（机械设计及理论专业论文）异性纤维气动排除系统的研究.pdf

摘要 y9 3 0 2 4 2 近年来，棉花中异性纤维的问题始终困扰着纺织工业的牛产与发展，棉花中的异性 纤维含量逐年增多，几乎遍及全国各棉产地，并波及全国众多棉纺织企业。各生产厂家 不得不投入大量人力、物力和财力来组织分拣，但由于从原棉中人工分拣异性纤维难度 大，并且从原棉中拣净异性纤维相当困难，残留的异性纤维经打击分梳后，被粉碎为大 量异性纤维疵点而混入纱条中，严重影响了纺织品质量及出口竞争。本论文f 是在这种 背景下提出来的，将气动控制技术应用于传统工业，从而有效地克服手工进行异性纤维 分拣时效率低、产品合格率难以保证等一系列缺点，旨在开发出拥有我国自主知识产权 的自动分拣系统。其中，原棉异物在线剔除技术的研究，是个具有很强创新性的科研问 题，具有很高的学术研究价值。在异性纤维检测装置的剔除部分采用气动控制技术不仅 能使纺织工业的自动化水平得到提高，而且对优化原棉产品的质量、降低检测设备的成 本，提高我国在纺织行业的国际竞争力等方面都具有重要意义。 本论文研究的重点就是对异性纤维检测装置中“异性纤维气动排除系统”的研究。 异性纤维自动剔除系统是异性纤维检测装置的关键部分。在计算机识别出原棉中的 异性纤维并对其进行准确定位后，需要一个可靠的执行机构来剔除异性纤维。剔除异性 纤维的方式有很多，可以通过机械手，也可以通过专用击打t 具，但是这些方式有一个 共同特点，就是动作的执行速度相对较慢，尤其是在连续执行剔除动作时，有时动作无 法完成：同时，这种硬件接触会损害正常棉花的质量，不利于最终产品的推广。为此， 必须考虑- , o o 便于连续动作、无硬件接触的剔除方法。 在参考了国内外其他类似产品的基础上，我们决定采用气动控制系统，以高压喷嘴 作为异性纤维检测装置的执行机构来实现异性纤维的剔除工作。高压喷嘴( 高速电磁阀) 横向密布在距离c c d 采集视场一定距离的位置上，当含有异性纤维的棉花输送至高压 喷嘴阵列处时，采用气动控制系统触发原棉中异性纤维所在对应位置的高速电磁阀，使 位于异性纤维正上方的高压喷嘴动作，将其吹入排杂箱，从而完成整个剔除过程。 剔除机构的气动控制系统在过程控制层采用了可编程控制器( p l c ) 作为现场的核 心控制单元，通过串行通讯与工控机组成上位机监控系统，从而实现对剔除过程的实时 监视和自动控制。能否按照识别系统给出的剔除信号准确地控制电磁阀线圈得、失电的 动作是控制单元设计成功与否的主要标准。 论文最后，在综合以上理论研究的基础上，对控制系统在试验室的条件下进行了模 拟调试，经调试运行后得出的结论表明，该控制系统基本上达到了预期的设计要求。相 信只要对实验台加以改善，该设计完全可以达到提高棉纺清棉车间效率，改善工人劳动 环境，提高产品质量的目的。 关键词：异性纤维、剔除机构、气动系统 t h er e s e a r c ho fp n e u m a t i ce l i m i n a t i n gs y s t e mf o r t h ef o r e i g nm a t e r i a l s a b s t r a c t f o rr e c e n ty e a r s ，t h ep r o b l e ma b o u tf o r e i g nm a t e r i a l si nt h er a wc o t t o ni s a l w a y s b l o c k i n gt h ep r o d u c t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to ft e x t i l ei n d u s t r y m a n yt e x t i l em a i l sh a v et o i n v e s tl o t so fl a b o r s ，m a t e r i a l s ，t i m e sa n dm o n e yi ne l i m i n a t i n gf o r e i g nm a t e r i a l s b u ti ti s d i f f i c u l tf o rp e o p l et op i c ko u tt h ef o r e i g nm a t e r i a l sb yh a n d s ，a n di ti sd i f f i c u l tt oe l i m i n a t e t h ef o r e i g nm a t e r i a l sc o m p l e t e l y t h er e m a i n e df o r e i g nm a t e r i a l sw i l lb ep r o c e s s e db y s t r a i g h t e n i n gm a c h i n e sa n db r o k e ni n t op i e c e sa n dt h e nm i x e dw i t ht h es t r i p s ，t h i sw i l lb r i n g g r e a tr u n n i n gd i f f i c u l t i e si