基于機械視覺的造紙機械機電一體化實驗系統研究

摘要：機電一體化實驗系統作為機械工程與自動化領域不可缺少的一部分，造紙專業模擬教學、實踐操作教學體系中發揮著重要的作用。對于傳統造紙機械功能電一、實驗環節問題頻發等問題，依托機械視覺技術開發造紙機械一體化實驗系統。下文在闡述機械視覺技術基礎上，對系統實現流程、軟件等開展設計。測試結果表明，所設計的造紙機械機電一體化實驗系統對于誤操作故障可以快速恢復至穩定狀態，設計不同的刷新頻率也能確保具有良好的渲染速度，系統容錯能力大大提高。

關鍵詞：機械視覺;造紙機械;系統研究

隨著計算機的發展及微處理器性能的提升，造紙微機控制在國內得到普遍的應用。在造紙機微機控制研發及推廣過程中，蒸汽消耗量及紙漿下降，促使提升產品質量及產量。在機械視覺技術使用過程中，也充分運用攝像機的功能，對錄入圖像特征進行深入的研究，依托信息轉變方法把其轉變為數字化信號，工作人員獲得這些數字化信號后，便于開展后續的監測工作[1]。由機械視覺技術發展視角分析，主要表現為工作效率、精準度高等;對不同類型數據信息與系統環境機械視覺技術均能良好的適應，運用自身的全面性特征避免數據信息遺忘等問題。使用機械視覺技術也能增強操作人員的靈活性，進而提升數據處理效率。

1 機械視覺技術主要特點

隨著信息技術的快速發展，我們不遺余力地把人類視覺能力賦予計算機、機器人等智能設備。機械視覺也是工業自動化及智能化得以實現的核心技術，也是人工智能發展比較快的一個分支。人類利用眼睛捕捉、觀察物體，圖像信息通過視覺神經傳遞給大腦進行分析及理解，由大腦對觀察到的物體開展自動空間分離，獲得物體位置、紋理、顏色等一系列的特征信息，迅速判定物體名稱、分類等屬性。機械視覺同理，從本質上來說，機械視覺是圖像分析技術用于工廠自動化方面，依托圖像處理工具、光學系統等模擬人的視覺能力，做出與之對應的決策，最終指揮一些特定裝置執行上述決策。從實際應用分析，機械視覺技術可以取代肉眼觀察，依托計算機對三維世界內各種目標對象進行全面識別，開展更為精準的測繪判斷工作。機械視覺作為一項綜合的技術，包含圖像處理、傳感器、計算機軟硬件等。機械視覺技術具有測量精度及靈敏度高等特點，整體測試迅速，在應用過程中不會出現額外的噪音。

2 機械視覺技術在造紙機械中的運用

木材剝皮機作為造紙廠、制漿常等廣泛使用的設備，旨在對新伐木材進行剝皮處理，也可對部分凍材、干材予以剝皮。剝皮機應用范圍較廣，成為自動化生產、流水線生產過程中不可缺少的利器。但造紙機械所用剝皮機改造前見圖1。

分析發現，未改造前過度剝皮使用的原木失去概率為4.5%，第4-5短纖維受損明顯。實施改造處理，將第4、5段進行拆除，并適當延長003鏈條，如圖2所示。

改造后，電耗節降每一年為232MWH，每一年約為10萬元，也能有效減少原木剝皮損失，每年合計為67萬元。此外，對兩段剝皮輥拆除后，節約維保費用每年為19萬元，其改造后效果如圖3所示。

造紙行業紙張生產工藝比較復雜，生產操作中時常出現刮痕、破損、黑斑等缺陷對紙張質量產生不良的影響[3]。基于此，必須開展質量檢測，及時剔除不良品。傳統人工檢測效率比較慢，還會由于疲勞等因素的影響導致產品質量參差不齊。而使用機械視覺技術，能有效解決造紙行業存在的一系列問題。機械視覺技術下紙張表面瑕疵檢測系統在線對造紙生產中出現的表面瑕疵開展精準的檢測;光學篩選機系統依據表面瑕疵特征，與現場工藝在線報警等功能連接實時識別瑕疵情況[5]。運用機械視覺技術用于紙張自動計數系統，所設計系統主要的計數目標是貼卡疊層紙。系統運用預掃描方式對紙張表面唯一的信號條形碼完成掃描、檢測工作，能有效解決貼卡紙張多樣性方面的問題。系統正常工作時，如果需要檢測紙張經掃描系統，利用智能檢測攝像頭把紙張信息傳送到軟件各模塊，其依據反饋信息對皮帶、平壓設備等開展后續工作，做好一系列統計信息記錄工作。通過機械視覺及時開展紙病檢測工作，紙張實際生產時，受到內外部多種因素的影響，極易發生黑斑、皺褶等問題，上述缺陷會超過生產工藝的限制范圍，稱作紙病[4]。

