孟超群，孫 銓，楊崇倡，甘學(xué)輝

(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院紡織裝備教育部工程研究中心，上海201620)

異形噴絲帽微孔的全自動檢測儀的技術(shù)控制

孟超群，孫 銓，楊崇倡，甘學(xué)輝

(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院紡織裝備教育部工程研究中心，上海201620)

運(yùn)用機(jī)器視覺技術(shù)開發(fā)了一種可連續(xù)對6塊異形噴絲帽微孔進(jìn)行檢測的全自動檢測儀。提出了一種適用噴絲帽的三點弧面對焦方法和全自動掃描算法，相應(yīng)解決了鏡頭在換圈時的對焦問題和不同噴絲帽微孔分布的自動走位問題。該檢測儀能夠?qū)崿F(xiàn)對異形噴絲帽微孔的高精度、自動化檢測，同時提高了檢測效率。檢測精度小于1 μm，檢測速率為2 s/孔，可以連續(xù)監(jiān)控噴絲孔的使用情況并及時查出運(yùn)行故障。

噴絲帽 微孔 機(jī)器視覺 自動對焦 自動掃描 全自動檢測儀

噴絲板是化學(xué)纖維紡絲機(jī)上的精密機(jī)件，其形狀一般為帽子形、圓板形或瓦楞形，面上有許多大小一致的孔眼。濕法紡絲中的噴絲板主要為帽子形，所以又稱為噴絲帽。噴絲帽微孔的孔徑很小，一般為 0.05 ～0.10 mm［1］，精度很高，是影響紡絲質(zhì)量的關(guān)鍵機(jī)件，噴絲帽微孔在加工過程中出現(xiàn)畸形或使用過程中產(chǎn)生堵塞，都會引起纖維線密度不均。目前，對噴絲帽微孔的檢測主要是人工借助顯微鏡觀察來實現(xiàn)的，這種方式勞動強(qiáng)度大，對人眼損傷比較嚴(yán)重，而且檢查產(chǎn)品的質(zhì)量效率低且精度不高，容易造成漏檢。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，用機(jī)器來代替手工操作已成為一種必然趨勢，作者通過運(yùn)用機(jī)器視覺技術(shù)開發(fā)了一種對噴絲頭微孔的自動檢測方法已進(jìn)行過報道［2］。本文主要對異形噴絲帽微孔可連續(xù)實現(xiàn)全自動檢測的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系列介紹。該檢測儀主要由工業(yè)計算機(jī)、運(yùn)動控制系統(tǒng)及圖像采集系統(tǒng)組成，可實現(xiàn)對三角微孔、十字微孔和三葉微孔等異形噴絲帽的全自動化檢測。

1 異形噴絲帽自動檢測過程

1.1 異形微孔參數(shù)計算

異形噴絲帽微孔的形狀各異，為了實現(xiàn)對其參數(shù)的計算與分析則需要進(jìn)行圖像處理。作者應(yīng)用Labview中Imaq vision模塊對微孔圖像進(jìn)行處理及計算。Imaq Vision是Labview內(nèi)置的視覺開發(fā)工具包，其中包括Imaq Vision和Vision Builder兩個組件。Imaq Vision提供了在Labview平臺上開發(fā)機(jī)器視覺系統(tǒng)所需要的各種子程序，例如圖像采集、系統(tǒng)校準(zhǔn)、圖像處理、幾何測量等。

具體實現(xiàn)方式為:利用自動糾偏算法［3］將微孔糾至視野正中心，通過對圖像進(jìn)行中值濾波等預(yù)處理去除系統(tǒng)的噪聲、干擾;通過圖像中目標(biāo)像素點利用最小二乘法擬和得兩條直線，分別為:

式中:k1，k2為擬合直線的斜率。

圖1中夾角(θ)兩邊的直線即為擬合的直線，θ根據(jù)公式(3)計算。

圖1 三角微孔夾角計算過程圖像Fig.1 Image of triangle micro-hole angle calculation process

1.2 噴絲帽微孔的自動對焦

噴絲帽形狀特征:(1)底部呈球面狀，各微孔的位置從外圈到內(nèi)圈呈現(xiàn)由低到高的分布趨勢;(2)在使用過程中由于操作不當(dāng)?shù)仍?，一部分微孔會因堵塞而使噴絲頭底部出現(xiàn)超壓現(xiàn)象，引起噴絲頭底部變形拱凸。因此，微孔在不同圈數(shù)的焦距會存在差異，在文獻(xiàn)［4］中已有提及。通過消化和吸收，作者提出一種新的適合異形噴絲帽的自動對焦方法——三點弧面對焦方法。從圖2可看出，A，C兩點分別為最外圈上的兩點，B點為噴絲帽的中心，要求A，C兩點連接的直線經(jīng)過噴絲帽的中心點B，分別對這三點實施對焦。對焦方法為:鏡頭先以一個較大的步長(本實驗每步取0.15 mm)，電機(jī)每走一步都記錄當(dāng)前對焦評價函數(shù)值及鏡頭當(dāng)前位置，這樣當(dāng)電機(jī)走完全程時就可得到對焦評價函數(shù)的最大值及鏡頭的位置;然后驅(qū)動電機(jī)走到對焦評價函數(shù)最大值時鏡頭的位置，再以此位置為基點向上走半個全程，以此為起點，以一個較小的步長(本實驗取0.03 mm)第二次走完全程，同時記下每一步的對焦評價函數(shù)值及鏡頭當(dāng)前的位置，最后驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動至對焦評價函數(shù)最大值時對應(yīng)的鏡頭的位置，實現(xiàn)單個微孔的自動對焦。在完成對三孔對焦之后，應(yīng)用數(shù)學(xué)計算即可求得在其他弧面上的焦距。

圖2 三點對焦位置示意Fig.2 Focus location map of three points in the spinneret

1.3 噴絲帽微孔坐標(biāo)的自動掃描

在對異形噴絲帽進(jìn)行自動檢測之前應(yīng)確定微孔在檢測系統(tǒng)中的坐標(biāo)，為了實現(xiàn)全自動檢測，作者提出了一種通過對異形噴絲帽進(jìn)行掃描的方法來獲取噴絲帽微孔的坐標(biāo)，解決了噴絲帽的自動定位問題。具體實現(xiàn)方式為:在掃描開始前應(yīng)用三點弧面對焦對噴絲帽上的確定的三點進(jìn)行對焦，可計算出在圓周上每圈的焦距，見圖3。掃描起點以最外圈邊上開始，按照圖示第一圈的軌跡掃描噴絲帽，待第一圈掃完后將鏡頭移動至第二圈進(jìn)行掃描，直至鏡頭掃描完整噴絲帽結(jié)束。

圖3 掃描軌跡Fig.3 Scanning path

以醋酸纖維用噴絲帽為例進(jìn)行說明。掃描時鏡頭的放大倍數(shù)應(yīng)盡量小，鏡頭的視野則比較大，在實驗中鏡頭目鏡調(diào)至0.75倍，物鏡為2倍，加上CCD相機(jī)的放大倍數(shù)2倍，總體的放大倍數(shù)為3倍。CCD相機(jī)的靶面尺寸為6.5 mm×4.85 mm，視野范圍為 4.33 mm ×3.23 mm。考慮到微孔出現(xiàn)在視野的邊緣對掃描精度的影響，這里設(shè)定掃描在水平和垂直方向上都重疊20%，這樣鏡頭在垂直方向上每圈移動的步數(shù)為3.4 mm，換圈時在水平方向上移動的步數(shù)為2.6 mm。噴絲帽最外圈的直徑為93 mm，最內(nèi)圈的直徑為24 mm，因此機(jī)器掃描22圈即可完成整塊板的掃描。

2 噴絲帽的檢測方法

所檢測的噴絲帽如圖4所示［2］。噴絲帽的主要參數(shù)為:H1為14 mm;H2為12.5 mm;D1為100 mm;D2為85 mm。三角形微孔的參數(shù):L1為0.052 mm;L2為 0.162 mm。