n t ot h eo n l i n ee l i m i n a t i n gm e c h a n i s ma n dh a sg r e a ti n f l u e n c eo n t h eq u a l i t yo ft h ec o t t o na n dt h ec o m p e t i t i o no fe x p o r t s ，t h i sp a p e ri sp r o p o s e dj u s tu n d e rt h i s b a c k g r o u n d ，w ed e v e l o p an e w - b a n da n dm o d e r na u t o m a t i cd e t e c t i n ga n de l i m i n a t i n g m a c h i n ew i t hc h i n e s ei n t e l l e c t u a lp r o p e r t y r i g h t sb yo u r s e l v e s ，w h i c hc a nr e p l a c et h e c o n v e n t i o n a lh a n d m a d em e t h o d t h er e s e a r c ho ft h er a wc o t t o nf o r e i g nm a t e r i a lo n l i n e e l i m i n a t i n gt e c h n o l o g yi sas c i e n c e r e s e a r c h i n gp r o b l e mw h i c hh a ss t r o n gc r e a t i o na n dh i g h r e s e a r c h i n gv a l u e g e n e r a l l ys p e a k i n g ，u s i n gt h ep n e u m a t i cc o n t r o ls y s t e mi nt h er a w c o a o nf o r e i g nm a t e r i a l so n l i n ee l i m i n a t i n gs y s t e m ( t f e s ) c a nn o to n l yi m p r o v et h e a u t o m a t i cl e v e lo ft h et o t a lt e x t i l ei n d u s t r y ，b u ta l s or e d u c et h ec o s to ft h et e x t i l ep r o d u c t s ， i m p r o v et h eq u a l i t yo ft h et e x t i l e ，a n du n i f o r mt h es t r i p sa n ds t r e n g t h e nt h ei n t e r n a t i o n a l c o m p e t i t i o no f t h et e x t i l ep r o d u c t s t h em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri sj u s tt or e s e a r c ht h ep n e u m a t i ce l i m i n a t i n gs y s t e mf o r f o r e i g nm a t e r i a l sw h i c hb e l o n g st ot h ef o r e i g nm a t e r i a l sd e t e c t i n gd e v i c e t h ef o r e i g nm a t e r i a l sa u t o m a t i ce l i m i n a t i n gs y s t e mi st h ee l i m i n a t i n gm e c h a n i s mo ft h e f o r e i g nm a t e r i a l sd e t e c t i n gd e v i c e ，w h i c ha l s op l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ef o r e i g n m a t e r i a l sd e t e c t i n gd e v i c e i ti s n e c e s s a r y t ou s eac r e d i b l e e l i m i n a t i n gm e c h a n i s mt o e l i m i n a t et h ef o r e i g nm a t e r i a l s ，w h e nt h el o c a t i o no ft h ef o r e i g nm a t e r i a l sh a sb e e nk n o w n a l