光電式編織袋覆膜過程寬度檢測及修正系統(tǒng)

范有情，朱亞超，程龍飛，何 濤

（1湖北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代制造質(zhì)量工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430068；2湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

內(nèi)粘膜塑料編織袋內(nèi)粘工序的傳統(tǒng)做法是：將帶有內(nèi)粘膜的塑料編織袋卷布放在內(nèi)粘機(jī)機(jī)架上，通過充氣（將布吹脹成圓筒狀）、加溫等工藝將內(nèi)膜牢固地粘合在塑料編織袋的里面，由此便得到內(nèi)粘膜塑料編織袋.但由于受到換卷、接頭、編織袋破洞等諸多因素的影響，氣體會(huì)從內(nèi)粘布里面跑出來，造成布直徑變小.當(dāng)下解決的辦法是，一旦發(fā)現(xiàn)布的直徑變小，就人工用氣槍進(jìn)行補(bǔ)氣，如果派專人看管既費(fèi)工又費(fèi)時(shí)，而且只要一疏忽就會(huì)產(chǎn)生大量廢品，不僅質(zhì)量得不到保證，工作環(huán)境也不適宜長期人工操作，因此需要一種自動(dòng)化設(shè)備來完成這樣的自動(dòng)檢測、自動(dòng)補(bǔ)氣和自動(dòng)標(biāo)記工作.筆者首先采用結(jié)構(gòu)光投影測量法獲得覆膜過程中的圓柱形編織袋的圓跳動(dòng)變化值，通過圓跳動(dòng)變化值來判斷編織袋在覆膜時(shí)是否需要補(bǔ)氣.然后通過編碼器計(jì)數(shù)得到編織袋運(yùn)行的速度，從而使充氣氣缸的運(yùn)行速度與編織袋的運(yùn)行速度同步，同時(shí)完成標(biāo)記動(dòng)作.

1 測量原理和數(shù)學(xué)模型

考慮到現(xiàn)場的工作空間和在線測量實(shí)時(shí)性的要求，以及編織袋漏氣狀態(tài)時(shí)會(huì)同時(shí)向中心收縮的特性，本文采用結(jié)構(gòu)光投影測量法獲得覆膜過程中的圓柱形編織袋的圓跳動(dòng)變化值.當(dāng)結(jié)構(gòu)光投射到內(nèi)粘機(jī)出口處的編織袋上，由于編織袋的阻擋，上述線激光會(huì)在背光板上形成一條線段（圖1），相機(jī)可采集到投影線段（圖2）.當(dāng)內(nèi)粘機(jī)中編織袋的氣壓不足，背光板上的投影線段將會(huì)變長，所以此處只需計(jì)算投影線段最低點(diǎn)的變化就可判斷是否需要補(bǔ)氣.

通過分析圖像，在背光板中實(shí)際獲得的光帶是具有一定寬度的窄條紋.如需獲得光帶的最低點(diǎn)，就法求光帶條紋的中心［1］.如圖3所示，在整幅圖像上存在一些其他的灰度值不一致的點(diǎn)，這主要是由于背光板表面粗糙度帶來的背景噪聲影響.為了除去這一噪聲，首先設(shè)置強(qiáng)度閾值T，將所有灰度值小于T的，都置為0，即

式中I（i，j）表示圖像中第i行、第j列的灰度值.

圖3 直方分布圖

然后利用重心法，求取光強(qiáng)的中心要對(duì)光帶進(jìn)行中心的提取.本文結(jié)合閾值法與重心

上式是針對(duì)某一列灰度數(shù)據(jù)的情況下的計(jì)算公式，所以這里為常量，亦即重心的另一個(gè)x＝i對(duì)條紋灰度圖像的若干列提取中心，得到一組重心坐標(biāo)｛（x0，y0），（x1，y1），…（xm，ym）｝.對(duì)這組數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，即可得到光帶條紋中心線［2］.

由于覆膜過程中的圓柱形編織袋的圓跳動(dòng)，會(huì)造成光帶中心線的長短發(fā)生變化.然而光帶中心線的一端是不會(huì)變化的，在另一端的變化會(huì)使光帶中心線長短發(fā)生變化，則取光帶中心線的最低點(diǎn)的變化值來判斷編織袋在覆膜時(shí)是否需要補(bǔ)氣.

