基于激光三角法测量经纱管振程的研究

2021-05-21王延蒙

纺织器材 2021年2期

王延蒙，纪红

(济宁职业技术学院，山东济宁 272073)

0 引言

经纱管的振程直接影响纱线质量和锭子使用寿命，目前关于振程测量的研究主要有：王文彬等基于压电晶体的压电效应，利用压电式传感器测量锭子振动情况[1]；齐晓旭利用锭子故障诊断系统测量锭子振动信号，该方法可以满足实验室测量需求，应必须接触式测量而无法用于大规模检测[2]；锭子测振仪广泛用于经纱管振动测量，但也须手动测量，效率较低；马晓建等研究了影响锭子振动的因素，采用频域分析、小波变换的方法对锭子振动进行分析，确定均方值以表示锭子振动情况[3]；王金福等通过频域分析方法研究评价轴承的振动情况[4]。但是，测量经纱管振程的研究较少。为此，笔者基于激光三角法测量位移原理设计塑料经纱管振程测量平台，统计分析其振动数据，以研究确定振动评价标准。

1 激光三角法测量基本原理

利用激光三角原理测量位移的方法，主要有斜射式测量和直射式测量[5]。

斜射式测量位移的工作原理为：激光器发射的激光束与被测物体表面构成一定角度，被测物体将光线反射至线性CCD表面；当被测物体的位移发生改变时，光斑位置在线性CCD表面发生移动，从而测量出被测物体位置的变化，如图1所示。该测量方法经常用于测量表面光滑的物体。

1—被测面；2—准直透镜；3—激光束；4—激光器；5—光电位置探测器；6—接收透镜。

直射式测量位移的工作原理为：采用垂直照射的方式，当被测物体移动时，因物体表面漫反射导致在线性CCD表面成像位置发生变化，如图2所示。该测量方法适用于测量表面粗糙的物体。

1—被测面；2—激光束；3—准直透镜；4—激光器；5—光电位置探测器；6—接收透镜。

因为塑料经纱管应具有加捻卷绕纱线的功能，故其表面粗糙度Ra值较大，应根据直射式测量位移的原理对经纱管的振动情况进行测量。

2 经纱管振程测量系统

经纱管套装在锭子上，其振动视为是在平衡位置附近摆动，故用单方向位移传感器进行测量[6]。

当经纱管工作转速为18 kr/min时，根据香农定理则采样频率不应小于被测量信号频率的2倍；因此经纱管振程测量采用的传感器频率不应小于600 Hz，在经纱管一个转动周期内至少可以测量2个位移点。测量采样点如图3所示。

1—传感器；2—光线；3—测量点；4—经纱管。

传感器振程测量检测系统主要由激光位移传感器、数据采集卡、计算机数据处理系统等组成。为统计振动结果，将传感器测量数据正数设定。传感器标定见图4。

1—激光位移传感器；2—试件；3—微调台。

测量前传感器进行标定，标定的数据采用最小二乘法进行拟合[7]，拟合曲线见图5。为了确保数据的准确性，对同位置位移值取多次均值，最终拟合方程为：y=0.402x-11.258，相关系数R2=0.99。

图5 拟合曲线

3 经纱管振程评价标准与验证

3.1 经纱管振程均值

在振动评价中通常采用均值作为评价的标准，振程均值可以体现出经纱管振动信号距离中心的变化情况[8]，其表达式为：

(1)

3.2 经纱管振程变异系数

经纱管在高速旋转过程中，方差表示经纱管振动位移的离散程度[9]；由于经纱管的振动中心并不总是其几何中心，用方差评价经纱管振程并不合理。为此，定义经纱管振程变异系数，其表达式为：

(2)

将传感器最大量程记为传感器相对零点，如图6所示。

图6 采样零点标定

将测量的经纱管振程数据以矩阵的形式表示，列方向表示测量的经纱管振程值，行方向表示重复次数，记为Amn。

矩阵行方向数据记录着经纱管在1个旋转周期内传感器测量的振程位移数据，根据经纱管振程变异系数公式计算行方向的CV值，其表达式为：

(3)

将计算的CV值取为均值，称为经纱管变异系数均值，其表达式为：

(4)

另一种对矩阵数据处理的方法，为对矩阵列方向的数值取均值。列方向数据为经纱管转动中重复位置点的振动位移，取其均值并计算变异系数，称为经纱管平均变异系数，其表达式为：

(5)

图7为经纱管在10 s内振程测量系统的变异系数均值和平均变异系数的变化情况。实验表明：平均变异系数变化幅度平稳，因此采用其为经纱管振程的评价标准。

图7 变异系数均值和平均变异系数比较

经纱管在低速旋转时的振动幅度较高速时明显，因此设定不同的转速对以上2种经纱管振程的评价标准进行试验验证。设定管长为195 mm经纱管在18 kr/min，12 kr/min，6 kr/min及3 kr/min的不同转速条件下进行试验，采样时间为10 s，依据式(1)和式(5)计算经纱管振程均值和振程变异系数，试验统计结果见图8和图9。