【摘要】文章分析了紗線斷頭監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀，針對基于機(jī)器視覺的斷頭監(jiān)測裝置，提出了設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】斷頭監(jiān)測；專利；機(jī)器視覺；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

引言

細(xì)紗生產(chǎn)是將粗紗紡成一定支數(shù)、符合國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的細(xì)紗，并繞成一定的卷裝形式，以供機(jī)織或針織工程使用。細(xì)紗斷頭率是細(xì)紗生產(chǎn)的主要技術(shù)指標(biāo)之一，是影響勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要因素。細(xì)紗斷頭多，勢必要增加工人來回巡檢的勞動(dòng)強(qiáng)度，成紗質(zhì)量也要隨著下降，相應(yīng)產(chǎn)量也進(jìn)一步降低。因此，降低細(xì)紗斷頭率始終是紡紗生產(chǎn)中需要解決的重要課題，而斷頭率的高低也作為紡織廠生產(chǎn)水平的考核指標(biāo)。

1、紗線斷頭監(jiān)測研究現(xiàn)狀

現(xiàn)今國內(nèi)外市場上有多家廠商推出細(xì)紗機(jī)斷頭監(jiān)測產(chǎn)品，但僅僅是被少量紡織廠少量應(yīng)用，從未大量推廣。主要原因是現(xiàn)有的斷頭監(jiān)測產(chǎn)品價(jià)格較高，紗廠安裝該附件裝置投資成本高，投資回報(bào)率低，同時(shí)，現(xiàn)有產(chǎn)品維護(hù)檢修較麻煩，生產(chǎn)過程中會(huì)影響紗廠錠子保全維護(hù)。

申請?zhí)枮镃N03824163的環(huán)錠紡紗機(jī)的傳感器系統(tǒng)，由里特機(jī)械公司于2002年8月13日在瑞士申請了環(huán)錠紡紗機(jī)的傳感器系統(tǒng)的發(fā)明專利，在優(yōu)先期內(nèi)申請了中國發(fā)明專利，于2010年5月12日在中國授權(quán)公告。

申請?zhí)枮镃N201210250880的用于紗線監(jiān)測的反射式光電結(jié)構(gòu)及方法，由烏斯特技術(shù)股份公司于2012年7月19日在中國申請了一種用于紗線監(jiān)測的反射式光電結(jié)構(gòu)及方法的發(fā)明專利，于2014年2月12日在中國公告。

申請?zhí)枮镃N201310396853.7的用于紡紗機(jī)的紗線監(jiān)測系統(tǒng)，由株式會(huì)社豐田自動(dòng)織機(jī)于2012年9月5日在日本申請了用于紡紗機(jī)的紗線監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)明專利，在優(yōu)先期內(nèi)申請了中國發(fā)明專利，于2014年3月26日在中國公告。

申請?zhí)枮镃N98111683.3的環(huán)錠紡紗機(jī)上的紗線的監(jiān)測裝置，由澤韋格路瓦有限公司于1997年12月17日在瑞士申請了環(huán)錠紡紗機(jī)上的紗線的監(jiān)測裝置的發(fā)明專利，在優(yōu)先期內(nèi)申請了中國發(fā)明專利，于2004年6月23日在中國授權(quán)公告。2010年2月10日出公告因未繳年費(fèi)專利權(quán)終止。

除了以上較為典型的發(fā)明專利以外，經(jīng)專利檢索，國內(nèi)外還另有多家企業(yè)和個(gè)人申請了發(fā)明專利及實(shí)用新型專利。從結(jié)構(gòu)上來講，其類型主要包括監(jiān)測頭固定式和監(jiān)測頭巡回式兩種。其中監(jiān)測頭固定式是在細(xì)紗機(jī)每個(gè)錠子處安裝相應(yīng)的監(jiān)測頭，探測相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)件從而判斷與其相關(guān)聯(lián)的紗線是否斷頭；監(jiān)測頭巡回式是在細(xì)紗機(jī)單側(cè)各裝一個(gè)監(jiān)測頭，監(jiān)測頭依靠軌道、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、線纜完成往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而判斷出紗線是否斷頭。從實(shí)現(xiàn)原理上講，主要分為鋼絲圈運(yùn)動(dòng)光電掃描、鋼絲圈運(yùn)動(dòng)電磁感應(yīng)、鋼絲圈摩擦熱敏傳感、導(dǎo)紗鉤紗條光路遮斷等。

2、基于機(jī)器視覺的斷頭監(jiān)測

機(jī)器視覺是指利用攝像機(jī)來獲取三維世界的信息并將其轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識別的數(shù)字信號，通過圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)類似人眼處理信息的過程。筆者正是運(yùn)用此原理在所在單位主持研發(fā)了基于機(jī)器視覺的細(xì)紗機(jī)紗線斷頭監(jiān)測裝置。

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于機(jī)器視覺的斷頭監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由巡回式監(jiān)測裝置、斷線指示燈裝置、服務(wù)器、終端顯示等幾部分組成。巡回式監(jiān)測裝置固定于細(xì)紗機(jī)上，該裝置包括光源、工業(yè)相機(jī)、鏡頭、工控機(jī)等，工控機(jī)負(fù)責(zé)處理工業(yè)相機(jī)拍得的每一幀圖像并將處理結(jié)果數(shù)據(jù)通過無線局域網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給服務(wù)器。后臺數(shù)據(jù)通過指示燈、手機(jī)、TV等終端顯示設(shè)備展示出來，從而滿足特定用戶對于斷線數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)呈現(xiàn)、歷史查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等需求。

