陳 振,梅順齊,李 臻

(武漢紡織大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院,湖北武漢430073)

基于MATLAB圖像處理技術(shù)的紗線氣圈張力測量方法研究

陳 振,梅順齊,李 臻

(武漢紡織大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院,湖北武漢430073)

在紗線張力直接式測量過程中,紗線與檢測元件之間的長期摩擦?xí)y量元件上的傳感器帶來損傷,同時(shí)也會對紗線運(yùn)行狀態(tài)存在微小改變,從而無法真實(shí)反應(yīng)紗線的動態(tài)張力和形態(tài)。針對該情況提出了基于圖像處理技術(shù)的紗線氣圈張力測量方法,能夠有效克服接觸式測量過程中的弊端,利用MATLAB軟件編程計(jì)算得到紗線張力計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)氣圈最大半徑r和氣圈頂角α0,成功求解紗線氣圈張力。

圖像處理;MATLAB;紗線氣圈張力

0 引言

細(xì)紗工藝在環(huán)錠紡生產(chǎn)技術(shù)中占主導(dǎo)地位,它主要是將粗紗紡制成符合一定細(xì)度和質(zhì)量要求的細(xì)紗,以供后續(xù)使用。該工序主要有3個(gè)工藝步驟[1]:(1)牽伸——將粗紗均勻拉長拉細(xì)到符合成紗要求的粗細(xì); (2)加捻——使紗線具有一定的捻度、強(qiáng)度和機(jī)械性能;(3)卷繞成形——將紡成的細(xì)紗卷繞在筒管上,方便后續(xù)使用、加工、運(yùn)輸。在細(xì)紗成紗過程中出現(xiàn)紗線斷頭會嚴(yán)重地影響成紗質(zhì)量,究其原因主要有[2]:配棉原料質(zhì)量的影響;張力大小超過了單紗張力,以及隨著錠子速度增加,轉(zhuǎn)置增大導(dǎo)致張力控制不均勻出現(xiàn)的斷頭;工人不能掌控運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律和操作水平不高所致。因此,控制張力并將其穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi),是確保成紗質(zhì)量的關(guān)鍵因素,張力過大不僅會增加錠子能耗,還會出現(xiàn)大量斷頭;張力過小,紗線捻度、強(qiáng)度和轉(zhuǎn)置密度無法滿足工藝要求。本文采用基于MATLAB圖像處理技術(shù)的紗線氣圈張力測量方法研究紗線張力,能夠有效克服傳統(tǒng)接觸式測量的弊端,解決求解紗線張力關(guān)鍵參數(shù)的難題。

1 環(huán)錠紡紗線力學(xué)方程

1.1 環(huán)錠紡

環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)的特點(diǎn)是紡紗的加捻和卷繞兩工序同時(shí)進(jìn)行。如圖1所示,環(huán)錠紡紡紗過程可以分為3個(gè)區(qū)域,前羅拉與紗線導(dǎo)鉤間為第一區(qū)域;導(dǎo)鉤到鋼絲圈之間為第二區(qū)域,此區(qū)域的紗線做高速回轉(zhuǎn)運(yùn)動,形成紗線的主動態(tài)氣圈;鋼絲圈輸出點(diǎn)到錠子上紗線繞入點(diǎn)之間的紗線定義為第三區(qū)域[3]。

圖1 環(huán)錠紡過程圖

1.2 氣圈力學(xué)基本方程

細(xì)紗機(jī)上導(dǎo)紗鉤與鋼絲圈之間紗線,即圖2環(huán)錠紡過程中第二區(qū)域主氣圈,以角速度ω繞錠子軸高速回轉(zhuǎn),紡紗形態(tài)是一種空間曲線,同時(shí)又以速度v從導(dǎo)紗鉤向鋼絲圈移動和輸出[4]。

取導(dǎo)紗鉤孔的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O,回轉(zhuǎn)軸為Z軸,作坐標(biāo)系OXYZ。假定:角速度ω=常數(shù);紗線不可拉伸,設(shè)A為紗線氣圈上一質(zhì)點(diǎn),在OXYZ坐標(biāo)系里面對應(yīng)坐標(biāo)分別為x(s),y(s),z(s),令紗線曲線弧長為s;設(shè)OX,OY,OZ的方向基向量分別為,則點(diǎn)A的向量表示如下[4]:

