异形喷丝帽微孔的全自动检测仪的技术控制

孟超群，孙 铨，杨崇倡，甘学辉

(东华大学机械工程学院纺织装备教育部工程研究中心，上海201620)

异形喷丝帽微孔的全自动检测仪的技术控制

孟超群，孙 铨，杨崇倡，甘学辉

(东华大学机械工程学院纺织装备教育部工程研究中心，上海201620)

运用机器视觉技术开发了一种可连续对6块异形喷丝帽微孔进行检测的全自动检测仪。提出了一种适用喷丝帽的三点弧面对焦方法和全自动扫描算法，相应解决了镜头在换圈时的对焦问题和不同喷丝帽微孔分布的自动走位问题。该检测仪能够实现对异形喷丝帽微孔的高精度、自动化检测，同时提高了检测效率。检测精度小于1 μm，检测速率为2 s/孔，可以连续监控喷丝孔的使用情况并及时查出运行故障。

喷丝帽 微孔 机器视觉 自动对焦 自动扫描 全自动检测仪

喷丝板是化学纤维纺丝机上的精密机件，其形状一般为帽子形、圆板形或瓦楞形，面上有许多大小一致的孔眼。湿法纺丝中的喷丝板主要为帽子形，所以又称为喷丝帽。喷丝帽微孔的孔径很小，一般为 0.05 ～0.10 mm［1］，精度很高，是影响纺丝质量的关键机件，喷丝帽微孔在加工过程中出现畸形或使用过程中产生堵塞，都会引起纤维线密度不均。目前，对喷丝帽微孔的检测主要是人工借助显微镜观察来实现的，这种方式劳动强度大，对人眼损伤比较严重，而且检查产品的质量效率低且精度不高，容易造成漏检。随着现代技术的发展，用机器来代替手工操作已成为一种必然趋势，作者通过运用机器视觉技术开发了一种对喷丝头微孔的自动检测方法已进行过报道［2］。本文主要对异形喷丝帽微孔可连续实现全自动检测的关键技术进行系列介绍。该检测仪主要由工业计算机、运动控制系统及图像采集系统组成，可实现对三角微孔、十字微孔和三叶微孔等异形喷丝帽的全自动化检测。

1 异形喷丝帽自动检测过程

1.1 异形微孔参数计算

异形喷丝帽微孔的形状各异，为了实现对其参数的计算与分析则需要进行图像处理。作者应用Labview中Imaq vision模块对微孔图像进行处理及计算。Imaq Vision是Labview内置的视觉开发工具包，其中包括Imaq Vision和Vision Builder两个组件。Imaq Vision提供了在Labview平台上开发机器视觉系统所需要的各种子程序，例如图像采集、系统校准、图像处理、几何测量等。

具体实现方式为:利用自动纠偏算法［3］将微孔纠至视野正中心，通过对图像进行中值滤波等预处理去除系统的噪声、干扰;通过图像中目标像素点利用最小二乘法拟和得两条直线，分别为:

式中:k1，k2为拟合直线的斜率。

图1中夹角(θ)两边的直线即为拟合的直线，θ根据公式(3)计算。

图1 三角微孔夹角计算过程图像Fig.1 Image of triangle micro-hole angle calculation process

1.2 喷丝帽微孔的自动对焦

喷丝帽形状特征:(1)底部呈球面状，各微孔的位置从外圈到内圈呈现由低到高的分布趋势;(2)在使用过程中由于操作不当等原因，一部分微孔会因堵塞而使喷丝头底部出现超压现象，引起喷丝头底部变形拱凸。因此，微孔在不同圈数的焦距会存在差异，在文献［4］中已有提及。通过消化和吸收，作者提出一种新的适合异形喷丝帽的自动对焦方法——三点弧面对焦方法。从图2可看出，A，C两点分别为最外圈上的两点，B点为喷丝帽的中心，要求A，C两点连接的直线经过喷丝帽的中心点B，分别对这三点实施对焦。对焦方法为:镜头先以一个较大的步长(本实验每步取0.15 mm)，电机每走一步都记录当前对焦评价函数值及镜头当前位置，这样当电机走完全程时就可得到对焦评价函数的最大值及镜头的位置;然后驱动电机走到对焦评价函数最大值时镜头的位置，再以此位置为基点向上走半个全程，以此为起点，以一个较小的步长(本实验取0.03 mm)第二次走完全程，同时记下每一步的对焦评价函数值及镜头当前的位置，最后驱动电机运动至对焦评价函数最大值时对应的镜头的位置，实现单个微孔的自动对焦。在完成对三孔对焦之后，应用数学计算即可求得在其他弧面上的焦距。

图2 三点对焦位置示意Fig.2 Focus location map of three points in the spinneret

1.3 喷丝帽微孔坐标的自动扫描

在对异形喷丝帽进行自动检测之前应确定微孔在检测系统中的坐标，为了实现全自动检测，作者提出了一种通过对异形喷丝帽进行扫描的方法来获取喷丝帽微孔的坐标，解决了喷丝帽的自动定位问题。具体实现方式为:在扫描开始前应用三点弧面对焦对喷丝帽上的确定的三点进行对焦，可计算出在圆周上每圈的焦距，见图3。扫描起点以最外圈边上开始，按照图示第一圈的轨迹扫描喷丝帽，待第一圈扫完后将镜头移动至第二圈进行扫描，直至镜头扫描完整喷丝帽结束。

