YZ-1型棉花加工線智能在線檢測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

安少元，郭敬瑤，劉曉剛

(陜西長嶺紡織機電科技有限公司，陜西 寶雞 721013)

目前，我國棉花加工以機采棉為主，含雜多，含水率高，采摘方式對棉纖維損傷較大。為了能從加工源頭控制棉纖維質(zhì)量，筆者公司集自主知識產(chǎn)權(quán)研發(fā)了一套YZ-1型棉花加工生產(chǎn)線智能在線檢測系統(tǒng)(以下簡稱“YZ-1型系統(tǒng)”)，該系統(tǒng)在棉花加工環(huán)節(jié)采集棉花回潮率、雜質(zhì)、顏色等信息，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)智能管控，做到“因花配車”，提升了皮棉加工質(zhì)量。

1 YZ-1系統(tǒng)組成及測試原理

1.1 系統(tǒng)組成

YZ-1型系統(tǒng)由籽棉工作站、皮棉工作站(以下簡稱“籽(皮)棉工作站”)、控制系統(tǒng)、中央處理軟件4部分組成，將軋花機生產(chǎn)控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，一起組成了棉花加工生產(chǎn)線智能管控系統(tǒng)。籽(皮)棉工作站在棉花加工生產(chǎn)線上的安裝位置，如圖1所示。

1.2 電路組成

籽(皮)棉工作站由供電電路和傳感器組成，采用軍工標準的線性電源，能在苛刻環(huán)境下保證電源的可靠性，用光電傳感器檢測軋花管道中的棉花，在管道有棉花時進行測試，無棉花時待機，功耗降低,效率提升。在電路設(shè)計時充分考慮到測試環(huán)境因素，選擇的元器件在-30 ℃～45 ℃時能正常工作。采用模塊化設(shè)計思路，利用筆者公司研發(fā)的XJ128型快速棉纖維性能測試儀(以下簡稱“XJ128型”)上現(xiàn)有的測量技術(shù)[1]，提高了產(chǎn)品的可靠性和量產(chǎn)規(guī)模。

圖1 籽(皮)棉工作站安裝位置

1.3 結(jié)構(gòu)組成及測試原理

籽(皮)棉工作站機械結(jié)構(gòu)原理相同，主要由抓手、測試窗口、回潮模塊、相機模塊、顏色測量模塊和控制單元組成，籽棉工作站無顏色測量模塊。

籽(皮)棉工作站通過光電系統(tǒng)檢測軋花管道中的棉纖維流量，利用抓手抓取一定量的棉纖維樣，壓到測試窗口上，即可測試采集棉纖維的含雜、回潮率、顏色等相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 測試指標及其原理

2.1 雜質(zhì)測量

雜質(zhì)測量模塊采用500萬像素的CCD相機獲取棉纖維表面雜質(zhì)分布，通過圖像處理后計算出雜質(zhì)粒數(shù)和雜質(zhì)面積百分比。

2.2 回潮率測量

回潮率測量是利用棉纖維在不同回潮率下具有不同電阻的特性，在棉纖維質(zhì)量和極板電壓一定的情況下，測量通過棉纖維的電流，間接得出棉纖維回潮率[2]。YZ-1型系統(tǒng)回潮模塊采用創(chuàng)新的九點陣式測量方法，利用電極點接觸測量棉纖維回潮率，相比傳統(tǒng)方法在數(shù)據(jù)測試一致的情況下有效縮小了測試模塊體積，為工作站小型化提供了方便。

2.3 顏色測量

顏色測量采用45°照明方式，即光線與棉纖維表面法線成45°角的方向入射于棉纖維表面，在法線方向上測量棉樣表面反射光，分析得到光譜成分后，根據(jù)尼克森·亨特公式把棉纖維的反射光分成CIE標準色度，觀察值的光譜三刺激值X，Y，Z，再根據(jù)方程計算出棉纖維色澤反射率Rd和黃度+b的值，在利用Rd和+b的分布得出顏色級。

3 應(yīng)用測試

3.1 方案

通過YZ-1型系統(tǒng)在線測試籽棉回潮率、皮棉回潮率、雜質(zhì)面積、棉樣反射率Rd和黃度+b與標準儀器測試數(shù)據(jù)進行對比，驗證YZ-1型系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的可靠性，通過對連續(xù)不間斷的棉纖維進行測量驗證其穩(wěn)定性。

3.2 標準

回潮率標準按照現(xiàn)有的電阻法[3]使用陜西華斯特儀器有限責(zé)任公司制造的XJ130型回潮率測定儀(以下簡稱“XJ130型”)，按照XJ130型原棉水分測定儀檢定規(guī)程進行檢定，符合要求后使用。