r e a d y t h e r ea r em a n ym e t h o d st oe l i m i n a t ef o r e i g nm a t e r i a l s ，s u c ha su s i n gt h em e c h a n i c a l e q u i p m e n t s ，o rt h es p e c i a ls h a c k i n gt o o l s b u ta l lt h e s em e t h o d sh a v eas a m ec h a r a c t e r i s t i c t h a tt h e s em e t h o d sc a n tr e a c ht h er e q u e s t e dd e m a n d sd u et os l o wr e a c t i o na n dl o w f l e x i b i l i t y s o ，i ti sn e c e s s a r yf o ru st od e s i g nam o d e ma u t o m a t i cd e t e c t i n gm e t h o dw h i c hc a nb eu s e dt o c o n t i n u o u s l yw o r ka n dn o th a v ed i r e c th a r d w a r ec o n t a c tw i t ht h ec o t t o n o nt h eb a s eo f c o n s u l t i n gt h es i m i l a rp r o d u c t so fi n & o u t c o u n t r y ，w eu s et h ep n e u m a t i c c o n t r o ls y s t e mt oa c c o m p l i s ht h ee l i m i n a t i n gw o r ko ft h ef o r e i g nm a t e r i a l sb yu s i n gt h e h i 曲一p r e s s u r en o z z l e sa st h ee l i m i n a t i n gm e c h a n i s m so f t h ef o r e i g nm a t e r i a l sd e t e c t i n gd e v i c e t w or o w sh i g h + p r e s s u r en o z z l e s ( h i g h - s p e e dm a g n e t i cv a l v e s ) a r ei n s t a l l e da f t e rt h ed e t e c t i n g e q u i p m e n t w h e nt h ec o n t r o ls y s t e mr e c e i v e st h es i g n a l sa b o u tt h el o c a t i o no ft h ef o r e i g n m a t e r i a l si nt h er a wc o t t o n ，t h ep l cw i l lc o n t r o lt h ec h a n g i n go ft h er e l e v a n th i g h - s p e e d m a g n e t i cv a l v e st ob l o wt h ef o r e i g nm a t e r i a l si n t ot h ew a s t eb a s k e t ，t h e nf i n i s h i n gt h et o t a l e l i m i n a t i n gp r o c e d u r e t h ep n e u m a t i cc o n t r o ls y s t e mf o rt h ee l i m i n a t i n gm e c h a n i s m si su s i n gt h ep l ca si t s c o r ec o n t r o lp a r ta tt h ep r o c e d u r ec o n t r o ll e v e lw h e nt h i ss y s t e mi sr u n n i n g t h eh i g l ll e v e l c o m p u t e rs u r v e ys y s t e mi st oa c c o m p l i s ht h et i m e l ym o n i t o ra n da u t o c o n t r o lw o r ki nt h e e l i m i n a t i n gp r o c e d u r e ，w h i c hc o n s i s t so fp l ca n dh i 吐l e v e lc o m p u t e r , t h i st w op a r t sc o n t a c t w