автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка структуры и исследование технических параметров программно-аппаратного комплекса для измерения натяжения нитей в процессах ткачества

На правах рукописи ЛАПШИН ВАЛЕРИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАТЯЖЕНИЯ НИТЕЙ В ПРОЦЕССАХ ТКАЧЕСТВА

Специальность 05.02.13 -машины и агрегаты легкой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кострома - 1998

Работа выполнена в Костромском государственном технологическом университете

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор Староверов Б.А.

доктор технических наук, профессор

Ямщиков C.B.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Глазунов В.Ф. кандидат технических наук, доцент Проталинский C.B.

Ведущее предприятие -

АО Большая Костромская льняная мануфактура

Защита состоится " декабря 1998 г. в'16 часов на заседании диссертационного совета в Костромском государственном технологическом университете по адресу: г. Кострома, ул. Дзержинского, 17.

С диссертацией можко ознакомиться в библиотеке Костромского государственного технологического университета

Автореферат разослан

Мг. /^¿¿Ш, I 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совету ^

доктор технических наук, профессор / Соркин А.П.

■ Л^

-

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

В современных экономических условиях текстильным предприятиям часто приходится изготавливать ткани малыми партиями при большом разнообразии переплетений и узоров, что требует частых перезаправок ткацкого оборудования. Предприятия должны обеспечивать такую гибкость производства, которая могла бы оперативно реагировать на изменения в моде и требования к качеству и потребительским свойствам изделий.

Натяжение основных нитей один из важных параметров, объективно отражающих ход технологического процесса ткачества. Следовательно, имея достоверную информацию о поведении нити в процессе тканеобразования и работе основных органов ткацкого станка, можно правильно определить параметры настройки и повысить эффективность его работы за счет снижения обрывности нитей. Этим вызвано как в зарубежной практике, так и: и у нас появление в последние годы измерительных приборов и систем, позволяющих автоматизировать процесс съема информации.

Наиболее эффективным средством повышения производительности оборудования является введение на предприятиях системы постоянного контроля за его работой с целью накапливания статистической информации, выявления причин обрывности нитей, своевременного устранения этих причин и выявления технологического оборудования, наиболее пригодного для выработки определенного ассортимента тканей.

Анализ состояния вопроса показывает, что обеспечение текстильной промышленности измерительными при»

борами недостаточно. Многие приборы морально устарели. Отечественное текстильное машиностроение существенно отстает от требований сегодняшнего дня.

Разработка новых приборов и измерительных комплексов, предназначенных для оценки поведения нити в процессе ее переработки, является актуальной задачей решение которой влечет за собой повышение эффективности производства.

Современные тенденции в приборостроении предполагают использование микропроцессоров, контроллеров, быстродействующих электронных преобразователей измеряв-

мого параметра с высокими метрологическими характеристиками, управляющих ПЭВМ. Новая философия измерений смещается от классической (измерение с помощью датчиков и вольтметров) концепции измерения одной величины специально предназначенным для этого прибором, к идее компьютеризированной системы обработки данных, связанной интерфейсом с системой управления. Таким образом, происходит качественное усложнение приборов для измерения технологических параметров, направленное на экономию ручного труда, приобретение дополнительной информации о текстильных материалах.

Внедрение современных средств автоматики имеет и большое социальное значение - облегчает труд работающих, повышает престижность профессии.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с МНТП "Русский лен" (приказ - N 42 6 Гос.комитета РФ по высшему образованию от 22.04.91) тема 80-БНИ-91 " Разработка программно-аппаратного комплекса оптимизации технологических режимов" и направлена на создание высокоэффективного оборудования для исследования технологических процессов ткачества.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью настоящей работы является аналитическая и конструктивная разработка, а так же экспериментальное исследование программ.-ю-апларатного комплекса (ПАК) для оперативной диагностики процесса тканеобразования.

В соответствии с указанной целью в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Аналитически исследовать колебательную систему "датчик - нити основы".

2. Создать на основе предложенной математической модели колебательной системы "датчик - нити" основы первичный преобразователь измерения одиночной нити на ткацком станке.

3. Разработать универсальный измерительный комплекс и программное обеспечение ПАК.

4. Провести анг.лиз метрологических характеристик разработанного ПАК.

5. Провести экспериментальные исследования разработанного ПАК.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В работе использовались тебретические и экспериментальные методы исследования.

В теоретических исследованиях использованы методы теоретической и прикладной математики, теории колебаний, сопротивления материалов, теории вероятностей и математической статистики.

Расчетная часть выполнена аналитическими и численными методами с использованием математического пакета программ MathCAD. Для разработки программного обеспечения применялись языки Ассемблер, Borland С++ в операционной среде MS DOS.

