（纺织工程专业论文）竹节纱外观参数的图像分析方法.pdf

摘要 摘要 因竹节纱细度交变的外观形态，能在织物上形成特殊的视觉效果，给人以粗犷、流 畅的时尚感，深受消费者的喜爱，已经发展成为服装面料产品的一大种类。与此同时， 竹节纱外观参数的识别也是纺织行业需要研究的一个重要课题。 本文所采用的纱线直径采集系统主要组成包括摇黑板机、扫描仪、配有m a t l a b 7 0 软件的p c 。在纱线直径采集时，利用摇黑板机将纺制的竹节纱样品均匀缠绕在黑板上， 借助于扫描仪对纱线黑板进行正、反两面扫描，得到两幅黑白二值图像，然后通过 m a t l a b 7 0 软件工具读入二值图像，采用计算机数字图像处理技术，进行图像旋转、纱 线直径信号采集、图像拼接组成连续的竹节纱图像，从而实现竹节纱样品的直径信号采 集。 对于规则循环的竹节纱，采用两种方法确定竹节纱一个循环内的外观参数。一种方 法是对纱线直径变化信号采用自相关分析，提取自相关函数的峰值，该值对应纱线直径 信号变化的周期，即一个循环的纱线长度。然后根据若干个完整周期内的竹节纱直径变 化的频数统计图，确定基纱细度和竹节种类及细度，通过统计各个周期内竹节、基纱的 长度和细度，即可获得竹节纱的循环规律。研究结果表明：自相关分析能够准确获得竹 节纱形态参数变化的周期，确定一个周期内的形态参数。此外由于竹节纱生产时，基纱 和竹节部分存在过渡区域，使得竹节纱理论参数与实际参数之间存在明显差异，基纱部 分长度较理论值变短、细度比其公称值小，而竹节部分长度较理论值变长、细度显著增 大( 与按倍率算得的公称值比较) 。另一种方法是在统计各项参数的基础上，对纱线中 的竹节纱片段进行聚类分析，获得规则竹节纱一个周期内的各项参数的具体数值，研究 表明：这种对竹节纱组成成分进行聚类分析的方法同样可以得到竹节纱的变化规律。 对于不同倍率的规则循环竹节纱，竹节倍率定义为基竹节细度与基纱细度( 特数) 的比值，但因纱线捻度转移等诸多方面原因，实际生产的竹节纱，由定义计算的实际值 往往要比理论值大得多。本文根据竹节、基纱部分的直径数据，计算各段竹节的实际倍 率，采用回归分析的方法，建立了竹节实际倍率与理论倍率的关系，结果表明竹节实际 倍率与理论倍率是高度相关的。 本文以两种不同方式的模糊循环竹节纱为例，在提取各段竹节长度、基纱长度外观 参数的基础上，根据模糊竹节纱纺纱原理，比例模糊竹节纱根据数种竹节长度和数种基 纱长度参数按一定比例构成片段库，纺纱时每次从中随机抽取一种片段，形成竹节纱； 随机模糊竹节纱竹节长度和基纱长度参数在一定的范围内是等可能出现的。计算两种模 糊竹节的外观参数及比例模糊竹节纱相同竹节段、基纱段所占的比例。 关键词：竹节纱；二值图像；比例模糊；随机模糊；自相关函数分析；聚类分析；回归 分析 江南人学硕l j 学位论文 a b s t r a c t f i n e n e s sa l t e r n a t i o na p p a r e n tm o r p h o l o g yo fs l u by a mc a nf o r ms p e c i a ls i g h te f f e c ti n f a b r i ca n d 西v ep e o p l eb o o r i s ha n df l u e n tf a s h i o ns e n s e ，i tw a sl i k e db yc o n s u m e r , n o wh a v e b e c o m eab i gk i n do fg a r m e n tm a t e r i a lp r o d u c t s a tt h es a m et i m e ，s l u by a ms i z e s s r e c o g n i t i o nn e e dt or e s e a r c hi nt e x t i l ei n d u s t r ya sa l li m p o r t a n tp r o j e c t a c q u i s i t i o ns y s t e mo fy a md i a m e t e r sp r i m a r yi n c l u d e dy a me v e n e s st e s t e r , s c a n n e r , p c m a c h i n ew i t hm a t l a bs o f t w a r ei nt h i sp a p e r w h e ns l u by a m sd i a m e t e r sw e r ea c q u i r e d ，t h e s l u by a m s a m p l ew h i c hw a ss p u nw a sw o u n du n i f o r m l yo nt h eb l a c k b o a r db a s eo nu s i n gy a m e v e n e s st e s t e r , y a mb l a c k b o a r d sw e r es c a n n e dw i t