梁斯楠 毛衛(wèi)平 肖愛民 廖兆強(qiáng) 王曦淼

【摘 要】由粗紗紡制成細(xì)紗的生產(chǎn)過程中，由于粗紗條的質(zhì)量（粗細(xì)、捻度、雜質(zhì)等）以及紡紗設(shè)備、車向氣流等諸多因素的影響會造成斷頭，影響設(shè)備生產(chǎn)率、細(xì)紗質(zhì)量和車間含塵量。在環(huán)錠細(xì)紗機(jī)用于除塵的巡回式吹吸風(fēng)裝置上安裝高清攝像頭，運(yùn)用機(jī)器視覺技術(shù)實時監(jiān)測紗線斷頭情況，并將斷頭信息發(fā)送至車間控制器，解決斷頭自動監(jiān)測的難題，可以提高勞動生產(chǎn)率，降低成本。

【關(guān)鍵詞】紡紗；斷頭監(jiān)測；系統(tǒng)設(shè)計

一、設(shè)計背景

在紡紗廠細(xì)紗車間，細(xì)紗機(jī)是主要生產(chǎn)設(shè)備，細(xì)紗機(jī)的生產(chǎn)單元是錠子，常以每千錠小時的產(chǎn)量（公斤）來衡量細(xì)紗機(jī)的生產(chǎn)水平，紡紗廠生產(chǎn)規(guī)模以擁有細(xì)紗機(jī)的錠子總數(shù)表示。由粗紗紡制成細(xì)紗的生產(chǎn)過程中，每只錠子上所紡的紗受到粗紗條的質(zhì)量（粗細(xì)、捻度、雜質(zhì)等）以及紡紗設(shè)備、車向氣流等諸多因素的影響造成斷頭，常以千錠小時發(fā)生的斷頭數(shù)表示斷頭率。斷頭率的高低直接影響設(shè)備生產(chǎn)率、細(xì)紗質(zhì)量和車間含塵量。

細(xì)紗斷頭大多數(shù)是由值車工巡回目視進(jìn)行接頭，恢復(fù)正常紡紗。由于紡紗時斷頭不易被發(fā)現(xiàn)，各企業(yè)均采取值車工加強(qiáng)巡回，及時換粗紗，防止空粗紗，及時發(fā)現(xiàn)并處理粗紗斷頭以減少單股紗疵點(diǎn)，值車工的勞動強(qiáng)度很大，值車工看臺面受限，用人多，后工序紗疵檢測壓力大，降低了生產(chǎn)效率，提高了企業(yè)成本。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紡紗斷頭的自動監(jiān)測技術(shù)開始出現(xiàn)，并越來越受到重視。已有提出和少量應(yīng)用的紡紗斷頭監(jiān)測技術(shù)方案包括鋼絲圈運(yùn)動光電掃描、鋼絲圈運(yùn)動電磁感應(yīng)、導(dǎo)紗鉤紗條光路遮斷、導(dǎo)紗鉤摩擦熱敏傳感、導(dǎo)紗鉤張力位移等，提出或應(yīng)用這些技術(shù)方案的廠商包括國內(nèi)外細(xì)紗機(jī)主機(jī)廠商、紗線測試儀器廠商等。其中大部分技術(shù)方案同時監(jiān)測鋼絲圈或紗條氣圈的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，因而除了斷頭信息外，監(jiān)測信息可以擴(kuò)展，用來處理錠速、效率和產(chǎn)量等有效管理信息。

二、設(shè)計方案

環(huán)錠細(xì)紗機(jī)是目前應(yīng)用最多的一種由錠子、鋼領(lǐng)和鋼絲圈等組成加拈、卷繞機(jī)構(gòu)的細(xì)紗機(jī)，一般為雙面多錠結(jié)構(gòu)，每臺細(xì)紗機(jī)的錠數(shù)為300～500錠，也有800～1000錠的長車，長度16～45米。粗紗管上的粗紗經(jīng)過后羅拉和前羅拉，因為轉(zhuǎn)速差異被牽伸加捻成細(xì)紗，細(xì)紗經(jīng)過導(dǎo)紗鉤和鋼絲圈卷繞在跟隨錠子作高速旋轉(zhuǎn)（1.5萬轉(zhuǎn)/分鐘）的細(xì)紗管上，從而完成由粗紗紡制成細(xì)紗的生產(chǎn)過程。如圖1所示。在細(xì)紗機(jī)上一般安裝自動巡回吹吸風(fēng)裝置，當(dāng)紡紗設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時，吹吸風(fēng)機(jī)連續(xù)以8～12米/分鐘的速度往返吹風(fēng)吸塵，可以使空中飄出的纖維及時吹走，避免其集聚為飛花，以減少偶發(fā)性紗疵，也可以改善環(huán)境、節(jié)省企業(yè)用工量。

