王吉岱，張東岳，孫愛(ài)芹

（山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島266510）

圓網(wǎng)印花機(jī)的錯(cuò)花調(diào)節(jié)精度是影響印花質(zhì)量的關(guān)鍵因素。實(shí)際中，圓網(wǎng)印花機(jī)受到機(jī)械部件的磨損、松動(dòng)以及織物的變形等影響，導(dǎo)致織物印花過(guò)程不可避免地產(chǎn)生“錯(cuò)花”現(xiàn)象［1］。傳統(tǒng)的對(duì)花系統(tǒng)采用人工目測(cè)的方式進(jìn)行錯(cuò)花調(diào)節(jié)，人工調(diào)節(jié)方式大大增加了產(chǎn)品的殘次率［2］。本文介紹了一種基于圖像動(dòng)態(tài)采集的印染錯(cuò)花跟蹤調(diào)速技術(shù)及系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。

為解決傳統(tǒng)圓網(wǎng)印花機(jī)印花單元運(yùn)行控制存在的問(wèn)題，圓網(wǎng)印花機(jī)上的對(duì)花操作采用的檢測(cè)手段主要是基于色標(biāo)的檢測(cè)方法，具體是在圓網(wǎng)上或步進(jìn)電機(jī)上設(shè)置零位檢測(cè)標(biāo)記，然后用光電的方法檢測(cè)標(biāo)記之間的距離或用圖像的方法檢測(cè)圓網(wǎng)留在布上的標(biāo)記是否發(fā)生偏動(dòng)來(lái)達(dá)到自動(dòng)對(duì)花的目的。荷蘭Stork公司采用環(huán)型電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)圓網(wǎng)，依靠電機(jī)內(nèi)的脈沖發(fā)生器和電極測(cè)量器的結(jié)合，可以非常精確地控制轉(zhuǎn)速和矯正圓網(wǎng)的角度位置，同時(shí)導(dǎo)帶與機(jī)頭通過(guò)電子控制實(shí)現(xiàn)精確聯(lián)動(dòng)。但由于維護(hù)困難，其市場(chǎng)占有率不高［3］。

本文介紹的控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式，在線監(jiān)測(cè)對(duì)花效果，反饋對(duì)花誤差并進(jìn)行二次錯(cuò)花補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了對(duì)花的智能控制。

1 錯(cuò)花在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

圓網(wǎng)印花機(jī)錯(cuò)花在線跟蹤調(diào)速系統(tǒng)由上位機(jī)操作界面、圖像采集及處理環(huán)節(jié)、主控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)4部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

上位機(jī)操作界面：由觸摸屏和圖像顯示器組成。觸摸屏與PLC進(jìn)行RS－485通訊連接，通過(guò)觸摸屏可監(jiān)視系統(tǒng)在線運(yùn)行狀態(tài)、初始化系統(tǒng)軟件，調(diào)整PLC中各種控制參數(shù)，同時(shí)能進(jìn)行人工在線調(diào)速。

圖1 圓網(wǎng)印花在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖Fig.1 System schematic diagram of on－line inspecting system about rotary screen printing

圖像采集及處理環(huán)節(jié)：該部分由光學(xué)攝像頭、CCD面陣相機(jī)、圖像處理器組成。CCD相機(jī)通過(guò)光學(xué)攝像頭動(dòng)態(tài)采集花回標(biāo)記，并將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳給圖像處理器，圖像處理器采用DSP控制芯片，滿足高容量像素圖像、顏色處理以及執(zhí)行復(fù)雜數(shù)字運(yùn)算的高級(jí)算法的處理需求。

主控制器：本系統(tǒng)主控制器采用日本基恩士高速PLC，采用DSP雙核控制芯片，單步掃描輸出時(shí)間低于0.2μs。該型PLC支持C語(yǔ)言編程，便于系統(tǒng)對(duì)誤差算法進(jìn)行處理。同時(shí)，具備4軸同步控制功能，可以實(shí)現(xiàn)多軸印花滾筒的同步控制。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)：采用臺(tái)達(dá)交流無(wú)刷伺服電機(jī)，提高了系統(tǒng)對(duì)花調(diào)節(jié)執(zhí)行能力。