ht w os i d e st h o u g hs c a n n e r , t h e no b t a i n e d t w og r a y s c a l ea n db i n a r yi m a g e s ；m a t l a b7 0s o f t w a r er e a db i n a r yi m a g e s ，t h r o u g hi m a g e r o t a t i o n ，y a md i a m e t e r sa c q u i s i t i o n ，i m a g ec o n n e c t i o nt oc o m p o s eac o n t i n u o u ss l u by a r n i m a g eu s i n gc o m p u t e rd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , t h u ss l u by a md i a m e t e r ss i g n a l s s a c q u i s i t i o nw a sf i n i s h e d f o rr e g u l a rc y c l eo fs l u by a r n ，u s i n g t w od i f f e r e n tm e t h o d sd e t e r m i n e do n ec y c l eo fs l u b y a m ss i z e s o n em e t h o dw a st l l a tu s i n ga u t o - c o r r e l a t i o na n a l y s i st os l u by a r nd i a m e t e r s v a r i a n c es i g n a l s ，w ec o u l do b t a i n e da u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o np e a kv a l u ew h i c hc o r r e s p o n d y a r nd i a m e t e r ss i g n a lv a r i o u sp e r i o da n db o n ee q u a lt oo n ep e r i o do fy a m sl e n g t h ，b a s e do n s e v e r a lc o m p l e t ep e r i o d ss l u by a md i a m e t e r sv a r i a n c e sf r e q u e n c ys t a t i s t i c sa n dd e t e r m i n e d b a s i c s sf i n e n e s sa n ds l u b s sk i n d sa n df i n e n e s s ，w ec o u l do b t a i n e ds l u by a m sc y c l er u l e t h r o u g hs t a t i s t i c st os e v e r a lp e r i o d sl e n g t h sa n df i n e n e s so fs l u b sa n db a s i c s r e s u l ts h o wt h a t a u t o c o r r e l a t i o na n a l y s i sc a no b t a i na c c u r a t e l ys l u by a mm o r p h o l o g yp a r a m e t e rv a r i a n c e s p e r i o da n dd e t e r m i n eo n ep e r i o d sm o r p h o l o g yp a r a m e t e r s ，m o r e o v e rt h ep r o c e s so fs l u by a m i sp r o d u c e d ，t h e r ei se x i s t e dt r a n s i t i o nr e g i o n sb e t w e e ns l u ba n db a s i cp a r t s ，t h u ss l u by a m t h e o r ya n dp r a c t i c ep a r a m e t e r sh a v eb i gd i f f e r e n c e s ，c o m p a r i s o nt h e o r yv a l u et on o m i n a l ， b a s i cp a r t sh a v el e s sl e n g t h sa n df i n e n e s s ，s l u bp a r t sh a v el a r g e rl e n