2.2系統(tǒng)關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺系統(tǒng)流程為采集圖像-處理圖像-輸出結(jié)果。其中，采集圖像是基礎(chǔ)，獲取高質(zhì)量且穩(wěn)定的圖像關(guān)乎著整個(gè)系統(tǒng)集成的成敗，特別是由于本項(xiàng)目的特殊性，圖像采集是重點(diǎn)，合理的光學(xué)組件方案尤為重要。

2.2.1照明

系統(tǒng)中設(shè)置照明是為了使得待測物紗線和錠位標(biāo)簽紙可見，而抑制不需要的現(xiàn)場背景。由系統(tǒng)分析可知，待檢目標(biāo)為一根很細(xì)的紗線，為了不影響設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)、維護(hù)，光源距離待檢物較遠(yuǎn)；檢測目的是判斷紗線的有無，結(jié)合現(xiàn)場光照環(huán)境條件，因此，選擇亮視場照明方式。在光源類型方面，LED光源因具有壽命長，相應(yīng)速度快，無老化，亮度容易控制，功耗小等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為機(jī)器視覺中應(yīng)用最廣泛的一種，本系統(tǒng)中擬采用此類光源。

本系統(tǒng)中，相機(jī)所拍得的視野大小約為70mm×52mm，因此光照大小需在90mm×90mm以上，光源距離待測物直線距離為900mm，為了在此距離處得到所需求的光照大小，需增加一透鏡來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)透鏡成像原理：1/u（物距）+1/v（像距）=1/f（透鏡焦距），u=900mm，v=23.5mm（鏡頭結(jié)構(gòu)尺寸確定），得到焦距f=22.9mm。結(jié)合實(shí)際測試及標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，最終選擇的透鏡為：Φ29mm×8.8mm，焦距：21mm。

2.2.2工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)

相機(jī)所拍待測物視野大小約為70mm×52mm，系統(tǒng)精度要求為0.15mm，得出相機(jī)的像素?cái)?shù)要大于467×347=162049，根據(jù)估算的像素要求，初步選定大恒CCD相機(jī)MER-030-120UM，傳感器尺寸為1/4英寸（3.6mm×2.7mm）英寸，分辨率為656×492，像素尺寸為5.6μm×5.6μm，對該相機(jī)進(jìn)一步校核如下：

（1）根據(jù)相機(jī)傳感器尺寸和所拍圖片大小，求得鏡頭放大率為：β=3.6/70=0.05，因此，相機(jī)可以達(dá)到的拍照精度為：像素尺寸/放大率=0.0056/0.05=0.11mm；

（2）相機(jī)拍照時(shí)的移動(dòng)速度約為8-12m/min，這樣一來相機(jī)對單錠拍照允許時(shí)間范圍約為0.52-0.35s，為保證檢測的可靠性，單錠拍照待處理圖像需至少4張以上，得出相機(jī)幀率需達(dá)到30幀以上，所選相機(jī)幀率為120fps。

2.2.3鏡頭

根據(jù)鏡頭成像原理，得到鏡頭焦距：f=S/（1+1/β）=900/（1+1/0.05）=42.9mm，初步選定computar鏡頭M5018-MP，該鏡頭像面大小為2/3，接口為C接口，匹配上述所選的相機(jī)。

由上述光學(xué)元件組成的成像系統(tǒng)所拍得的圖像如圖2所示，相機(jī)傳感器經(jīng)接口將圖像數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)后，通過圖像增強(qiáng)、圖像分割、特征提取等圖像處理算法能可靠的完成紗線有無的判斷。

后期通過開發(fā)相應(yīng)的信息展示模塊，本裝置能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測細(xì)紗機(jī)單錠斷頭的情況，斷線時(shí)間、斷線錠位、斷線紗長等數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在擋車工和管理者面前，減少一線擋車工不必要的來回巡視，減輕工作強(qiáng)度和減少人員配置；同時(shí)這些數(shù)據(jù)被保存在后臺數(shù)據(jù)庫中，管理者可以有針對性的利用這些信息分析斷頭原因，提出工藝改進(jìn)和對相應(yīng)關(guān)鍵零部件的質(zhì)量提供輔助判斷，促進(jìn)紗廠信息化、智能化、自動(dòng)化及精細(xì)化管理。

3、結(jié)論

巡回式斷頭監(jiān)測系統(tǒng)是適于現(xiàn)階段應(yīng)用、性價(jià)比較高的技術(shù)方案，可以為急需管理提升的紡紗企業(yè)提供技術(shù)支撐，使之實(shí)現(xiàn)紡紗生產(chǎn)的信息化和智能化管理，基于機(jī)器視覺的巡回式斷頭監(jiān)測裝置具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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[6]楊少榮，吳迪靖，段德山.機(jī)器視覺算法與應(yīng)用.清華大學(xué)出版社.2008年11月.

作者簡介

茍永波（1981-）男，漢族，工程師?，F(xiàn)任寧波韻升股份有限公司研究院主任工程師。主要從事新型紡織機(jī)械的研究.