圓網(wǎng)印花機錯花在線跟蹤調速技術的研究

王吉岱，張東岳，孫愛芹

（山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島266510）

圓網(wǎng)印花機的錯花調節(jié)精度是影響印花質量的關鍵因素。實際中，圓網(wǎng)印花機受到機械部件的磨損、松動以及織物的變形等影響，導致織物印花過程不可避免地產(chǎn)生“錯花”現(xiàn)象［1］。傳統(tǒng)的對花系統(tǒng)采用人工目測的方式進行錯花調節(jié)，人工調節(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態(tài)采集的印染錯花跟蹤調速技術及系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。

為解決傳統(tǒng)圓網(wǎng)印花機印花單元運行控制存在的問題，圓網(wǎng)印花機上的對花操作采用的檢測手段主要是基于色標的檢測方法，具體是在圓網(wǎng)上或步進電機上設置零位檢測標記，然后用光電的方法檢測標記之間的距離或用圖像的方法檢測圓網(wǎng)留在布上的標記是否發(fā)生偏動來達到自動對花的目的。荷蘭Stork公司采用環(huán)型電機直接驅動圓網(wǎng)，依靠電機內(nèi)的脈沖發(fā)生器和電極測量器的結合，可以非常精確地控制轉速和矯正圓網(wǎng)的角度位置，同時導帶與機頭通過電子控制實現(xiàn)精確聯(lián)動。但由于維護困難，其市場占有率不高［3］。

本文介紹的控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式，在線監(jiān)測對花效果，反饋對花誤差并進行二次錯花補償，實現(xiàn)了對花的智能控制。

1 錯花在線監(jiān)測系統(tǒng)組成

圓網(wǎng)印花機錯花在線跟蹤調速系統(tǒng)由上位機操作界面、圖像采集及處理環(huán)節(jié)、主控制器和執(zhí)行機構4部分組成。系統(tǒng)結構組成如圖1所示。

上位機操作界面：由觸摸屏和圖像顯示器組成。觸摸屏與PLC進行RS－485通訊連接，通過觸摸屏可監(jiān)視系統(tǒng)在線運行狀態(tài)、初始化系統(tǒng)軟件，調整PLC中各種控制參數(shù)，同時能進行人工在線調速。

圖1 圓網(wǎng)印花在線監(jiān)測系統(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)：該部分由光學攝像頭、CCD面陣相機、圖像處理器組成。CCD相機通過光學攝像頭動態(tài)采集花回標記，并將圖像信號轉化為數(shù)字信號傳給圖像處理器，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)行復雜數(shù)字運算的高級算法的處理需求。

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，單步掃描輸出時間低于0.2μs。該型PLC支持C語言編程，便于系統(tǒng)對誤差算法進行處理。同時，具備4軸同步控制功能，可以實現(xiàn)多軸印花滾筒的同步控制。

執(zhí)行機構：采用臺達交流無刷伺服電機，提高了系統(tǒng)對花調節(jié)執(zhí)行能力。

2 對花調速技術的工作原理

2.1 系統(tǒng)布局

織物蠟染過程中，各個花回分別在對應布邊作蠟染花回標記，本系統(tǒng)便是利用蠟染花回標記檢測法來實現(xiàn)對花精度的自動監(jiān)測與調整。采用旋轉編碼器同步測量織物行進速度，利用輸出脈沖觸發(fā)兩路圖像傳感器動態(tài)采集花回標記圖像。系統(tǒng)布局如圖2所示：1號傳感器用于花回誤差檢測，安裝在印花滾筒右側未印染區(qū)域，距離滾筒中心軸H1（H1＜一個標準花回長度）；2號傳感器用于對花效果的反饋，安裝于印染區(qū)域，距離印花滾筒中心軸H2（H2＜一個標準花回長度）。

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

2.2 圖像采集與誤差輸出

首先進行圖像注冊，通過顏色抽取，獲得對照度較大的搜索圖案（如圖3所示，搜索圖案為蠟染花回標記），然后CCD相機隨著印染織物的行進，在線采集織物邊緣的花回標記圖案（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，對圖像進行圖像增強，邊緣銳化，降噪，特征提取，幾何定位等處理，以實現(xiàn)花回標記的提取和位置比對，實時獲取花回偏差（如圖5所示）。