g t h sa n df i n e n e s sw h i c hi s c o m p a r e db yc a l c u l a t i o na c c o r d i n gt os l u ba m p l i t u d e sd e f i m t i o n a n o t h e rm e t h o dw a st h a t b a s e do np a r a m e t e r s ss t a t i s t i c s ，s l u by a ms e g m e n t sw e r ec a r r i e do u tb yc l u s t e ra n a l y s i sa n d o b t a i n e do n e p e r i o do fr e g u l a rs l u by a mp a r a m e t e r sc o n c r e t ev a l u e r e s e a r c hs h o wt h a t 。w e c a no b t a i n e ds l u by a m s c y c l er u l et h r o u g hm e t h o do fc l u s t e ra n a l y s i st o s l u b y a m c o m p o s i t i o nc o m p o n e n t r e g a r dt or e g u l a rc y c l es l u by a mw i t hh a v i n gd i f f e r e n ts l u ba m p l i t u d e s ，s l u ba m p l i t u d e w e r ed e f i n e da st h er a t i oo fs l u ba n db a s i cf i n e n e s s ，b e c a u s eo ft h er e s u l to fy a r nt w i s ts h i f t ， s l u by a mw h i c hp r o d u c e di np r a c t i c e ，t h ep r a c t i c ev a l u ei su s u a l l ym o r eb i g g e rt h a nt h et h e o r y b a s e do ns e v e r a lp e r i o dd i a m e t e r so fs l u ba n db a s i cp a r t s ，t h e nc a l c u l a t e ds l u bp r a c t i c e a m p l i t u d e sb a s eo ns l u ba m p l i t u d e sd e f i m t i o na n du s e dr e g r e s sa n a l y s i st os e tu pt h e i i 一 垒! 塑竺 一 一 r e l a t i o n s h i pb 咖e e np r a c t i c ea n dt h e o r ya m p l i t u d e s t h e r e s u l ts h o wt h a ts l u bp r a c t i c e a m p l i t u d ea n dt h e o r ya m p l i t u d ew a s c o r r e l a t e dh i g h l y a s 缸驯c y c l es l u by a mi nt w od i f f e r e n tm o d e si n t h i sp a p e ra n dc a l c u l a t i n ge a c h s e 鲫e n tc o n c r c t ey a r n ss i z e sw h i c hc o n t a i n e d s l u bl e n g t h sa n db a s i cl e n g t h s b a s e do nf u z z y m o d es l u bv 锄，ss p i n n i n gp r i n c i p l e ，s l u by a mi np r o p o r o p mf u z z y m o d et h a tb a s e do nk i n d s o fs l u bl e n g m sa n db a s i cl e n g t h sp a r a m e t e r sf o r m e ds e g m e n t sg r o u pa c c o r d i n g t oac e r t a l n p r o p o r t i o n ，e a e l lt i m es e l e c t e dr a n d o m l ya k i n do fs e g m e n t sb e c o m es l u by a r n s l