巡回式紡紗斷頭在線監測系統的設計

梁斯楠 毛衛平 肖愛民 廖兆強 王曦淼

【摘 要】由粗紗紡制成細紗的生產過程中，由于粗紗條的質量（粗細、捻度、雜質等）以及紡紗設備、車向氣流等諸多因素的影響會造成斷頭，影響設備生產率、細紗質量和車間含塵量。在環錠細紗機用于除塵的巡回式吹吸風裝置上安裝高清攝像頭，運用機器視覺技術實時監測紗線斷頭情況，并將斷頭信息發送至車間控制器，解決斷頭自動監測的難題，可以提高勞動生產率，降低成本。

【關鍵詞】紡紗；斷頭監測；系統設計

一、設計背景

在紡紗廠細紗車間，細紗機是主要生產設備，細紗機的生產單元是錠子，常以每千錠小時的產量（公斤）來衡量細紗機的生產水平，紡紗廠生產規模以擁有細紗機的錠子總數表示。由粗紗紡制成細紗的生產過程中，每只錠子上所紡的紗受到粗紗條的質量（粗細、捻度、雜質等）以及紡紗設備、車向氣流等諸多因素的影響造成斷頭，常以千錠小時發生的斷頭數表示斷頭率。斷頭率的高低直接影響設備生產率、細紗質量和車間含塵量。

細紗斷頭大多數是由值車工巡回目視進行接頭，恢復正常紡紗。由于紡紗時斷頭不易被發現，各企業均采取值車工加強巡回，及時換粗紗，防止空粗紗，及時發現并處理粗紗斷頭以減少單股紗疵點，值車工的勞動強度很大，值車工看臺面受限，用人多，后工序紗疵檢測壓力大，降低了生產效率，提高了企業成本。

隨著科學技術的發展，紡紗斷頭的自動監測技術開始出現，并越來越受到重視。已有提出和少量應用的紡紗斷頭監測技術方案包括鋼絲圈運動光電掃描、鋼絲圈運動電磁感應、導紗鉤紗條光路遮斷、導紗鉤摩擦熱敏傳感、導紗鉤張力位移等，提出或應用這些技術方案的廠商包括國內外細紗機主機廠商、紗線測試儀器廠商等。其中大部分技術方案同時監測鋼絲圈或紗條氣圈的運轉狀態，因而除了斷頭信息外，監測信息可以擴展，用來處理錠速、效率和產量等有效管理信息。

二、設計方案

環錠細紗機是目前應用最多的一種由錠子、鋼領和鋼絲圈等組成加拈、卷繞機構的細紗機，一般為雙面多錠結構，每臺細紗機的錠數為300～500錠，也有800～1000錠的長車，長度16～45米。粗紗管上的粗紗經過后羅拉和前羅拉，因為轉速差異被牽伸加捻成細紗，細紗經過導紗鉤和鋼絲圈卷繞在跟隨錠子作高速旋轉（1.5萬轉/分鐘）的細紗管上，從而完成由粗紗紡制成細紗的生產過程。如圖1所示。在細紗機上一般安裝自動巡回吹吸風裝置，當紡紗設備運轉時，吹吸風機連續以8～12米/分鐘的速度往返吹風吸塵，可以使空中飄出的纖維及時吹走，避免其集聚為飛花，以減少偶發性紗疵，也可以改善環境、節省企業用工量。

為獲得單機單面的紗線斷頭信息，在吹吸風機相對細紗機成紗后的高度位置安裝高像素的工業攝像頭，在每一根或兩根紗線（根據錠距）背面設置背景板，標注紗線錠位號作為細紗圖像的定位標記，選擇合適光源投射在紗線及背景板上，獲得清晰的紗線圖像信息，如圖2所示。經圖像處理后的數字信息經過無線發射器傳遞給車間總控制器。利用吹吸風機不間斷的往返功能，可以實時監測細紗機雙面斷頭情況，及時發出斷頭信息，進一步通過車間總控制器發送信息到擋車工的電動巡回座車顯示屏上，顯示斷頭機器號和錠位號。

三、紗線斷頭在線監測系統的設計

（1）硬件設計

綜合考慮視野大小和相機處理速度等因素，擬采用的工業相機為MindVision的G系列相機，該相機采用高清Gige千兆網口通信，支持Halcon等視覺處理軟件和多種PC操作平臺，使用方便。相機的最大像素值為500萬（2560×1920），可以在相機自帶的應用程序中更改相機的像素值、觸發模式、輸出模式和曝光控制等參數。選擇鏡頭時要結合相機參數和紗線長度綜合考慮，確定鏡頭焦距為4mm，最大光圈為1.6。

在巡回吸風機上安裝歐姆龍系列E3X-HD10型光纖傳感器，當檢測到等間隔布置在環錠機上的色條時發出信號，觸發相機拍照。

選擇I5工控機來接收和處理圖像信息，經過一系列圖像處理后，得到高質量的YUV信號，最終通過MIPI輸出。處理后的數字信息經過無線發射器傳遞給車間總控制器。

（2）軟件設計

通過學習機器視覺原理，選擇合適的圖像處理方法用于紗線斷頭圖像的識別。如圖像匹配法是尋找具有偏移的兩幅圖像或多幅圖像之間對應關系的過程，圖像匹配分為兩類：第一類是在待檢測圖中尋找同模板圖像具有相同尺寸、相同方向、相同圖像的目標子圖，確定是否存在和該目標的坐標位置；第二類將來自于不同的傳感器、不同時間或不同條件下的圖像在空間上進行對準，建立對應關系，而本項目研究的圖像處理方法則顯然屬于第一類圖像匹配。

選擇Halcon視覺處理軟件，采用相關語言編寫攝取圖像、圖像處理和無線通訊程序。圖像處理流程為：I5工控機利用光纖傳感器的信號控制攝像頭拍照，然后通過圖像處理得到圖片中的定位信息，如果是新的定位點，則截圖定位點區域的圖片信息，然后對圖像進行二值化，并進行紗線圖像的比對，通過設置合適的相似度數值，發現紗線是否存在斷頭情況。

四、結論

本項目以環錠細紗機為研究對象，以巡回式吹吸風機為載體，設計了全車間細紗斷頭監控系統。研究了基于視覺的斷頭在線監測關鍵技術和數據通訊技術。機器視覺在硬件上具有成本的經濟性，不會對產品的成本構成壓力。主要解決了細紗斷頭自動監測的難題，有助于提高勞動生產率，節省用工量，具有一定的推廣價值。

【參考文獻】

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