于豐鳴，孫東鵬，孫巧妍，張德軍

(煙臺南山學(xué)院 工學(xué)院，山東 煙臺 265713)

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

目前國內(nèi)的驗布機(jī)技術(shù)較落后，多依靠人工視力進(jìn)行檢測，費時費力。國內(nèi)許多大型精紡、毛紡廠織造線使用很多布匹剪毛機(jī)，1名工人驗布時需同時兼顧10多臺設(shè)備；當(dāng)其中1臺設(shè)備布料出現(xiàn)縱向損傷、不能及時停止傳送設(shè)備時，就會造成大量布料的浪費。為此，研究設(shè)計布料縱向大損傷在線自動檢測裝置、實現(xiàn)布料縱向貫穿式大損傷的自動在線檢測很有必要。

1.1 總體設(shè)計

1.1.1 要求

實驗?zāi)M被檢測布料運動方向的總長度為4800 mm、寬為300 mm；卷布收布速度和放布速度，即布料的移動速度為30 m/min；檢測裝置固定不動且檢測方向與布料表面垂直，布料的運動方向是電機(jī)帶動卷布裝置運動的方向；要求該裝置能夠在線檢測任意織物類型、組織、花紋、顏色及布料厚度的縱向貫穿式大損傷；當(dāng)布料被損傷時則快速制動并報警；根據(jù)設(shè)計要求采取的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案示意

1.1.2 組成

該裝置主要由5部分組成：主控制器模塊，損傷檢測模塊，動力模塊，補(bǔ)光模塊和故障報警模塊。除運作核心裝置外，還有機(jī)械支架和卷布裝置，采用STC89S52單片機(jī)作為主控制器。

1.1.3 工作原理

動力模塊帶動布料開始傳送，在設(shè)備運行過程中檢測傳感器通過對布料裂縫透過的光強(qiáng)度檢測到布料裂縫及其大??；當(dāng)有大裂縫出現(xiàn)時，傳感器向控制器輸出信號，控制器收到信號后控制電機(jī)停止，并進(jìn)行報警。補(bǔ)光模塊用于檢測并調(diào)整光照強(qiáng)度，保證在任意光照條件下的裝置內(nèi)光敏檢測部分的光照強(qiáng)度始終保持在一定的范圍，以便光敏電阻能夠可靠地檢測到布料的大損傷。

1.2 機(jī)械設(shè)計

設(shè)計該裝置的實物模型如圖2所示。其中，x軸為布料運動方向，z軸為檢測裝置檢測方向。

1—動力模塊；2—主控制模塊；3—損傷檢測模塊；4—卷布裝置；5—針輥； 6—機(jī)械支架；7—故障報警模塊；8—補(bǔ)光模塊。

1.2.1 裝置材料及相關(guān)要求

機(jī)架材料為Q235鋼，機(jī)械裝置長為1300 mm、寬為300 mm、高為790 mm，鋪設(shè)在機(jī)架上的針輥長度為200 mm，兩針輥間距離不小于500 mm。

1.2.2 技術(shù)和公差要求

零件應(yīng)無氧化皮，加工表面無劃痕、擦傷、毛刺、銳棱；機(jī)架零部件加工應(yīng)采用焊接工藝。

未注形狀公差應(yīng)符合GB 01804—2000的要求，未注長度尺寸極限偏差應(yīng)為±0.5 mm。

基于以上比較，可以發(fā)現(xiàn)企業(yè)進(jìn)行續(xù)航技術(shù)研發(fā)合作與競爭時的最優(yōu)續(xù)航里程研發(fā)量之差Δs大于0。積分交易價格pφ越高、合作情境下的技術(shù)溢出率越大，Δs越大；而βi越大 （研發(fā)效率越低），Δs越小。同時，企業(yè)進(jìn)行續(xù)航技術(shù)研發(fā)合作與競爭時的總利潤之差Δπ大于0。積分交易價格越高、合作時的技術(shù)溢出率ω′i越大，Δπ越大；而βi越大 （研發(fā)效率越低），Δπ越小。綜合圖1、圖2，可知企業(yè)進(jìn)行續(xù)航技術(shù)研發(fā)合作與競爭時的社會福利之差ΔF大于0。βi越大 （研發(fā)效率越低），ΔF越大；而積分交易價格pφ越高、合作時的技術(shù)溢出率ω′i越大，ΔF越小。