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 編織袋覆膜寬度檢測和修正軟件設(shè)計(jì)

一種光電式編織袋覆膜過程質(zhì)量檢測及修正系統(tǒng)，應(yīng)用于內(nèi)粘膜塑料編織袋的內(nèi)粘機(jī)上，包括機(jī)架以及依次裝設(shè)在機(jī)架上的相機(jī)裝置、補(bǔ)氣裝置、計(jì)數(shù)裝置和標(biāo)記裝置，還包括計(jì)算機(jī)處理裝置，其控制流程如圖4所示.

圖4 編織袋覆膜寬度檢測及修正控制流程圖

步驟如下：首先相機(jī)對(duì)背光板上的光線進(jìn)行圖像采集，并將所采集的圖像傳送至所述計(jì)算機(jī)控制裝置進(jìn)行圖像處理；其次計(jì)算機(jī)控制裝置在經(jīng)過圖像處理判斷得出編織袋中的氣壓不足時(shí)，控制補(bǔ)氣電機(jī)通過同步帶帶動(dòng)氣缸和氣針在導(dǎo)軌上隨著內(nèi)粘機(jī)的滾輪速度同步運(yùn)動(dòng)，并在到達(dá)預(yù)設(shè)的終點(diǎn)后快速返回（如在充氣過程中檢測到編織袋氣壓充足時(shí)，氣缸將會(huì)收回，然后在到達(dá)預(yù)設(shè)的終點(diǎn)后快速返回）；最后，由計(jì)算機(jī)所得到的編碼器的數(shù)值判斷在充氣時(shí)預(yù)標(biāo)記位置來確定是否做標(biāo)記.

2.2 編織袋覆膜寬度檢測和修正硬件設(shè)計(jì)

編織袋寬度檢測和修正系統(tǒng)控制選用基于PC機(jī)的測控系統(tǒng)模式.硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示，主要由“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”和“控制單元”兩部分組成.“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”主要包括步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、繼電器控制板卡、步進(jìn)電機(jī)、充氣氣缸、標(biāo)記氣缸等，通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步帶帶動(dòng)氣缸往返運(yùn)動(dòng)，同時(shí)充氣氣缸把氣針扎入編織袋，標(biāo)記氣缸等待標(biāo)記動(dòng)作；“控制單元”主要包括工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用軟件等，是檢測和修正系統(tǒng)控制的核心，負(fù)責(zé)采集反饋的編碼器信號(hào)和限位開關(guān)信號(hào)、人機(jī)交互和統(tǒng)一調(diào)度指揮“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”的所有動(dòng)作，確保檢測和修正系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)安全可靠.

在“控制單元”對(duì)“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”實(shí)施控制的過程中，運(yùn)動(dòng)控制卡至關(guān)重要，它傳輸數(shù)字信號(hào)，是工控機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)系的橋梁，又是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直接控制者，其性能的優(yōu)劣直接影響整個(gè)測控系統(tǒng)的性能.本系統(tǒng)采用的是深圳雷賽科技的DMC2410運(yùn)動(dòng)控制卡，它基于PCI總線，性能優(yōu)越，功能強(qiáng)大，使用軟件或外部輸入信號(hào)可控制4軸伺服／步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，能很好滿足該移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制需求.

圖5 編織袋覆膜寬度檢測及修正系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

本系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制選用基于VC＋＋的圖像采集和數(shù)據(jù)采集，以及采用編碼器測速的方式，能夠完成對(duì)編織袋運(yùn)行速度的同步跟蹤和編織袋中氣壓的自動(dòng)檢測功能以及自動(dòng)補(bǔ)氣功能和自動(dòng)標(biāo)記功能，從而實(shí)現(xiàn)了內(nèi)粘膜塑料編織袋的高速、高質(zhì)量加工，同時(shí)大大節(jié)省了人力成本.

［1］吳慶華，鐘 飛.光切法薄片零件在線厚度測量［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2011（6）：305－308.

［2］胡 坤，周富強(qiáng)，張廣軍.一種快速結(jié)構(gòu)光條紋中心亞像素精度提取方法［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（10）：1 326－1 329.