Для графического представления получаемой информации использовалась система AutoCAD.

Экспериментальные исследования лроводились методами электротехнических измерений в лабораториях кафедры ткачества КГТУ и на льнокомбинате Большая Костромская льняная мануфактура.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

В процессе решения поставленных задач впервые:

предложена математическая модель взаимодействия основных нитей и датчика в условиях процесса ткачества, учитывающая колебания датчика по трем обобщенным координат ам; '

- исследована колебательная система "датчик - нити основы", что позволило сформулировать требования к массо-габаритным параметрам несущей конструкции преобразователя;

- исследованы и определены основные параметры первичного преобразователя, обеспечивающее наилучшее качество измерений.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана новая конструкция датчика для измерения натяжения нити.

Разработанный программно-аппаратный комплекс позволяет определить натяжение нитей в зоне скало - ламели, а также положение рабочих органов ткацкого сФанка СТБ. Измерение может проводиться несколькими датчиками одновременно в режиме реального времени.

Впервые в измерительном комплексе использован, в качестве управляющей ЭВМ, переносной портативный компьютер типа Notebook, что значительно увеличило оперативность проведения эксперимента. Комплекс может использоваться как для производственных целей, так и для научных исследований .

Разработан пакет прикладных программ, обеспечивающие эффективное использование комплекса.

ПАК позволяет повысить достоверность результатов, автоматизировать процесс измерения и статистической обработки информации, получить дополнительные сведения о работе основных органов ткацкого станка. Разработанный универсальный комплекс позволяет с небольшими изменениям!: применять его для исследования другого технологического оборудования (мотальные и сновальные машины, кольцепря-дильные машины), а также как функциональный элемент перспективных типов систем автоматического управления технологическим оборудованием.

Разработанный комплекс для измерения натяжения нитей используется в учебном процессе кафедр ткачества, автоматики и микропроцессорной техники КГТУ, а также при проведении научно-исследовательских работ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные результаты работы были доложены и получили положительную оценку на:

- заседаниях кафедры автоматики и микропроцессорной техники КГТУ(1996 - 1998 г. г.);

- всесоюзной научно-технической конференции я Пути совершенствования технологии и оборудования в льняной отрасли текстильной промышленности" (Лен 94), Кострома, КТИ, 1994 г.;

- Всероссийском семинаре по теории машин и механизмов Российской академии наук (Костромской филиал) , 1995 г.;

- заседании семинара "Технологии текстильных материалов" КГТУ, 1996 г.;

- Научно-техническая конференция "Актуальные проблемы техники и технологии переработки льна и производства льняных изделий" (Лен-96), Кострома, КГТУ. 1996 г.;

- Международная научно-техническая конференция "VI I Бенардовские чтения", Иваново, ИГЭУ, 1997 г.;

- конференциях преподавателей и сотрудников КГТУ, 1995-1998 г.Г.;

- Международная научно-техническая конференция " Актуальные проблемы переработки льна и современных условиях" (Лен-98), Кострома, КГТУ, 1998 г..

ПУБЛИКАЦИИ

По материалам диссертации опубликовано две статьи.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованных источников (.7.6 наименований) и.З. приложений. Общий объем работы.^б страниц машинописного текста, в том числеЛ2 рисунков тл.40 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность рабсты.

В,первой главе проводится анализ существующих методов и приборов, а также информационно-измерительных систем (ИИС), предназ наченных для измерения натяжения нитей. Специфика методов и приборов как силоизмерителей обусловлена тем, что объектом измерения является движущаяся нить, величина натяжения которой относительно невелика, а частотный спектр изменений натяжения во времени довольно широк. Отмеченная специфика язляется причиной того, что для измерения натяжения нитей разрабатывают и применяют специализированные приборы. Средства для измерения натяжения нитей разделены по принципу действия на две группы: механические и электронные.

Наибольшее количество известных электронных приборов, как отечественных так и зарубежных, приходится на тензометрический принцип измерения.

Обобщены результаты работ В.К. Макарова, Я.И. Кори-тысского, Г.Н. Захарова, Е.Э. Вакса, Е.Д. Ефремова, Б.Н. Гусева, H.A. Кулиды и др., направленных на исследование измерения натяжения нитей и создание измерительных датчи-

ков. Общий недостаток рассматриваемых работ связан с от сутствием математически обоснованного определения об ратного .воздействия измерительного устройства на объект.

Проанализированы способы установки датчиков измерена натяжения основных нитей. На основе анализа определено что оптимальным вариантом является крепление датчика нитям и поставлена задача обосновать массо-габаритны характеристики датчика с тем, чтобы минимально воздей ствовать на нити.