u by 锄m r 锄d o m 缸z vm o d et h a ts l u bl e n g t h sa n db a s i cl e n g t h sp a r a m e t e r se q u i p r o b a b l ea p p e a r e dm a c e r t a i l lr a l l g e c a l c u l a t i o ns l u by a m ss i z e si nt w od i f f e r e n tf u z z ym o d e a n dt h es a m es l u b 锄d b a s i cs e g m e n t s sp r o p o r t i o ni np r o p o r t i o nf u z z ym o d e k e yw o r d ： s l u by a m ；b i n a r yi m a g e ；p r o p o r t i o nf u z z y ；r a n d o mf u z z y ；a u t o - c o 盯e l a t i o n a n a l y s i s ；c l u s t e ra n a l y s i s ；r e g r e s sa n a l y s i s i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 签 名：趟隆鱼 日 期：盘避幺塑 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名：玉赶熟立导师签名：，盔鲨 日 期：胡6 伊 广一 第一章绪论 1 1 竹节纱发展现状 第一章绪论 1 1 1 竹节纱简介 花式纱线产品是从2 0 世纪7 0 年代发展起来的，一直是纺织品市场的重要分支。在 国外为了突出服装的穿着个性，采用花式纱线织制的服装比较流行。竹节纱是花式纱线 的重要品种之一，它是在普通单纱的长度方向上纺制出有一定规律的粗节，因其细度交 变的外观形态，能在织物上形成特殊的视觉效果，给人以粗犷、流畅的时尚感，深受消 费者的喜爱，已经发展成为服装面料产品的一大种类。 自从竹节纱问世起，国内外的学者开始关注如何在普通的细纱机上面生产竹节纱， 曾出现了纺竹节纱专用的附加控制装置如直流伺服电机和交流伺服电机等，而到了上个 世纪8 0 年代，我国学者研究开发出了牵引磁铁、电磁离合器、牵伸罗拉速度切换等方 式纺制竹节纱的环锭纺控制机构，它们都具备了较好的纺制竹节纱的性能，也存在一些 不足，如品种更换不够方便，易产生细节等问题，且纺纱过程中的精度较低，影响产品 质量【l 】。随着国外一些先进的竹节纱装置的引进，加上目前也有部分企业利用先进的伺 服电机来控制环锭纺细纱机中、后罗拉的速度来生产各种外观的竹节纱，国内的竹节纱 生产技术已经达到了国际水平，竹节纱在我国纺织品中的应用也越来越广泛。 按照竹节纱中竹节分布情况来分，竹节纱可以分为规则竹节纱和不规则竹节纱。规 则竹节纱指的是竹节分布存在一个固定的循环周期，考虑到竹节纱织物的风格问题，一 般来讲，为了避免在织物表面形成规律性的竹节分布，规则竹节纱的循环周期都较长， 一个循环周期内纱线长度的和要远大于一纬长度，并且不能是一纬长度的整数倍，才能 在织物的表面体现一定的变化分布。不规则竹节纱指的是竹节纱竹节长度、竹节间距、 以及竹节倍率都在一定的范围内发生变化，无规律可寻，与规则竹节纱的织物风格相比 更多变，但参数的设置有时会产生竹节在织物表面分布的不均一，影响织物的整体视觉 效果。 按照竹节纱纺纱用装置分类，常见的有环锭纺竹节纱和转杯纺竹节纱两种。前者是 通过改变瞬时的牵伸倍数达到产生竹节的，而后者则通过增加瞬间的须条喂入量来形成 竹节的。两者得到竹节纱的外观也有一定的差异，环锭纺竹节纱的竹节比较饱满，竹节 短而粗，转杯纺竹节纱的竹节细而长，有类似于麻的风格。 1 1 2 竹节纱面料特点及产品风格 竹节纱产品具有手感粗犷、独特的花式效应和模拟自然不匀等风格的特点，其面料 表面有明显的凹凸立体感，层次丰富，颗粒饱满，风格独特。由于突起的竹节部分的存 在，减少了织物的贴肤面积，贴肤部分多为竹节，捻度低，手感柔软，大大提高织物的 透气性【2 1 。目前，各种竹节纱织物的品种风格有【3 4 】： 兰塑叁兰堡! ：堂篁笙茎 不同品种竹节纱机织物表现为不同的风格，根据织造工艺可分为经竹节纱织物、纬 竹节纱织物、经纬全竹节纱织物3 种。经竹节纱织物每根竹节纱上的节长数目应根据织 物品种、布面风格来设计，节长数值通常在3 c r a 以上。整幅设计尽量避开等节长方案， 多节长配合更能体现竹节纱织物的层次感，表现竹节纱织物的风格特征；纬竹节纱织物 搭配设计中考虑的因素除与经竹节纱织物相同外，还应考虑在竹节循环中不同节距互相 搭配，竹节间距之间的差值大于竹节长度，避免等差现象。竹节纱的机织物产品主要有 竹节纱色织物、自然波纹织物、竹节牛仔布、竹节麻织物、麻棉色织竹节纱织物等。总 之，机织竹节纱织物的品种多样，风格独特，使用范围较广，可制服装外衣、衬衫、睡 衣面料和装饰用品面料，如窗帘、台布、墙布等。 