A點(diǎn)的單位切向量是:

圖2 作用在紗線微元段ds上的力

或

當(dāng)Δs→0,則有:

取它的軸向分量形式得到:

式中:

眾所周知,從微觀角度上講,紗線曲線是由若干個(gè)微元段Δs連續(xù)而成,因此紗曲線上任意一微元段Δs質(zhì)點(diǎn)的力學(xué)平衡方程式都可以表示成為公式(7),那么公式(7)是紗曲線力學(xué)基本方程。

1.3 導(dǎo)紗鉤張力Ts

令導(dǎo)紗鉤至前羅拉靠近導(dǎo)紗鉤處紗線的張力為Ts,導(dǎo)紗鉤張力為T0,結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示,根據(jù)歐拉公式得到Ts與T0的關(guān)系有:

圖3 導(dǎo)紗鉤紗線張力示意圖

式中:μ—— 導(dǎo)紗鉤表面與紗線之間的摩擦因數(shù); θ——導(dǎo)紗鉤表面與紗線間的包角。

在環(huán)錠紡中,導(dǎo)紗鉤表面與紗線之間的摩擦因數(shù)μ的取值范圍,可以根據(jù)紗線粗細(xì)、成分、濕度速度V的不同,在0.25～0.45之間取值。

其中紗線張力T0與形態(tài)集合參數(shù)氣圈最大半徑rm、氣圈高度h、氣圈頂角α0的關(guān)系如下式:

當(dāng)取導(dǎo)紗鉤與紗線接觸點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O時(shí),氣圈紗線在導(dǎo)紗鉤處的張力T0可以簡化為:

式中:t——紗線的細(xì)度(kg/m);ω——錠子角速度(rad/s);β——空氣阻力等因素的影響系數(shù)。

1.4 氣圈上紗線質(zhì)點(diǎn)的力學(xué)平衡方程

將各力的軸向分量分別代入式(7)的Fx、Fy、Fz中,運(yùn)算可得式(11)所示方程,即為氣圈紗線上每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的力學(xué)平衡方程式:

氣圈力學(xué)平衡方程的解析解答難以求解,但是可以得到近似解答。比如略去紗線的自重,再以乘以式(11)第1個(gè)式子,乘以式(11)中第2個(gè)式子,乘以式(11)中第3個(gè)式子,然后相加,則得到:

力T0是x=y=0處(即導(dǎo)紗鉤處)的紗線張力值。因?yàn)閞2=x2+y2,故得點(diǎn)A處紗線張力為:

由式(12)我們不難發(fā)現(xiàn),求解紗線張力,關(guān)鍵在于求解T0,而T0的關(guān)鍵轉(zhuǎn)化為氣圈最大半徑rm、氣圈頂角α0,因此求解紗線張力及求解氣圈最大半徑rm、氣圈頂角α0。

2 紗線氣圈圖像處理及張力

2.1 氣圈圖像

基于圖像處理技術(shù)的紗線氣圈張力求解方法研究中,圖像處理是關(guān)鍵。由上述可知,要求解紗線張力,我們只需在MATLAB中計(jì)算運(yùn)行得到氣圈最大半徑rm、氣圈頂角α0,就可成功解得紗線張力。

首先,我們在MATLAB軟件中定義工作文件夾,將拍攝到的紗線氣圈圖像放入工作文件夾,命名為“qiquan.jpg”。分別利用“imread”和“rgb2gray”命令讀入圖像,并將圖像轉(zhuǎn)換為二值化灰度圖像,然后采用canny算法,閾值上限值為0.05,閾值下限值為0.02,提取氣圈圖像邊緣,最后分割出氣圈目標(biāo)區(qū)域,修復(fù)去掉干擾邊緣,分別得到目標(biāo)區(qū)域邊緣特征圖像如圖4、圖5。

