圓網印花機錯花在線跟蹤調速技術的研究

王吉岱，張東岳，孫愛芹

（山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島266510）

圓網印花機的錯花調節精度是影響印花質量的關鍵因素。實際中，圓網印花機受到機械部件的磨損、松動以及織物的變形等影響，導致織物印花過程不可避免地產生“錯花”現象［1］。傳統的對花系統采用人工目測的方式進行錯花調節，人工調節方式大大增加了產品的殘次率［2］。本文介紹了一種基于圖像動態采集的印染錯花跟蹤調速技術及系統的實現方法。

為解決傳統圓網印花機印花單元運行控制存在的問題，圓網印花機上的對花操作采用的檢測手段主要是基于色標的檢測方法，具體是在圓網上或步進電機上設置零位檢測標記，然后用光電的方法檢測標記之間的距離或用圖像的方法檢測圓網留在布上的標記是否發生偏動來達到自動對花的目的。荷蘭Stork公司采用環型電機直接驅動圓網，依靠電機內的脈沖發生器和電極測量器的結合，可以非常精確地控制轉速和矯正圓網的角度位置，同時導帶與機頭通過電子控制實現精確聯動。但由于維護困難，其市場占有率不高［3］。

本文介紹的控制系統采用閉環控制方式，在線監測對花效果，反饋對花誤差并進行二次錯花補償，實現了對花的智能控制。

1 錯花在線監測系統組成

圓網印花機錯花在線跟蹤調速系統由上位機操作界面、圖像采集及處理環節、主控制器和執行機構4部分組成。系統結構組成如圖1所示。

上位機操作界面：由觸摸屏和圖像顯示器組成。觸摸屏與PLC進行RS－485通訊連接，通過觸摸屏可監視系統在線運行狀態、初始化系統軟件，調整PLC中各種控制參數，同時能進行人工在線調速。

圖1 圓網印花在線監測系統原理圖Fig.1 System schematic diagram of on－line inspecting system about rotary screen printing

圖像采集及處理環節：該部分由光學攝像頭、CCD面陣相機、圖像處理器組成。CCD相機通過光學攝像頭動態采集花回標記，并將圖像信號轉化為數字信號傳給圖像處理器，圖像處理器采用DSP控制芯片，滿足高容量像素圖像、顏色處理以及執行復雜數字運算的高級算法的處理需求。

主控制器：本系統主控制器采用日本基恩士高速PLC，采用DSP雙核控制芯片，單步掃描輸出時間低于0.2μs。該型PLC支持C語言編程，便于系統對誤差算法進行處理。同時，具備4軸同步控制功能，可以實現多軸印花滾筒的同步控制。

執行機構：采用臺達交流無刷伺服電機，提高了系統對花調節執行能力。

2 對花調速技術的工作原理

2.1 系統布局

織物蠟染過程中，各個花回分別在對應布邊作蠟染花回標記，本系統便是利用蠟染花回標記檢測法來實現對花精度的自動監測與調整。采用旋轉編碼器同步測量織物行進速度，利用輸出脈沖觸發兩路圖像傳感器動態采集花回標記圖像。系統布局如圖2所示：1號傳感器用于花回誤差檢測，安裝在印花滾筒右側未印染區域，距離滾筒中心軸H1（H1＜一個標準花回長度）；2號傳感器用于對花效果的反饋，安裝于印染區域，距離印花滾筒中心軸H2（H2＜一個標準花回長度）。

圖2 CCD圖像采集布局簡圖Fig.2 Layout diagram of CCD image acquisition

2.2 圖像采集與誤差輸出

首先進行圖像注冊，通過顏色抽取，獲得對照度較大的搜索圖案（如圖3所示，搜索圖案為蠟染花回標記），然后CCD相機隨著印染織物的行進，在線采集織物邊緣的花回標記圖案（如圖4所示），并傳輸給圖像處理器，圖像處理器根據像素分布、形狀、亮度和顏色等信息，對圖像進行圖像增強，邊緣銳化，降噪，特征提取，幾何定位等處理，以實現花回標記的提取和位置比對，實時獲取花回偏差（如圖5所示）。

圖3 圖像注冊Fig.3 Image register

圖4 圖像采集Fig.4 Image acquisition

圖5 圖像處理Fig.5 Image processing

檢測位置（x0，y0），設定圖像搜索范圍｛（0，0），（x1，y1）｝。織物沿x軸方向運動，因此x1值需滿足下式，y1值只需根據經驗設定即可：

式中：l為旋轉編碼器測速軸周長；k為圖像采集觸發間隔脈沖數；n為像素尺寸比系數；m為編碼器旋轉1周的脈沖數。

設定圖像x軸方向測量誤差Δx，y軸方向測量誤差Δy，以及角度測量誤差Δw，結合圓網印花工作過程，對采集圖像的x軸、y軸以及角度誤差進行分析，確定花回標記圖像輸出誤差Δ為