2 對(duì)花調(diào)速技術(shù)的工作原理

2.1 系統(tǒng)布局

織物蠟染過(guò)程中，各個(gè)花回分別在對(duì)應(yīng)布邊作蠟染花回標(biāo)記，本系統(tǒng)便是利用蠟染花回標(biāo)記檢測(cè)法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)花精度的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與調(diào)整。采用旋轉(zhuǎn)編碼器同步測(cè)量織物行進(jìn)速度，利用輸出脈沖觸發(fā)兩路圖像傳感器動(dòng)態(tài)采集花回標(biāo)記圖像。系統(tǒng)布局如圖2所示：1號(hào)傳感器用于花回誤差檢測(cè)，安裝在印花滾筒右側(cè)未印染區(qū)域，距離滾筒中心軸H1（H1＜一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)花回長(zhǎng)度）；2號(hào)傳感器用于對(duì)花效果的反饋，安裝于印染區(qū)域，距離印花滾筒中心軸H2（H2＜一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)花回長(zhǎng)度）。

圖2 CCD圖像采集布局簡(jiǎn)圖Fig.2 Layout diagram of CCD image acquisition

2.2 圖像采集與誤差輸出

首先進(jìn)行圖像注冊(cè)，通過(guò)顏色抽取，獲得對(duì)照度較大的搜索圖案（如圖3所示，搜索圖案為蠟染花回標(biāo)記），然后CCD相機(jī)隨著印染織物的行進(jìn)，在線采集織物邊緣的花回標(biāo)記圖案（如圖4所示），并傳輸給圖像處理器，圖像處理器根據(jù)像素分布、形狀、亮度和顏色等信息，對(duì)圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)，邊緣銳化，降噪，特征提取，幾何定位等處理，以實(shí)現(xiàn)花回標(biāo)記的提取和位置比對(duì)，實(shí)時(shí)獲取花回偏差（如圖5所示）。

圖3 圖像注冊(cè)Fig.3 Image register

圖4 圖像采集Fig.4 Image acquisition

圖5 圖像處理Fig.5 Image processing

檢測(cè)位置（x0，y0），設(shè)定圖像搜索范圍｛（0，0），（x1，y1）｝。織物沿x軸方向運(yùn)動(dòng)，因此x1值需滿足下式，y1值只需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定即可：

式中：l為旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)速軸周長(zhǎng)；k為圖像采集觸發(fā)間隔脈沖數(shù)；n為像素尺寸比系數(shù)；m為編碼器旋轉(zhuǎn)1周的脈沖數(shù)。

設(shè)定圖像x軸方向測(cè)量誤差Δx，y軸方向測(cè)量誤差Δy，以及角度測(cè)量誤差Δw，結(jié)合圓網(wǎng)印花工作過(guò)程，對(duì)采集圖像的x軸、y軸以及角度誤差進(jìn)行分析，確定花回標(biāo)記圖像輸出誤差Δ為

2.3 花回偏差算法的研究

花回偏差Q計(jì)算公式：

式中：L為花回實(shí)際長(zhǎng)度；S為花回標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度；Δa為花回前端圖像誤差值；Δb為花回后端圖像誤差值；N為旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖輸出個(gè)數(shù)；ΔL為編碼器測(cè)速軸單位脈沖對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)。

圖6為偏差計(jì)算原理圖。

根據(jù)圖6所示，舉例第1花回偏差和第2花回偏差的計(jì)算方法如下。

第1花回中，Δa＝Δ1，Δb＝－Δ2，根據(jù)式（3）得：Q1＝（Δ1＋Δ2＋N12ΔL）－S。

圖6 偏差計(jì)算原理圖Fig.6 Counting principle diagram of deviation

第2花回中，Δa＝－Δ2，Δb＝Δ3，根據(jù)式（3）得：Q2＝（－Δ2－Δ3＋N23ΔL）－S。

依此類推?？刂破鱌LC依據(jù)各個(gè)花回的偏差值Q，輸出對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，調(diào)節(jié)印花滾筒速度，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)花糾偏。

2.4 對(duì)花誤差反饋與二次調(diào)節(jié)

