機器視覺在智能化紡紗生產(chǎn)中的應用現(xiàn)狀

徐偉鋒 胡俊武 祝新軍 葉佳佳

（1.紹興職業(yè)技術學院，浙江紹興，312000；2.振德醫(yī)療用品股份有限公司，浙江紹興，312000）

我國《紡織行業(yè)“十四五”科技、時尚、綠色發(fā)展指導意見》指出，紡織科技堅持創(chuàng)新驅動發(fā)展，加強協(xié)同創(chuàng)新，強化產(chǎn)學研深度融合，大力推動產(chǎn)業(yè)鏈和創(chuàng)新鏈的精準對接，積極推進智能制造與先進裝備、綠色制造、先進紡織制品等關鍵共性技術及裝備的研發(fā)與應用，從而促進紡織行業(yè)高質量發(fā)展［1］。其中，在紡紗智能裝備加工技術中，重點是紡紗質量在線檢測系統(tǒng)、棉條和細紗等自動接頭機器人、環(huán)錠紡紗智能成套裝備等的研發(fā)與應用。同時，隨著智能制造和無人化工廠的不斷推廣，以及人工智能、機器視覺、工業(yè)機器人、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等先進技術的高速發(fā)展和進步，傳統(tǒng)棉紡企業(yè)面臨新的挑戰(zhàn)，紛紛加速轉型升級，融入多種先進技術，通過數(shù)據(jù)驅動，將各類生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)有機融合，提高紡紗質量和生產(chǎn)效率，實現(xiàn)高品質智能化紡紗生產(chǎn)［2］。然而，目前傳統(tǒng)棉紡企業(yè)紡紗生產(chǎn)效率不高、質量檢測效果不理想，要實現(xiàn)紡紗產(chǎn)品的高品質，紡紗的質量檢測把控至關重要，而機器視覺檢測具有精度高、靈活性強、無接觸檢測等特點，已廣泛應用到工業(yè)智能化生產(chǎn)中。本研究重點就機器視覺檢測技術在棉紡智能化紡紗生產(chǎn)中的應用進行深入探究。

1 棉紡智能化紡紗生產(chǎn)流程

在棉紡智能化生產(chǎn)過程中，機器視覺檢測技術應用主要涉及開清棉、梳棉、細紗和絡筒等關鍵工序［3］。如開清棉過程的異纖檢測、梳棉過程的棉網(wǎng)在線檢測、細紗加工檢測和筒紗加工檢測等，并將機器視覺感知數(shù)據(jù)與生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)共享，通過數(shù)據(jù)驅動，提高紡紗質量和生產(chǎn)效率。而在抓包、并條和粗紗各工序生產(chǎn)過程中，機器視覺檢測還未涉及，但智能化生產(chǎn)相關技術已涉及，如抓包機根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)下達的智能配棉數(shù)據(jù)，按要求進行原棉抓包上料；并條工序智能化自調勻整控制系統(tǒng)的應用及粗紗工序中具有高質量、高速度和高效率的智能化粗紗機應用，實時穩(wěn)態(tài)檢測等。

2 機器視覺在智能化紡紗生產(chǎn)中的應用

2.1 原棉異纖檢測

原棉異纖檢測是為確保供給原棉的質量，對原棉中的異纖進行檢測和清除處理，其常見異纖有化學纖維、絲、麻、染色線、雜草、毛發(fā)、動物羽毛、塑料薄膜等多種類型［4］。按異纖檢測原理，原棉異纖實時檢測主要分為超聲波異纖檢測、光電異纖檢測和機器視覺異纖檢測［5］。超聲波異纖檢測雖可對全閾值范圍異纖進行檢測，但對較小異纖檢測存在難度，且檢測速度達不到原棉異纖實時檢測要求。光電異纖檢測利用原棉與異纖間的色差，轉換成對應光電器件的電流差值，并進行放大，對比輸出檢測結果，但僅對色差較大的異纖檢測有效，檢測穩(wěn)定性較差。而機器視覺原棉異纖實時檢測是利用CCD 工業(yè)相機實時獲取異纖圖像，通過圖像處理分析和特征提取算法［6］，提取異纖圖像特征，并結合視覺顯著性模型計算和深度學習等算法，對異纖特征圖像進行識別和分類，并將檢測數(shù)據(jù)與系統(tǒng)實時共享，實時對其進行高效精準清除。目前，原棉異纖視覺檢測應用廠家較多，國外主要有USTER 公司、RIETER 公司、特呂茨施勒公司等，而國內(nèi)有北京大恒圖像視覺有限公司、經(jīng)緯紡織機械股份有限公司以及陜西長嶺紡織機電科技有限公司等。

