高分辨率细纱机纱线恒张力检测系统及方法与流程

本发明涉及纱线恒张力检测领域，尤其涉及一种高分辨率细纱机纱线恒张力检测系统及方法。

背景技术：

纺纱时，由于锭子高速旋转，使得纱线在离心力作用下围绕轴线形成气球状的轨迹即气圈，形成气圈形态时，纱线保持一定张力。由于张力变化会导致断纱等现象发生，因此检测和控制张力变化对纺纱工程具有重要意义。

目前，纱线运行的异常的监控一般通过人工检测或采用光电传感器检测钢领的运动，进行计数和脉冲记录，用以反映纱线运行的异常。在采用人工检测时需要花费较大的人力资源，且检测准确率有限，也不能保证问题的及时发现和调整。而采用光电传感器时，可靠性差，数据不完整，信息不全面。比如：只能检测纱线绕制的频率，却无法反映出张力变化。当纱线导丝器件因磨损出现挂丝、卡顿时，这一检测方式是无法发现的。另外，由于钢领多为不锈钢材质，而当纲领上的钢圈也同为不锈钢材质时，光电传感器无法分辨，导致检测失效。因此，只能适用于表面发黑的钢圈，限制了应用范围。

技术实现要素：

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种高分辨率细纱机纱线恒张力检测系统及方法，用机器视觉方法替代人工巡检；传感器融合算法，相互补足和支撑；可对数据进行统计、分析、报告；具有检测精度高、使用成本低、易于应用推广和易于产业化的优点。

为了实现上述目的，本发明提供一种高分辨率细纱机纱线恒张力检测系统，包括一摄像机、一导轨、一传动机构、多个脉冲传感器和一控制终端；所述摄像机通过传动机构可沿所述导轨往复运动地设置于所述导轨上；所述摄像机、所述传动机构和所述脉冲传感器与所述控制终端通信连接。

优选地，所述传动机构包括一电机、两同步轮、一同步带、一摄像机支座；所述同步轮枢接于所述导轨的两端；所述同步带套设于两所述同步轮上；所述电机固定于所述导轨的一端并与一所述同步轮传动连接；所述摄像机支座固定于所述同步带上；所述摄像机固定于所述摄像机支座上，所述电机与所述控制终端通信连接。

优选地，还包括一上位机，所述控制终端与所述上位机通信连接。

优选地，所述脉冲传感器采用电涡流高灵敏度传感器。

一种基于本发明所述高分辨率细纱机纱线恒张力检测系统的高分辨率细纱机纱线恒张力检测方法，包括步骤：

s1：在一目标细纱机上安装所述高分辨率细纱机纱线恒张力检测系统；

s2：获取所述目标细纱机的各纱锭所对应的气圈的图像数据和转动状态数据；

s3：对所述图像数据进行图像处理和分析，获得一第一分析结果；分析所述转动状态数据，获得一第二分析结果；

s4：结合分析所述第一分析结果和所述第二分析结果，获得一最终分析结果；

s5：输出所述最终分析结果。

优选地，所述s1步骤中：

将所述导轨与所述各纱锭的一排列方向平行并固定于所述目标细纱机；将所述摄像机的镜头设置于所述摄像机靠近所述气圈的一侧，所述镜头的高度与所述气圈位置对应；每一所述纱锭外套设有一钢领，且所述钢领固定于所述目标细纱机的机架上，每一所述钢领顶部形成的导轨上套设有一钢圈，所述钢圈内穿设有所述气圈的纱线并可沿所述导轨绕所述钢领周向回转；将所述脉冲传感器固定于所述钢领外侧。

优选地，所述s2步骤中：

启动所述传动机构带动所述摄像机沿所述导轨往复运动，采集各所述气圈的图像数据；同时，收集各所述脉冲传感器探测所述钢圈转动情况所产生的脉冲信号，所述转动状态数据包括所述脉冲信号。

优选地，所述对所述图像数据进行图像处理和分析，获得一第一分析结果步骤中进一步包括步骤：

对所述图像数据进行图像滤波，滤除所述图像数据中的噪声，获得一第一初步处理图像；

根据所述初步处理图像中的背景和前景在灰度值上的差异，选择一图像二值化算法，分割所述背景和所述前景，并去除所述背景，获得一第二初步处理图像；

利用边缘处理算法提取所述第二初步处理图像中各所述气圈的边缘轮廓；

利用霍夫圆变换处理所述边缘轮廓，确定所述气圈的轮廓弧度；

根据所述轮廓弧度分析所述气圈的纱线的张力变化，获得所述第一分析结果。

优选地，所述分析所述转动状态数据，获得一第二分析结果步骤中：

当所述脉冲信号的脉冲宽度和脉冲周期都为预设值时，所述第二分析结果为所述钢圈工作正常；

当所述脉冲信号大约一预设时间段无脉冲波形时，所述第二分析结果为所述钢圈断纱；

当所述脉冲信号的所述脉冲宽度和所述脉冲周期为固定值且大于所述预设值时，所述第二分析结果为所述钢圈卡顿；

当所述脉冲信号的所述脉冲宽度和所述脉冲周期变化时，所述第二分析结果为所述钢圈坏损。

优选地，所述s5步骤进一步包括步骤：

所述控制终端将所述最终分析结果发送给所述上位机；

所述上位机存储所述最终分析结果；

当所述最终分析结果非表示钢圈工作正常时，所述控制终端生成一异常报告，并将所述异常报告发送给所述上位机和/或一主控系统。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

