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文档简介

1、    基于视觉的经编机纺纱断线检测技术研究    谢一首+华鑫炎+李庆+郑力新+潘书万摘 要:针对传统人工肉眼检测纺纱断线的低效率与误检率问题,设计基于机器视觉的经编机纺纱断线在线检测系统,摒弃数根数的常规思想,提出以断纱缺口特征为研究,结合linq技术与统计思想的图像算法。通过测试表明,该算法具有高准确性与实时性,满足企业生产需求,具有良好的应用前景。关键词:断纱检测;linq;统计;缺口特征引言在轻工业纺织生产中,经编机因生产效率高,对原料和织物品种的适应性广使其在纺纱领域起着举足轻重的作用。然而,在纺丝过程中,纱线的质量良莠不齐,当织针对纱线的拉

2、力大于纱线可承受的最大拉力时,纱线就会出现断裂,通常称为“断纱”。目前,绝大部分纺织企业对“断纱”的检测仍停留在人工检测阶段。由于纺织机的电机在快速转动,针头也处在高频抖动状态,若出现“断纱”,肉眼几乎不可能直接从高速运转的织针上判别断线,通常工人们都是观察已织出的布匹,若布面上出现一定长度的裂痕,则判定该位置附近出现“断纱”。对于企业而言,这些裂痕带来的损失已是不可避免。因此,对于经编机纺纱断线的实时检测已成为纺纱企业的业内难题1。针对该难题国内外学者也做了许多研究,目前对于“断纱”实时检测系统常见的有三种方法:第一种是利用机械传感器,通过接触检测纱线的强度判断是否断线。此方法机械结构设计复

3、杂,准确率也较低2。第二种是利用红外激光检测装置,若出现断线,线头易飘出遮挡激光束,引发接收端传感器信号3。此种方法仅适用于弹性较大的纱线,且需借助外力如鼓风机等,增加不必要的开销。第三种是通过工业相机,利用图像处理的原理4,实时对采集的织针图像数据进行算法处理,若发现图像中出现符合判定准则的规律,认为出现断线。此种方法机械结构简单,但要求图像处理算法有较强的鲁棒性与准确性。江南大学史鹏飞等将图像的二维信号转换为一维信号,从一维信号中自适应提取信号的极值,根据极值信号统计纱线根数,该方法适合于小型经编机系统5。大型经编机中,单个相机的视场无法涵盖全部纱线,数根数的方法不可用。吉林大学赵立阳采用

4、线性ccd相机采集图像并处理,该系统实时性高,且仍未离开数根数的思想6,但由于线阵相机价格较高不适合于工业推广。本文研究亦是第三种方法,选用价格较为便宜的cmos高分辨率相机。摒弃传统数根数的方法,通过一定预处理后判定缺口形态特征确定“断纱”位置。1 系统原理本设计采用基于pc的机器视觉系统,选用杭州微图公司cmos摄像头灰度相机,分辨率。经实测经编机在电机转速为800转/min时,针头每秒上下抖动8个周期,故需至少保证相机帧率为20fps左右时,方可采集到清晰的图像。但由于cmos相机分辨率较高,初始帧率仅在5fps左右,故实验采用相机开窗技术,借助相机sdk,保持拍摄窗口横向宽度不便,纵向

5、高度调整为48。此时,相机的帧率可以达到50fps以上。为后续图像处理方便,滤掉一些不必要的可见光干扰,本设计选取可见光中波长最大的红光源,采用正面打光方案(图1),在镜头前加装滤波片过滤可见光,效果如图2。系统上电运行前,可通过人机交互界面配置相机,设定系统阈值,统计基数,偏移量等参数,通过界面上的开始按钮开启系统,采集的每一帧纱线图像都会经过工控机处理,在没发现缺口异常时,界面上的报警指示灯为绿色,系统正常运行。一旦出现断纱,图像算法将实时准确找出缺口位置,并在图像中表示,界面指示灯变为红色并报警。同时,工控机控制下位机plc停止经编机运行。待现场工人将断线接上确认后,方可重新启动系统。2

