基于圖像監(jiān)控的光纖繞線機(jī)排線系統(tǒng)研究

馮碩春

中國電子科技集團(tuán)公司第46研究所設(shè)備開發(fā)部，天津 300220

目前的光纖繞線機(jī)在繞線過程中，張力控制具有較大波動、設(shè)備自動化程度較低，且排線精度不高等缺點(diǎn)，需要及時(shí)采取科學(xué)手段，改進(jìn)光纖繞線機(jī)排線系統(tǒng)。基于圖像監(jiān)控的光纖繞線機(jī)排線系統(tǒng)主要是在對視覺監(jiān)控系統(tǒng)中的光源、攝像機(jī)以及鏡頭實(shí)現(xiàn)合理化選型基礎(chǔ)上，結(jié)合圖像監(jiān)控下光纖繞線機(jī)排線工藝，利用圖像監(jiān)控系統(tǒng)控制排線系統(tǒng)的故障，以此達(dá)到高精度自動化排線，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率。

1 光纖環(huán)繞制方式對溫度抑制性能

光纖繞線機(jī)在工作中，自然場、溫度變化、外界振動以及溫度變化率等都會對其使用造成影響。尤其是外界溫度發(fā)生變化的時(shí)候，光線折射率也會隨之改變，進(jìn)而引發(fā)兩束相向傳播光的傳播特性也出現(xiàn)變化，出現(xiàn)非互易性的相位差，對光纖陀螺儀使用壽命和零偏都造成嚴(yán)重影響。通過相關(guān)研究調(diào)查，發(fā)現(xiàn)合理選擇繞制方式能夠增加光纖繞線機(jī)抵抗外部溫度變化能力，對溫度差帶來的影響加以抑制，提高光纖繞線機(jī)工作效率和質(zhì)量[1]。光纖繞線機(jī)的工作方法經(jīng)過多次改進(jìn)，由以往的圓柱形繞制法逐漸改變?yōu)槎墶⑺募墶思墝ΨQ繞制法，不同繞制方法自身抑制溫度變化的能力也不一樣，且近年來逐漸提出了免交叉繞對稱制法以及十六級對稱制法等，不同的繞制方法所適應(yīng)的光纖繞制領(lǐng)域都有所差異，但是所有繞制方法的基礎(chǔ)都是四級對稱繞制方法（圖1）。

圖1 四級對稱繞制方式截面圖

2 基于圖像監(jiān)控的光纖繞線機(jī)繞線工藝分析

基于圖像監(jiān)控的光纖繞線機(jī)，主要是通過視覺系統(tǒng)對光纖實(shí)際排布狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，將傳統(tǒng)的人工撥線替換成撥線機(jī)構(gòu)，提升撥線方法的自動性、可靠性與高效性。在光纖繞線機(jī)排線系統(tǒng)當(dāng)中加入圖像監(jiān)控，能夠一定程度上改變傳統(tǒng)光纖繞線工藝。本文主要針對光纖繞線機(jī)繞線工藝產(chǎn)生的變化加以分析。

用戶在用戶界面中無需自動撥線系統(tǒng)和圖像監(jiān)控系統(tǒng)的操作，可以直接對圖像監(jiān)控模式與手控排線模式進(jìn)行自主選擇手動操作模式與傳統(tǒng)模式?jīng)]有差異，系統(tǒng)排線精度依舊取決于伺服機(jī)構(gòu)，此時(shí)可以在人為觀察下及時(shí)排除系統(tǒng)故障。通過視覺監(jiān)控模式操作光纖繞線機(jī)排線系統(tǒng)時(shí)，左右兩側(cè)張力控制結(jié)構(gòu)將對攝像機(jī)的圖像采集工作產(chǎn)生一定影響，所以需要在張力控制機(jī)構(gòu)不斷運(yùn)動過程中，針對合適的運(yùn)動位置，利用外部觸發(fā)方式獲得優(yōu)質(zhì)圖像，避免圖像采集工作受到張力控制結(jié)構(gòu)的干涉[2]。在自動排線過程中，初次實(shí)現(xiàn)視覺監(jiān)控時(shí)要在位置未知條件下，結(jié)合用戶操作界面顯示出來的相關(guān)資料信息，做出相應(yīng)繞線操作，在繞線過程中準(zhǔn)確把握排線機(jī)構(gòu)具體位置，使后續(xù)繞線操作過程能夠有效地通過外部觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)自發(fā)操作，提升系統(tǒng)自動化運(yùn)行程度。