摄像机用于图像的采集。控制终端作为系统的总控制装置，控制各部件的工作和数据的处理。摄像机、传动机构和控制终端的配合为实现对气圈的视觉动态信息采集和处理提供了硬件基础。脉冲传感器用于采集钢圈的运行状态信息。脉冲传感器和控制终端的配合为实现根据脉冲传感器脉冲占空比的变化，来判断纱线正常、异常的运行状态提供了硬件基础。机器视觉张力检测和脉冲传感器钢圈检测的数据融合，大幅度提高了检测的精度、有效性和效率，并具有成本低和易于推广的优点。

附图说明

图1为本发明实施例的高分辨率细纱机纱线恒张力检测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的高分辨率细纱机纱线恒张力检测系统与细纱机的部分连接结构示意图；

图3为本发明实施例的高分辨率细纱机纱线恒张力检测方法的流程图；

图4为本发明实施例的钢圈工作正常时的脉冲信号波形；

图5为本发明实施例的钢圈断纱时的脉冲信号波形；

图6为本发明实施例的钢圈卡顿时的脉冲信号波形；

图7为本发明实施例的钢圈损坏时的脉冲信号波形。

具体实施方式

下面根据附图1～3，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

请参阅图1和图2，本发明实施例的一种高分辨率细纱机纱线恒张力检测系统，包括一摄像机1、一导轨2、一传动机构3、多个脉冲传感器4、一控制终端5和一上位机6；摄像机1通过传动机构3可沿导轨2往复运动地设置于导轨2上；摄像机1、传动机构3和脉冲传感器4与控制终端5通信连接。控制终端5与上位机6通信连接。本实施例中，脉冲传感器4采用电涡流高灵敏度传感器。

传动机构3包括一电机31、两同步轮32、一同步带33、一摄像机支座34；同步轮32枢接于导轨2的两端；同步带33套设于两同步轮32上；电机31固定于导轨2的一端并与一同步轮32传动连接；摄像机支座34固定于同步带33上；摄像机1固定于摄像机支座34上，电机31与控制终端5通信连接。

摄像机1用于图像的采集。控制终端5作为系统的总控制装置，控制各部件的工作和数据的处理。摄像机1、传动机构3和控制终端5的配合为实现对气圈72的视觉动态信息采集和处理提供了硬件基础。脉冲传感器4用于采集钢圈75的运行状态信息。脉冲传感器4和控制终端5的配合为实现根据脉冲传感器4脉冲占空比的变化，来判断纱线74正常、异常的运行状态提供了硬件基础。

请参阅图1～图7，一种基于本实施例高分辨率细纱机纱线恒张力检测系统的高分辨率细纱机纱线恒张力检测方法，包括步骤：

s1：在一目标细纱机7上安装高分辨率细纱机纱线恒张力检测系统；

将导轨2与各纱锭71的一排列方向平行并固定于目标细纱机7；将摄像机1的镜头11设置于摄像机1靠近气圈72的一侧，镜头11的高度与气圈72位置对应；每一纱锭71外套设有一钢领73，且钢领73固定于目标细纱机7的机架上，每一钢领73顶部形成的导轨2上套设有一钢圈75，钢圈75内穿设有气圈72的纱线并可沿导轨2绕钢领73周向回转；将脉冲传感器固定于钢领73外侧。

s2：获取目标细纱机7的各纱锭71所对应的气圈72的图像数据和转动状态数据。

启动传动机构3带动摄像机1沿导轨2往复运动，采集各气圈72的图像数据；同时，收集各脉冲传感器4探测钢圈75转动情况所产生的脉冲信号，转动状态数据包括脉冲信号。

s3：对图像数据进行图像处理和分析，获得一第一分析结果；分析转动状态数据，获得一第二分析结果。

其中，对图像数据进行图像处理和分析，获得一第一分析结果步骤中进一步包括步骤：

(1)、对图像数据进行图像滤波，滤除图像数据中的噪声，获得一第一初步处理图像。

(2)、根据初步处理图像中的背景和前景在灰度值上的差异，选择一图像二值化算法，分割背景和前景，并去除背景，获得一第二初步处理图像。

(3)、利用边缘处理算法提取第二初步处理图像中各气圈72的边缘轮廓。

纱线74高速运动时，形成一个以z轴为基准的锥形体，对这些运动中的的纱线74选用如：边缘检测、轮廓提取、轮廓跟踪、插值运算、阈值分割等的边缘处理算法进行形态学图像处理，然后提取获得气圈72的边缘轮廓。