雜質(zhì)含量和顏色信息在纖維檢驗所使用XJ128型進行測試，測試前按照棉纖維測試儀校準規(guī)范[4]對XJ128型進行相應(yīng)校準。

3.3 試樣選取及位置標記

YZ-1型系統(tǒng)是在線測試，分3個位置安裝，分別采集3個位置的棉纖維樣品。第1個位置從重雜分離器后采集試樣，記作1號籽棉；第2個位置從籽棉清理機上采集試樣，記作2號籽棉；第3個位置從集棉機前采集試樣，記作1號皮棉。每個位置采集試樣100 g，且分時間段取12個樣品，用數(shù)字1到12進行標記。

測試回潮率的試樣在XJ130型上進行測試，每次測試質(zhì)量為50 g；測試雜質(zhì)、顏色信息的試樣在XJ128型上進行測試，每次測試質(zhì)量為50 g。

3.4 測試條件

YZ-1型系統(tǒng)測試環(huán)境：12月在新疆地區(qū)進行，軋花廠室外的溫度為-20 ℃～10 ℃，相對濕度為45%～85%。為了保證回潮測試一致性，XJ130型和YZ-1型系統(tǒng)在同一環(huán)境下進行測量。

XJ128型安裝在纖維檢驗所實驗室內(nèi)，溫度為(20±5) ℃，相對濕度為(60±15)%。由于環(huán)境不同,故采集的試樣用塑料袋包裹后送到纖檢實驗室。

3.5 操作方法

YZ-1型系統(tǒng)實時自動采集測量，XJ130型按照該儀器的操作方法由軋花廠測試人員規(guī)范操作，XJ128型由纖維檢驗所的操作員進行測試。

4 結(jié)果與討論

4.1 實驗結(jié)果

籽棉和皮棉回潮率測試對比見表1。1號皮棉試樣雜質(zhì)和顏色測試值對比見表2。

4.2 分析結(jié)果與討論

4.2.1 分析原理

采用曲線相似性比較原理[5]，簡單的模型非依賴性方法采用差異因子f1和相似因子f2方法比較各檢測項目曲線的相似性[6]。一般情況下，f1越接近0，參照點的差異性就越小，當f1≤0.15就認為數(shù)據(jù)點無差異；f2越接近1則曲線就越相似，當f2≥0.5就認為2條曲線趨勢相似。

表2 1號皮棉試樣雜質(zhì)和顏色測試值對比

差異因子f1計算公式：

(1)

相似因子f2計算公式：

(2)

式(1)和式(2)中Ri為標準設(shè)備測試的第i個數(shù)據(jù)的值；Ti為YZ-1型系統(tǒng)自動測試的第i個數(shù)據(jù)的值；n為樣品數(shù)量。

4.2.2 分析結(jié)果

由式(1)和式(2)分別計算出：YZ-1型和XJ130型測試儀器測量的回潮率差異因子f1和相似因子f2，如表3；YZ-1型和XJ128型測試儀器測量的1號皮棉雜質(zhì)和顏色測試值各項中差異因子f1和相似因子f2，如表4。

表3 回潮率差異因子f1和相似因子f2

表4 雜質(zhì)和顏色差異因子f1和相似因子f2

從表3可知，2種方法測試的回潮率曲線的數(shù)據(jù)點差異較?。挥杀?可知，2種測試方法在顏色測量上差異比較大，雜質(zhì)差異主要體現(xiàn)在雜質(zhì)面積上。

由以上數(shù)據(jù)分析可知，顏色差異大的主要原因是測試環(huán)境溫濕度差異太大，通過現(xiàn)場大量數(shù)據(jù)測試，發(fā)現(xiàn)溫度越低顏色測量的反射率越低、黃度越高，可以確定溫度對光源是有影響的。

雜質(zhì)差異大的原因是雜質(zhì)測量不是同一樣品，棉花表面雜質(zhì)分布本身就不均勻，只能作為參考，雜質(zhì)測量還需要以重量雜質(zhì)為準。

5 結(jié)語

YZ-1型系統(tǒng)可實時在線取樣檢測籽棉和皮棉有效信息，但由于使用環(huán)境溫度低、相對濕度不均勻，加之棉花本身存在差異，檢出數(shù)據(jù)和國家公檢實驗室測得數(shù)據(jù)有一定差異，但數(shù)據(jù)趨勢有一定相關(guān)性。因此，可以通過對更多樣品進行測試研究，進一步優(yōu)化算法模型，建立一套光源和溫度之間的模型。

YZ-1型系統(tǒng)可以及時反映軋花不同工序回潮和雜質(zhì)的差異，方便軋花企業(yè)通過測試數(shù)據(jù)調(diào)整設(shè)備工藝參數(shù)，真正做到“因花配車”，實時檢測軋花信息，提升軋花品質(zhì)。