i t he a c ho t h e rb yc o m m u n i c a t i o np r o g r a m w h e t h e rc o n t r o ls y s t e mc a l lc o r r m a a n dt h e h i g h - s p e e dm a g n e t i s mv a l v e st oo p e na n ds t o pc o r r e c t l ya c c o r d i n gt ot h ed e t e c t i n gs i g n a l w h i c hc o m e sf r o mt h ed i s c r i m i n a t i n gs y s t e mi sam a i ns t a n d a r dw h i c hi sb e i n gu s e dt oj u d g e t h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mi ss u c c e s so rn o t a tt h ee n do ft h i st h e s i s ，b a s i n go na 1 1t h er e s e a r c h e sa b o v e ，w em a k es o m ed e b u g g i n g e x p e r i m e n t s o nt h ec o n t r o l s y s t e m t h ed e b u g g i n ge x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h i s p n e u m a t i cc o n t r o ls y s t e mc a ng e n e r a l l ym e e tt h ed e s i g n i n gd e m a n d s w eb e l i e v et h a tt h i s d e v i c ec a ni n c r e a s et h ee f f i c i e n c yi nt e x t i l ep l a n t ，i m p r o v et h el a b o re n v i r o n m e n t o fw o r k e r s a n dt h eq u a l i t yo ft h et e x t i l ep r o d u c t so nc o n d i t i o nt h a tt h ep n e u m m i cc o n t r o ls y s t e mi s a d v a n c e di nt h ef u t u r e z h a oy a n( m e c h a n i c a ld e s i g n t h e o r y ) d i r e c t e db yy u a nj i a n c h a n g k e yw o r d s ：f o r e i g nm a t e r i a l si nt h er a wc o r o n ，e l i m i n a t i n gm e c h a n i s m ， p n e u m a t i cs y s t e m 第一章锗论 第一章绪论 1 1 引言 纺织行业是我国获得外汇的主要来源之一，尤其是在我国加入世界贸易组织之后， 随着国外市场对纺织品的大量需求，使纺织行业在我国整体产业布局中占有更加重要的 地位。我国纺织品历经千年之久，不仅质地优良而且价格便宜，但是随着国际环境及纺 织品行业需求的影响，纺织品的质量有了更高的要求标准，咽此纺织工业必须加快改革 步伐，以适应时代的发展“。 将棉花纺成布，要经历开清棉( 去除异性纤维及其它杂质) 、梳棉、成卷、并条、 纺纱以及织造等一系列复杂工序。其中，异性纤维的剔除是将原棉中混入的其它纤维和 被污染的棉纤维与原棉分离的工序。1 。然而在原棉中存在的异性纤维种类很多，如编织 带、麻袋片、彩色布头以及毛发等，这些大多是在扎花厂混进去的。 虽然原棉中异性纤维的比重较小，但危害却很大： ( 1 ) 经过纺织机械打击分梳( 分梳：把棉花分割梳理为碎片) 后，异性纤维纵向断 裂、横向分开，数量成倍增加，严重时会缠绕刺辊( 刺辊：纺织机械上圆柱形、能旋转 的部件) ，造成机械运转困难； ( 2 ) 由于含有异性纤维，布面易形成大量疵点，印染时布面因异性纤维性质的不同 而染不上色，从而导致布匹“开花”，严重影响布面外观质量； ( 3 ) 如果没有清除生成纱锭前棉花籽的残留物、包装时混入的编织袋碎片、运输中 混入的其他纤维和被污染的棉纤维，不仅会直接影响棉花公司和纱厂的利益，还关系到 我国棉纺织品占整个国际市场的份额； ( 4 ) 另外，在国际贸易中，我国棉纺织品由于异性纤维影响棉花质量而招致外商索 赔、造成损失的比例也是不可忽略的。 可见对于棉纺织产品来说，每多一点杂质，品质就会大打折扣，价值也会受到严重 影响。因此，高效、低成本的棉花检测技术已成为棉花相关企业发展的关键”1 。瑞士、 德国、意大利、比利时等国已率先推出异性纤维自动分拣机。