Анализ показал, что измерительные приборы обладая ограниченными функциональными возможностями, по сравнен* с ИИС и не могут обеспечить необходимого объема измерк тельной информации. Поэтому, применение ИИС позволит * высоком уровне решать задачи автоматизации технологиче ских процессов и научных экспериментов.

На основании проведенного обзора отечественных зарубежных ИИС обоснована целесообразность создана программно-аппаратного комплекса (ПАК), удовлетворяющег все возрастающим требованиям текстильного производст! и научных исследований.

Вторая глава посвящена разработке структуры 1Ш выбору и обоснованию основных элементов комплекса.

На основе работ М.П. Цапенко, М. Крауса и Э. Вой ны, А.Ф. Страхова, Е.Т. Удовиченко, В.А. Климова и др, посвященных ИИС, разработана структурная схема аппарат ной части комплекса. Определено, что с целью сокращен* затрат на изготовление однотипных блоков построена ПАК должно быть основано на многоточечнс (мультиплексорной) структуре. Обосновано, что количестг аналоговых каналов измерения, а следовательно, и перви* ных преобразователей (датчиков) должно быть восемь.

По разработанной схеме ЭВМ получает информацию чер< устройство сопряжения по четырем цифровым каналам, также от восьми датчиков натяжения. При необходимост: в схеме предусмотрена возможность увеличения количеств как аналоговых, так и цифровых каналов.

На основе исследований, технологических особенности процесса ткачества, разработаны требования ко всем фуш циональным блокам, входящим в ПАК. Указаны виды соьме!

тимости, которыми должны обладать блоки. Сформулированы основные задачи программного обеспечения ПАК.

В этой же главе определен механизм возникновения обратного действия конструкции датчика на нити основы. Поскольку первичный преобразователь, имея конечную массу, устанавливается на нити основы в зоне "скало - ламели", мы получаем колебательную систему "датчик - нити основы" с несколькими степенями свободы в которой возникают колебания, если вывести ее из состояния равновесия .

Под действием вынуждающих сил датчик будет совершать колебания на нитях основы, тем самым вызывая дополнительные воздействия на них. Особенно опасен резонанс, обусловленный совпадением частоты вынуждающей силы и частот собственных колебаний датчика. Следовательно, колебания датчика могут увеличивать натяжение нити и вносить погрешность в измерения.

Обобщенными возмущающими усилиями здесь являются силы и моменты сил инерции, вызванные движением неинерци-альной системы координат в инерииальной. В качестве инерциальной системы координат выступает неподвижная часть станка - станина. В качестве неинерциальной системы координат выступает система координат связанная с нитями основы.

Источником движения неинерциальной системы координат являются колебания скала в вертикальной плоскости, а также продольное смещение нитей основы, обусловленное их деформацией при зевообразовании и прибое.

В третьей главе приведена математическая модель колебательной системы "датчик - нити основы". Модель описывает вертикальные колебания вместе с нитями основы по координате, перпендикулярной к конструктивно-заправочной линии - первая (основная) форма/ угловые колебания относительно оси, лежащей в плоскости нитей основы перпендикулярно к ним - вторая форма; угловые колебания относительно оси, проходящей через центр масс и параллельной нитям основы - третья форма;

Датчик в расчетной схеме представлен как твердое тело, совершающее движение в трехмерном пространстве, и млеющем три степени свободы. Принимается, что масса,

коэффициент упругости и коэффициент демпфирования коле-'бательной системы являются постоянными параметрами, не изменяющимися в течение рассматриваемого промежутка времени; продольные волны деформации в нитях не рассматриваются; в крайних точках рассматриваемого участка нити защемлены; нить рассматривается как элемент колебательной системы с постоянной жесткостью на растяжение; масса деформируемых нитей пренебрежимо мала по сравнению с массой датчика; в пределах малых колебаний сила упругости в нити пропорциональна деформации, а диссипативная сила сопротивления пропорциональна первой степени скорости смещения датчика; инерционностью ламелей пренебрегаем. Рассматриваемый участок нитей Ь ограничен с одной стороны скалом, с другой стороны - опушкой ткани. Нить в расчетной схеме представлена моделью, состоящей из идеальной упругой пружины и поршня перемещающегося в вязкой среде (рис.).