圖4 噴絲帽示意Fig.4 Schematic diagram of spinneret

三角微孔的分布見表1所示。

表1 微孔的分布Tab.1 Distribution of micro-hole

噴絲帽檢測的具體過程:CCD在 X，Y，Z，W四軸電機(jī)的驅(qū)動下走位到第一塊板設(shè)定的3個坐標(biāo)位置，進(jìn)行自動對焦，對焦完成后機(jī)器X，Y軸運(yùn)動至最外圈指定第一個微孔所在的位置同時機(jī)器Z軸運(yùn)動至對應(yīng)的焦距位置，然后CCD將采集到的微孔圖像傳輸?shù)綀D像采集卡，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后通過圖像處理技術(shù)自動測量微孔的幾何參數(shù)，并判斷微孔的合格性，同時記錄微孔坐標(biāo)。一個孔檢測完畢后，在XY軸電機(jī)的驅(qū)動下走位到下一孔進(jìn)行檢測，待第一圈孔檢測結(jié)束后，CCD在X軸電機(jī)的驅(qū)動下執(zhí)行換圈動作進(jìn)行對下一圈孔的檢測，待該板上所有圈上的微孔檢測完成后，轉(zhuǎn)盤在W電機(jī)的帶動下旋轉(zhuǎn)60°對下一塊噴絲帽進(jìn)行檢測，待機(jī)器上的所有噴絲帽檢測完成時機(jī)器停止。本檢測系統(tǒng)的檢測精度在1 μm內(nèi)，檢測速率為2 s/孔，具有較高的檢測精度、檢測效率，能夠輸出數(shù)據(jù)記錄，可以連續(xù)監(jiān)控噴絲孔的使用情況并及時地查出運(yùn)行故障。噴絲帽微孔全自動檢測示意圖如圖5所示［2］。

圖5 噴絲帽微孔全自動檢測示意Fig.5 Schematic diagram of spinneret micro-hole automatic detection

3 結(jié)論

a.將機(jī)器視覺應(yīng)用到噴絲帽檢測中，運(yùn)用自動對焦技術(shù)提出了三點圓弧對焦解決了噴絲帽底部拱凸時的自動對焦問題;運(yùn)用圖像處理技術(shù)解決了三角噴絲帽的尺寸問題;提出全自動掃描算法解決了噴絲帽檢測過程中的自動走位問題。

b.噴絲帽微孔檢測儀具有高度重復(fù)的準(zhǔn)確性。檢測精度小于1 μm，檢測速率2 s/孔，可連續(xù)監(jiān)控噴絲孔的使用情況并及時查出運(yùn)行故障。

［1］羅吉六.煙用二醋酸纖維絲束新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)解讀［J］.煙草科技，2003(9):31.

［2］馮培，劉家強(qiáng)，裘大洪，等.基于視覺系統(tǒng)對噴絲頭微孔的自動檢測［J］.合成纖維工業(yè)，2012，35(1):64 －66.

［3］尹平平，楊崇倡，張鵬，等.噴絲板自動檢測中基于機(jī)器視覺的自動糾偏［J］.東華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007，33(1):118－120.

［4］李春雷，崔斌，吳興寬，等.基于機(jī)器視覺的噴絲頭自動化檢測方法［J］.紡織學(xué)報，2010，31(11):126 －130.

Automatic detection technology of profiled spinneret micro-hole

Meng Chaoqun，Sun Quan，Yang Chongchang，Gan Xuehui
(Engineering Research Center of Advanced Textile Machinery of Ministry of Education，College of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai 201620)

An automatic detection instrument was developed for continuously detecting six pieces of profiled spinneret microholes by machine vision technique.A three-point globoidal focusing method and an automatic scanning calculation were proposed for spinneret，which solved the focusing problem of lens while changing aperture and the automatic moving problem of spinneret micro-holes with different arrangement.The instrument realized the high-precision automatic detection for profiled spinneret micro-holes，aiming at continuously inspecting the operation performance and checking the operation failure with the detection precision below 1 μm and speed of 2 s/hole.

spinneret;micro-hole;machine vision;automatic focusing;automatic scanning;automatic detection instrument

TQ34.642

A

1001-0041(2012)03-0052-03

2011-07-20;修改稿收到日期:2012-03-20。

孟超群(1987—)，碩士研究生，主要從事化纖機(jī)械設(shè)計及其理論研究。E-mail:ycc@dhu.edu.cn。

上海市教育委員會科研創(chuàng)新重點項目(12ZZ066)。