USTER 公司開發(fā)的USTER JOSSI VISION SHIELD 型異纖檢測儀，利用視覺光譜成像和光學增亮技術，通過自動快速學習檢測算法，能對原棉進行實時檢測和清除。特呂茨施勒公司開發(fā)的TS-T5 型異纖機，采用具有高分辨率和掃描頻率的4 個CCD 工業(yè)T-SCAN 相機，結合偏振濾鏡和偏光鏡，通過具有自主優(yōu)化的嵌入式圖像處理技術，分模塊化對黑白、彩色、透明、光澤以及小型等不同性質的異纖進行檢測，其裝置不僅能檢測異纖顏色，還能檢測異纖光澤。

北京大恒圖像視覺有限公司最新開發(fā)的超越VS 系列A 型和M 型異纖分揀機，利用2 組彩色定制工業(yè)相機采集圖像，通過圖像識別技術和獨特LED 混合光源的設計，對丙綸絲、地膜等無色異纖以及青灰色編織線有較好的檢測，可作為清梳聯(lián)過棉通道的一部分，裝置安裝方便且占用空間小，與之前同類產(chǎn)品相比，誤檢誤噴減少，檢出率提高10%，噴花量降低20%，可有效降耗節(jié)能。同時，為實現(xiàn)“原棉零異纖”目標，研制“一線兩機”的方案，即先通過A 型異纖分揀機，清除大部分異纖，經(jīng)梳棉風機開松后，通過M 型異纖分揀機，清除剩余的異纖。

另外，武漢大學DSP 研究所與宜昌經(jīng)緯紡機有限公司共同研制開發(fā)的2021 款N 型和R 型卓目智能云異纖機，利用機器視覺、紅外散射和人工智能技術，設計極小的噴花量，對每一異纖實時檢測，實現(xiàn)精準清除，并結合云物聯(lián)網(wǎng)核心技術，提高檢測率、噴花量和穩(wěn)定性等指標，對地膜和各類白色PP 異纖的綜合檢測性能有顯著提升。

2.2 梳理棉網(wǎng)在線檢測

原棉經(jīng)高速梳理形成的棉網(wǎng)會存在棉結或雜質，造成生條結雜，從而影響紡紗質量［7］。目前，大多數(shù)廠家在梳理棉網(wǎng)在線檢測中，主要采用人工檢測、機械檢測和電磁檢測等傳統(tǒng)的檢測方法，但也有少數(shù)廠家已將機器視覺應用到棉網(wǎng)在線檢測中。而隨著清梳聯(lián)的推廣，人工檢測由于效率低、成本高、易產(chǎn)生漏檢誤檢，實際應用較少。機械檢測是在梳棉裝置上，安裝多種除塵刀，根據(jù)雜質或棉結大小，通過調節(jié)除塵刀排雜寬度和梳理隔距，去除對應的異物，但對較小的雜質或棉結無法檢測。電磁檢測主要是針對棉網(wǎng)中小金屬雜物的檢測，通常是在梳棉機上加裝特殊金屬異物探測器，當探測到極小金屬雜物時，梳棉機需要及時停機，去除金屬異物，避免其對梳棉裝置的損壞，但其檢測效率較低，梳棉機效能也相應降低。

基于機器視覺的梳理棉網(wǎng)在線檢測，國外研究應用較早，相關紡機企業(yè)已推出對應的產(chǎn)品。如特呂茨施勒公司開發(fā)的智能型具有自調節(jié)的TC19i 型梳棉機，在機械檢測的基礎上，增加了機器視覺檢測功能，模擬人類視覺感知，通過安裝在剝棉羅拉下的攝像頭，以20 幀/s 的速度實時對動態(tài)的梳理棉網(wǎng)進行圖像采集；同時，工業(yè)相機根據(jù)工藝要求在梳理棉網(wǎng)上方進行往復移動，獲取梳理整個作業(yè)寬度的棉網(wǎng)圖像，并通過圖像處理與分析，對棉結和雜質進行檢測與分類，將檢測結果數(shù)據(jù)傳送給企業(yè)生產(chǎn)質量信息管理系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)智能分析與結果顯示及時做出對應措施。

國內(nèi)目前在梳棉裝備中應用機器視覺檢測的廠家還很少。其中，在2020 中國國際紡織機械展覽會暨ITMA 亞洲展覽會上，青島宏大紡織機械有限責任公司推出的JWF1217 型梳棉機，通過機器視覺檢測和圖像處理分析技術，實現(xiàn)梳棉過程中棉結智能化在線實時檢測，并對設備運行過程的關鍵工藝參數(shù)實時監(jiān)控，將高質、高產(chǎn)與智能化有效結合。