Уравнения вынужденных колебаний датчика составлены на основе принципа Даламбера. В общем случае колебательная система "датчик - нити основы" является нелинейной с жесткой силовой характеристикой и нелинейность подобных систем связана с рассмотрением геометрии системы при больших перемещениях, а не с нелинейными свойствами нити. Однако, исследования нелинейности показали, что если сила предварительного натяжения нити велика, а перемещение мало, то систему можно рассматривать как линейную. Колебания датчика на нитях основы описываются системой уравнений:

Г

м • г'' + +

2-Тэ-п-(Ь2 + Ьх) Тэ-п-Ь-(Ь2 - 4)

• 7 т Д- —_Ъ_' • 7 ч. __________>__ '

Д

V Ь2

•<р - мд- д «<21

) 0 *ф" + Ь2-ф' +

, - 4)

Ьх-Ь2

2 + Т ■ п-Ь-

2- Ь,

+ 2

■I

+ а' +

•а«яО

где г - вертикальное перемещение датчика по оси Ъ; Ф - угловое перемещение относительно оси У; а - угловое перемещение относительно оси X;

Мд - масса датчика;

Ь - ширина датчика;

а - длина датчика вместе со спицами;

Зу - момент инерции датчика относительно оси У;

Л - момент инерции датчика относительно оси X;

Ы,Ь2 - длина участков нити основы;

Тз- заправочное натяжение основных нитей;

С - коэффициент жесткости нити длиной Ь;

11 - коэффициент , демпфирования нити длиной Ь;

д - ускорение свободного падения;

п - количество ните на которых лежит датчик;

£>1,22 - обобщенная возмущающая сила.

Анализ полученных уравнений показал, что первая вторая формы связаны между собой, а колебания по третье форме - независимы.

В этой же главе определены диапазоны частоты соб ственных колебаний датчика и возможные диапазоны измене ния вынуждающих факторов в зависимости от массы датчика движения его от скала к ламелям. Воздействия вынуждающи сил рассматриваются как гармонические и принят крайни; случай, когда все силы действуют синфазно. Решение си стемы уравнений, получено численными методами с помощь, математического пакета программ Ма^САБ методом Рунге-Кутта.

Исследования показывают, что при изменении массы датчика от 0.135 до 0.54 кг, моментов его • инерции ^ о 1.82-10"3 до 1.17-10"' кг-м2, ^ от 4.68-Ю"4 до 3.2 6-10'5 к: м2 и движении от скало к ламелям, увеличение натяжени; будет в диапазоне от 6 сН до 1 сН, независимо от уровн статического натяжения.

В четвертой главе, представлены разработанные конструкции элементов ПАК с учетом требований, определенны; в гл.2, и рекомендаций по массо-габаритным характеристикам, указанным в гл.З. Приведены электрические принципиальные схемы нормирующего усилителя (НУ) и уст ройства сопряжения с ЭВМ. Снята статическая характеристика датчика, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ,

в

НУ и определена динамическая погрешность НУ. Погрешность на частоте входного сигнала 1 кГц'составляет 0.43%.

Показан общий вид разработанного ПАК, размещенный у станка,- а также представлены технические характеристики датчика и всего комплекса.

В этой же главе разработаны алгоритмы и программное обеспечение ПАК. Программное обеспечение состоит из двух программ: управляющей и анализирующей. В основу разработки обоих программ положена современная концепция интерфейса пользователя, т.е. режим работы - диалоговый, с использованием меню, окон, управляющих индикаторов, переключателей, индикаторов прогресса, контекстно-зависимой подсказки и т.д. Основная задача управляющей программы, это получение достоверной информации от датчиков натяжения нити и представление ее в графическом (тензограммы) или цифровом виде.

Анализирующая программа выполняет статистическую обработку результатов и гармонический анализ тензограммы рабочего цикла станка. Разработано специальное руководстве пользователя, где отражен сценарий работы по проведению эксперимента.

В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований разработанного ПАК. На основе метода свободных колебаний инерционного элемента определены параметры колебательной системы "датчик - нити основы": собственная частота, коэффициенты затухания и жесткости. Этим же методом определены параметры воспринимающего упругого элемента. Построена амплитудно - частотная характеристика балки и рассчитана величина погрешности в динамике. Погрешность составляет на частоте 140 Гц - 4%.

С помощью математической модели, разработанной в разделе 3, методом вычислительного эксперимента опреде-гсена погрешность, обусловленная реальной конструкцией датчика. При массе 0.25 кг, моментах инерции ^ = 1.83-10* сг-м2, ^ = 2.73* Ю'^кг-м2 и движении датчика от скала к :амелям погрешность изменяется от 2.7 сН до 1.1 сН, неза-шсимо от уровня статического натяжения.

На основе анализа работ Осадчего, П.В.Новицкого, З.Н.Гусева, В.Я.Кулиды, Н.П.Клоковой, И.П.Байкова, пред-гажена методика определения метрологических характеристик

электронных устройств комплекса и всего измерительного канала в делом.

Лабораторные V. производственные (в условиях АО БКЛМ) испытания ПАК-2 показали его работоспособность, лучшие метрологические характеристики (сходимость и воспроизводимость результатов) в сравнении с ПАК-1. Длительность съема информации для задачи прогнозирования обрывности нитей сократилась в два раза и составила 40-45 мин.