(4)、利用霍夫圆变换处理边缘轮廓，确定气圈72的轮廓弧度。

本实施例中，利用运用opencv软件进行霍夫圆变换处理，对边缘轮廓进行分析，确认气圈72的弧度。霍夫圆的原理依据是圆心一定是在圆上的每个点的模向量上,这些圆上点模向量的交点就是圆心,霍夫梯度法首先要找到这些圆心,这样三维的累加平面就又转化为二维累加平面，然后根据所有候选中心的边缘非0像素对其的支持程度来确定半径，由此就可确定气圈的圆形形态。当纱线张力发生任何细微的改变时，都会导致气圈72霍夫圆的半径发生实时变化，即霍夫圆算法就是为了得出这个气圈72底面的圆的半径变化。通过对形态的变化的持续监测，可以感知和计算出张力变化情况。

根据轮廓弧度分析气圈72的纱线74的张力变化，获得第一分析结果。

分析转动状态数据，获得一第二分析结果步骤中：

当脉冲信号的脉冲宽度和脉冲周期都为预设值时，第二分析结果为钢圈75工作正常，此时脉冲信号的波形可参见图4；

当脉冲信号大约一预设时间段无脉冲波形时，第二分析结果为钢圈75断纱，此时脉冲信号的波形可参见图5；

当脉冲信号的脉冲宽度和脉冲周期为固定值且大于预设值时，第二分析结果为钢圈75卡顿，此时脉冲信号的波形可参见图6；

当脉冲信号的脉冲宽度和脉冲周期变化时，第二分析结果为钢圈75坏损，此时脉冲信号的波形可参见图7。

s4：结合分析第一分析结果和第二分析结果，获得一最终分析结果；

s5：输出最终分析结果。

其中，控制终端5将最终分析结果发送给上位机6；

上位机6存储最终分析结果；

当最终分析结果非表示钢圈75工作正常时，控制终端5生成一异常报告，并将异常报告发送给上位机6和/或一主控系统。

本发明通过气圈形态进行张力值判定，从而控制张力的变化。

以纱锭71的旋转轴线为z轴，建立圆柱坐标系，此时，纱线74受到张力、空气阻力、重力、惯性力作用，丝线上的点用坐标(r，θ，z)来表示，其中为方向的单位向量。丝线上各点的向量位置可表示为：丝线切线方向单位向量可表示为在旋转过程中，微元丝段受丝线张力、空气阻力和重力作用，同时产生三个加速度即向心加速度、相对加速度及科氏加速度。

1)丝线张力

单位丝线所受张力为每单位长度为ds的丝线段所受张力的变化量。

2)空气阻力

空气阻力分为法向空气阻力和切向空气阻力它们的大小均与丝线沿圆周运动产生的线速度在切线方向和法线方向的速度分量的大小的平方成正比。

(其中为丝线切向方向单位向量。)

(其中为丝线法向方向单位向量。)

3)重力

(m为丝线单位长度的质量)

4)向心加速度

由于锭盘作匀速转动，所以牵连加速度只有向心加速度。

5)科氏加速度

由于锭盘作旋转运动，而丝线在旋转坐标内又有卷绕速度，所以产生了科氏加速度。

6)相对加速度

根据牛顿学第二定律：

即微元丝段ds应满足：

设无切向阻力影响。将以上各式代入上式，并将其在列出运动方程，可得气圈的运动学方程：

t′＝-mgz′-mw²rr′

式中，t为张力；pn为法向空气阻力系数；pt为切向空气阻力系数；w为纱锭71回转角速度；v为丝线卷绕速度；m为丝线单位长度的质量；g为重力加速度；式中“’”表示对ds求微分，ds为微元丝段的长度。

本发明融合了两个部分的数据：

一是脉冲传感器4检测的钢圈75的运转情况。控制终端5的数据采集模块根据脉冲传感器4脉冲占空比的变化，来判断纱线74正常、异常的运行状态。二是通过对摄像机1采集的图像进行霍夫圆算法处理得到的气圈形态信息。两部分数据同时传输到控制终端5数据融合分析处理，得到最终分析结果，并将该处理结果传输给上位机，用于生产质量追溯；同时有异常的形成计算机数据文件记录传输到主控系统。

本发明的优势在于同时采用视觉动态信息和脉冲传感器采集信息来分析纱线74的气圈72形态及钢圈75运行状态，可靠性高，提高了系统整体检测精度。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。