3 實驗系統設計

3.1 系統總體方案

基于機械視覺設計的造紙機械機電一體化實驗系統，包含下列技術：機械視覺檢測技術、紙帶傳送系統、上料系統等，各部分依托PLC、信息技術實施融合，模擬實現造紙機械檢測、分揀等一系列工作[5]。實驗系統旨在對平臺各項課程展開學習，掌握造紙機械一體化加工、檢測技術，根據理論引導造紙或者相關專業學生開展實踐，提高造紙專業學生分析、解決造紙工業各項問題的工程設計能力。機械視覺下造紙機械機電一體化實驗系統功能詳見圖1。

3.2 系統實現流程

運用C++軟件對系統軟件進行開發，操作人員利用軟件控制步進電機開展紙帶傳送操作中的轉速、方向調節工作，把有待檢測的紙帶或其他紙類產品傳輸至固定上料部位;設計視覺檢測系統中的光學系統，促使需要檢測的紙帶等完成清晰成像。順利進行檢測階段，依托控制片把有待檢測紙帶放于傳送帶上完成紙帶上料操作。如果需要檢測紙帶被傳送到視覺檢測模塊合理的檢測部位，傳感器發出相應的信號，傳送帶陸續向前運行進入下一個環節的紙帶檢測。若紙帶存在斷紙等一系列問題，傳感器及時發出信號，傳送機停止工作并利用工業相機對紙帶出現的紙病、斷紙圖片予以采集，對獲取的圖像采用數據形式傳送至軟件處理部分完成紙病分析。對紙病問題進行處理后，借助遠程控制卡促使生產流水線恢復到正常工作狀態。

3.3 系統硬件設計

對系統硬件展開設計時，將系統的需求考慮在內，通過光電傳感器、磁性開關等當作實驗系統的支撐配置。其中，以光敏三極管以及紅外發光二極管當作光電轉換元件，運用MHT15-N2317型開關，具體工作中提供兩種工作方法便于用戶選擇，包含同軸反射、對射型。使用電感式傳感器旨在對目標進行檢測，識別目標過程中，電感線圈會出現渦流效應會帶來振幅改變，將其轉化為開關量輸出，達到準確識別目標的效果。磁性感應傳感器通過物體磁場及時感知目標，在磁性開關上設計LED顯示，用來展示信號狀態。若磁性開關動作，LED燈及時亮起，輸出信號是“1”;反之，LED燈未亮，輸出信號是“0”。通過上述傳感器及時采集造紙機械實際場景數據，構建機電一體化實驗系統順利完成人機交互。虛擬現實平臺是整個機電一體化實驗系統的數據交換中心，數據傳輸涉及范圍比較廣，虛擬場景內動態變化主要源于服務器及傳感器。系統實際運行中，平臺與服務器之間構建TCP/IP連接，獲得實驗系統的各項數據。再借助數據解析器對數據展開分析，把數據轉換至虛擬場景內。與此同時，把人際交互出現的數據變化依托通信網絡傳送至服務器，發送到系統后臺開展模擬仿真處理。C854D286-BFDD-42E5-9FD0-2990352336F7

4 控制軟件及電路設計

4.1 控制軟件設計

對控制軟件展開設計，旨在對圖像數據、紙帶傳送方向、傳感信號等問題進行處理。運用C++語言編寫光機電一體化實驗系統控制軟件，支持使用步進電機對控制卡數據庫狀況開展函數表達，完成不同步進電機及紙帶傳送系統的動靜調控等一系列工作。此外，所設計的控制軟件能依據紙帶種類差異自由撰寫、修改一些參數，順利完成紙帶上料階段的位置調控工作。除此以外，系統圖像處理與分析功能也集成于系統的控制軟件內。圖像處理功能包含：對所獲取的圖像數據開展分析及特殊化處理;把系統工作日志及各項信息存儲于數據庫內，進而獲取設備全壽命周期中的參數;自動處理模塊支持對紙帶檢測環節出現的故障進行自處理。