圖像傳感器檢測(cè)織物經(jīng)過(guò)印染后（錯(cuò)花糾偏已經(jīng)完成）的花回標(biāo)記位置，獲取花回標(biāo)記與印花滾筒軸的相對(duì)距離，與注冊(cè)圖像中心點(diǎn)到印花滾筒軸的長(zhǎng)度H進(jìn)行比較，獲得誤差值P，控制器根據(jù)獲得的P值進(jìn)行花回錯(cuò)花的二次補(bǔ)償調(diào)節(jié)。計(jì)算方法如下式：

式中：Δ′為印染后的花回標(biāo)記圖像誤差值；N為旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖輸出個(gè)數(shù)；ΔL為編碼器測(cè)速軸單位脈沖對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)；H為2號(hào)圖像傳感器安裝位置到印花滾筒軸的距離。

3 系統(tǒng)誤差范圍及技術(shù)特點(diǎn)

3.1 花回測(cè)量誤差統(tǒng)計(jì)分析

為校驗(yàn)該系統(tǒng)的檢測(cè)精度和適用速度范圍，在織物不同運(yùn)行速度下，對(duì)花回測(cè)量誤差（花回測(cè)量值與實(shí)際長(zhǎng)度的差值）在線跟蹤記錄，獲得圖7所示的誤差曲線。可以發(fā)現(xiàn)，在印染速度小于60 m／min時(shí)，誤差曲線趨勢(shì)平穩(wěn)、波動(dòng)較小，花回測(cè)量誤差范圍小于±0.50mm，當(dāng)印染速度到達(dá)80 m／min時(shí)，誤差曲線波動(dòng)較大，花回測(cè)量誤差為±0.85mm。由此，本系統(tǒng)的最佳印染速度小于60m／min，花回測(cè)量精度可達(dá)±0.5mm。

圖7 不同速度下測(cè)量誤差曲線Fig.7 Measurement error curves of different speeds

3.2 圓網(wǎng)印花在線調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

1）該系統(tǒng)具備傳統(tǒng)的加、減速手動(dòng)調(diào)節(jié)功能?？梢詫?shí)現(xiàn)自動(dòng)過(guò)程中，對(duì)印花滾筒的人工加、減速調(diào)節(jié)。

2）具有花回大偏差分段處理能力。當(dāng)實(shí)際花回長(zhǎng)度偏差Q大于系統(tǒng)標(biāo)定偏差范圍（暫標(biāo)定±10mm）時(shí)，系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前花回的偏差補(bǔ)償值最大為10mm，剩余偏差 （Q－10）mm則放入后面的若干花回進(jìn)行補(bǔ)償處理。

3）解決了同一花回標(biāo)記圖像重復(fù)采集的問(wèn)題。當(dāng)出現(xiàn)某一花回標(biāo)記重復(fù)采集時(shí)，PLC僅對(duì)首個(gè)該花回標(biāo)記誤差信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算。通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，PLC獲取該標(biāo)記任意一個(gè)誤差信號(hào)，經(jīng)式（3）運(yùn)算，其花回長(zhǎng)度偏差與計(jì)算結(jié)果一致。

4）消除花回標(biāo)記出現(xiàn)遺漏采集的問(wèn)題?？刂破魍ㄟ^(guò)花回測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)系，尋找實(shí)際測(cè)量值對(duì)應(yīng)圖像采集花回?cái)?shù)，再進(jìn)行誤差處理及脈沖轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)在不改變?cè)性O(shè)備的基礎(chǔ)上，不僅保留了傳統(tǒng)的人工調(diào)速功能，而且實(shí)現(xiàn)了全程動(dòng)態(tài)在線對(duì)花的自動(dòng)化控制。采用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)、全閉環(huán)控制方式，提高了對(duì)花調(diào)速的精度和穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，錯(cuò)花檢測(cè)精度為±0.5mm，在線對(duì)花精度為±0.8mm，最高運(yùn)行速度為60 m／min。該系統(tǒng)的運(yùn)用，不僅減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且顯著提高了印染產(chǎn)品的合格率，同時(shí)為印染設(shè)備的研究人員提供了一個(gè)實(shí)用的技術(shù)路線。

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