圖3 圖像注冊Fig.3 Image register

圖4 圖像采集Fig.4 Image acquisition

圖5 圖像處理Fig.5 Image processing

檢測位置（x0，y0），設定圖像搜索范圍｛（0，0），（x1，y1）｝?？椢镅豿軸方向運動，因此x1值需滿足下式，y1值只需根據(jù)經(jīng)驗設定即可：

式中：l為旋轉編碼器測速軸周長；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1周的脈沖數(shù)。

設定圖像x軸方向測量誤差Δx，y軸方向測量誤差Δy，以及角度測量誤差Δw，結合圓網(wǎng)印花工作過程，對采集圖像的x軸、y軸以及角度誤差進行分析，確定花回標記圖像輸出誤差Δ為

2.3 花回偏差算法的研究

花回偏差Q計算公式：

式中：L為花回實際長度；S為花回標準長度；Δa為花回前端圖像誤差值；Δb為花回后端圖像誤差值；N為旋轉編碼器脈沖輸出個數(shù)；ΔL為編碼器測速軸單位脈沖對應的弧長。

圖6為偏差計算原理圖。

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)各個花回的偏差值Q，輸出對應的控制信號，調節(jié)印花滾筒速度，實現(xiàn)錯花糾偏。

2.4 對花誤差反饋與二次調節(jié)

圖像傳感器檢測織物經(jīng)過印染后（錯花糾偏已經(jīng)完成）的花回標記位置，獲取花回標記與印花滾筒軸的相對距離，與注冊圖像中心點到印花滾筒軸的長度H進行比較，獲得誤差值P，控制器根據(jù)獲得的P值進行花回錯花的二次補償調節(jié)。計算方法如下式：

式中：Δ′為印染后的花回標記圖像誤差值；N為旋轉編碼器脈沖輸出個數(shù)；ΔL為編碼器測速軸單位脈沖對應的弧長；H為2號圖像傳感器安裝位置到印花滾筒軸的距離。

3 系統(tǒng)誤差范圍及技術特點

3.1 花回測量誤差統(tǒng)計分析

為校驗該系統(tǒng)的檢測精度和適用速度范圍，在織物不同運行速度下，對花回測量誤差（花回測量值與實際長度的差值）在線跟蹤記錄，獲得圖7所示的誤差曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，在印染速度小于60 m／min時，誤差曲線趨勢平穩(wěn)、波動較小，花回測量誤差范圍小于±0.50mm，當印染速度到達80 m／min時，誤差曲線波動較大，花回測量誤差為±0.85mm。由此，本系統(tǒng)的最佳印染速度小于60m／min，花回測量精度可達±0.5mm。

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

3.2 圓網(wǎng)印花在線調速系統(tǒng)技術特點

1）該系統(tǒng)具備傳統(tǒng)的加、減速手動調節(jié)功能?？梢詫崿F(xiàn)自動過程中，對印花滾筒的人工加、減速調節(jié)。

2）具有花回大偏差分段處理能力。當實際花回長度偏差Q大于系統(tǒng)標定偏差范圍（暫標定±10mm）時，系統(tǒng)對當前花回的偏差補償值最大為10mm，剩余偏差 （Q－10）mm則放入后面的若干花回進行補償處理。

3）解決了同一花回標記圖像重復采集的問題。當出現(xiàn)某一花回標記重復采集時，PLC僅對首個該花回標記誤差信號進行處理運算。通過理論計算和試驗驗證，PLC獲取該標記任意一個誤差信號，經(jīng)式（3）運算，其花回長度偏差與計算結果一致。

4）消除花回標記出現(xiàn)遺漏采集的問題。控制器通過花回測量值與標準值的關系，尋找實際測量值對應圖像采集花回數(shù)，再進行誤差處理及脈沖轉換。

4 結論

本系統(tǒng)在不改變原有設備的基礎上，不僅保留了傳統(tǒng)的人工調速功能，而且實現(xiàn)了全程動態(tài)在線對花的自動化控制。采用機器視覺檢測、全閉環(huán)控制方式，提高了對花調速的精度和穩(wěn)定性。經(jīng)過現(xiàn)場試驗，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，錯花檢測精度為±0.5mm，在線對花精度為±0.8mm，最高運行速度為60 m／min。該系統(tǒng)的運用，不僅減輕了工人的勞動強度，而且顯著提高了印染產(chǎn)品的合格率，同時為印染設備的研究人員提供了一個實用的技術路線。

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