但在我国，由于资金、发 展程度等方面的限制，国内众多纺织企业仍采用人工挑拣的方法。人工挑拣需要大量场 地将原棉逐包拆开、撕扯，用手工一点一点捡杂，其难度可想而知；另外，人工挑拣的 质量也很难保证。同时，由于一般的纺织厂不具备扎花厂专用的打包机，只能使用废棉 打包机重新打包，并且打成的包比较松散，在使用当中，特别是在产量很高的清梳联生 产线中使用时，会使抓包机的效率受到影响，整条生产线的产量还会降低，这样使得整 个纺织工业的自动化程度受到限制，而且加大了劳动强度，增加了人工成本。为此，开 发和研制出一套相对廉价、性能优越的异性纤维检测装置是势在必行的。1 。 番安工程科技学院硕士学位论文 1 2 各国在原棉异物剔除领域中的研究现状 异性纤维对棉纺织品的影响得到了设备制造厂商的充分认识，瑞士、德国、意大利 等国已经生产出使用不同方法实现异性纤维挑拣的自动分拣装置“。 瑞士j o s s i 公司是最早开发研制异性纤维拣出机的厂家，目前已占有世界市场 6 0 7 0 的份额。陔机采用垂直过棉形式( 图卜1 ) ，当棉流从上面的进棉管道进入该 设备中部的扁平透明通道时，已成均匀分布状，透明管道两侧的高速c c d 彩色摄像机 同时对棉流进行全方位的扫描，将各种数据传输到计算机分析处理。该设备采用了 f u z z y l o g i c 软件，可以识别出与原料具有微小差别的异性纤维，并发出指令到高压 喷嘴将其排出。该设备可以和各种清棉流程直接联接，如与利达、特吕茨勒、马佐里、 克鲁斯罗尔、青岛纺机、郑纺机等厂家的设备相联。该公司建议异性纤维拣出设备应安 装在丌清棉流程中最后一个机台之后，因为此时棉纤维己被彻底丌松梳理，对检测异性 纤维极为有利，拣出率可进一步提高。 图1 1瑞士j o s s i 公司的异性纤维拣山机 德国特吕茨勒公司的s c f o 异物检测及分离装置( 图卜2 ) 已作为特吕茨勒公司推荐 的清梳棉流程中的定型产品供给客户，安装在开清棉生产线的最后位置，在这一位置棉 纤维已经得到充分开松，异性纤维基本暴露在棉花的表面，因此特别有利于检测和清除。 该机工作原理：已充分开松的棉纤维，经喂棉风机吹入棉箱内，细小的微尘通过网 眼板排出，进入棉箱内的棉纤维在给棉罗拉握持下，进入打手室内被刺辊打手进行最后 的开松梳理。此时两架高速电子数码摄像机对梳理后的棉层流进行扫描，扫描后的图像 被送到计算机进行分析，根据异性纤维的颜色、几何形状、透明度以及反射度来与标准 棉花的资料进行对比，从而确定异性纤维的大小及位置，并发出指令给与打手平行排列 第一章绪论 的3 2 只高速空气喷嘴，触发异性纤维所在对应位置的喷嘴，将异性纤维吹出。该机实 际是把异性纤维检测和除微尘机结合在一体，功能更为齐全”1 。 ，黯r 黼口- j - 毒 色数码塌像机 图1 - 2 德国特吕茨勒公司的s c f o 异物检测及分离装置 意大利l o p t e x 公司的s o r t e r 采用图像传感器阵列检测、高速气阀阵列排除方式。其 工作原理为：原料自设备的上部进入由荧光灯照明的扁管中，并从下部输出到下一机台。 在扁管两面的全部宽度上，各排列着一排图像传感器阵列。当原料经过图像传感器阵列 时，计算机记录下经过原料的图像并进行分析，确定原料中杂质的位置。当含杂质的原 料到达高速气阀阵列处时，位于杂质处的高速气阀动作，将杂质吹落到排杂箱中。 此外，比利时b a r c c 公司还生产传感器形式的异性纤维监测装置，可用于梳棉机、 并条机、络筒机。其原理是棉条穿过一个垂直的透明导管，光源照亮导管的密封内部， 当棉条通过时就会反射光线的亮度，光源接受传感器则会随时监测反射光的亮度，当有 异性纤维时，反射光的亮度与棉纤维不同，这时就会停车，同时发出报警信号，方便操 作工人排除。这种装置的灵敏度可分2 5 个等级，使用者可以根据原棉的具体情况来调整， 防止不必要的停车，又最大限度的清除杂物。 1 3 课题的目的及意义 由以上介绍可知，德国、瑞士、意大利、比利时等国已生产出用不i 刊方法实现异性 纤维检测剔除的装置，然而国外产品昂贵的价格( 每台定位在人民币2 0 0 万元左右) 是我 国棉纺织企业无法接受的，另一方面，国外的设备与我国棉纺织企业现有的设备难以配 套使用。因此，本课题预将气动控制技术应用于传统工业，从而有效地克服手工进行异 性纤维分拣时效率低、产品合格率难以控制等一系列缺点。论文题目所要完成的就是排 除异性纤维的气动控制系统的设计内容： 由于棉花在开清棉的管道中是以1 0 m s 的速度高速飞行，这就为剔除机构要满足高 实时性和快响应性带来了困难。虽然剔除异性纤维的方式有很多，可以通过机械手，也 鸯安工程科技学院硕士学位论文 可以通过专用击打工具，但是这些方式有一个共同特点，就是动作的执行速度相对较慢， 尤其是在执行连续动作时；同时，这种硬件接触会损害正常棉花的质量；并且，这种高 频率的动作切换会严重影响机械手或击打工具的使用寿命，不利于最终产品的推广。为 此，必须考虑一种便于连续动作、无硬件接触的剔除方法。在参考了国内外其他类似产 品的基础上，我们决定采用气动控制系统，以高压喷嘴作为装置的执行机构来实现异性 纤维的在线剔除“。本课题的目的就是设计出一套能够代替手工劳工、成本低廉的气动 剔除系统。其所使用的气动元件和电气元件应满足异性纤维在线剔除要求。 