4.2 電路設計

系統控制電路包含傳感器、報警系統、供電系統等，在機械光機電一體化實驗系統中發揮著重要的作用。系統控制電路原理如圖4所示。實驗系統控制卡IO口可以對外部開光量信號開展智能接收、輸出操作，例如：紙病檢測操作中停機、電磁閥啟動等。

5 系統測試與結果分析

5.1 設計信號源

對實驗系統的性能展開研究，設計一系列的常用信號源，挑選合適的線路保護裝置開展仿真培訓，并把結果與虛擬現實場景相關聯進行實驗。考慮傳統實訓模擬系統面臨的一系列問題，實驗對象包括基于HMD實驗系統、機械視覺技術下造紙機械一體化實驗系統。所設計信號源包含測控裝置、繼電保護裝置等，用于檢測造紙機械機電一體化設備及系統功能的容錯情況。為滿足不同實訓模擬系統實際需求，設計下列信號源見表1。

開展測試中，只要對系統動態特性進行檢驗，劃分為兩部分，（1）對系統硬件保護裝置展開測試;對系統實訓模擬場景渲染情況實施測試，最后依據對比結果，分析各系統的容錯情況。

5.2 保護裝置動性

檢測中檢驗造紙機械機電一體化實驗系統面臨誤操作時要以保護為主，所用信號源為變電流信號源，這個信號源頻率設定為50Hz，其它初始參數見表2。對實驗各種信號源連接至硬件硬件部分，當0.2s設定相應的操作故障，通過第三方軟件輸出系統動作信號。研究結果表明，基于機械視覺設計的造紙機械機電一體化實驗系統出現故障，可以在較短的時間內調整至正常狀態，促使系統快速恢復正常運行。提示設計的機電一體化實驗系統面臨突發狀況更為穩定。

5.3 渲染速度

為確保整個測試結果的公平公正，測試中采用高清晰度的數碼相機拍攝真實圖像，再通過Photoshop軟件內拾取工具獲取圖片內各面顏色參數，利用不同實驗系統對其開展渲染處理，求出各系統渲染操作所需時間。測試結果見表3。

設置不同的刷新頻率，基于HMD實驗系統渲染速度相對較慢，在100s以上。機械視覺技術下造紙機械機電一體化實驗系統在各刷新頻率下渲染速度均低于60s，其渲染速度明顯優于傳統系統。與系統保護裝置動性結果相結合可知，所設計的造紙機械機電一體化實驗系統應對操作故障時安全、穩定，系統容錯能力達到實際應用要求。

6 結論

綜上所述，針對傳統系統誤操作較多引起的容錯能力差等問題，文中基于紙病檢測系統、機械視覺技術等方面對傳統實驗系統展開設計，系統可根據不同加工工藝及尺寸紙張、紙帶實施自適應調節，有效解決傳統造紙機械實驗系統對紙品類型要求比較嚴格等問題。對系統測試發現，系統能滿足造紙機械實際要求，能夠更穩定的面臨突發狀況。

參考文獻

[1]張明， 陳衛紅. 造紙機械設備故障振動信號實時監測系統設計[J]. 造紙科學與技術， 2021， 40（5）：6.

[2]廖劍貴， 王勰， 黃承勇. 機電一體化系統的設計分析[J]. 南方農機， 2018， 49（2）：1.

[3]余深河. 機電一體化在工程機械上的應用與發展[J]. 湖南造紙， 2020， 49（1）：33.

[4]李秀敏. 機電一體化的發展趨勢及實驗教學的思考[J]. 科技資訊， 2019， 17（10）：2.

[5]羅佳. 基于PLC技術的機電一體化生產系統控制研究[J]. 造紙裝備及材料， 2021， 50（5）：3.

作者簡介：陳合成，（1986.10.2），漢族，海南省臨高縣，學歷：大專，造紙機械。C854D286-BFDD-42E5-9FD0-2990352336F7