ОБЩЕ ВЫВОДЫ.

1. Анализ известных нам отечественных и зарубежных систем для измерения натяжения нитей показал, что многообразие существующих ИИС тем не менее не решило проблемы создания комплекса, удовлетворяющего возрастающим требованиям текстильного производства и научных исследований.

2. Исследования, проведенные на основе анализа конструкций первичных измерителей натяжения основных нитей, позволили одределить классификацию способов установки датчиков для проведения измерений.

3. Предложенная математическая модель описывающая колебательную систему "датчик - нити основы" по трем обобщенным координатам, использована для теоретических исследований параметров несущей конструкции датчика.

4. На основе .теоретического исследования частот собственных колебаний конструкции датчика, вынуждающих сил и моментов сил инерции установлена возможность резонанса, обусловленного совпадением частоты вынуждающей силы и частот, собственных колебаний датчика.

5. В результате анализа установлено, что возможное увеличение натяжения нити при различных массах, моментах инерции . датчика и движении его от скала к ламелям, находится в диапазоне от бсН до 1 сН.

6. Разработана конструкция ПАК, исследования которой показали, что динамическая погрешность комплекса определяется только дин<шической погрешностью воспринимающего упругого элемента датчика.

7. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение ПАК, позволяющие эффективно использовать комплекс в процессе проведения эксперимента. Сценарий работы по

проведению эксперимента отражен в руководстве пользователя. -,

8. Исследования реальной конструкции датчика показали, что величина обратного действия корпуса на одну нить составляет от 2.7 сН до 1.1 сН.

9. Оценка точности, сходимости и воспроизводимости результатов измерения показала соответствие измерительной системы ПАК требованиям к точности информации.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Лапшин В.В. Программные средства для автоматизации обработки информации о натяжении в процессе ткачества.// Пути совершенствования технологии и оборудования в льняной отрасли текстильной промышленности. Лен 94: тез. докл. Междунар. науч.-техн. конференции. /КТИ.Кострома, 1994 г.

2. Лапшин В.В., Ломагин В.Н. Датчик натяжения нитей основы на ткацком станке./ Текстильная промышленность.-1995, N12.

3. Лапшин В.В., Староверов В.А., Ломагин В.Н. Микропроцессорная система измерения натяжения основных нитей на ткацком станке. //Изв. вузов, технология текстильной промышленности. -1996. N 5.

4. Лапшин В. В. Погрешность измерения натяжения основы на ткацком станке программно-аппаратным комплексом. // Актуальные проблемы техники и технологии переработки льна и производства льняных изделий. Лен-96: тез. докл. Междунар. науч.-техн. конференции. /КГТУ.- Кострома, 1996 г.

5. Лапшин В. В. Программно-аппаратный комплекс для оперативной диагностики процесса тканеобразования на основе ЭВМ типа "Notebook". // Актуальные проблемы техники и технологии переработки льна и производства льняных изделий. Лен-96: тез. докл. Междунар. науч.-техн. конференции ./КГТУ.- Кострома, 1996 г.

6. Лапшин В.В., Муравьев Е.Ю. Микропроцессорная система автоматического измерения натяжения нитей основы в процессе ткачества. //V!! Бенардовские чтения, тез. докл. Междунар. науч.-техн. конференции /Иваново, ИГЭУ, 1997 г.

1С

7. Лапшин В.В., Олоничев В.В. Математическая модель датчика натяжения нити. // Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях Лен-98:тез. докл. Между-нар. науч.-техн. конференции./КГТУ.- Кострома, 1998 г.

8. Лапшин В.В., Байков И.П., Муравьев Е.Ю. Метрологические характеристики измерительного канала программно - аппаратного комплекса. // Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях Лен-98: тез. докл. Междунар.науч.-техн. конференции./КГТУ.- Кострома,1998 г.

Автореферат Лапшин В.В.

Подписано в печать 19.11.98г. Заказ224.Тираж 1 ОО.КГТУ.

Костромской государственный технологический университет

РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАТЯЖЕНИЯ НИТЕЙ

В ПРОЦЕССАХ ТКАЧЕСТВА

Специальность 05.02.13 -машины и агрегаты легкой промышленности

Диссертация на соискание ученой степени кандидата техническим наук

На правах рукописи

ЛАПШИН ВАЛЕРИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

УЖ 677.058.52

Научные руководители:

д. т. н., профессор

Староверов Б. А. д. т. н., профессор

Ямщиков С. в.