2.2 氣圈最大半徑rm

針對求解氣圈最大半徑rm,先通過求解最大直徑d,再間接求半徑的方法,同時(shí)在MATLAB中采用了兩種算法求解最大直徑:第1種是通過直接掃描的方式得到最大直徑,MATLAB運(yùn)行結(jié)果中用d表示;第2種是分別擬合氣圈左右特征,然后尋找他們之間距離最大值,在MATLAB運(yùn)行結(jié)果用d 1表示。d和d 1求解結(jié)果如圖6和圖7所示。

由上述我們不難計(jì)算得出,r=d/2=55.5 mm, r 1=(d 1)/2=50.076 mm,兩種方法算得結(jié)果相差甚微,均在允許誤差范圍內(nèi)。

圖4 目標(biāo)區(qū)域

圖5 修復(fù)后目標(biāo)區(qū)域

圖6 最大直徑d值

圖7 最大直徑d 1值

2.3 氣圈頂角α0

為求紗線氣圈頂角α0,方法是在氣圈頂端對左右特征曲線二階擬合(即插值法擬合曲線的切線)得到p 1和p 2,然后求得擬合值線斜率,計(jì)算得到氣圈頂角,在MATLAB中運(yùn)算均用angle代替氣圈頂角α0。在MATLAB中的運(yùn)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 氣圈頂角α0值

2.4 紗線張力

在MATLAB中求解得到氣圈最大半徑分別為:r= 55.5 mm;r 1=50.076 mm;氣圈頂角α0=19.842 4°。

再用已經(jīng)求得紗線張力數(shù)學(xué)模型公式和公式(10)將上述求得的氣圈最大半徑r和氣圈頂角α0代入上式,紗線氣圈張力T得解。

3 結(jié)語

基于MATLAB圖像處理技術(shù)的紗線氣圈張力求解方法,可以克服傳統(tǒng)接觸測量中的諸多弊端,能夠精準(zhǔn)快效測得紗線氣圈張力。經(jīng)驗(yàn)證,該方法具有可操作性,且具有廣闊的研究前景。

[1]許克明,宗克明.棉紡織設(shè)備使用須知[M].北京:紡織工業(yè)出版社,1994.

[2]唐文輝,劉榮清.環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)斷頭分析與控制[M].北京:紡織工業(yè)出版社,1986.

[3]印 榮.環(huán)錠紡氣圈理論研究[D].上海:東華大學(xué),2012.

[4]周炳榮.紗線氣圈理論研究[J].紡織器材,2006,(5):5-12.

[5]周炳榮.紗線氣圈理論[M].上海:東華大學(xué)出版社,2010.

[6]Zeng Qingyu.Theoretical analysis of ring spinning[M]. ProQuest Dissertations and Theses,1995.

[7]Zheng Xuetang,W Barrie Fraser,Xungai Wang.Modelling yarn balloon motion in ring spinning[J].Elsevier, 2007,31(7):1 397-1 410.

Research on the Measurement Method of the Yarn Balloon Tension Based on MATLAB Image Processing Technology

CHEN Zhen,MEI Shun-qi,LI Zhen
(School of Mechanical Engineering and Automation,Wuhan Textile University,Wuhan 430073,China)

The yarn balloon tension measurement method based on the image processing technology was proposed to effectively overcome the drawbacks in contact measurement as the damage to the sensor on detecting elements of long-term friction between yarns and detecting elements for yarn tension testing.The yarn balloon tension was disolved using MATLAB programming calculation to get the key parameters maximum radius r and top angleα0.

image process;MATLAB;yarn balloon tension

TH164

:A

:1673-0356(2015)03-0018-04

重要啟事

本刊編輯部

2015-03-27;

:2015-04-01

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175385)

陳 振(1987-),男,在讀碩士研究生,研究方向?yàn)樾滦图徔棛C(jī)械和機(jī)電一體化,E-mail:634141869@qq.com。

為充分發(fā)揮媒體優(yōu)勢,實(shí)現(xiàn)資源共享,真誠地為廣大的作者和讀者服務(wù),經(jīng)新聞出版部門批準(zhǔn),《紡織科技進(jìn)展》雜志自2015年11月起正式由雙月刊改為月刊,熱忱歡迎廣大作者踴躍投稿!在線投稿網(wǎng)址為http://www.fzkjjz.com。敬請注意。