基于激光三角法測量經紗管振程的研究

王延蒙，紀 紅

(濟寧職業技術學院，山東 濟寧 272073)

0 引言

經紗管的振程直接影響紗線質量和錠子使用壽命，目前關于振程測量的研究主要有：王文彬等基于壓電晶體的壓電效應，利用壓電式傳感器測量錠子振動情況[1]；齊曉旭利用錠子故障診斷系統測量錠子振動信號，該方法可以滿足實驗室測量需求，應必須接觸式測量而無法用于大規模檢測[2]；錠子測振儀廣泛用于經紗管振動測量，但也須手動測量，效率較低；馬曉建等研究了影響錠子振動的因素，采用頻域分析、小波變換的方法對錠子振動進行分析，確定均方值以表示錠子振動情況[3]；王金福等通過頻域分析方法研究評價軸承的振動情況[4]。但是，測量經紗管振程的研究較少。為此，筆者基于激光三角法測量位移原理設計塑料經紗管振程測量平臺，統計分析其振動數據，以研究確定振動評價標準。

1 激光三角法測量基本原理

利用激光三角原理測量位移的方法，主要有斜射式測量和直射式測量[5]。

斜射式測量位移的工作原理為：激光器發射的激光束與被測物體表面構成一定角度，被測物體將光線反射至線性CCD表面；當被測物體的位移發生改變時，光斑位置在線性CCD表面發生移動，從而測量出被測物體位置的變化，如圖1所示。該測量方法經常用于測量表面光滑的物體。

1—被測面；2—準直透鏡；3—激光束；4—激光器；5—光電位置探測器；6—接收透鏡。

直射式測量位移的工作原理為：采用垂直照射的方式，當被測物體移動時，因物體表面漫反射導致在線性CCD表面成像位置發生變化，如圖2所示。該測量方法適用于測量表面粗糙的物體。

1—被測面；2—激光束；3—準直透鏡；4—激光器；5—光電位置探測器；6—接收透鏡。

因為塑料經紗管應具有加捻卷繞紗線的功能，故其表面粗糙度Ra值較大，應根據直射式測量位移的原理對經紗管的振動情況進行測量。

2 經紗管振程測量系統

經紗管套裝在錠子上，其振動視為是在平衡位置附近擺動，故用單方向位移傳感器進行測量[6]。

當經紗管工作轉速為18 kr/min時，根據香農定理則采樣頻率不應小于被測量信號頻率的2倍；因此經紗管振程測量采用的傳感器頻率不應小于600 Hz，在經紗管一個轉動周期內至少可以測量2個位移點。測量采樣點如圖3所示。

1—傳感器；2—光線；3—測量點；4—經紗管。

傳感器振程測量檢測系統主要由激光位移傳感器、數據采集卡、計算機數據處理系統等組成。為統計振動結果，將傳感器測量數據正數設定。傳感器標定見圖4。

1—激光位移傳感器；2—試件；3—微調臺。

測量前傳感器進行標定，標定的數據采用最小二乘法進行擬合[7]，擬合曲線見圖5。為了確保數據的準確性，對同位置位移值取多次均值，最終擬合方程為：y=0.402x-11.258，相關系數R2=0.99。

圖5 擬合曲線

3 經紗管振程評價標準與驗證

3.1 經紗管振程均值

在振動評價中通常采用均值作為評價的標準，振程均值可以體現出經紗管振動信號距離中心的變化情況[8]，其表達式為：

(1)

3.2 經紗管振程變異系數

經紗管在高速旋轉過程中，方差表示經紗管振動位移的離散程度[9]；由于經紗管的振動中心并不總是其幾何中心，用方差評價經紗管振程并不合理。為此，定義經紗管振程變異系數，其表達式為：

(2)

將傳感器最大量程記為傳感器相對零點，如圖6所示。

圖6 采樣零點標定

將測量的經紗管振程數據以矩陣的形式表示，列方向表示測量的經紗管振程值，行方向表示重復次數，記為Amn。

矩陣行方向數據記錄著經紗管在1個旋轉周期內傳感器測量的振程位移數據，根據經紗管振程變異系數公式計算行方向的CV值，其表達式為：

(3)

將計算的CV值取為均值，稱為經紗管變異系數均值，其表達式為：

(4)

另一種對矩陣數據處理的方法，為對矩陣列方向的數值取均值。列方向數據為經紗管轉動中重復位置點的振動位移，取其均值并計算變異系數，稱為經紗管平均變異系數，其表達式為：

(5)

圖7為經紗管在10 s內振程測量系統的變異系數均值和平均變異系數的變化情況。實驗表明：平均變異系數變化幅度平穩，因此采用其為經紗管振程的評價標準。

圖7 變異系數均值和平均變異系數比較

經紗管在低速旋轉時的振動幅度較高速時明顯，因此設定不同的轉速對以上2種經紗管振程的評價標準進行試驗驗證。設定管長為195 mm經紗管在18 kr/min，12 kr/min，6 kr/min及3 kr/min的不同轉速條件下進行試驗，采樣時間為10 s，依據式(1)和式(5)計算經紗管振程均值和振程變異系數，試驗統計結果見圖8和圖9。

圖8 不同轉速下經紗管振程均值的變化曲線

圖9 不同轉速下經紗管振程變異系數的變化曲線

當經紗管轉速為6 kr/min時接近第一階臨界轉速，經紗管振動較明顯、相應的振程變異系數值增大；隨著轉速提升,經紗管振程變異系數降低，試驗結果與觀測結果相符，驗證了評價指標的合理性。

4 結論

4.1塑料經紗管表面粗糙度Ra值較大，可根據直射式測量原理對其振動情況進行測量；塑料經紗管工作振動情況近似為強迫振動，可采用單方向位移傳感器進行測距。

4.2針對測量數據采取2種統計學分析方法，試驗表明塑料經紗管振程平均變異系數變化穩定，能更為準確地反映其振動程度。

4.3當塑料經紗管轉速為6 kr/min時，其振程平均變異系數明顯變大。