该课题的意义在于，首先它来自于生产实际，具有很强的实用价值。该系统的研制 成功，不仅能使纺织工业的自动化水平得到提高，而且对优化产品质量、降低生产成本、 提高我国纺织行业的国际竞争力都具有重要意义。 其次，异性纤维检测装置是一个集光、机、电、气动技术于一体化的自动化光电检 测系统，其综合了光学、电子学、机械学以及空气动力学等多个领域的相关内容，是一 门多学科交叉的边缘科学，具有很高的学术研究价值。本论文所要完成的就是有关气动 控制系统在异性纤维剔除系统中的应用。通过该课题可以加深对流体控制、自动控制和 动力学等多方面知识的了解，并予以实际运用。 除此之外，此控制系统的核心技术除了适用于异性纤维的剔除外，还具有很强的可 移植性，稍加改变就可在工业、农业、商业等领域得到广泛应用。如：工业生产现场中 的自动加工过程监控、烟叶杂质在线检测剔除系统中的控制应用；农副产品的质量检测、 自动收割；商业：的商场自动监测控制系统等。这些技术的研究和应用对我国企业及国 防事业的技术革新、增强国际竞争力都具有很高的实际应用价值。 本项目已经得到陕西省教育厅专项基金的支持并在申请重大产业化项目。 1 4 研究范围及知识领域 异性纤维剔除系统所运用的相关技术主要是针对气动系统运用p l c 控制技术。基于 剔除机构的气动控制系统的具体设计方法如下；在检测装置后的某个位置安装两排高压 喷嘴，当含有异性纤维的原料输送至高压喷嘴阵列处时，通过控制系统触发电磁阀，使 位于异性纤维正上方的一个或几个高压喷嘴喷气，将异性纤维吹入排杂箱；另一方面， 采用可编程序控制器作为系统的控制核心，通过串行通讯与工控机组成上位机监控系 统，从而实现对剔除过程的实时监视和自动控制。 8 - 气动技术 气动技术是以压缩空气为工作介质进行能量传递或信号传递的系统。它以空气压缩 机为动力源，通过各种气动元件驱动和控制机构的动作，实现生产过程的机械化及自动 化。由于气压传动具有快速、安全、可靠、低成本及易实现自动化等特点，因此异性纤 维剔除系统也采用气动系统来驱动。 进入8 0 年代以来，气动元件向小型化、低消耗、高速化、机电一体化发展，利用 第一章绪论 计算机或可编程序控制器对其进行实时控制，极大地提高了气动技术的应用水平；同时， 由于环境污染小，工程实现容易，气动技术在机械、化工、电子、电气等各个领域，尤 其在各种自动化生产装备和生产线中得到了广泛的应用，极大地提高了生产效率和产品 质量，是实现工业自动化的重要手段“。 b 可编程控制器技术 可编程控制器是一种典型的采样控制系统，它通过循环方式进行闭环控制，包括数 字量和模拟量控制。它既可进行顺序控制，也可实现过程控制，随着微处理器技术和通 信技术的发展，可编程序控制器已不仅仅是传统意义上的控制元件，其功能日益完善。 它整合了c p u 、存储器、输入输出端口，使其成为一个小型微处理器，不仅能实现传统 继电器吸合、延时等功能，还有逻辑运算、算术运算、指令运算、数制转换等控制功能， 它与其它外部设备如数采卡、c r t 、打印机、计算机组成分布式测控系统就能实现显示、 监控、打印及报表生成【1 2 】。 1 5 论文主要研究工作 本课题的目的是要设计出一套能够代替手工劳动、成本低廉的气动剔除系统，该内 容是异性纤维检测装置的一个重要组成部分，也是该装置的一个重点及难点。 围绕这一目标，本论文所做的主要工作如下： ( 1 ) 从异性纤维检测装置的性能指标出发，对异性纤维检测实验装置硬件的原理及 选用进行了详尽分析与设计：包括供料系统、图像采集系统、异性纤维识别与定位系统 以及异性纤维自动剔除系统。 ( 2 ) 通过对异性纤维剔除系统的性能分析，设计出满足工况要求的剔除系统气动回 路，并根据气动回路选定主要气动元件，最后对整个气动回路的性能进行分析。 ( 3 ) 对气动控制系统电气控制部分进行设计，包括电气线路的设计、i o 接口信号 的确定、控制程序的设计，最终从硬件和软件上建立小型p l c 控制系统。 ( 4 ) 对设计的控制系统在实验室条件下进行模拟调试，并对实验中出现的一些关键 性问题进行讨论、研究，并做出结论。 针对系统的主要技术指标和功能要求，本论文主要分以下几个部分来论述： 绪论 异性纤维检测实验装置总体设计 剔除机构的气动系统设计 剔除机构的控制系统设计 调试实验 曲安工程科技学院硕士学位论文 第二章异性纤维检测实验装置总体设计 2 1 异性纤维检测装置总体结构及工作原理 异性纤维检测装置是用于检测和剔除原棉中异性纤维的一种集光、机、电于一体的 自动化检测设备。一般由以下5 个部分组成：物料输送系统、光学系统、图像采集系统、 图像识别与定位系统以及异性纤维自动剔除系统“”( 图2 - 1 ) 。 检测区 排杂区 图2 - 1 异性纤维检测装置原理图 其工作原理可以用以下几个步骤来描述： a 物料输送：夹杂着异性纤维的原棉物料由进料口进入系统，在匀散与输送系统 的作用下，成堆状的棉花被匀散摊_ 丌为薄层，j 并以一定的速度水平运动： b 图像摄取：当棉层被传送至高速彩色c c d 摄像机下方时，通过c c d 摄像机的 连续扫描，以摄取原棉和异性纤维混合物料的图像； c 图像传输：用图像采集卡将所摄取的表示原棉和异性纤维混合物料的图像以一 定的数据格式传送至图像处理系统( 以计算机内存为主) ； d 图像识别处理：对传送至图像处理系统的数据，处理器根据棉花和异性纤维各 个特征参数的差异，经过实时智能图像处理，识别出棉花中的异性纤维，并计算出异性 纤维在棉花中的相对位置； e 识别信号传输：对混合物料进行识别后，将识别信号传送至控制系统，通过控 制系统发出相应的控制指令，并将该包含剔除信号的控制指令传输至电控单元； 异物剔除：当含有异性纤维的棉花通过排杂区时，电控单元根据所接收到的剔 除信号控制相应的高压喷嘴动作，从而将异性纤维喷出。 