Кострома - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.....................................................4

1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО ДАТЧИКАМ И СИСТЕМАМ ИЗМЕРЕНИЯ НАТЯЖЕНИЯ НИТЕЙ

1.1. Анализ конструкций датчиков измерения натяжения нитей......10

1.2. Анализ информационно-измерительных систем для измерения

\

натяжения нитей в процессах ткачества......................20

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА С ПАЮ.. 26

2.1. Выбор и обоснование основных элементов комплекса...........31

2.1.1. Разработка требований к первичному преобразователю

С датчику).................................................31

2.1.2. Разработка требований к устройству сопряжения

датчика с ЭВМ............................................41

2.2. Требования, предъявляемые к программному обеспечению комплекса..................................................44

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ПАК

3.1. Исследование влияния конструкции датчика на точность

измерения..................................................47

3.1.1. Исследование свободных колебаний датчика.................51

3.1.2. Исследование возмущающих факторов........................67

3.1.3. Исследование вынужденных колебаний датчика...............73

4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ПАК

4.1. Конструкция датчика измерения натяжения нити...............76

4.2. Конструкция нормирующего усилителя.........................79

4.3. Конструкция устройства сопряжения с ЭВМ....................84

4.4. Разработка алгоритмов и программного обеспечения ПАК.......89

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ "ДАТЧИК - НИТИ ОСНОВЫ"

5.1. экспериментальное.определение параметров колебательной системы "датчик - нити основы".............................99

5.2. экспериментальное определение параметров воспринимающего упругого элемента и динамической погрешности..............102

5.3. Определение погрешности, обусловленной конструкцией датчика...................................................107

5.4. Методика определения метрологических характеристик электронных устройств комплекса____Г......................108

5.4.1. Определение суммарной погрешности ПАК...................115

5.5. Результаты лабораторных и производственных

испытаний ПАК.............................................120

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.............................................129

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........................131

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................137

ВВЕДЕНИЕ

В современных экономических условиях текстильным предприятиям часто приходится изготавливать ткани малыми партиями при большом разнообразии переплетений и узоров, что требует частых перезаправок ткацкого оборудования. Предприятия должны обеспечивать такую гибкость производства, которая могла бы оперативно реагировать на изменения в моде, на требования к качеству и потребительским свойствам изделия, при сокращении потерь на переналадку и перенастройку оборудования.

Натяжение основных нитей один из важных параметров, объективно отражающих ход технологического процесса ткачества. Следовательно, имея достоверную информацию о поведении нити в процессе тканеобразования и работе основных органов ткацкого станка, можно правильно определить параметры настройки и повысить эффективность его работы за счет снижения обрывности нитей. Этим вызвано как в зарубежной практике, так и у нас появление в последние годы измерительных приборов и систем, позволяющих как автоматизировать процесс съема информации, так и подготовку информации к процессу принятия решения.

Наиболее эффективным средством повышения производительности оборудования является введение на предприятиях системы постоянного контроля за его работой с целью накапливания статистической информации, выявления причин обрывности нитей, своевременного устранения этих причин и выявления технологического оборудования, наиболее пригодного для выработки определенного ассортимента тканей.

В работах [1,23 указывается, что обеспечение текстильной промышленности измерительными приборами недостаточно. Многие приборы

морально устарели. Отечественное текстильное машиностроение существенно отстает от требований сегодняшнего дня.

Актуальность трмьт. разработка новых приборов и измерительных комплексов, предназначенных для оценки поведения нити в процессе ее переработки, является актуальной задачей решение которой влечет за собой повышение эффективности производства.

Современные тенденции в приборостроении предполагают использование микропроцессоров, контроллеров, быстродействующих электронных преобразователей измеряемого параметра с высокими метрологическими характеристиками, управляющих ПЭВМ. Новая философия измерений смещается от классической (измерение с помощью датчиков и вольтметров) концепции измерения одной величины специально предназначенным для этого прибором, к идее компьтеризированной системы обработки данных, связанной интерфейсом с системой управления. Таким образом, происходит качественное усложнение приборов для измерения технологических параметров, направленное на экономию ручного труда, приобретение дополнительной информации о текстильных материалах.

С другой стороны это приводит к удорожанию приборов и систем, увеличению их стоимости и технического обслуживания. Поэтому, при разработке новых средств измерения необходимо ориентироваться на унифицированные промышленные узлы и средства автоматики.

Внедрение современных средств автоматики- имеет и большое социальное значение - облегчает труд работающих, повышает престижность профессии.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с МНТП "Русский лен" (приказ - N 426 Гос.комитета РФ по высшему образованию от 22.04.91) тема 80-БНИ-91 " Разработка программно-аппаратного комплекса оптимизации технологических режимов" и направлена на

создание высокоэффективного оборудования для исследования текнологических процессов ткачества.