1.2.3 熱處理要求

調(diào)質(zhì)處理的零件洛氏硬度為50 HRC～55 HRC；零件高頻淬火的回火溫度為350 ℃～370 ℃，洛氏硬度為40 HRC～44 HRC；滲碳深度為0.3 mm；進(jìn)行高溫時效處理。

1.3 檢測模塊設(shè)計

目前，國內(nèi)外很多學(xué)者致力于用數(shù)字圖像處理方法檢測產(chǎn)品的質(zhì)量問題或識別所需目標(biāo)的圖像，如目前的車牌識別[1]、指紋識別[2]、人臉識別[3]即應(yīng)用圖像識別的大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行自動檢測。本設(shè)計因為生產(chǎn)織物的類型、組織、顏色、材質(zhì)、厚度、花紋及破損部分的形狀千差萬別，所以使用固定算法的圖像處理方法難度很大而難有突破。另外，使用這種方法在實際生產(chǎn)中將會面臨2個問題：一是觸發(fā)設(shè)備、攝像設(shè)備、補(bǔ)光設(shè)備、圖像采集設(shè)備等價格昂貴；二是使用的算法如定位算法、字符分割算法、光學(xué)字符識別算法的復(fù)雜度高、計算量大、執(zhí)行時間長[4]，因此選用5506型光敏傳感器檢測方案。

光敏傳感器信號干凈、波形好、驅(qū)動能力強(qiáng)、可檢測光照強(qiáng)度、相應(yīng)改變輸出電平，因光敏電阻尺寸小、價格低，不會帶來成本壓力[5]。

光敏電阻靈敏度高，可迅速發(fā)現(xiàn)布料損傷問題，相比采用數(shù)字圖像識別方法在價格、處理準(zhǔn)確度、生產(chǎn)效率方面優(yōu)勢明顯。

在制作本設(shè)計的實驗?zāi)Ｐ蜁r，對于布料的損傷檢測采用了15個4針式光敏電阻模塊，其工作電壓為3.3 V～3.5 V；其輸出形式為：D0數(shù)字開關(guān)輸出，A0模擬電壓輸出。

4針式光敏電阻模塊主控芯片為LM393，其正相輸入端接通光敏電阻，反相輸入端接通10k滑動變阻器，輸出端接單片機(jī)P0口，當(dāng)有縱向損傷的布料通過時則亮度增強(qiáng)，光敏電阻阻值減小，LM393輸出低電平、電機(jī)停轉(zhuǎn)；反之，未損傷的布料通過時LM393輸出高電平、電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動。

1.4 補(bǔ)光模塊設(shè)計

因為采用光敏電阻模塊檢測裂縫易受自然光照強(qiáng)度、天氣情況的影響，所以系統(tǒng)必須有補(bǔ)光裝置。因在紡織廠考察時發(fā)現(xiàn)，為檢查布料的損傷也設(shè)有補(bǔ)光裝置情況，故本設(shè)計可很方便地嫁接到紡織廠生產(chǎn)的應(yīng)用系統(tǒng)中。

縮小模型裝置的補(bǔ)光模塊是通過單片機(jī)控MOC3022型雙向可控硅的導(dǎo)通實現(xiàn)燈管亮度的調(diào)節(jié)，其燈泡規(guī)格為220 V/40 W[6-7]；燈泡的亮度取決于觸發(fā)信號的送出時間，在交流電的每個半波期間都要送出觸發(fā)信號，在過零點后一段時間再觸發(fā)雙向可控硅開關(guān)導(dǎo)通，從而實現(xiàn)調(diào)光?？煽毓鑼?dǎo)通的時間越長、則燈就越亮，否則反之。系統(tǒng)整體電路仿真中的4個按鍵用于手動控制：KEY1控制燈的開，KEY2控制燈亮度增強(qiáng)，KEY3控制燈亮度減弱，KEY4控制關(guān)燈。

