宋成龍, 陳家新, 李 陽(yáng)

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海 201620)

0 引 言

錠子的轉(zhuǎn)速與振動(dòng)直接決定細(xì)紗機(jī)的產(chǎn)量與質(zhì)量。1980年陳瑞琪成功研制了光電式錠子軌跡測(cè)定儀[1]；馬曉建等人開(kāi)發(fā)了數(shù)字化的錠子軌跡檢測(cè)系統(tǒng)[2]；錢(qián)家德利用錠子的力學(xué)模型通過(guò)理論計(jì)算得出部分情況下錠子的振動(dòng)軌跡。這些測(cè)量方式大都利用測(cè)振傳感器來(lái)獲得錠桿位移,并非錠子端面的軌跡,而且只能測(cè)量錠子空載時(shí)的振動(dòng)軌跡,使錠子性能的提高受到阻礙。隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展,用數(shù)字圖像來(lái)測(cè)量錠子振動(dòng)成為可能。利用工業(yè)攝像機(jī)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)在于,可以獲得錠子端面的位移并且可以測(cè)量錠子在帶載狀態(tài)下的振動(dòng),為進(jìn)一步提高細(xì)紗機(jī)的產(chǎn)量打下基礎(chǔ)。

本文錠子振動(dòng)測(cè)量平臺(tái)通過(guò)工業(yè)相機(jī)采集錠子端面的圖像,利用圖像處理算法得到一系列圓心數(shù)據(jù),并擬合出錠子的振動(dòng)軌跡。

1 錠子特征分析

1.1 錠子的結(jié)構(gòu)特征

細(xì)紗機(jī)錠子主要由錠腳、錠盤(pán)、錠桿等部件組成[3]。其中,錠桿對(duì)紗線進(jìn)行卷繞,錠盤(pán)為軸承遮擋灰塵與異物,末端的錠腳起支撐作用。

1.2 錠子的動(dòng)態(tài)特性

錠子的動(dòng)態(tài)特性包括噪聲、振動(dòng)等方面[4]。雖然在錠子出廠前會(huì)對(duì)錠子進(jìn)行靜平衡與動(dòng)平衡的檢測(cè),但是由于磨損與高速轉(zhuǎn)動(dòng),錠子不可避免地會(huì)受到空間力偶的影響而出現(xiàn)受迫振動(dòng)。當(dāng)小于一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí),其軌跡為橢圓形或圓形；當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí),其軌跡為一個(gè)復(fù)雜曲線。系統(tǒng)將錠子轉(zhuǎn)速設(shè)為低于一階臨界轉(zhuǎn)速。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件配置在滿足測(cè)量需要的同時(shí),采用模塊化設(shè)計(jì)使系統(tǒng)具有一定的柔性。圖1(a)為該測(cè)試系統(tǒng)的硬件示意圖,主要硬件包括錠子、工業(yè)像機(jī)以及變壓電源等,搭建的實(shí)際測(cè)試平臺(tái)如圖1(b)所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)測(cè)平臺(tái)

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器與微控制器

測(cè)試平臺(tái)采用4對(duì)極無(wú)刷直流電機(jī)作為動(dòng)力模塊,在電機(jī)控制器的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)錠子做定速旋轉(zhuǎn)。系統(tǒng)采用STM32F4作為錠子電機(jī)的調(diào)速控制器,STM32F4是由意法半導(dǎo)體(ST)開(kāi)發(fā)的一種高性能微控制器(micro control unit,MCU)。MCU測(cè)量電機(jī)的霍爾信號(hào)頻率并計(jì)算其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速,計(jì)算如式(1)

n=f×60/4

(1)