целью и запачей настоящей работы является аналитическая и конструктивная разработка, а так же экспериментальное исследование программно-аппаратного комплекса с ПАК) для оперативной диагностики процесса тканеобразования.

В соответствии с указанной целью в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Аналитически исследовать колебательную систему "датчик -нити основы!

2. Создать на основе предложенной математической модели коле- < бательной системы датчик - нити, основы первичный преобразователь измерения одиночной нити на ткацком станке.

3. Разработать универсальный измерительный комплекс и программное обеспечение ПАК.

4. Провести анализ метрологических характеристик разработанного ПАК.

5. Провести экспериментальные исследования разработанного ПАК.

Методы исследования, в работе использовались теоретические и

экспериментальные методы исследования.

в теоретических исследованиях использованы методы теоретической и прикладной математики, теории колебаний, сопротивления материалов, теории вероятностей и математической статистики.

Расчетная часть выполнена аналитическими и численными методами с использованием математического пакета программ MathCAD. Для разработки программного обеспечения применялись языки Ассемблер, Borland С++ в операционной среде MS DOS.

Для графического представления получаемой информации использовалась система AutoCAD.

Экспериментальные исследования проводились методами электротехнических измерений в лабораториях кафедры ткачества КГТУ и на льнокомбинате Большая Костромская льняная мануфактура.

Научная новизна, в процессе решения поставленных задач впервые:

- предложена математическая модель взаимодействия основных нитей и датчика в условиях процесса ткачества, учитывающая колебания датчика по трем обобщенным координатам;

- исследована колебательная система "датчик - нити основы", что позволило сформулировать требования к массо-габаритным параметрам несущей конструкции преобразователя;

- исследованы и определены основные параметры первичного преобразователя, обеспечивающие наилучшее качество измерений.

Практическая ценность и реализация газультаигт работы. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана новая конструкция датчика для измерения натяжения нити.

Разработанный программно-аппаратный комплекс позволяет определить натяжение нитей в зоне скало - ламели, а также положение рабочих органов ткацкого станка СТБ. Измерение может проводиться несколькими датчиками одновременно в режиме реального времени.

Впервые в измерительном комплексе использован, в качестве управляющей ЭВМ, переносной портативный компьютер типа Notebook, что значительно увеличило оперативность проведения эксперимента. Комплекс может использоваться как для производственных целей, так и для научных исследований.

разработан пакет прикладных программ, обеспечивающий эффективное использование комплекса.

ПАК позволяет повысить достоверность результатов, автоматизировать процесс измерения и статистической обработки информации,

*

получить дополнительные сведения о работе основных органов ткацкого станка. Разработанный универсальный комплекс позволяет с небольшими изменениями применять его для исследования другого технологического оборудования (мотальные и сновальные машины, кольцеп-рядильные машины), а также как функциональный элемент перспективных типов систем автоматического управления технологическим оборудованием.

Разработанный комплекс для измерения натяжения нитей используется в учебном процессе кафедр ткачества, автоматики и микропроцессорной техники КГТУ, а также при проведении научно-исследовательских работ.

Апгабапия работы. Основные результаты работы были доложены и получили положительную оценку на:

- заседаниях кафедры автоматики и микропроцессорной техники КГТУ (1996 - 1998 г. г.):

- всесоюзной научно-технической конференции " Пути совершенствования технологии и оборудования в льняной отрасли текстильной промышленности" (Лен 94), Кострома, КТИ, 1994 г.:

- Всероссийском семинаре по теории машин и механизмов Российской академии наук (Костромской Филиал), 1995 г.:

- заседании семинара "Технологии текстильных материалов" КГТУ, 1996 г.:

- Научно-техническая конференция "Актуальные проблемы техники и технологии переработки льна и производства льняных изделий" (Лен-96), Кострома, КГТУ, 1996 г.:

- Международная научно-техническая конференция "VII Бенардовские чтения", Иваново, ИГЗУ, 1997 г.:

- конференциях преподавателей и сотрудников КГТУ, 1995-1998 г.г.:

- Международная научно-техническая конференция " Актуальные проб-

лемы переработки льна в современным условиях" слен-983, Кострома, КГТУ, 1998 г..

Публикации. Основное содержание диссертационной работы представлено в 8 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованных источников С 76 наименований) и приложений. Общий объем работы 445страниц машинописного текста, в том числе Ъ2 рисунков и Ю таблиц.

1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО ДАТЧИКАМ И СИСТЕМАМ ИЗМЕРЕНИЯ НАТЯЖЕНИЯ НИТЕЙ

1.1. Анализ конструкций датчиков измерения натяжения нитей

Впервые наиболее полно и развернуто классификация методов и приборов для измерения натяжения нитей была дана в работе С 33. При этом отмечено, что методы измерения натяжения нитей по существу сводятся к методам приложения силы к силоизмерительному прибору, а приборы для измерения натяжения нитей являются одним из видов си-лоизмерителей-динамометров.