如此反复不断地循环上述步骤，也就实现了异性纤维的在线检测和剔除。 第二幸异性纤维检测实验装置总体设计 2 2 异性纤维检测装置的性能要求 ( 1 ) 产品阶段对原棉物料进行非接触在线检测，传送带宽度为1 0 0 0m m ，有效喷射 范围为8 0 0 m m ，传送带速度为0 - - 6 m s 可调； ( 2 ) 自动识别各种可能出现的异性纤维，如编织带、麻布片、彩色布头以及毛发等： ( 3 ) 检测精度为1 0 r n m 。剔除单元为3 0 r a m 3 0 m m 。 2 ，3 异性纤维检测实验装置设计方案及硬件选型 2 3 1 设计方案及相关参数 图2 - 2 检测试验装置结构简图 异性纤维检测试验装置( 图2 2 ) 各组成元器件及其尺寸参数如下所述：传送带宽度 为1 0 0 0 r a m ，传送速度为0 - 6 m s 可调；高压喷嘴共设置3 2 个，分两排平行排列，安放 于检测区域的前端，相邻两喷嘴中心距为2 5 m m ，有效喷射范围为8 0 0 m m ：摄像机采用 东芝t c d l 4 2 d 线阵彩色摄像机，像素大小为1 4 p m x1 4 # m ，最高扫描频率为9 2 0 0 h z ； 图像采集卡采用光学精密仪器研究所所设计的v 2 0 0 一i 线阵c c d 数据采集卡；计算机采 用研华p c a 一6 2 7 7 型工业控制计算机。 2 32 物料输送系统的设计 为了有效地对异性纤维进行识别，保证原棉在检测期间运动的平稳性是非常重要 的；并且，原棉要尽可能薄的平铺于输送系统，使异性纤维尽量暴露于原棉表面。由于 物流运动速度很快，而棉花等物料的比重较小，因此在高速运动中，空气阻力会使物料 产生较大加速度，从而改变其运动状态。又由于棉花及异性纤维的形状具有不规则性， 因此在空气阻力作用下，物流会作无规则运动，甚至发生翻卷现象，使得检测过程中各 物体的相对位置发生变化。这样，就算异性纤维能被识别并且精确定位，也将不能被准 确剔除，严重影响系统的性能。为此，作为一套用于生产线现场的功能完善的异性纤维 检测装置，在设计其物料输送系统时，应设法保证物流在其检测期间运动的平稳性。 在高速运动中，要保持物体平稳运动就要减小空气阻力的影响，一种行之有效的方 法是令原棉层与它周围的空气一起运动，这样，原棉层与空气之间可以达到很小的相对 速度，从而减小空气阻力。在这里，我们设计使物料依次经过低速入料皮带、星型辊子、 曲安工程科技学院硕士学位论文 高速输送皮带，最后由风压装置稳定输出。如图2 3 所示：夹杂着异性纤维的原棉物料 由进料口进入，并堆落于低速入料输送皮带l 上，此时，输送速度较小( 为l n d s 左右) ， 随后送出的物料散落于星型辊子上，在星型辊子激烈抖动作用下，散开、平铺后的物料 ( 参考国内外大多数检测装置，该散开、平铺后的物料厚度占一般为5 0 1 0 0 m m 。) 随 同高速输送皮带2 高速运动( 一般为4m s 以上) 。这里我们设计在输送系统的最后位置 采用风压装置，通过风压装置产生高速压缩空气流以耦合棉花的高速运动，使空气流的 速度与传送带的速度相同，这样在压缩空气流的作用下，原棉就能保持高速平稳运动， 便于进行异性纤维的检测和剔除“。 图2 - 3 物料匀散与输送系统 2 3 3 图像采集系统 当夹杂着异性纤维的原棉物料进入c c d 采集视场内，经光照系统和光学预处理系统 的作用，摄像机可获得清晰的图像信息。如何高速且不失真的获取清晰的原棉图像信息 是是否能准确识别出原棉中异性纤维的重要前提。为此，除了保证棉层流的速度恒定、 运动平稳外，还需要高品质的彩色线阵c c d 摄像机和高速图像采集卡。 a 线阵c c d 摄像机 电荷耦合器件( c c d ) 是上世纪7 0 年代发展起来的新型半导体器件，由于它具有 光电转换，信息存储、转移、读出、延时等功能，而且集成度高、功耗小，因此已广泛 应用于固体图像传感、信息存储和处理等领域。 按照c c d 器件的几何组织不同，c c d 摄像机可以分为面阵和线阵两种。面阵c c d 由排列成方阵的感光像元组成，可以直接得n - 维图像；而线阵c c d 每次感光只能得 到条线上的光学信息，但一般分辨率较高，并且由于传感器件排列紧凑，产生的感光 元排列误差小，因此获得的图像精度更高。同时对线阵c c d 摄像系统的标定远比面阵 c c d 摄像系统简单，而且线阵c c d 器件的采样频率一般高于面阵c c d 器件，因此线 阵c c d 摄像机更适合于高速工业检测。 目前，工业现场应用较多的是黑白c c d 摄像机，通过分析所摄物体的灰度图像对 第二章异性纤维检测实验装置总体设计 现场状况进行检测和控制，由于只利用了图像的灰度信息，丢掉了彩色信息，其检测精 度受到限制。