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【摘要】文章分析了纱线断头监测技术研究现状，针对基于机器视觉的断头监测装置，提出了设计方案。
【关键词】断头监测；专利；机器视觉；系统结构
引言
细纱生产是将粗纱纺成一定支数、符合国家质量标准要求的细纱，并绕成一定的卷装形式，以供机织或针织工程使用。细纱断头率是细纱生产的主要技术指标之一，是影响劳动生产率的重要因素。细纱断头多，势必要增加工人来回巡检的劳动强度，成纱质量也要随着下降，相应产量也进一步降低。因此，降低细纱断头率始终是纺纱生产中需要解决的重要课题，而断头率的高低也作为纺织厂生产水平的考核指标。
1、纱线断头监测研究现状
现今国内外市场上有多家厂商推出细纱机断头监测产品，但仅仅是被少量纺织厂少量应用，从未大量推广。主要原因是现有的断头监测产品价格较高，纱厂安装该附件装置投资成本高，投资回报率低，同时，现有产品维护检修较麻烦，生产过程中会影响纱厂锭子保全维护。
申请号为CN03824163的环锭纺纱机的传感器系统，由里特机械公司于2002年8月13日在瑞士申请了环锭纺纱机的传感器系统的发明专利，在优先期内申请了中国发明专利，于2010年5月12日在中国授权公告。
申请号为CN201210250880的用于纱线监测的反射式光电结构及方法，由乌斯特技术股份公司于2012年7月19日在中国申请了一种用于纱线监测的反射式光电结构及方法的发明专利，于2014年2月12日在中国公告。
申请号为CN201310396853.7的用于纺纱机的纱线监测系统，由株式会社丰田自动织机于2012年9月5日在日本申请了用于纺纱机的纱线监测系统的发明专利，在优先期内申请了中国发明专利，于2014年3月26日在中国公告。
申请号为CN98111683.3的环锭纺纱机上的纱线的监测装置，由泽韦格路瓦有限公司于1997年12月17日在瑞士申请了环锭纺纱机上的纱线的监测装置的发明专利，在优先期内申请了中国发明专利，于2004年6月23日在中国授权公告。2010年2月10日出公告因未缴年费专利权终止。
除了以上较为典型的发明专利以外，经专利检索，国内外还另有多家企业和个人申请了发明专利及实用新型专利。从结构上来讲，其类型主要包括监测头固定式和监测头巡回式两种。其中监测头固定式是在细纱机每个锭子处安装相应的监测头，探测相应的运动件从而判断与其相关联的纱线是否断头；监测头巡回式是在细纱机单侧各装一个监测头，监测头依靠轨道、驱动电机、线缆完成往复运动，从而判断出纱线是否断头。从实现原理上讲，主要分为钢丝圈运动光电扫描、钢丝圈运动电磁感应、钢丝圈摩擦热敏传感、导纱钩纱条光路遮断等。
2、基于机器视觉的断头监测
机器视觉是指利用摄像机来获取三维世界的信息并将其转换成计算机能识别的数字信号，通过图像处理技术和计算机技术实现类似人眼处理信息的过程。笔者正是运用此原理在所在单位主持研发了基于机器视觉的细纱机纱线断头监测装置。
2.1系统结构
基于机器视觉的断头监测系统结构如图1所示，主要由巡回式监测装置、断线指示灯装置、服务器、终端显示等几部分组成。巡回式监测装置固定于细纱机上，该装置包括光源、工业相机、镜头、工控机等，工控机负责处理工业相机拍得的每一帧图像并将处理结果数据通过无线局域网络发送给服务器。后台数据通过指示灯、手机、TV等终端显示设备展示出来，从而满足特定用户对于断线数据的实时呈现、历史查询、数据统计等需求。
2.2系统关键硬件设计
机器视觉系统流程为采集图像-处理图像-输出结果。其中，采集图像是基础，获取高质量且稳定的图像关乎着整个系统集成的成败，特别是由于本项目的特殊性，图像采集是重点，合理的光学组件方案尤为重要。
2.2.1照明