2.3 細紗加工檢測

細紗是紡紗生產(chǎn)加工過程中最為關鍵的工序，紗線質量直接關系到最終紡紗的品質，而每臺細紗機上通常配有數(shù)百以上的單錠部件，需實時巡檢紗線弱捻或斷頭的情況并及時處理，維護成本高、質量把控難度大［8］。目前，細紗機的紗線檢測通過細紗單錠檢測裝置或系統(tǒng)進行實現(xiàn)，采用的檢測技術以電磁感應檢測和光電感應檢測為主，涉及的主要生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品有印度普瑞美公司的UItimo ISM、USTER 公司的USTER SENTINEL、深圳嘉友智控科技有限公司的單錠在線檢測系統(tǒng)2.0 等。但是，由于電磁感應檢測是對磁化的鋼絲圈電磁感應信號的檢測，雖受生產(chǎn)環(huán)境影響較小，成本低，但易受鋼絲圈磁化程度和振動等因素的影響，不便于維護；而光電感應檢測主要涉及鋼絲圈運動狀態(tài)和紗線遮擋光路程度的檢測，維護方便，但成本高，易受生產(chǎn)環(huán)境影響而出現(xiàn)誤報。同時，電磁感應或光電感應檢測對紗線毛羽或棉結等質量指標的檢測實現(xiàn)較為困難，影響紗線質量。

為確保生產(chǎn)出高品質的紗線，在細紗單錠檢測的基礎上，通過安裝在移動AGV 小車上的高清800 萬像素的CCD 工業(yè)相機，對設定區(qū)域位置的紗線快速動態(tài)圖像采集，經(jīng)圖像預處理后，提取目標圖像特征及圖像分割，并利用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡修正算法［9］，對紗線目標圖像進行識別與分類，從而實現(xiàn)對紗線條干毛羽、棉結、弱捻和斷紗等質量指標的無接觸式實時檢測。

2.4 筒紗加工檢測

絡筒工序是產(chǎn)生紗線成品的最后一道工序，其機器視覺檢測應用在托盤式或紗庫式的絡筒投料和筒紗質量檢測兩個方面，而筒紗質量檢測主要涉及筒紗卷繞密度和筒紗缺陷的檢測。

托盤式絡筒投料過程，采用機器視覺檢測技術，通過對采集圖像的處理與分析，提取需要的目標特征圖像，與目標圖像庫內(nèi)的標準特征進行對比，確認紗管有無受損或紗管上有無殘紗、以及紗管大小頭所處位置，并根據(jù)檢測結果做出對應的處理，確保管紗投放正確，提升絡筒效率。對應的產(chǎn)品如青島宏大紡織機械股份有限責任公司開發(fā)的VCRO-I 細絡聯(lián)型托盤式自動絡筒機，品種適用范圍廣，可最多配置72 錠，采用機器視覺檢測技術，對管紗的情況進行智能判斷確認及處理。

而在紗庫式絡筒投料過程，機器視覺檢測不僅要對管紗的情況進行確認，還要檢測管紗需要投放的實際位置，如深圳市微埃智能科技有限公司推出的智能紡織AI 投紗機器人，基于深度學習的AI 視覺系統(tǒng)安裝于機械臂末端，獲取實時圖像并進行自學習，累積對應數(shù)據(jù)，并通過AI 視覺算法控制移動機器人運動，完成絡筒投料。

在筒紗加工過程中，為解決筒紗密度測量難度大且效率低等問題，利用機器視覺檢測技術，根據(jù)成像透視投影原理［10］，通過像素當量分析計算所檢測目標的筒紗實際直徑和體積相關參數(shù)，并結合高精度質量傳感器獲得的檢測數(shù)據(jù)，計算獲得筒紗密度數(shù)據(jù)進行分析及相應處理，實現(xiàn)對筒紗卷繞密度的質量控制。

另外，針對筒紗的多層臺、多源紗、菊花芯和網(wǎng)紗等常見缺陷［11］，為提高檢測準確率和檢測效率，采用機器視覺檢測技術，利用3 個及以上具有多級速度可調的工業(yè)相機，對筒紗的頂面和側面進行全方位的圖像采集，后續(xù)處理與異纖圖像處理流程類似，提取缺陷圖像特征，結合深度學習算法，對獲得的缺陷特征圖像進行識別及分類，實現(xiàn)筒紗缺陷的實時在線檢測，從而提升紡紗的智能化。

3 展望

機器視覺在棉紡智能化紡紗生產(chǎn)中的應用可以看出，機器視覺智能感知技術具有高精度、高效率、靈活性強、無損感知等獨特優(yōu)勢，已成為智能化生產(chǎn)中的重要組成部分，成為智能制造與先進裝備高精度、高品質、智能化作業(yè)的重要保障。同時，在棉紡智能化紡紗生產(chǎn)中，利用云邊協(xié)同機制，將機器視覺智能感知數(shù)據(jù)與生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)互通共享，并與上層MES、ERP 等系統(tǒng)進行對接，將全流程紡紗過程數(shù)據(jù)進行整體融合，分析影響紡紗過程中質量的關鍵因素，構建棉紡智能化紡紗的質量評價指標體系，為實現(xiàn)基于棉紡企業(yè)智能化紡紗生產(chǎn)平臺的協(xié)同智能制造創(chuàng)造條件，從而促進棉紡企業(yè)轉型升級和智能化改造，實現(xiàn)高品質智能化紡紗生產(chǎn)。