為獲得單機(jī)單面的紗線斷頭信息，在吹吸風(fēng)機(jī)相對細(xì)紗機(jī)成紗后的高度位置安裝高像素的工業(yè)攝像頭，在每一根或兩根紗線（根據(jù)錠距）背面設(shè)置背景板，標(biāo)注紗線錠位號作為細(xì)紗圖像的定位標(biāo)記，選擇合適光源投射在紗線及背景板上，獲得清晰的紗線圖像信息，如圖2所示。經(jīng)圖像處理后的數(shù)字信息經(jīng)過無線發(fā)射器傳遞給車間總控制器。利用吹吸風(fēng)機(jī)不間斷的往返功能，可以實時監(jiān)測細(xì)紗機(jī)雙面斷頭情況，及時發(fā)出斷頭信息，進(jìn)一步通過車間總控制器發(fā)送信息到擋車工的電動巡回座車顯示屏上，顯示斷頭機(jī)器號和錠位號。

三、紗線斷頭在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

（1）硬件設(shè)計

綜合考慮視野大小和相機(jī)處理速度等因素，擬采用的工業(yè)相機(jī)為MindVision的G系列相機(jī)，該相機(jī)采用高清Gige千兆網(wǎng)口通信，支持Halcon等視覺處理軟件和多種PC操作平臺，使用方便。相機(jī)的最大像素值為500萬（2560×1920），可以在相機(jī)自帶的應(yīng)用程序中更改相機(jī)的像素值、觸發(fā)模式、輸出模式和曝光控制等參數(shù)。選擇鏡頭時要結(jié)合相機(jī)參數(shù)和紗線長度綜合考慮，確定鏡頭焦距為4mm，最大光圈為1.6。

在巡回吸風(fēng)機(jī)上安裝歐姆龍系列E3X-HD10型光纖傳感器，當(dāng)檢測到等間隔布置在環(huán)錠機(jī)上的色條時發(fā)出信號，觸發(fā)相機(jī)拍照。

選擇I5工控機(jī)來接收和處理圖像信息，經(jīng)過一系列圖像處理后，得到高質(zhì)量的YUV信號，最終通過MIPI輸出。處理后的數(shù)字信息經(jīng)過無線發(fā)射器傳遞給車間總控制器。

（2）軟件設(shè)計

通過學(xué)習(xí)機(jī)器視覺原理，選擇合適的圖像處理方法用于紗線斷頭圖像的識別。如圖像匹配法是尋找具有偏移的兩幅圖像或多幅圖像之間對應(yīng)關(guān)系的過程，圖像匹配分為兩類：第一類是在待檢測圖中尋找同模板圖像具有相同尺寸、相同方向、相同圖像的目標(biāo)子圖，確定是否存在和該目標(biāo)的坐標(biāo)位置；第二類將來自于不同的傳感器、不同時間或不同條件下的圖像在空間上進(jìn)行對準(zhǔn)，建立對應(yīng)關(guān)系，而本項目研究的圖像處理方法則顯然屬于第一類圖像匹配。

選擇Halcon視覺處理軟件，采用相關(guān)語言編寫攝取圖像、圖像處理和無線通訊程序。圖像處理流程為：I5工控機(jī)利用光纖傳感器的信號控制攝像頭拍照，然后通過圖像處理得到圖片中的定位信息，如果是新的定位點(diǎn)，則截圖定位點(diǎn)區(qū)域的圖片信息，然后對圖像進(jìn)行二值化，并進(jìn)行紗線圖像的比對，通過設(shè)置合適的相似度數(shù)值，發(fā)現(xiàn)紗線是否存在斷頭情況。

四、結(jié)論

本項目以環(huán)錠細(xì)紗機(jī)為研究對象，以巡回式吹吸風(fēng)機(jī)為載體，設(shè)計了全車間細(xì)紗斷頭監(jiān)控系統(tǒng)。研究了基于視覺的斷頭在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)。機(jī)器視覺在硬件上具有成本的經(jīng)濟(jì)性，不會對產(chǎn)品的成本構(gòu)成壓力。主要解決了細(xì)紗斷頭自動監(jiān)測的難題，有助于提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)省用工量，具有一定的推廣價值。

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