系统中设置照明是为了使得待测物纱线和锭位标签纸可见，而抑制不需要的现场背景。由系统分析可知，待检目标为一根很细的纱线，为了不影响设备正常运转、维护，光源距离待检物较远；检测目的是判断纱线的有无，结合现场光照环境条件，因此，选择亮视场照明方式。在光源类型方面，LED光源因具有寿命长，相应速度快，无老化，亮度容易控制，功耗小等诸多优点，成为机器视觉中应用最广泛的一种，本系统中拟采用此类光源。
本系统中，相机所拍得的视野大小约为70mm×52mm，因此光照大小需在90mm×90mm以上，光源距离待测物直线距离为900mm，为了在此距离处得到所需求的光照大小，需增加一透镜来实现。根据透镜成像原理：1/u（物距）+1/v（像距）=1/f（透镜焦距），u=900mm，v=23.5mm（镜头结构尺寸确定），得到焦距f=22.9mm。结合实际测试及标准产品，最终选择的透镜为：Φ29mm×8.8mm，焦距：21mm。
2.2.2工业数字摄像机
相机所拍待测物视野大小约为70mm×52mm，系统精度要求为0.15mm，得出相机的像素数要大于467×347=162049，根据估算的像素要求，初步选定大恒CCD相机MER-030-120UM，传感器尺寸为1/4英寸（3.6mm×2.7mm）英寸，分辨率为656×492，像素尺寸为5.6μm×5.6μm，对该相机进一步校核如下：
（1）根据相机传感器尺寸和所拍图片大小，求得镜头放大率为：β=3.6/70=0.05，因此，相机可以达到的拍照精度为：像素尺寸/放大率=0.0056/0.05=0.11mm；
（2）相机拍照时的移动速度约为8-12m/min，这样一来相机对单锭拍照允许时间范围约为0.52-0.35s，为保证检测的可靠性，单锭拍照待处理图像需至少4张以上，得出相机帧率需达到30帧以上，所选相机帧率为120fps。
2.2.3镜头
根据镜头成像原理，得到镜头焦距：f=S/（1+1/β）=900/（1+1/0.05）=42.9mm，初步选定computar镜头M5018-MP，该镜头像面大小为2/3，接口为C接口，匹配上述所选的相机。
由上述光学元件组成的成像系统所拍得的图像如图2所示，相机传感器经接口将图像数据传送到计算机后，通过图像增强、图像分割、特征提取等图像处理算法能可靠的完成纱线有无的判断。
后期通过开发相应的信息展示模块，本装置能实时在线监测细纱机单锭断头的情况，断线时间、断线锭位、断线纱长等数据能实时呈现在挡车工和管理者面前，减少一线挡车工不必要的来回巡视，减轻工作强度和减少人员配置；同时这些数据被保存在后台数据库中，管理者可以有针对性的利用这些信息分析断头原因，提出工艺改进和对相应关键零部件的质量提供辅助判断，促进纱厂信息化、智能化、自动化及精细化管理。
3、结论
巡回式断头监测系统是适于现阶段应用、性价比较高的技术方案，可以为急需管理提升的纺纱企业提供技术支撑，使之实现纺纱生产的信息化和智能化管理，基于机器视觉的巡回式断头监测装置具有良好的应用前景。
参考文献
[1]龚羽.环锭细纱机纺纱断头监测技术现状与发展评析.纺织导报，2012年第6期：100-104.
[2]里特机械公司.环锭纺纱机的传感器系统：中国，CN03824163.3，2003.08.12.
[3]乌斯特技术股份公司.用于纱线监测的反射式光电结构及方法：中国，CN201210250880.9，2012.07.19.
[4]株式会社丰田自动织机.用于纺纱机的纱线检测系统：中国，CN201310396853.7 ，2013.09.04.
[5]泽韦格路瓦有限公司.环锭纺纱机上的纱线的检测装置：中国，CN98111683.3，1998.12.16.
[6]杨少荣，吴迪靖，段德山.机器视觉算法与应用.清华大学出版社.2008年11月.
作者简介
苟永波（1981-）男，汉族，工程师。现任宁波韵升股份有限公司研究院主任工程师。主要从事新型纺织机械的研究.