式中n為轉(zhuǎn)速,r/min;f為霍爾信號(hào)頻率,Hz。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的轉(zhuǎn)速控制線是按照電壓的比值進(jìn)行調(diào)速,可將轉(zhuǎn)速控制線接到MCU的引腳上并利用內(nèi)置的模/數(shù)(digital to analog,D/A)模塊輸出模擬電壓,根據(jù)霍爾信號(hào)頻率計(jì)算當(dāng)前轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速之差,利用MCU對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)錠子達(dá)到預(yù)期轉(zhuǎn)速的目的

2.3 工業(yè)相機(jī)

錠子轉(zhuǎn)速較高,對(duì)工業(yè)相機(jī)的性能提出了一定的要求,包括最低的曝光時(shí)間、圖像數(shù)據(jù)傳輸速率等。本文以錠子轉(zhuǎn)速30 000 r/min為最高的測(cè)試轉(zhuǎn)速,則錠子轉(zhuǎn)動(dòng)的周期為2 ms。為了擬合錠子運(yùn)動(dòng)軌跡,系統(tǒng)需要拍攝多張圖片,如采集200張,采集的時(shí)間間隔為10 μs?；谝陨嫌?jì)算,系統(tǒng)采用德國(guó)BASLER公司的acA1600—60 gm系列相機(jī)與日本SONY公司的Computar M3514—MP定焦鏡頭。該相機(jī)具有的千兆以太網(wǎng)卡為測(cè)試平臺(tái)的高速圖像傳輸提供了保障,最低的曝光時(shí)間10 μs,保證了相鄰兩張圖像不產(chǎn)生重疊。

2.4 相機(jī)觸發(fā)控制器

測(cè)試平臺(tái)對(duì)圖像采集的實(shí)時(shí)性要求較高,如用個(gè)人電腦(PC)觸發(fā)外圍設(shè)備會(huì)使系統(tǒng)硬件極其復(fù)雜,而單片機(jī)實(shí)時(shí)性較高,系統(tǒng)利用其實(shí)現(xiàn)相機(jī)的硬件觸發(fā)采集圖像。利用STM32F4與工業(yè)相機(jī)相連,通過(guò)輸入/輸出(I/O)定時(shí)發(fā)出脈沖對(duì)相機(jī)進(jìn)行觸發(fā)。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵算法研究

3.1 若干周期連續(xù)分時(shí)采集

細(xì)紗機(jī)錠子在工作時(shí)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)30 000 r/min。在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)采集所需的圖片(例如200張),對(duì)工業(yè)相機(jī)的性能要求較高。所以待錠子進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后,本系統(tǒng)采用若干周期連續(xù)采集,即在若干個(gè)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)錠子圖像的采集,保證這些圖像等價(jià)于在一個(gè)周期內(nèi)采集的圖像。將工業(yè)相機(jī)設(shè)置為硬件觸發(fā)模式并編寫(xiě)可動(dòng)態(tài)適應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)制脈沖算法,使MCU按照規(guī)定的時(shí)間觸發(fā)相機(jī),確保了后續(xù)圖像處理的準(zhǔn)確性。

3.2 圖片像素當(dāng)量標(biāo)定

實(shí)驗(yàn)需要得到圖像中每個(gè)像素的物理長(zhǎng)度,即像素當(dāng)量[5]。按式(2)計(jì)算得到每個(gè)像素的物理長(zhǎng)度

Lj=Sj/Mj

(2)

式中Lj為像素當(dāng)量,μm/像素;Sj為參照物實(shí)際物理長(zhǎng)度參數(shù),μm；Mj為參照物在圖片中占的像素個(gè)數(shù),像素。為提高測(cè)量精度,直接利用錠子端面的直徑(14 mm)與對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)數(shù)量(398個(gè)),根據(jù)公式算出像素當(dāng)量Lj=35.176 μm/像素。

3.3 端面圓心檢測(cè)算法

檢測(cè)錠子端面圓心的算法分為兩個(gè)階段,第一階段檢測(cè)出端面的圓周邊界,第二階段利用上一階段的邊界點(diǎn)擬合得到端面圓心,算法的程序流程如圖2所示。

