基于圖像處理技術(shù)的電腦刺繡機(jī)斷線的線張力因素分析

馮 珣，湯曉華，劉美蓮

（北京工商大學(xué) 材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048）

0 引言

電腦刺繡機(jī)斷線率是影響生產(chǎn)效率和繡品質(zhì)量重要因素之一。斷線的產(chǎn)生是由電腦刺繡機(jī)多參數(shù)、多因素構(gòu)成的各個(gè)環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)所決定的，是一個(gè)綜合性的問題。斷線的因素主要表現(xiàn)為以下幾種[1]：線質(zhì)不好，過線接觸面有劃痕或毛刺，轉(zhuǎn)速過高，供線—需線量不協(xié)調(diào)等，但這些都與線張力之間有非常重要的關(guān)系。所以在運(yùn)動(dòng)過程找到斷線的成因，就要從線張力入手，通過分析挑線桿、針桿的運(yùn)動(dòng)特性找到影響斷線的具體因素。

本文以圖像處理為手段，運(yùn)用Matlab軟件，回歸出挑線桿線孔中心點(diǎn)以及刺繡針針孔運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，找到易發(fā)生斷線的角度區(qū)間和原因，為進(jìn)一步完成機(jī)頭線張力建模理論奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

圖1所示為挑線桿細(xì)節(jié)圖，圖2所示為針桿細(xì)節(jié)圖。由于二者可采用同樣的機(jī)器視覺及軟件處理方法得到運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，因此本文僅以挑線桿為例加以說明。

本文采用MotionBLITZ Cube4工業(yè)級(jí)高速照相機(jī)，配以NIKON 52mm鏡頭以及相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施，搭建了一套完整的機(jī)器視覺硬件系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對高速運(yùn)動(dòng)的被測對象的圖像采集。

圖2 針桿細(xì)節(jié)圖Fig.2 Detail diagram of needle bar

圖3 視覺測量平臺(tái)原理圖Fig.3 Schematic of visual measurement platform

由于挑線桿形狀復(fù)雜，在后期軟件處理中有一定難度，因此本文采取了一種間接的圖像采集方法：在挑線桿上附著一個(gè)黑點(diǎn)作為標(biāo)識(shí)圓，其余空間覆蓋全白。在挑線桿運(yùn)動(dòng)過程中，由于附著在挑線桿上，這一標(biāo)識(shí)圓點(diǎn)與挑線桿相對靜止，若可知其運(yùn)動(dòng)軌跡，就能真實(shí)還原出挑線桿的運(yùn)動(dòng)情況。于是拍攝出如圖4所示的一組圖片。

圖4 挑線桿中心孔間接圖像采集Fig.4 The center hole of the thread take-up indirect image acquisition

圖5 繡針緊定螺釘間接圖像采集Fig.5 The embroidery needleset screws indirect imageimage acquisition

有了一組運(yùn)動(dòng)圖片后，利Matlab軟件對每一張圖片依進(jìn)行圖像處理：二值化，將色標(biāo)識(shí)圓從白色背景中分離來；擬合圓，還原標(biāo)識(shí)圓；成圓心坐標(biāo)，提取出所關(guān)心圖片信息[2,3]。

通過上述圖片處理過程，每張圖片信息濃縮為一個(gè)坐標(biāo)。將這些坐標(biāo)繪制在一張圖片上，即可得到挑線桿的運(yùn)動(dòng)軌跡，即位移曲線，對位移曲線進(jìn)行求導(dǎo)計(jì)算，可得速度曲線；再對速度曲線進(jìn)行求導(dǎo)運(yùn)算，可得加速度曲線。至此，本文得到了所有所關(guān)心的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。

綜合挑線桿、針桿的運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線及拍攝圖像，對其進(jìn)行分析如表1所示[4]。

表1 挑線桿、針桿運(yùn)動(dòng)相位分析

2 斷線分析

由于電腦刺繡機(jī)的工作特性，其在主軸轉(zhuǎn)速升高時(shí)，斷線率也隨之上升。因此，本文選取1150rpm為刺繡機(jī)工作點(diǎn)，做了20組的斷線實(shí)驗(yàn)，并識(shí)別出發(fā)生斷線時(shí)的主軸角度。

實(shí)驗(yàn)過程如下：將高速相機(jī)拍攝幀頻設(shè)置為2000Hz；在刺繡機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)開啟相機(jī)，拍攝運(yùn)動(dòng)照片，捕捉到斷線畫面后停止拍攝，并將運(yùn)動(dòng)圖片導(dǎo)入電腦中；由上表可以看出，14組在40°附近，6組在160°附近。即斷線的發(fā)生集中在主軸角度為40°及160°附近。結(jié)合表1，主軸角度在40°附近時(shí)，挑線桿速度向上減小，針桿速度向下增大，20°～60°為從線軸供線過程，此時(shí)線張力很大，壓線彈簧處線張力壓力越大，斷線角度則越提前。160°時(shí)針桿即將到達(dá)最低點(diǎn)，速度向下減小，加速度已接近最大值，線為張緊狀態(tài)，此時(shí)，線受到的剪力很大。

表2 斷線情況統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)束語

通過拍攝電腦刺繡機(jī)工作狀態(tài)的圖像，編制相應(yīng)Matlab程序，繪制出針桿，挑線桿的位移、速度、加速度的運(yùn)動(dòng)曲線圖，并根據(jù)實(shí)測斷線相位，分析出斷線的具體原因，所得出的結(jié)論可用于電腦刺繡機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，以降低實(shí)際生產(chǎn)中的斷線率 （北京工商大學(xué)青年教師科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目）。

[1]秦榮.電腦繡花機(jī)斷線問題的研究[D].中國紡織出版社，2010

[2]張強(qiáng)，王正林.精通MATLAB圖像處理[M].電子工業(yè)出版社，2009.

[3]張廣軍.視覺測量[M].科學(xué)出版社，2008.

[4]孫金階.服裝機(jī)械原理[M].中國紡織出版社，2011.