图3 扫描轨迹Fig.3 Scanning path

以醋酸纤维用喷丝帽为例进行说明。扫描时镜头的放大倍数应尽量小，镜头的视野则比较大，在实验中镜头目镜调至0.75倍，物镜为2倍，加上CCD相机的放大倍数2倍，总体的放大倍数为3倍。CCD相机的靶面尺寸为6.5 mm×4.85 mm，视野范围为 4.33 mm ×3.23 mm。考虑到微孔出现在视野的边缘对扫描精度的影响，这里设定扫描在水平和垂直方向上都重叠20%，这样镜头在垂直方向上每圈移动的步数为3.4 mm，换圈时在水平方向上移动的步数为2.6 mm。喷丝帽最外圈的直径为93 mm，最内圈的直径为24 mm，因此机器扫描22圈即可完成整块板的扫描。

2 喷丝帽的检测方法

所检测的喷丝帽如图4所示［2］。喷丝帽的主要参数为:H1为14 mm;H2为12.5 mm;D1为100 mm;D2为85 mm。三角形微孔的参数:L1为0.052 mm;L2为 0.162 mm。

图4 喷丝帽示意Fig.4 Schematic diagram of spinneret

三角微孔的分布见表1所示。

表1 微孔的分布Tab.1 Distribution of micro-hole

喷丝帽检测的具体过程:CCD在 X，Y，Z，W四轴电机的驱动下走位到第一块板设定的3个坐标位置，进行自动对焦，对焦完成后机器X，Y轴运动至最外圈指定第一个微孔所在的位置同时机器Z轴运动至对应的焦距位置，然后CCD将采集到的微孔图像传输到图像采集卡，经A/D转换后通过图像处理技术自动测量微孔的几何参数，并判断微孔的合格性，同时记录微孔坐标。一个孔检测完毕后，在XY轴电机的驱动下走位到下一孔进行检测，待第一圈孔检测结束后，CCD在X轴电机的驱动下执行换圈动作进行对下一圈孔的检测，待该板上所有圈上的微孔检测完成后，转盘在W电机的带动下旋转60°对下一块喷丝帽进行检测，待机器上的所有喷丝帽检测完成时机器停止。本检测系统的检测精度在1 μm内，检测速率为2 s/孔，具有较高的检测精度、检测效率，能够输出数据记录，可以连续监控喷丝孔的使用情况并及时地查出运行故障。喷丝帽微孔全自动检测示意图如图5所示［2］。

图5 喷丝帽微孔全自动检测示意Fig.5 Schematic diagram of spinneret micro-hole automatic detection

3 结论

a.将机器视觉应用到喷丝帽检测中，运用自动对焦技术提出了三点圆弧对焦解决了喷丝帽底部拱凸时的自动对焦问题;运用图像处理技术解决了三角喷丝帽的尺寸问题;提出全自动扫描算法解决了喷丝帽检测过程中的自动走位问题。

b.喷丝帽微孔检测仪具有高度重复的准确性。检测精度小于1 μm，检测速率2 s/孔，可连续监控喷丝孔的使用情况并及时查出运行故障。

［1］罗吉六.烟用二醋酸纤维丝束新行业标准解读［J］.烟草科技，2003(9):31.

［2］冯培，刘家强，裘大洪，等.基于视觉系统对喷丝头微孔的自动检测［J］.合成纤维工业，2012，35(1):64 －66.

［3］尹平平，杨崇倡，张鹏，等.喷丝板自动检测中基于机器视觉的自动纠偏［J］.东华大学学报:自然科学版，2007，33(1):118－120.

［4］李春雷，崔斌，吴兴宽，等.基于机器视觉的喷丝头自动化检测方法［J］.纺织学报，2010，31(11):126 －130.

Automatic detection technology of profiled spinneret micro-hole

Meng Chaoqun，Sun Quan，Yang Chongchang，Gan Xuehui
(Engineering Research Center of Advanced Textile Machinery of Ministry of Education，College of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai 201620)

An automatic detection instrument was developed for continuously detecting six pieces of profiled spinneret microholes by machine vision technique.A three-point globoidal focusing method and an automatic scanning calculation were proposed for spinneret，which solved the focusing problem of lens while changing aperture and the automatic moving problem of spinneret micro-holes with different arrangement.The instrument realized the high-precision automatic detection for profiled spinneret micro-holes，aiming at continuously inspecting the operation performance and checking the operation failure with the detection precision below 1 μm and speed of 2 s/hole.

spinneret;micro-hole;machine vision;automatic focusing;automatic scanning;automatic detection instrument

TQ34.642

A

1001-0041(2012)03-0052-03

2011-07-20;修改稿收到日期:2012-03-20。

孟超群(1987—)，硕士研究生，主要从事化纤机械设计及其理论研究。E-mail:ycc@dhu.edu.cn。

上海市教育委员会科研创新重点项目(12ZZ066)。