圖2 錠子圖片定位圓心流程

第一階段的算法步驟如下：1)運(yùn)用高斯濾波去除圖片中的噪音[6](高斯濾波的最佳窗口大小由最后識(shí)別出的圓的效果評(píng)估)。2)錠子中心部位的光照量不足,中心部分呈現(xiàn)出與端面外部一樣的低像素值現(xiàn)象。為后續(xù)方便檢測(cè)出端面圓周,采取消除中心的低像素值區(qū)域的方法,利用整幅圖片的中心為圓心,再取一合理半徑,將圓內(nèi)像素賦值為255。

第二階段識(shí)別圓心,利用閾值函數(shù)把圖片分為兩個(gè)部分并識(shí)別邊緣[7]。先根據(jù)Otsu算法求出自適應(yīng)閾值,再依次利用閾值函數(shù),邊緣識(shí)別函數(shù)與橢圓擬合函數(shù),最后提取出圓周并定位圓心,識(shí)別的圓周與圓心如圖3所示,圖像的尺寸為480像素×480像素。

圖3 錠子端面邊緣

3.4 錠子的靜態(tài)偏差去除

錠子與底座不完全貼合,即使當(dāng)錠子處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),獲取的不同位置的圖像,其圓心坐標(biāo)不一致,所以，在測(cè)量高速轉(zhuǎn)動(dòng)錠子的振動(dòng)時(shí),其中會(huì)包含錠子的靜態(tài)偏差。為了去除錠子的靜態(tài)偏差影響,在極低速狀態(tài)下測(cè)得錠子的靜態(tài)偏差,擬合出靜態(tài)偏差分布圖。利用在錠子端面做標(biāo)記的方法可求出某一位置上高速錠子所對(duì)應(yīng)的靜態(tài)偏差。圖4為測(cè)得的錠子靜態(tài)偏差,圖中，橫縱坐標(biāo)為錠子圓心在480像素×480像素的圖3中的位置坐標(biāo)。

圖4 錠子靜態(tài)偏差

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

4.1 圓心坐標(biāo)分布

根據(jù)錠子端面上的標(biāo)記,確定高速錠子振動(dòng)圖上各個(gè)位置的靜態(tài)偏差,并減去對(duì)應(yīng)的偏差。為驗(yàn)證測(cè)振系統(tǒng)的可行性,在錠子轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí),得到去除錠子靜態(tài)誤差的圓心振動(dòng)分布圖,即圖4中的小圓形點(diǎn)。

4.2 圓心坐標(biāo)擬合

系統(tǒng)利用MATLAB軟件擬合50個(gè)二維坐標(biāo)點(diǎn)。確定采用最小二乘法來(lái)擬合曲線,用平方差做代價(jià)函數(shù)評(píng)估最終的擬合精度[8]。在錠子轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí),錠子端面的圓心振動(dòng)軌跡擬合曲線(大的斜橢圓)如圖5所示。

從以上擬合結(jié)果分析得出,錠子振動(dòng)軌跡類似一個(gè)橢圓形,橢圓的長(zhǎng)軸有12個(gè)像素點(diǎn),即最大振幅0.211 mm。該結(jié)果符合理論預(yù)期,并證明了利用工業(yè)相機(jī)測(cè)量錠子振動(dòng)的可行性。

圖5 擬合錠子振動(dòng)

5 結(jié) 論

在計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)與工業(yè)相機(jī)技術(shù)的支持下,開(kāi)發(fā)了細(xì)紗機(jī)錠子振動(dòng)檢測(cè)平臺(tái),該平臺(tái)具備了錠子振動(dòng)檢測(cè)的基本功能,驗(yàn)證了錠子振動(dòng)理論,同時(shí)此測(cè)試平臺(tái)也為開(kāi)發(fā)更高轉(zhuǎn)速和達(dá)到更高精度的測(cè)試系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。