针织竹节纱织物结构丰富，风格多样。针织时采用的原纱既可以全部为竹节纱，也 可以与普通针织纱交织。可以是用股线，也可以染色后进行色织。配以竹节纱的各种不 同参数，在针织物表面上形成不同的色彩或面料风格。有的如同条纹，有的如同小提花， 有的如云斑，有的如阴影，有的点状丰满，风格各异，丰富多彩。竹节纬编针织物以其 粗犷、朴素、自然的风格，在装饰领域和针织服装领域得到了广泛的应用。竹节纬编针 织物除了具有一般针织物的纱支、纵横向密度、组织结构等要素外，还具有竹节的大小、 分布特征、竹节循环规律等特征。因此，竹节针织物的生产有典型性和特殊性。目前， 在针织大圆机上，采用竹节纱可生产出单面灯芯条、双面接、穿心布系列品种。横机针 织物可制作内衣、毛衫等。 当竹节纱用于装饰窗帘布时要求有较密集而细长的竹节，具有水纹样的飘逸感。窗 帘布署室内装饰面料，要求布面有立体感和悬垂的效果。在织物组织结构上面除常使用 的平纹、网眼、蜂巢等复合组织，且多数以几何图案综合出现。由于使用了这些疏松组 织，面料表面具有似露非露和隐隐约约的透视效果，更加增添室内朦胧、典雅的气氛， 体现家居软装饰的现代性和个性化。 1 1 3 竹节纱结构特点及其工艺参数 竹节纱的理想外观形态可以如图1 1 所示： a21 r 1r 1 ， 、 “ l l 一 1 2 勺 勺 图1 - 1 竹节纱的几何结构及基本参数示意图 f i g 1 - ls l u by a m sg e o m e t r i cs t r u c t u r ea n db a s i cp a r a m e t e r ss c h e m a t i c 图1 1 是竹节纱的理想外观形态，这其中包含两段竹节。从图中可以看出沿着纱线 长度方向，纱线的直径发生变化，形成竹节纱。因此，每一个竹节纱片段可用下列四个 参数加以描述【5 】：基纱直径d i 、竹节直径如、竹节间距( 基纱长度) ，l 以及竹节长度1 2 。 一般来说，在同一个批次的竹节纱上，基纱直径d 1 是恒定的，竹节纱的变化主要体现在 2 第一章绪论 竹节部分长度、细度的变化以及基纱部分长度的变化。若后面三者的变化呈现周期性， 则生产出来的竹节纱属于规则竹节纱，否则，生产出来的为不规则竹节纱，其外观效果 较前者更为丰富。此外，在图1 1 中我们还可以看出，在竹节纱段范围内还存在着两个 过渡区域，即渐细过渡区域l 与渐粗过渡区域2 ，过渡区域的长短与工艺参数的设定 以及所采用纤维的主体长度等因素有关，它的存在有利于更好地平衡由于纱线粗细变化 引起的竹节纱内部各种不均衡作用。 在实际生产过程中，细纱机前罗拉的输出速度要根据竹节长度、竹节粗度、竹节间 距及原料纤维的长度综合考虑来确定。当竹节长度较长、竹节间距较小、竹节粗度较大 时，应采用较低的输出速度。一般情况，前罗拉的输出速度不超过2 0 0 r m i n 6 1 。另一方 面纱线粗细的变化不是用纱线直径变化来表示，主要采用纱线细度的变化来加以体现， 因此，实际生产过程中的四个参数m 卜，、毗、厶，分别表示基纱部分的细度( 特数) 与长度和竹节部分的细度( 特数) 与长度，其中，定灿v t 2 n t ，为竹节部分的倍率，用来 表示竹节部分相对于基纱部分突出的程度。 竹节纱的工艺参数直接影响到所形成织物的风格。竹节间距以及竹节长度决定了织 物中竹节分布的密度，一般织物中竹节密度选择依据为，当竹节较短时，密度可大些， 竹节较长时，密度可小些。竹节密度过小，体现不出竹节布的风格，反而像是疵布。竹 节密度过大，竹节重叠现象严重，同样影响布面风格。一般竹节布的竹节密度控制在 2 0 0 0 4 0 0 0 0 个m ：，布面效果较为理想【3 】。 竹节的粗细及倍率这个因素也对织物的风格产生影响，当倍率在1 5 2 0 倍时，布面 为朦胧的隐条风格，具有仿麻效果；当倍率在3 0 - - , 6 0 倍时，布面竹节突出、粗犷、醒目； 一般来说，大多数的品种倍率都控制在2 o 3 0 倍，布面呈现竹节颗粒清晰，既有立体感 又不失柔和的一面1 7 j 。 1 2 竹节纱的生产方式 1 2 1 竹节纱的生产原理 目前，竹节纱的生产原理大致可分为4 种，分别为变牵伸型、植入型、纤维型及涂 色型【l 8 】。下面对此逐一进行介绍： 变牵伸型：纺纱原理是瞬时改变机器的牵伸倍数以形成竹节，这是竹节纱生产中常 见的一种生产方法，可采用改造后的环锭细纱机或转杯纺纱机纺制。 植入型：纺纱原理是在前钳口后面瞬时喂入一小段须条而形成竹节。纺纱过程是先 将可纺短纤维纺制成符合一定工艺要求的粗细均匀的须条，在将须条喂入到牵伸装置 中，通过改变牵伸装置的机械牵伸倍数或实际牵伸倍数，从牵伸装置输出的须条上便形 成粗节。 纤维型：利用短纤维的浮游运动性产生条干不均的原理，增加喂入纱条中短纤维的 含量并调整设备的工艺参数以生产粗细节纱，这种生产方法对合理利用精梳短纤维有实 际意义。 江南人学硕上学位论义 涂色型：是利用人的视觉效应，分段对普通纱线印色，产生类似竹节效应的竹节纱。 1 2 2 环锭纺细纱机的主要改造型式 对环锭纺细纱机改造是为了生产竹节纱，即在纱线长度方向表现为纱线的细度交替 变化，存在若干个竹节。