基于數(shù)字圖像的錠子振動檢測平臺開發(fā)

宋成龍, 陳家新, 李 陽

(東華大學(xué) 機械工程學(xué)院,上海 201620)

0 引 言

錠子的轉(zhuǎn)速與振動直接決定細紗機的產(chǎn)量與質(zhì)量。1980年陳瑞琪成功研制了光電式錠子軌跡測定儀[1]；馬曉建等人開發(fā)了數(shù)字化的錠子軌跡檢測系統(tǒng)[2]；錢家德利用錠子的力學(xué)模型通過理論計算得出部分情況下錠子的振動軌跡。這些測量方式大都利用測振傳感器來獲得錠桿位移,并非錠子端面的軌跡,而且只能測量錠子空載時的振動軌跡,使錠子性能的提高受到阻礙。隨著計算機視覺技術(shù)的發(fā)展,用數(shù)字圖像來測量錠子振動成為可能。利用工業(yè)攝像機測量的優(yōu)點在于,可以獲得錠子端面的位移并且可以測量錠子在帶載狀態(tài)下的振動,為進一步提高細紗機的產(chǎn)量打下基礎(chǔ)。

本文錠子振動測量平臺通過工業(yè)相機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軌跡。

1 錠子特征分析

1.1 錠子的結(jié)構(gòu)特征

細紗機錠子主要由錠腳、錠盤、錠桿等部件組成[3]。其中,錠桿對紗線進行卷繞,錠盤為軸承遮擋灰塵與異物,末端的錠腳起支撐作用。

1.2 錠子的動態(tài)特性

錠子的動態(tài)特性包括噪聲、振動等方面[4]。雖然在錠子出廠前會對錠子進行靜平衡與動平衡的檢測,但是由于磨損與高速轉(zhuǎn)動,錠子不可避免地會受到空間力偶的影響而出現(xiàn)受迫振動。當小于一階臨界轉(zhuǎn)速時,其軌跡為橢圓形或圓形；當轉(zhuǎn)速超過一階臨界轉(zhuǎn)速時,其軌跡為一個復(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

2.1 硬件總體設(shè)計

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

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計及實測平臺

2.2 電機驅(qū)動控制器與微控制器

測試平臺采用4對極無刷直流電機作為動力模塊,在電機控制器的驅(qū)動下帶動錠子做定速旋轉(zhuǎn)。系統(tǒng)采用STM32F4作為錠子電機的調(diào)速控制器,STM32F4是由意法半導(dǎo)體(ST)開發(fā)的一種高性能微控制器(micro control unit,MCU)。MCU測量電機的霍爾信號頻率并計算其對應(yīng)的轉(zhuǎn)速,計算如式(1)

n=f×60/4

(1)

式中n為轉(zhuǎn)速,r/min;f為霍爾信號頻率,Hz。

電機驅(qū)動控制器的轉(zhuǎn)速控制線是按照電壓的比值進行調(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)霍爾信號頻率計算當前轉(zhuǎn)速與目標轉(zhuǎn)速之差,利用MCU對電機轉(zhuǎn)速進行閉環(huán)控制,實現(xiàn)錠子達到預(yù)期轉(zhuǎn)速的目的

2.3 工業(yè)相機

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

2.4 相機觸發(fā)控制器

測試平臺對圖像采集的實時性要求較高,如用個人電腦(PC)觸發(fā)外圍設(shè)備會使系統(tǒng)硬件極其復(fù)雜,而單片機實時性較高,系統(tǒng)利用其實現(xiàn)相機的硬件觸發(fā)采集圖像。利用STM32F4與工業(yè)相機相連,通過輸入/輸出(I/O)定時發(fā)出脈沖對相機進行觸發(fā)。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵算法研究

3.1 若干周期連續(xù)分時采集

細紗機錠子在工作時最高轉(zhuǎn)速可達30 000 r/min。在一個轉(zhuǎn)動周期內(nèi)采集所需的圖片(例如200張),對工業(yè)相機的性能要求較高。所以待錠子進入穩(wěn)定運轉(zhuǎn)后,本系統(tǒng)采用若干周期連續(xù)采集,即在若干個周期內(nèi)實現(xiàn)振動錠子圖像的采集,保證這些圖像等價于在一個周期內(nèi)采集的圖像。將工業(yè)相機設(shè)置為硬件觸發(fā)模式并編寫可動態(tài)適應(yīng)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)制脈沖算法,使MCU按照規(guī)定的時間觸發(fā)相機,確保了后續(xù)圖像處理的準確性。

3.2 圖片像素當量標定

實驗需要得到圖像中每個像素的物理長度,即像素當量[5]。按式(2)計算得到每個像素的物理長度

Lj=Sj/Mj

(2)

式中Lj為像素當量,μm/像素;Sj為參照物實際物理長度參數(shù),μm；Mj為參照物在圖片中占的像素個數(shù),像素。為提高測量精度,直接利用錠子端面的直徑(14 mm)與對應(yīng)的像素點數(shù)量(398個),根據(jù)公式算出像素當量Lj=35.176 μm/像素。

3.3 端面圓心檢測算法

檢測錠子端面圓心的算法分為兩個階段,第一階段檢測出端面的圓周邊界,第二階段利用上一階段的邊界點擬合得到端面圓心,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別出的圓的效果評估)。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。

第二階段識別圓心,利用閾值函數(shù)把圖片分為兩個部分并識別邊緣[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,即使當錠子處于靜止狀態(tài)時,獲取的不同位置的圖像,其圓心坐標不一致,所以，在測量高速轉(zhuǎn)動錠子的振動時,其中會包含錠子的靜態(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記的方法可求出某一位置上高速錠子所對應(yīng)的靜態(tài)偏差。圖4為測得的錠子靜態(tài)偏差,圖中，橫縱坐標為錠子圓心在480像素×480像素的圖3中的位置坐標。

圖4 錠子靜態(tài)偏差

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

4.1 圓心坐標分布

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

4.2 圓心坐標擬合

系統(tǒng)利用MATLAB軟件擬合50個二維坐標點。確定采用最小二乘法來擬合曲線,用平方差做代價函數(shù)評估最終的擬合精度[8]。在錠子轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時,錠子端面的圓心振動軌跡擬合曲線(大的斜橢圓)如圖5所示。

從以上擬合結(jié)果分析得出,錠子振動軌跡類似一個橢圓形,橢圓的長軸有12個像素點,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)相機測量錠子振動的可行性。

圖5 擬合錠子振動

5 結(jié) 論

在計算機視覺技術(shù)與工業(yè)相機技術(shù)的支持下,開發(fā)了細紗機錠子振動檢測平臺,該平臺具備了錠子振動檢測的基本功能,驗證了錠子振動理論,同時此測試平臺也為開發(fā)更高轉(zhuǎn)速和達到更高精度的測試系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。