2.3 花回偏差算法的研究

花回偏差Q計算公式：

式中：L為花回實際長度；S為花回標準長度；Δa為花回前端圖像誤差值；Δb為花回后端圖像誤差值；N為旋轉編碼器脈沖輸出個數；ΔL為編碼器測速軸單位脈沖對應的弧長。

圖6為偏差計算原理圖。

根據圖6所示，舉例第1花回偏差和第2花回偏差的計算方法如下。

第1花回中，Δa＝Δ1，Δb＝－Δ2，根據式（3）得：Q1＝（Δ1＋Δ2＋N12ΔL）－S。

圖6 偏差計算原理圖Fig.6 Counting principle diagram of deviation

第2花回中，Δa＝－Δ2，Δb＝Δ3，根據式（3）得：Q2＝（－Δ2－Δ3＋N23ΔL）－S。

依此類推。控制器PLC依據各個花回的偏差值Q，輸出對應的控制信號，調節印花滾筒速度，實現錯花糾偏。

2.4 對花誤差反饋與二次調節

圖像傳感器檢測織物經過印染后（錯花糾偏已經完成）的花回標記位置，獲取花回標記與印花滾筒軸的相對距離，與注冊圖像中心點到印花滾筒軸的長度H進行比較，獲得誤差值P，控制器根據獲得的P值進行花回錯花的二次補償調節。計算方法如下式：

式中：Δ′為印染后的花回標記圖像誤差值；N為旋轉編碼器脈沖輸出個數；ΔL為編碼器測速軸單位脈沖對應的弧長；H為2號圖像傳感器安裝位置到印花滾筒軸的距離。

3 系統誤差范圍及技術特點

3.1 花回測量誤差統計分析

為校驗該系統的檢測精度和適用速度范圍，在織物不同運行速度下，對花回測量誤差（花回測量值與實際長度的差值）在線跟蹤記錄，獲得圖7所示的誤差曲線?？梢园l現，在印染速度小于60 m／min時，誤差曲線趨勢平穩、波動較小，花回測量誤差范圍小于±0.50mm，當印染速度到達80 m／min時，誤差曲線波動較大，花回測量誤差為±0.85mm。由此，本系統的最佳印染速度小于60m／min，花回測量精度可達±0.5mm。

圖7 不同速度下測量誤差曲線Fig.7 Measurement error curves of different speeds

3.2 圓網印花在線調速系統技術特點

1）該系統具備傳統的加、減速手動調節功能?？梢詫崿F自動過程中，對印花滾筒的人工加、減速調節。

2）具有花回大偏差分段處理能力。當實際花回長度偏差Q大于系統標定偏差范圍（暫標定±10mm）時，系統對當前花回的偏差補償值最大為10mm，剩余偏差 （Q－10）mm則放入后面的若干花回進行補償處理。

3）解決了同一花回標記圖像重復采集的問題。當出現某一花回標記重復采集時，PLC僅對首個該花回標記誤差信號進行處理運算。通過理論計算和試驗驗證，PLC獲取該標記任意一個誤差信號，經式（3）運算，其花回長度偏差與計算結果一致。

4）消除花回標記出現遺漏采集的問題?？刂破魍ㄟ^花回測量值與標準值的關系，尋找實際測量值對應圖像采集花回數，再進行誤差處理及脈沖轉換。

4 結論

本系統在不改變原有設備的基礎上，不僅保留了傳統的人工調速功能，而且實現了全程動態在線對花的自動化控制。采用機器視覺檢測、全閉環控制方式，提高了對花調速的精度和穩定性。經過現場試驗，系統運行穩定，錯花檢測精度為±0.5mm，在線對花精度為±0.8mm，最高運行速度為60 m／min。該系統的運用，不僅減輕了工人的勞動強度，而且顯著提高了印染產品的合格率，同時為印染設備的研究人員提供了一個實用的技術路線。

［1］武祥珊.印花技術的現狀與發展［J］.印染，2003，21（12）：44－47.

［2］張團善，劉原，郭亞青，等.圓網獨立傳動印花機的錯花分析［J］.紡織科技進展，2005，8（4）：37－38，48.

［3］黃朝麗，仇建喜.機器視覺技術在圓網印花機自動對花系統中的應用［J］.紡織科技進展，2006，15（3）：17－20.

［4］劉曙光，屈萍鴿，費佩燕.機器視覺在紡織檢測中的應用［J］.紡織學報，2004，24（6）：89－91.

［5］梁吉，蔣式勤，沈立緯.視覺檢測系統及其應用［J］.微計算機信息，2003，20（12）：25－28.

［6］湯俊堂，姚勝林.圓網印花機結構及性能［J］.紡織機械，2006，21（1）：31－33.

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