，以及与之相连的带有程序软件的计算机所构成的测量系统，所述的驱动控制是指对由压缩块、压块和支撑块组成的压缩组件和罗拉的驱动与控制，包括数模转换卡、电压/频率变频器和步进电机；所述的信号采集是指对力和试样表面形态信号的采集的力信号数据采集卡和毛羽形态图像采集卡；所述的程序测量是指按软件设定的程序进行的完整测量，其包括信号采集与实时显示模块、驱动控制模块、图像采集与处理模块、数据处理和曲线实时显示及相应的存储、打印模块和界面操作模块。

9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于用于纱线、绳类和织物的测量。

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