【关键词】断头监测；专利；机器视觉；系统结构
引言
细纱生产是将粗纱纺成一定支数、符合国家质量标准要求的细纱，并绕成一定的卷装形式，以供机织或针织工程使用。细纱断头率是细纱生产的主要技术指标之一，是影响劳动生产率的重要因素。细纱断头多，势必要增加工人来回巡检的劳动强度，成纱质量也要随着下降，相应产量也进一步降低。因此，降低细纱断头率始终是纺纱生产中需要解决的重要课题，而断头率的高低也作为纺织厂生产水平的考核指标。
1、纱线断头监测研究现状
现今国内外市场上有多家厂商推出细纱机断头监测产品，但仅仅是被少量纺织厂少量应用，从未大量推广。主要原因是现有的断头监测产品价格较高，纱厂安装该附件装置投资成本高，投资回报率低，同时，现有产品维护检修较麻烦，生产过程中会影响纱厂锭子保全维护。
申请号为CN03824163的环锭纺纱机的传感器系统，由里特机械公司于2002年8月13日在瑞士申请了环锭纺纱机的传感器系统的发明专利，在优先期内申请了中国发明专利，于2010年5月12日在中国授权公告。
申请号为CN201210250880的用于纱线监测的反射式光电结构及方法，由乌斯特技术股份公司于2012年7月19日在中国申请了一种用于纱线监测的反射式光电结构及方法的发明专利，于2014年2月12日在中国公告。
申请号为CN201310396853.7的用于纺纱机的纱线监测系统，由株式会社丰田自动织机于2012年9月5日在日本申请了用于纺纱机的纱线监测系统的发明专利，在优先期内申请了中国发明专利，于2014年3月26日在中国公告。
申请号为CN98111683.3的环锭纺纱机上的纱线的监测装置，由泽韦格路瓦有限公司于1997年12月17日在瑞士申请了环锭纺纱机上的纱线的监测装置的发明专利，在优先期内申请了中国发明专利，于2004年6月23日在中国授权公告。2010年2月10日出公告因未缴年费专利权终止。
除了以上较为典型的发明专利以外，经专利检索，国内外还另有多家企业和个人申请了发明专利及实用新型专利。从结构上来讲，其类型主要包括监测头固定式和监测头巡回式两种。其中监测头固定式是在细纱机每个锭子处安装相应的监测头，探测相应的运动件从而判断与其相关联的纱线是否断头；监测头巡回式是在细纱机单侧各装一个监测头，监测头依靠轨道、驱动电机、线缆完成往复运动，从而判断出纱线是否断头。从实现原理上讲，主要分为钢丝圈运动光电扫描、钢丝圈运动电磁感应、钢丝圈摩擦热敏传感、导纱钩纱条光路遮断等。
2、基于机器视觉的断头监测
机器视觉是指利用摄像机来获取三维世界的信息并将其转换成计算机能识别的数字信号，通过图像处理技术和计算机技术实现类似人眼处理信息的过程。笔者正是运用此原理在所在单位主持研发了基于机器视觉的细纱机纱线断头监测装置。
2.1系统结构
基于机器视觉的断头监测系统结构如图1所示，主要由巡回式监测装置、断线指示灯装置、服务器、终端显示等几部分组成。巡回式监测装置固定于细纱机上，该装置包括光源、工业相机、镜头、工控机等，工控机负责处理工业相机拍得的每一帧图像并将处理结果数据通过无线局域网络发送给服务器。后台数据通过指示灯、手机、TV等终端显示设备展示出来，从而满足特定用户对于断线数据的实时呈现、历史查询、数据统计等需求。
2.2系统关键硬件设计
机器视觉系统流程为采集图像-处理图像-输出结果。其中，采集图像是基础，获取高质量且稳定的图像关乎着整个系统集成的成败，特别是由于本项目的特殊性，图像采集是重点，合理的光学组件方案尤为重要。
2.2.1照明
