基于图像监控的光纤绕线机排线系统研究

冯硕春

中国电子科技集团公司第46研究所设备开发部，天津 300220

目前的光纤绕线机在绕线过程中，张力控制具有较大波动、设备自动化程度较低，且排线精度不高等缺点，需要及时采取科学手段，改进光纤绕线机排线系统。基于图像监控的光纤绕线机排线系统主要是在对视觉监控系统中的光源、摄像机以及镜头实现合理化选型基础上，结合图像监控下光纤绕线机排线工艺，利用图像监控系统控制排线系统的故障，以此达到高精度自动化排线，提高了系统运行效率。

1 光纤环绕制方式对温度抑制性能

光纤绕线机在工作中，自然场、温度变化、外界振动以及温度变化率等都会对其使用造成影响。尤其是外界温度发生变化的时候，光线折射率也会随之改变，进而引发两束相向传播光的传播特性也出现变化，出现非互易性的相位差，对光纤陀螺仪使用寿命和零偏都造成严重影响。通过相关研究调查，发现合理选择绕制方式能够增加光纤绕线机抵抗外部温度变化能力，对温度差带来的影响加以抑制，提高光纤绕线机工作效率和质量[1]。光纤绕线机的工作方法经过多次改进，由以往的圆柱形绕制法逐渐改变为二级、四级、八级对称绕制法，不同绕制方法自身抑制温度变化的能力也不一样，且近年来逐渐提出了免交叉绕对称制法以及十六级对称制法等，不同的绕制方法所适应的光纤绕制领域都有所差异，但是所有绕制方法的基础都是四级对称绕制方法（图1）。

图1 四级对称绕制方式截面图

2 基于图像监控的光纤绕线机绕线工艺分析

基于图像监控的光纤绕线机，主要是通过视觉系统对光纤实际排布状态进行动态监控，将传统的人工拨线替换成拨线机构，提升拨线方法的自动性、可靠性与高效性。在光纤绕线机排线系统当中加入图像监控，能够一定程度上改变传统光纤绕线工艺。本文主要针对光纤绕线机绕线工艺产生的变化加以分析。

用户在用户界面中无需自动拨线系统和图像监控系统的操作，可以直接对图像监控模式与手控排线模式进行自主选择手动操作模式与传统模式没有差异，系统排线精度依旧取决于伺服机构，此时可以在人为观察下及时排除系统故障。通过视觉监控模式操作光纤绕线机排线系统时，左右两侧张力控制结构将对摄像机的图像采集工作产生一定影响，所以需要在张力控制机构不断运动过程中，针对合适的运动位置，利用外部触发方式获得优质图像，避免图像采集工作受到张力控制结构的干涉[2]。在自动排线过程中，初次实现视觉监控时要在位置未知条件下，结合用户操作界面显示出来的相关资料信息，做出相应绕线操作，在绕线过程中准确把握排线机构具体位置，使后续绕线操作过程能够有效地通过外部触发方式实现自发操作，提升系统自动化运行程度。

不管在哪种模式下，都要对运动控制箱体具体水平移动量、放线轮张力控制机构、放线轮和收线轮实际旋转速度进行准确计算[3]。基于图像监控的光纤绕线机排线系统可以利用机器视觉对系统实现故障诊断，自动获取故障诊断信息，同时把拨线轮具体运动控制相关信息反馈到工控机当中，以更加及时准确地获得运动控制命令，提高系统运行效率和精度。

3 基于图像监控的光纤绕线机排线系统故障检测

3.1 基于图像监控的光纤绕线机平台设计

光纤绕线机排线系统中的计算机可以利用驱动软件实现与摄像机之间的连接，在相机打开之后，可以在拨线监控屏幕中显示相机摄取到的图像，进而通过应用软件有效处理相机图像，对光纤绕制过程各方面进行测量，检测绕制过程有无缺陷，同时结合图像处理算法，对拨线轮运动加以控制。要对监控系统当中的光源系统进行合理设计，确保光源照明系统的稳定、对比度强、全面和亮度充足，并且要求成像质量优良，满足多种工作条件要求。在获得监控图像之后，需要在光纤绕线机的监控系统中设置图像处理流程，以对图像进行增强、分割、特征提取以及边缘提取、匹配定位等处理。

3.2 以图像监控为基础的故障检测算法

图像监控到的光纤绕线机绕制过程中具体的光纤轮廓图像，在经过增强、分割和边缘检测之后，要使计算机充分理解图像，还要合理提取图像特征，以增强图像视觉效果。光纤环相应波峰波谷的轮廓局部较为明显，可以此对光纤波峰分布情况实现清晰观察与掌握，进而结合图像波峰，检测排线故障检测。如果光纤绕线机排线系统在工作中发生光纤跳匝现象，此时图像当中就会表现出来。在观察图像的时候，如果两个波峰横坐标之间的间距为波峰总间距位数的1.5倍，则没有跳匝现象，否则就表明出现了跳匝现象，即存在间隙。要判断排线系统是否存在重叠，可以通过判断相邻波峰之间的坐标差是否超过全部相邻波峰位置差相应中位数的1.5倍，超过就表明发生了重叠现象。通过图像监控系统获取光纤绕线机排线系统实际工作状态之后，需要及时有效的采取必要措施调整设备工作方式，以提高系统排线精确度。

4 结语

基于图像控制的光纤绕线机排线系统能够较为理想地处理光纤绕线排线工作，及时发现光线绕线工作当中发生的特殊问题，有针对性地调整拨线轮运动，提高光线绕线机排线系统的精度和效率。为了更加完备的获得光线绕线机监控系统，还需要进一步加强实验和研究，有效提升图像处理算法的鲁棒性，促使光纤绕线机排线系统工作更加灵活可靠，自动性能更突出。