6、 系统软件核心软件系统为纺纱断线实时陷检测的技术核心部分。交互界面采用.net平台c#开发,结合emgucv图像处理函数库7,access为后台数据库引擎。设计了用户管理模块,相机测试模块模块,方案测试模块,数据查询模块等(图3)。2.1 图像算法由于纺纱的布线方案不同,图像的算法将有所调整,不失一般性,先以最为常见的满线状态为研究,若出现“断纱”,断线处暂时处于空缺状态,会呈现一个类矩形的小缺口如(图4)。为确定缺口位置,算法主要分为以下几个步骤:(1)进行灰度展宽使图像获得更好的明暗对比,将关心的缺口区域“暗化”(图5a)。(2)将对比度拉伸后的图像进行灰度取反。以便后续阈值分割操作(图5

7、b)。(3)采用核模板为1*h(h为图像高度)的线性模板进行均值滤波,此操作可以锐化纵向边缘,使线条更加清晰明朗(图5c)。(4)采用ostu阈值分割进行图像二值化,将所有白色区域作8邻域连通(图5d)。(5)求取所有连通域的面积,宽度,及连通域的矩形度p=a/s。其中a为连通域面积,s为连通域最小外界矩形面积。(6)根据经验法设定断线缺口判定准则,仅当某连通域满足一定宽度,面积,且矩形度大于一定比值时,判定为“嫌疑”位置。本次实验设定连通域宽度大于5个像素,面积大于30个像素,且矩形度比值大于0.8。检测效果如(图5e)。2.2 linq技术实际生产中,由于客户不同需求,纺织厂的布线方案将有

8、所调整。常见的布线方案就有几十种,若每一种布线方案都提供一种图像算法,显然工作量太大且不实用。笔者观察发现,这几十种布线方案出现“断纱”的情况可以统一归为两大类:断两侧与断中间。断两侧的情况,处理起来与上述满线状态一致,只需调整判定准则里的宽度与面积基值。而断中间的情况较为麻烦,下面以3空1布线方案为例(图6)。图像算法前面6步与满线状態相同,不同的是,此时满足条件“嫌疑”连通域较多,且处于随机分布状态,我们需要对所有满足前6步的“嫌疑”连通域进行排序,排序准则为:以连通域外接矩形所在图像位置中的横坐标x为参照,从左至右顺序排序。语言集成查询操作linq,允许编写c#代码以查询数据库相同的方式

9、操作内存数据。通过使用查询语法,甚至可以使用最少的代码对数据源执行复杂的筛选、排序和分组操作8。故本文采用linq排序操作简便并能很好的解决问题需求,核心代码如下: ienumerable<seq> query = null;query = from items in holes orderby items.boundingrectangle.x select items;其中holes为前6步获得的“嫌疑”区域集合。断线判定准则为:若有连续三个连通域坐标x的差值小于一定阈值,判定为断线缺口。本实验取阈值为10,算法流程与效果如(图7)。2.3 缺陷统计纱线在受到张力的情况下处于高

10、速纺纱的状态,即便纱线在整经过程中左右晃动,其偏移量也比较小,一般不超过2mm9。为确保系统对断线检测的准确性,本设计引入统计的思想防止误判。以满线状态为例,设定初始偏移量与统计基数,若检测到“嫌疑”缺口,标记并开始计数,若后续帧处理在该位置左右偏移量范围内,继续检测到“嫌疑”缺口,计数加1,直到统计数大于给定的基数,则判定该位置出现“断纱”并停止机器。3 结束语本文摒弃传统数根数的算法思想,以缺口特征为研究对象,深入分析不同布线方案下的图像算法,引入linq技术和统计思想,检测准确率与实时性达到预期水准,在纺织业内成熟的4,5梭经编机中有较强的企业应用价值。参考文献1王铭铭.基于图像处理的纺

11、纱断线监测嵌入式系统设计d.厦门:华侨大学,2013:1-6.2董威.基于线阵ccd的实时断纱检测系统的研究d.福州:福建师范大学,2014:1-3.3谈昆伦.纱线断线检测装置:中国,201320372076.3p.2012-07-28.4chan j p, palmer g s. machine vision application in industryc/ application of machine vision ieee colloquium,1995.5史鹏飞,白瑞林,杨文浩,等. 基于机器视觉的整经机断纱檢测系统j.东华大学学报,2011,37(6):376-378.6赵立阳.基于数字图像处理技术的智能纱线检测系统的开发与应用d.长春:吉林大学,2014:19-44.7谢一

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