不管在哪種模式下，都要對運(yùn)動控制箱體具體水平移動量、放線輪張力控制機(jī)構(gòu)、放線輪和收線輪實(shí)際旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算[3]。基于圖像監(jiān)控的光纖繞線機(jī)排線系統(tǒng)可以利用機(jī)器視覺對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障診斷，自動獲取故障診斷信息，同時(shí)把撥線輪具體運(yùn)動控制相關(guān)信息反饋到工控機(jī)當(dāng)中，以更加及時(shí)準(zhǔn)確地獲得運(yùn)動控制命令，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率和精度。

3 基于圖像監(jiān)控的光纖繞線機(jī)排線系統(tǒng)故障檢測

3.1 基于圖像監(jiān)控的光纖繞線機(jī)平臺設(shè)計(jì)

光纖繞線機(jī)排線系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)可以利用驅(qū)動軟件實(shí)現(xiàn)與攝像機(jī)之間的連接，在相機(jī)打開之后，可以在撥線監(jiān)控屏幕中顯示相機(jī)攝取到的圖像，進(jìn)而通過應(yīng)用軟件有效處理相機(jī)圖像，對光纖繞制過程各方面進(jìn)行測量，檢測繞制過程有無缺陷，同時(shí)結(jié)合圖像處理算法，對撥線輪運(yùn)動加以控制。要對監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中的光源系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保光源照明系統(tǒng)的穩(wěn)定、對比度強(qiáng)、全面和亮度充足，并且要求成像質(zhì)量優(yōu)良，滿足多種工作條件要求。在獲得監(jiān)控圖像之后，需要在光纖繞線機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置圖像處理流程，以對圖像進(jìn)行增強(qiáng)、分割、特征提取以及邊緣提取、匹配定位等處理。

3.2 以圖像監(jiān)控為基礎(chǔ)的故障檢測算法

圖像監(jiān)控到的光纖繞線機(jī)繞制過程中具體的光纖輪廓圖像，在經(jīng)過增強(qiáng)、分割和邊緣檢測之后，要使計(jì)算機(jī)充分理解圖像，還要合理提取圖像特征，以增強(qiáng)圖像視覺效果。光纖環(huán)相應(yīng)波峰波谷的輪廓局部較為明顯，可以此對光纖波峰分布情況實(shí)現(xiàn)清晰觀察與掌握，進(jìn)而結(jié)合圖像波峰，檢測排線故障檢測。如果光纖繞線機(jī)排線系統(tǒng)在工作中發(fā)生光纖跳匝現(xiàn)象，此時(shí)圖像當(dāng)中就會表現(xiàn)出來。在觀察圖像的時(shí)候，如果兩個(gè)波峰橫坐標(biāo)之間的間距為波峰總間距位數(shù)的1.5倍，則沒有跳匝現(xiàn)象，否則就表明出現(xiàn)了跳匝現(xiàn)象，即存在間隙。要判斷排線系統(tǒng)是否存在重疊，可以通過判斷相鄰波峰之間的坐標(biāo)差是否超過全部相鄰波峰位置差相應(yīng)中位數(shù)的1.5倍，超過就表明發(fā)生了重疊現(xiàn)象。通過圖像監(jiān)控系統(tǒng)獲取光纖繞線機(jī)排線系統(tǒng)實(shí)際工作狀態(tài)之后，需要及時(shí)有效的采取必要措施調(diào)整設(shè)備工作方式，以提高系統(tǒng)排線精確度。

4 結(jié)語

基于圖像控制的光纖繞線機(jī)排線系統(tǒng)能夠較為理想地處理光纖繞線排線工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)光線繞線工作當(dāng)中發(fā)生的特殊問題，有針對性地調(diào)整撥線輪運(yùn)動，提高光線繞線機(jī)排線系統(tǒng)的精度和效率。為了更加完備的獲得光線繞線機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)和研究，有效提升圖像處理算法的魯棒性，促使光纖繞線機(jī)排線系統(tǒng)工作更加靈活可靠，自動性能更突出。