主要的改造型式有【8 】：一是由伺服电机控制前罗拉的转速，使 前罗拉的转速发生变化，中、后罗拉恒速，从而形成竹节，见图1 2 ；二是伺服电机控 制中、后罗拉的转速，而前罗拉的速度恒定，产生竹节，见图1 3 ；三是使用两个伺服 电机，一个控制中、后罗拉，另一个控制前罗拉，两组罗拉互相配合形成竹节，见图1 4 。 图l - 2 前罗拉变速结构图 f i g 1 - 2v a r i a b l es p e e df r o n tr o l l e rs t r u c t u r e 带有微处理器的控制器 测速传感器 中、后罗拉 变频调速 图1 - 3 中后罗拉变速结构图 f i g 1 - 3v a r i a b l es p e e dm i d d l ea n da f t e rr o l l e r ss t r u c t u r e 触摸屏 il 网络系统 带有微处理的控制器卜叫伺服电机卜_ 叫中、后罗拉 伺服电机卜_ - 1前罗拉 测速传感器卜_ 1主电机卜_ 1变频调速 伺服电机卜_ 叫钢领板升降 图l _ 4 全数字调速系统结构图 f i g 1 - 4a l ld i g i t a ls p e e dc o n t r o ls y s t e m e 述三种典型改造机型均可实现静态、动态实时任意调节牵伸倍数，从而实现各种 竹节纱的开发与纺制。其中方案一适纺短竹节纱；方案二适纺竹节长度大于纤维长度的 竹节纱；方案三是一个完善系统，可任意设定各主要工艺参数、动静态下的前罗拉与中、 后罗拉的速度，任意设定动态牵伸倍数，纺制各种类型的竹节纱或常规纱。 4 竺一 第一章绪论 1 2 3 实验用竹节纱装置介绍 囤1 - 5z i - 5 型智能竹节纱控制器 f i g1 - 5 z j - 5 t y p e o f s l u by a m i n t e g l i g tc o n t r o ls y s t e m z j - 5 型竹节纱生产装置是江南大学自主研发的全系列智能化数字控制设备，见图 1 - 5 所示。p l c 控制装置控制伺服电机的转速，传递给中、后罗拉的方式生产环锭纺竹 节纱。该设备具备以下几个特点l g 】： ( 1 ) 首次将常用于精密机床等高精度位置控制方式的伺服电机用于竹节纱生产装 置中，使得生产的产品质量得到了大幅度的提高，与电磁离合器类的相比生产效率提高 1 胆以上，机械维护成本很低，真正做到了从输入到控制的全过程的数字控制。 ( 2 ) 自行开发了特殊算法的反馈同步跟踪系统，实践证明是目前最完善的同步系 统。仝数字式系列智能花式纱线生产装置用于环锭纺细纱机中，开关车存在于主机的同 步问题，解决途径：一是选用开发的测速反馈系统在要求高精度的场合必须采用此 附件；= 是采用本系统软件中根据各类机型配置的经验同步跟踪系统，本系统采用精确 同步跟踪附件，能够产生精确竹节，满足高品质纱生产要求；三是选用加载超越离合器， 实现开关车时由超越离合器传动。 ( 3 ) 伺服电机系统加减速优化，根据转杯纺纱机与环锭细纱机的特点，对加减速 系统进行了优化，选用国外频率响应最快的伺服电机作为执行机构，能够达到最优最快 的加减速特性，因而达到了可设置竹节过渡时的形态，满足生产高档竹节纱的需求。 ( 4 ) 特有的自定义循环竹节纱及模糊循环竹节纱的选择是品种设计的另一创新， 它既可以保证竹节长度在指定的范围内，其独特的模糊循环又能确保布面没有规律性条 纹。 z j 一5 型数字式竹节纱生产装置适于生产竹节长度大于2 c m 的竹节纱品种，在p l c 的操作界面下，可以精确地控制所生产的竹节纱的各项参数，并对实际生产过程进行实 时监控。 该装置生产的竹节纱分为模糊循环竹节纱和规则循环竹节纱，对于规则循环竹节 纱，可以设定多组循环方式，最多组合可以有4 0 0 种，满足规则循环竹节纱的生产要求； 模糊循环竹节纱竹节倍率和基纱细度是恒定的，只有竹节长度和基纱长度是可变的，根 据循环方式的不同可分为两种，一种是比例模糊，一种是随机模糊。在所设的理论工艺 参数中，比例模糊竹节纱，根据数种竹节长度和基纱长度参数按一定比例构成片段库， 纺纱时每次从中髓机抽取一种片段形成竹节纱；随机模糊竹节纱竹节长度和基纱长度在 江南人学硕f ：学位论文 一定的范围内是等可能出现的。 1 3 国内、外研究的现状 在国外，大都采用改变机器的牵伸倍数和瞬时喂入一小段须条生产竹节纱 9 - 1 1 】，有 的也采用了气流的方式产生竹节【1 2 】，总部位于瑞士中部的乌斯特技术股份公司，是一家 从事纺织品质量监控系统设备的研发、制造、销售和服务的精益专业公司。在2 0 0 7 年6 月，乌斯特推出u s t e rt e s t e r5 新的测试工具，即花式纱功能。一方面，测试工具 主要利用电容的方法，能够准确判定竹节纱的各种特征，这些正是竹节纱厂与他们客户 进行贸易谈判时所需要的。另一方面，纺纱厂也能根据这些测量结果分析他们的竹节纱， 以此不断地提高和控制机台和机台之间和批与批之间的纱线质量。 