系统中设置照明是为了使得待测物纱线和锭位标签纸可见，而抑制不需要的现场背景。由系统分析可知，待检目标为一根很细的纱线，为了不影响设备正常运转、维护，光源距离待检物较远；检测目的是判断纱线的有无，结合现场光照环境条件，因此，选择亮视场照明方式。在光源类型方面，LED光源因具有寿命长，相应速度快，无老化，亮度容易控制，功耗小等诸多优点，成为机器视觉中应用最广泛的一种，本系统中拟采用此类光源。
本系统中，相机所拍得的视野大小约为70mm×52mm，因此光照大小需在90mm×90mm以上，光源距离待测物直线距离为900mm，为了在此距离处得到所需求的光照大小，需增加一透镜来实现。根据透镜成像原理：1/u（物距）+1/v（像距）=1/f（透镜焦距），u=900mm，v=23.5mm（镜头结构尺寸确定），得到焦距f=22.9mm。结合实际测试及标准产品，最终选择的透镜为：Φ29mm×8.8mm，焦距：21mm。
2.2.2工业数字摄像机
相机所拍待测物视野大小约为70mm×52mm，系统精度要求为0.15mm，得出相机的像素数要大于467×347=162049，根据估算的像素要求，初步选定大恒CCD相机MER-030-120UM，传感器尺寸为1/4英寸（3.6mm×2.7mm）英寸，分辨率为656×492，像素尺寸为5.6μm×5.6μm，对该相机进一步校核如下：
（1）根据相机传感器尺寸和所拍图片大小，求得镜头放大率为：β=3.6/70=0.05，因此，相机可以达到的拍照精度为：像素尺寸/放大率=0.0056/0.05=0.11mm；
（2）相机拍照时的移动速度约为8-12m/min，这样一来相机对单锭拍照允许时间范围约为0.52-0.35s，为保证检测的可靠性，单锭拍照待处理图像需至少4张以上，得出相机帧率需达到30帧以上，所选相机帧率为120fps。
2.2.3镜头
根据镜头成像原理，得到镜头焦距：f=S/（1+1/β）=900/（1+1/0.05）=42.9mm，初步选定computar镜头M5018-MP，该镜头像面大小为2/3，接口为C接口，匹配上述所选的相机。
由上述光学元件组成的成像系统所拍得的图像如图2所示，相机传感器经接口将图像数据传送到计算机后，通过图像增强、图像分割、特征提取等图像处理算法能可靠的完成纱线有无的判断。
后期通过开发相应的信息展示模块，本装置能实时在线监测细纱机单锭断头的情况，断线时间、断线锭位、断线纱长等数据能实时呈现在挡车工和管理者面前，减少一线挡车工不必要的来回巡视，减轻工作强度和减少人员配置；同时这些数据被保存在后台数据库中，管理者可以有针对性的利用这些信息分析断头原因，提出工艺改进和对相应关键零部件的质量提供辅助判断，促进纱厂信息化、智能化、自动化及精细化管理。
3、结论
巡回式断头监测系统是适于现阶段应用、性价比较高的技术方案，可以为急需管理提升的纺纱企业提供技术支撑，使之实现纺纱生产的信息化和智能化管理，基于机器视觉的巡回式断头监测装置具有良好的应用前景。
参考文献
[1]龚羽.环锭细纱机纺纱断头监测技术现状与发展评析.纺织导报，2012年第6期：100-104.
[2]里特机械公司.环锭纺纱机的传感器系统：中国，CN03824163.3，2003.08.12.
[3]乌斯特技术股份公司.用于纱线监测的反射式光电结构及方法：中国，CN201210250880.9，2012.07.19.
[4]株式会社丰田自动织机.用于纺纱机的纱线检测系统：中国，CN201310396853.7 ，2013.09.04.
[5]泽韦格路瓦有限公司.环锭纺纱机上的纱线的检测装置：中国，CN98111683.3，1998.12.16.
[6]杨少荣，吴迪靖，段德山.机器视觉算法与应用.清华大学出版社.2008年11月.
作者简介
苟永波（1981-）男，汉族，工程师。现任宁波韵升股份有限公司研究院主任工程师。主要从事新型纺织机械的研究.