光電式編織袋覆膜過程寬度檢測及修正系統(tǒng)

范有情，朱亞超，程龍飛，何 濤

（1湖北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代制造質(zhì)量工程重點實驗室，湖北 武漢430068；2湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

內(nèi)粘膜塑料編織袋內(nèi)粘工序的傳統(tǒng)做法是：將帶有內(nèi)粘膜的塑料編織袋卷布放在內(nèi)粘機機架上，通過充氣（將布吹脹成圓筒狀）、加溫等工藝將內(nèi)膜牢固地粘合在塑料編織袋的里面，由此便得到內(nèi)粘膜塑料編織袋.但由于受到換卷、接頭、編織袋破洞等諸多因素的影響，氣體會從內(nèi)粘布里面跑出來，造成布直徑變小.當(dāng)下解決的辦法是，一旦發(fā)現(xiàn)布的直徑變小，就人工用氣槍進行補氣，如果派專人看管既費工又費時，而且只要一疏忽就會產(chǎn)生大量廢品，不僅質(zhì)量得不到保證，工作環(huán)境也不適宜長期人工操作，因此需要一種自動化設(shè)備來完成這樣的自動檢測、自動補氣和自動標(biāo)記工作.筆者首先采用結(jié)構(gòu)光投影測量法獲得覆膜過程中的圓柱形編織袋的圓跳動變化值，通過圓跳動變化值來判斷編織袋在覆膜時是否需要補氣.然后通過編碼器計數(shù)得到編織袋運行的速度，從而使充氣氣缸的運行速度與編織袋的運行速度同步，同時完成標(biāo)記動作.

1 測量原理和數(shù)學(xué)模型

考慮到現(xiàn)場的工作空間和在線測量實時性的要求，以及編織袋漏氣狀態(tài)時會同時向中心收縮的特性，本文采用結(jié)構(gòu)光投影測量法獲得覆膜過程中的圓柱形編織袋的圓跳動變化值.當(dāng)結(jié)構(gòu)光投射到內(nèi)粘機出口處的編織袋上，由于編織袋的阻擋，上述線激光會在背光板上形成一條線段（圖1），相機可采集到投影線段（圖2）.當(dāng)內(nèi)粘機中編織袋的氣壓不足，背光板上的投影線段將會變長，所以此處只需計算投影線段最低點的變化就可判斷是否需要補氣.

通過分析圖像，在背光板中實際獲得的光帶是具有一定寬度的窄條紋.如需獲得光帶的最低點，就法求光帶條紋的中心［1］.如圖3所示，在整幅圖像上存在一些其他的灰度值不一致的點，這主要是由于背光板表面粗糙度帶來的背景噪聲影響.為了除去這一噪聲，首先設(shè)置強度閾值T，將所有灰度值小于T的，都置為0，即

式中I（i，j）表示圖像中第i行、第j列的灰度值.

圖3 直方分布圖

然后利用重心法，求取光強的中心要對光帶進行中心的提取.本文結(jié)合閾值法與重心

上式是針對某一列灰度數(shù)據(jù)的情況下的計算公式，所以這里為常量，亦即重心的另一個x＝i對條紋灰度圖像的若干列提取中心，得到一組重心坐標(biāo)｛（x0，y0），（x1，y1），…（xm，ym）｝.對這組數(shù)據(jù)進行直線擬合，即可得到光帶條紋中心線［2］.

由于覆膜過程中的圓柱形編織袋的圓跳動，會造成光帶中心線的長短發(fā)生變化.然而光帶中心線的一端是不會變化的，在另一端的變化會使光帶中心線長短發(fā)生變化，則取光帶中心線的最低點的變化值來判斷編織袋在覆膜時是否需要補氣.

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 編織袋覆膜寬度檢測和修正軟件設(shè)計

一種光電式編織袋覆膜過程質(zhì)量檢測及修正系統(tǒng)，應(yīng)用于內(nèi)粘膜塑料編織袋的內(nèi)粘機上，包括機架以及依次裝設(shè)在機架上的相機裝置、補氣裝置、計數(shù)裝置和標(biāo)記裝置，還包括計算機處理裝置，其控制流程如圖4所示.

圖4 編織袋覆膜寬度檢測及修正控制流程圖

步驟如下：首先相機對背光板上的光線進行圖像采集，并將所采集的圖像傳送至所述計算機控制裝置進行圖像處理；其次計算機控制裝置在經(jīng)過圖像處理判斷得出編織袋中的氣壓不足時，控制補氣電機通過同步帶帶動氣缸和氣針在導(dǎo)軌上隨著內(nèi)粘機的滾輪速度同步運動，并在到達預(yù)設(shè)的終點后快速返回（如在充氣過程中檢測到編織袋氣壓充足時，氣缸將會收回，然后在到達預(yù)設(shè)的終點后快速返回）；最后，由計算機所得到的編碼器的數(shù)值判斷在充氣時預(yù)標(biāo)記位置來確定是否做標(biāo)記.

2.2 編織袋覆膜寬度檢測和修正硬件設(shè)計

編織袋寬度檢測和修正系統(tǒng)控制選用基于PC機的測控系統(tǒng)模式.硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示，主要由“執(zhí)行機構(gòu)”和“控制單元”兩部分組成.“執(zhí)行機構(gòu)”主要包括步進驅(qū)動器、繼電器控制板卡、步進電機、充氣氣缸、標(biāo)記氣缸等，通過步進電機帶動同步帶帶動氣缸往返運動，同時充氣氣缸把氣針扎入編織袋，標(biāo)記氣缸等待標(biāo)記動作；“控制單元”主要包括工控機、運動控制卡、運動控制應(yīng)用軟件等，是檢測和修正系統(tǒng)控制的核心，負責(zé)采集反饋的編碼器信號和限位開關(guān)信號、人機交互和統(tǒng)一調(diào)度指揮“執(zhí)行機構(gòu)”的所有動作，確保檢測和修正系統(tǒng)的運動安全可靠.

在“控制單元”對“執(zhí)行機構(gòu)”實施控制的過程中，運動控制卡至關(guān)重要，它傳輸數(shù)字信號，是工控機和執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)系的橋梁，又是執(zhí)行機構(gòu)的直接控制者，其性能的優(yōu)劣直接影響整個測控系統(tǒng)的性能.本系統(tǒng)采用的是深圳雷賽科技的DMC2410運動控制卡，它基于PCI總線，性能優(yōu)越，功能強大，使用軟件或外部輸入信號可控制4軸伺服／步進電機運動，能很好滿足該移動平臺的運動控制需求.

圖5 編織袋覆膜寬度檢測及修正系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

本系統(tǒng)運動控制選用基于VC＋＋的圖像采集和數(shù)據(jù)采集，以及采用編碼器測速的方式，能夠完成對編織袋運行速度的同步跟蹤和編織袋中氣壓的自動檢測功能以及自動補氣功能和自動標(biāo)記功能，從而實現(xiàn)了內(nèi)粘膜塑料編織袋的高速、高質(zhì)量加工，同時大大節(jié)省了人力成本.

［1］吳慶華，鐘 飛.光切法薄片零件在線厚度測量［J］.儀器儀表學(xué)報，2011（6）：305－308.

［2］胡 坤，周富強，張廣軍.一種快速結(jié)構(gòu)光條紋中心亞像素精度提取方法［J］.儀器儀表學(xué)報，2006，27（10）：1 326－1 329.