国内，计算机图像处理技术和电容式传感器的方法也广泛应用到纱线参数的测量， 成玲等【1 3 】利用图像处理技术对采集的典型普通纱线黑板图像进行数字化处理，针对纱线 黑板中存在毛羽和划痕的特点，通过平滑处理、阈值分割、图像修复的方法，得到一幅 清晰的、无噪声的数字图像，该方法能够准确测量出每根纱线的平均直径。徐伯俊等【1 4 】 开发了竹节纱外观参数识别系统，在w i n d o w sx p 操作系统下，采用v i s u a lc + + 6 0 编程 语言，通过运用自动识别和滤波技术对纱线横截面的粗细变化数据进行采集与预处理， 采用不同的算法对所得数据进一步处理，获得竹节长度、竹节间距、竹节倍数、基纱号 数等竹节纱的外观参数。 1 4 本课题的研究内容和意义 采用电容式传感器采集竹节纱直径变化信号，检测部分容易受到外界条件的干扰， 影响采集纱线直径的准确程度。传统依靠人工方法对竹节纱形态参数进行识别，在很大 程度受到人员主观性的影响，精确度不高【”】，同时耗时费力。随着计算机在图形显示和 图像处理方面的应用，形成了以图像信息的生成、分析和处理为基本研究内容的新兴学 科一计算机图像图形学【1 6 1 ，由于其广泛应用于国民经济建设的多个领域，成为近年来 发展最快的应用学科之一。随着计算机技术的快速发展，图像处理技术在纺织领域的应 用范围同益扩大【1 7 - 2 2 1 ，是将图像模拟信号转换成数字格式，利用计算机进行处理的过程， 其应用于纺织领域始于八十年代初，但它的发展速度相当迅速。进而十年来，计算机图 像技术已波及纺织工业的各个领域，尤其在测试纤维、纱线、织物的表现结构参数上。 按理论工艺参数纺制的竹节纱样品，利用摇黑板机均匀缠绕在黑板上，扫描仪正、 反两面扫描，得到两幅黑白二值图像；采用计算机数字图像处理技术，利用m a t l a b 7 0 软件工具读入二值图像，进行图像旋转、纱线直径信号采集、正、反面图像拼接组成连 续的竹节纱图像。 对于规则循环的竹节纱，主要采用两种方法确定竹节纱一个循环内的外观参数。一 种是：利用规则竹节纱直径变化呈周期性的自相关函数分析，在整周期位置处具有函数 峰值，其它位置有较小的值，提取竹节纱形态参数变化的周期；对若干个周期内的竹节 6 第一章绪论 纱直径变化频数统计分析，确定基纱直径和竹节直径及种类，判断竹节、基纱部分的分 界位置，统计若干个周期相应竹节、基纱部分的长度与细度参数；可由基纱直径的大小 计算基纱细度，依据竹节、基纱细度参数，计算各个周期相应竹节部分的倍率；最后对 长度、细度、倍率进行标准化，获得一个周期内规则竹节纱形态参数的循环规律。 另一种方法是：在采集纱线直径信号与频数统计的基础上，根据基纱直径的大小， 确定竹节、基纱部分的分界位置，因相邻的竹节与基纱构成了竹节纱的片段，统计若干 个周期各片段竹节长度、竹节直径、基纱长度、基纱直径等各项参数的具体数据；依据 各项参数数据，分别对竹节、基纱部分组成成分的分析，判断竹节、基纱的种类；最后 对部分片段参数聚类分析，获得规则循环竹节纱一个循环内的各项参数具体值的变化规 律。 对于不同倍率的规则循环的竹节纱，竹节倍率定义为基纱细度与竹节细度( 特数) 的比值，但是因纱线捻度转移等诸多方面原因，实际生产的竹节纱，由定义计算的实际 倍率与理论倍率相差很大，往往实际值要比理论值大得多。在确定竹节、基纱部分的分 界位置的基础上，统计若干个周期内竹节、基纱部分直径参数并对相应部分平均值化； 根据竹节倍率的定义，计算各段竹节的实际倍率，采用线性回归的分析方法，研究竹节 实际倍率与理论倍率的关系。 对于比例、随机模糊竹节纱，在确定竹节、基纱部分分界位置的基础上，通过统计 各段竹节长度、基纱长度外观参数的具体数据；根据两种模糊竹节纱的纺纱原理，比例 模糊竹节纱根据数种竹节长度和数种基纱长度参数按一定比例构成片段库，纺纱时每次 从中任取一种片段形成竹节纱；随机模糊竹节纱的竹节长度和基纱长度参数在一定的范 围内是等可能出现的。计算比例、随机模糊竹节纱的外观参数及比例模糊竹节纱相同竹 节段、基纱段所占的百分比。 由于计算机的广泛使用和现代先进技术的发展，高度机电一体化和自动化功能在纺 织行业非常受到人们的关注，与此同时，图像分析方法也是一种非常重要的分析方法， 它具有直观、可视化等特点。研究竹节纱外观参数的图像分析方法是非常必要的，对以 后竹节纱外观参数识别软件的开发具有重要意义。 7 江南人学砸 学位论文 第二章竹节纱图像采集及其处理 纱线直径信号的采集大体有两种方法，一种是电容传感器的方法，纱线经电容时， 由于纱线截面积的不同，引起电压模拟信号产生变化，将模拟信号转换成数字信号，进 而采集竹节纱的直径。目前。国内、外普遍采用此种方法；另一种是数字图像处理技术 的方法，利用图像上的信息，并对图像作相应的辅助处理，采集纱线直径信号。本章采 用的是第二种方法，竹节纱图像采集及其处理是为了准确采集纱线的直径变化信号，为 进一步分析与处理提供保证，分辨率的大小直接影响采集纱线直径的准确程度，而竹节 纱直径变化信号体现了竹节纱外观形态的各项参数，需选用合适的分辨率扫描，以确保 采集竹节纱直径的准确性并减小误差。 2 1 竹节纱直径信号采集系统的组成 本课题拟采用数字图像处理技术的方法采集纱线直径变化信号并进行分析。