Специфика методов и приборов как силоизмерителей обусловлена тем, что объектом измерения является движущаяся нить, величина натяжения которой относительно невелика, а частотный спектр изменений натяжения во времени довольно широк. Отмеченная специфика является причиной того, что для измерения натяжения нитей разрабатывают и применяют специализированные приборы, а силоизмерители общего назначения в большинстве случаев не могут быть использованы.

Согласно Формулировке приведенной в [43, датчиком (измерительным прибором) называется часть измерительной (или управляющей) информационной системы, представляющая собой конструктивную совокупность измерительных преобразователей, размещенную в зоне действия влияющих факторов объекта и воспринимающую информацию от этого объекта.

При описании средств для измерения натяжения нитей можно разделить их по принципу действия на две группы: механические и электронные.

Ранее большое распространение в производственном контроле натяжения нитей имели механические приборы, что объясняется их срав-

нительной простотой и серийным производством.

Изготовленный в мастерских ЦНИИЛВ ручной прибор НН-2 рис.1.1 для измерения натяжения одиночных нитей [33 снабжен двумя вращающимися нитепроводниками на опорах скольжения: направляющим 1 и воспринимающим 2. Нитепроводники прибора огибаются нитью 3, натяжение которой измеряется так, чтобы ветви были параллельны между собой. Воспринимающий нитепроводник смонтирован на рычаге, на котором установлена стрелка 4, указывающая натяжение по градуированной шкале.

Мастерские ЦНИИЛВ выпускали также модификацию механического прибора для измерения натяжения одиночных нитей, которая содержит систему из трех вращающихся нитепроводников. Применение системы из трех нитепроводников повышает точность измерения, так как обеспечивается более точное поддержание требуемой величины угла огибания нитью воспринимающего нитепроводника.

Так же в работе [3] представлено несколько простых конструкций механических приборов для определения средней величины натяжения уточной нити отечественного и зарубежного производства.

На кафедре ткачества ИГТА разработано приспособление маятникового типа С 51, которое позволяет измерять натяжение основных нитей на ткацком станке. Эта механическая конструкция устанавливается на нити основы в зоне скало-ламели и представляет собой рис.1.2 две пластины 1, между которыми проходят нити основы 2, пластины крепятся друг с другом болтом 3. Верхняя пластина жестко соединена с вертикальным кронштейном 4, на котором крепится груз 5 и шкала 6. В прибор заправляется определенное число нитей в зависимости от артикула ткани. Взаимодействуя с упругой системой заправки станка, приспособление совершает колебательные движения. Используя это устройство и секундомер, можно определять изменение натяжения

Рис 1.1. Ручной измерительный прибор НН-2

Рис 1.2. Прибор маятникового типа

А *

основных нитей в процессе ткачества. Но перед этим необходимо составить тарировочные таблицы зависимости числа колебаний маятникового приспособления в единицу времени от изменения натяжения основных нитей. Необходимо иметь эти таблицы или графики для всего диапазона линейных плотностей пряжи.

Основным достоинством механических приборов являются простота приемов работы с ними и технического обслуживания, а также то, что не требуется высокий уровень специальной и общеобразовательной подготовки обслуживающего персонала. Немаловажным Фактором является и их невысокая стоимость. Недостатки же таких приборов очевидны, это низкая точность измерения, большая инерционность, невозможность измерить быстродействующие процессы и малые натяжения, большие габариты и масса, отсутствие регистрации показаний.

наиболее универсальными и точными являются электронные приборы.

технический прогресс в области создания электронных датчиков измерения натяжения пряжи и нитей развивался по следующим основным направлениям:

а) разработка и исследование различных типов электрических преобразователей:

б) разработка средств автоматизации процесса измерения и статистической обработки результатов измерения.

Электрический преобразователь измерительного датчика является его основным принципиальным элементом, в настоящее время электрические преобразователи почти полностью вытеснили механические.

Исследованию измерения натяжения нитей и созданию измерительных датчиков посвящены работы В.К. Макарова, я. И. Коритысско-го, Г.Н. Захарова, Е.Э. Вакса, Е.Д. Ефремова, Б.Н. Гусева, H.A.

Кулиды и др.

Наибольшее распространение в электронных приборах, как отечественных, так и зарубежных получили преобразователи натяжения нити в электрический сигнал, имеющие упругий элемент в форме консольной балки, на поверхностях которой наклеены тензодатчики, соединенные в четырехплечую мостовую цепь. Однако для увеличения частоты собственных колебаний в качестве упруг