因此，为了提高检测精度，基于彩色c c d 摄像机的实时检测系统逐渐在 工业及其它领域得到广泛应用。彩色线阵c c d 摄像机包含三列c c d ，在各列c c d 之 前分别加上r ( 红) 、g ( 绿) 、b ( 蓝) 滤色片，以摄取r 、g 、b 三个颜色通道的灰度图像， 合成这三个通道的图像就构成了彩色图像。彩色线阵c c d 摄像机的三列c c d 是平行排 列的，相邻两列之间间隔若干个像素的距离，由于这种排列方式结构简单、制作简便， 因而价格较低，而且在实际生产线上使用时，具有较强的抗干扰能力。 本系统设计采用东芝t c d l 4 2 d 复辞c c d b 9 , 2 0 ，其主要性能参数如下： b 、采集卡的选取 在异性纤维检测装置中，将摄像机输出的模拟信号转换成数字信号并输入至计算机 这一过程就是由图像采集卡完成的，其性能的好坏直接影响到整个检测装置性能的发 挥，因此在硬件上除了其他部分的高性能要求外，对数据采集设备也不例外。 摄像机常用的模拟信号输出方式有两种：标准输出信号和非标准输出信号。因此， 对应的采集卡也分为两种：标准视频信号图像采集卡和非标准视频信号图像采集卡。采 用非标准信号是为了获得高分辨率、高刷新率或有其它特殊要求的图像。由于本装置摄 像系统的采样频率应在1 0 0 0 线秒以上才能保证图像在纵向上的分辨率，因此，应使用 非标准视频图像采集卡进行采集。 通过以上特性分析，结合异性纤维检 测装置的特点，再经过性价比的比较，本论 文采用的是光学精密仪器研究所所设计的 v 2 0 0 0 一i 线阵c c d 数据采集卡( 图2 - 4 ) ， 该数据卡以i s a 总线为接口，支持四路模拟 图2 - 4v 2 0 0 0 一 线阵c c d 数据采集卡 信号输入，最高传输效率达2 0 m s 。 2 3 4 图像实时识别系统 图像识别系统是是否能准确剔除异性纤维的关键。在本系统中，利用东芝t c d l 4 2 d 线阵c c d 摄像机采集的图像信号，通过v 2 0 0 0 i 线阵c c d 数据采集卡输入至工控机， 应用基于r g b 模型的三基色最佳阈值算法识别出图像中的异性纤维”。 在异性纤维检测装置中，识别部分执行结果的输出形式为：以一帧图像为一个单位 西安工程科技学院硕士学位论文 连续不断地输出识别信号，该信号表明了一帧图像中各个判别单元是属于棉花还是异性 纤维。在本论文采用线性c c d 摄像机摄像的方案下，每帧图像呈窄条状，其大小对应 于剔除部分喷嘴阵列的大小，每帧图像中各个不同位置的判别单元划应于喷嘴阵列中各 个对应位置的喷嘴。当某个判别单元的识别结果是异性纤维时，将输出一个剔除信号给 相应位置的喷嘴( 输出结果可用高电平“1 ”表示) ，当某个判别单元的识别结果是棉花 时，则不输出剔除信号( 输出结果可用低电平0 表示) 。这样输出的识别信号就可用 若干位二进制数据表示，其位数对应于喷嘴阵列喷嘴的个数“。 235 异性纤维的动态定位 异性纤维的动态定位是精确完成剔除动作的重要保证。首先利用图像处理技术获取 原棉中异性纤维的二值化图像，在二值化图像中，每一单个异性纤维是一簇像素联合体， 此像素联合体在8 邻域范围内相互连接。利用像素边缘搜索法确定异性纤维所在面积区 域，计算出像素联合体内异性纤维纵、横坐标的平均值作为异性纤维的质心坐标。即： 1 z 。= 专石 ( 2 1 ) 7 i = l 1n y 。= 寺弘 ( 2 2 ) i = 1 式中：n 一代表异性纤维的像素个数； x ，y 。一分别代表异性纤维像素点的横坐标、纵坐标。 由于式( 2 1 ) 、( 2 - 2 ) 只能确定某一瞬间获取图像中异性纤维的质心坐标，而传送带 上异性纤维的实际位置是不断变化的，因此还需根据异性纤维的质心坐标以及原棉的传 送速度确定异性纤维的动态位置坐标。 1 z = z 。+ v r = v f + 吉z ( 2 3 ) _ i = l 1n = y y y 。+ v f = v r + 专一2 2 y i ( 2 - 4 、) = 。+ v f = v r + i 。 l 2 o i = l 令原棉传送速度为v ，根据上式计算出的位置坐标( x ，y ) 即为异性纤维的动态位置 坐标，将其作为剔除异性纤维的位置控制信号嘶- 哪。 2 36 异性纤维自动剔除系统 当h 算机谚 别出异性纤维，并计算出其在传送带上的准确位置后，需要一个可靠的 执行机构来剔除异性纤维。剔除异性纤维的方式有很多，可以通过机械手，也可以通过 专用击打工具，但是这些方式有一个共同的特点，就是动作的执行速度相对较慢，尤其 是在执行连续动作时；同时，这种硬件接触会损害正常棉花的质量；并且，这种高频率 的动作切换会严重影响机械手或击打工具的使用寿命，不利于最终产品的推广。为此， 第二章异性纤维检测实验装置总体设计 必须考虑采用一种便于连续动作、无硬件接触的剔除方法。 在参考了国内外其他类似产品的基础上，我们决定采用气动控制系统，以高压喷嘴 作为检测装置的执行机构来实现异性纤维的在线剔除过程。剔除机构的工作原理如图 2 5 所示：高压喷嘴分两排横向密布在距离c c d 采集视场一定距离的位置上。当输送机 构将夹杂着异性纤维的原棉物料向右传送时，计算机根据高压喷嘴距离c c