竹节纱 直径信号采集系统主要由三部分构成，分别为y g 3 8 1 型摇黑板机、m i c r o t e k m r s 一4 8 0 0 m 4 8 u 型扫描仪、配有m a t l a b 软件工具的p c 。整个纱线直径变化信号采集 系统简图如图2 - 1 所示： 图2 - 1 纱找直径信号采集系统简囤 f i 9 2 一】y a m d i e m e t e ns i g n a le l u i s i t i o ns y s t e m 2 1 1 箍黑收机 按理论工艺参数纺制的竹节纱样品，利用摇黑板机均匀缠绕在黑板上。实验采用摇 黑板型号为y g 3 8 1 ，密度为7 t e r a ，能够满足实验的要求。7 t ，锄表示每厘米均匀缠绕 7 根纱线。y g 3 8 1 型摇黑板的结构图见图2 - 2 。 困2 - 2 y g 3 8 1 型摇黑板机结构图 f 1 8 2 - 2 y g 3 $ 1t y p e o f y a r a e v m e 勰t e a r 曲- e e , u n - e 里三! 堕璺墨塑墨曼丝翌 2 1 2 扫描仪 均匀缠绕在黑板上的竹节纱，经扫描仪正、反两面扫描，得到两幅黑白二值图像。 实验采用扫描仪型号为m i c r o t e k m r s - 4 8 0 0 m 4 8 u ，扫描分辨率为6 0 0 0 ，表示每英寸 含有6 0 0 0 个像素点，这一分辨率可以保证1 8 5 特棉纱直径在4 0 个像素点左右，使得用 像素点个数表示的纱线直径精度达到3 。此外扫描前通过在黑板上作标记建立正、 反面图像位置的对应关系，为后续正、反面图像的正确拼接提供保证。 2 1 3m a t l a b 软件工具 m a t l a b 软件工具是数字信号处理技术实现的重要手段，是m a t h w o r d s 公司于1 9 8 2 年推出的一种功能强大、效率高、交互性好的数值计算和可视化计算机高级语言，它将 数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示有机地融合在一体，形成了一个极其方便、 用户界面友好的操作环境。随着其自身版本的不断提高，m a t l a b 的功能越来越强大， 应用范围也越来越广，如广泛应用于数字信号处理、数字图像处理、仿真、自动控制、 小波分析、神经网络等领域【”- 2 4 。 本课题以m a t l a b 70 软件工具为基础，使用c 语言部分编程，生成扩展名为1 1 1 的 文件，运行i 1 1 文件完成读取图像旋转图像、采集纱线直径信号、拼接纱线组成完整、 连续的竹节纱图像，为后续竹节纱形态参数的分析，确定竹节纱的各项参数打下了基础。 2 2 纱线直径信号的采集 样品经摇黑板时，纱线与黑板存在一定的倾斜角度如图2 - 3 ( a ) 所示，该角度与纱 线缠绕密度有关。为了能够准确采集纱线直径变化信号，需对图像作相应的旋转，确定 旋转角度是至关重要的。方法是以舻为起点，0 0 5 。为步长循环，计算各特定角度时纵 轴上白色像素点的个数，当像素个数为晟大时表明纱线轴线与纵轴平行，所对应的角度 就是要找的图像旋转角度【2 5 l ，旋转后的图像见图2 - 3 ( b ) 所示。经过图像读取、图像旋 转、纱线直径信号采集，分别得到存放正、反图像纱线直径变化数据的两个二维数组， 每个数组的一个纵列代表一段竹节纱直径变化信号。 ( a ) 旋转前的图像( b ) 旋转后的田像 围2 - 3 竹节抄黑板图像旋转前后的对比 f i g 2 - 4 c m 呻耐咖o f d u b y a m b l a c k b o a r d i m a g e h 妇e a n d a f a f m t a t l o n ( a ) i i l t g e b c f o r cr o t a t i o n ；蚴i m a g e a r c t r o t a t i o n 江南大学硕i ：学位论文 2 3 黑板正反面图像的拼接 为了将竹节纱黑板正、反面图像各段纱线进行快速、准确地拼接，扫描前通过在黑 板上作标记建立正、反面图像位置的对应关系，这样很容易找到相拼接的各段纱线，组 成完整、连续的竹节纱图像。 2 4 几种典型竹节纱直径信号波形图 纺制的竹节纱样品经摇黑板机、扫描仪扫描、图像读取、图像旋转、纱线直径信号 采集、纱线拼接得到几种典型竹节纱直径变化信号的波形图，当然后面四个步骤都是在 m a t l a b 7 0 软件工具中进行的。具体波形图如下：图2 4 为非模糊规则周期性循环竹节 纱直径信号波形图；图2 5 为不同倍率规则周期性循环竹节纱直径信号波形图；图2 6 为比例模糊循环竹节纱直径信号波形图；图2 7 为随机模糊循环竹节纱直径信号波形图。 从图2 4 与图2 5 可知，规则循环竹节纱是有规律可寻的，具有明显的周期性，存在固 定的周期，其中不同倍率规则循环竹节纱不同的竹节倍率对应粗细不同的竹节；由图2 6 与图2 7 可知，比例模糊、随机模糊方式循环的竹节纱从表面上是没有规律可寻的，需 进一步寻找合适的分析方法数据处理与分析，进而求出比例、随机模糊竹节纱的外观参 数。 鬈 嚣 翼 图2 - 4 周期性循环竹节纱直径信号波形图 f