1.5 驅(qū)動模塊設(shè)計

制作實物縮小模型時模擬紡織廠大型剪毛機(jī)運行狀態(tài)，且設(shè)計目標(biāo)要求布料的傳動速度為30 m/min，故驅(qū)動模塊所選電機(jī)應(yīng)力矩較大、運行平穩(wěn)。本設(shè)計采用了力矩大的60KTYZ爪極式永磁同步電機(jī)，可正反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，其控制簡單、運行平穩(wěn)、噪聲小，適用于在該系統(tǒng)中進(jìn)行布料卷取[8-9]。

該電機(jī)額定參數(shù)為：UN=220 V，IN=0.45 A，PN=32 W，nN=15 r/min，經(jīng)計算：

當(dāng)電機(jī)負(fù)載過大或堵轉(zhuǎn)時，電機(jī)線圈不會燒壞，能很好地實現(xiàn)布料的卷取和釋放；當(dāng)裝置正常運行時，卷取滾筒和收布滾筒在電機(jī)的帶動下運轉(zhuǎn)。由于電機(jī)內(nèi)部設(shè)有減速裝置，當(dāng)光敏電阻檢測到布料裂縫時，電機(jī)將由控制器迅速進(jìn)行減速、直至停止運行。

1.6 整體電路設(shè)計

本裝置電控部分主要分為6個模塊，其電機(jī)模塊如圖3所示[10]，光敏電阻檢測模塊如圖4所示，剩余部分為主控模塊、報警模塊、補(bǔ)光模塊、按鍵模塊。電機(jī)模塊采用繼電器控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)形成驅(qū)動模塊；光敏電阻模塊由16組光敏模塊組成，光敏電阻對光線十分敏感，光照愈強(qiáng),阻值就愈低，隨著光照強(qiáng)度的升高,電阻值迅速降低，由此設(shè)定一個閥值判斷布料是否損傷；若布料損傷，光敏電阻檢測到光，報警模塊的蜂鳴器則發(fā)出警報；補(bǔ)光模塊采用交流供電給LED燈，保證光敏電阻設(shè)置閥值可以有效判斷布匹是否損傷；按鍵模塊包括光源調(diào)節(jié)按鍵、啟動正轉(zhuǎn)按鍵、啟動反轉(zhuǎn)按鍵、停止按鍵。

圖3 電機(jī)模塊

圖4 光敏電阻檢測模塊

1.7 軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。開始接通電源后，程序初始化，此時判斷檢測裝置內(nèi)的光照強(qiáng)度是否在基準(zhǔn)值內(nèi)。若不在，則適當(dāng)調(diào)整光照強(qiáng)度使其處于基準(zhǔn)值內(nèi)；若在基準(zhǔn)值內(nèi)，則電機(jī)繼續(xù)運行。

圖5 主程序流程

當(dāng)布料損傷時，采用外部中斷方式處理運行，中斷服務(wù)程序會控制相應(yīng)輸出接口控制繼電器輸出，使電機(jī)停止運行，并驅(qū)動報警裝置發(fā)出聲光報警。

2 模型制作及性能測試

根據(jù)設(shè)計方案,制作精紡、毛紡廠織造線布料縱向大損傷在線自動檢測裝置縮小模型的三維結(jié)構(gòu)圖和實物圖,如圖6和圖7所示。經(jīng)測試的布匹檢測成功率見表1所示，整體設(shè)計運轉(zhuǎn)故障情況見表2。

圖6 實物模型三維結(jié)構(gòu)

圖7 縮小模型實物

由表1、表2可知，該裝置檢測成功率高、故障率低，各項功能達(dá)到要求。

表1 布匹檢測成功率

表2 整體設(shè)計運轉(zhuǎn)故障情況

3 結(jié)語

基于STC89S52單片機(jī)設(shè)計的布料縱向大損傷自動檢測裝置，采用光敏電阻作為補(bǔ)光系統(tǒng)和布料損傷檢測模塊的傳感器，結(jié)合繼電器、雙向晶閘管等器件將直流弱電信號轉(zhuǎn)化為交流控制信號、控制剪毛機(jī)的運行與補(bǔ)光，經(jīng)縮小版的實物模型實驗驗證，能夠代替人工，實現(xiàn)省時省力、精準(zhǔn)檢測的功能。