梁斯楠 毛卫平 肖爱民 廖兆强 王曦淼

【摘 要】由粗纱纺制成细纱的生产过程中，由于粗纱条的质量（粗细、捻度、杂质等）以及纺纱设备、车向气流等诸多因素的影响会造成断头，影响设备生产率、细纱质量和车间含尘量。在环锭细纱机用于除尘的巡回式吹吸风装置上安装高清摄像头，运用机器视觉技术实时监测纱线断头情况，并将断头信息发送至车间控制器，解决断头自动监测的难题，可以提高劳动生产率，降低成本。

【关键词】纺纱；断头监测；系统设计

一、设计背景

在纺纱厂细纱车间，细纱机是主要生产设备，细纱机的生产单元是锭子，常以每千锭小时的产量（公斤）来衡量细纱机的生产水平，纺纱厂生产规模以拥有细纱机的锭子总数表示。由粗纱纺制成细纱的生产过程中，每只锭子上所纺的纱受到粗纱条的质量（粗细、捻度、杂质等）以及纺纱设备、车向气流等诸多因素的影响造成断头，常以千锭小时发生的断头数表示断头率。断头率的高低直接影响设备生产率、细纱质量和车间含尘量。

细纱断头大多数是由值车工巡回目视进行接头，恢复正常纺纱。由于纺纱时断头不易被发现，各企业均采取值车工加强巡回，及时换粗纱，防止空粗纱，及时发现并处理粗纱断头以减少单股纱疵点，值车工的劳动强度很大，值车工看台面受限，用人多，后工序纱疵检测压力大，降低了生产效率，提高了企业成本。

随着科学技术的发展，纺纱断头的自动监测技术开始出现，并越来越受到重视。已有提出和少量应用的纺纱断头监测技术方案包括钢丝圈运动光电扫描、钢丝圈运动电磁感应、导纱钩纱条光路遮断、导纱钩摩擦热敏传感、导纱钩张力位移等，提出或应用这些技术方案的厂商包括国内外细纱机主机厂商、纱线测试仪器厂商等。其中大部分技术方案同时监测钢丝圈或纱条气圈的运转状态，因而除了断头信息外，监测信息可以扩展，用来处理锭速、效率和产量等有效管理信息。

二、设计方案

环锭细纱机是目前应用最多的一种由锭子、钢领和钢丝圈等组成加拈、卷绕机构的细纱机，一般为双面多锭结构，每台细纱机的锭数为300～500锭，也有800～1000锭的长车，长度16～45米。粗纱管上的粗纱经过后罗拉和前罗拉，因为转速差异被牵伸加捻成细纱，细纱经过导纱钩和钢丝圈卷绕在跟随锭子作高速旋转（1.5万转/分钟）的细纱管上，从而完成由粗纱纺制成细纱的生产过程。如图1所示。在细纱机上一般安装自动巡回吹吸风装置，当纺纱设备运转时，吹吸风机连续以8～12米/分钟的速度往返吹风吸尘，可以使空中飘出的纤维及时吹走，避免其集聚为飞花，以减少偶发性纱疵，也可以改善环境、节省企业用工量。

为获得单机单面的纱线断头信息，在吹吸风机相对细纱机成纱后的高度位置安装高像素的工业摄像头，在每一根或两根纱线（根据锭距）背面设置背景板，标注纱线锭位号作为细纱图像的定位标记，选择合适光源投射在纱线及背景板上，获得清晰的纱线图像信息，如图2所示。经图像处理后的数字信息经过无线发射器传递给车间总控制器。利用吹吸风机不间断的往返功能，可以实时监测细纱机双面断头情况，及时发出断头信息，进一步通过车间总控制器发送信息到挡车工的电动巡回座车显示屏上，显示断头机器号和锭位号。

三、纱线断头在线监测系统的设计

（1）硬件设计

综合考虑视野大小和相机处理速度等因素，拟采用的工业相机为MindVision的G系列相机，该相机采用高清Gige千兆网口通信，支持Halcon等视觉处理软件和多种PC操作平台，使用方便。相机的最大像素值为500万（2560×1920），可以在相机自带的应用程序中更改相机的像素值、触发模式、输出模式和曝光控制等参数。选择镜头时要结合相机参数和纱线长度综合考虑，确定镜头焦距为4mm，最大光圈为1.6。

在巡回吸风机上安装欧姆龙系列E3X-HD10型光纤传感器，当检测到等间隔布置在环锭机上的色条时发出信号，触发相机拍照。

选择I5工控机来接收和处理图像信息，经过一系列图像处理后，得到高质量的YUV信号，最终通过MIPI输出。处理后的数字信息经过无线发射器传递给车间总控制器。

（2）软件设计

通过学习机器视觉原理，选择合适的图像处理方法用于纱线断头图像的识别。如图像匹配法是寻找具有偏移的两幅图像或多幅图像之间对应关系的过程，图像匹配分为两类：第一类是在待检测图中寻找同模板图像具有相同尺寸、相同方向、相同图像的目标子图，确定是否存在和该目标的坐标位置；第二类将来自于不同的传感器、不同时间或不同条件下的图像在空间上进行对准，建立对应关系，而本项目研究的图像处理方法则显然属于第一类图像匹配。

选择Halcon视觉处理软件，采用相关语言编写摄取图像、图像处理和无线通讯程序。图像处理流程为：I5工控机利用光纤传感器的信号控制摄像头拍照，然后通过图像处理得到图片中的定位信息，如果是新的定位点，则截图定位点区域的图片信息，然后对图像进行二值化，并进行纱线图像的比对，通过设置合适的相似度数值，发现纱线是否存在断头情况。

四、结论

本项目以环锭细纱机为研究对象，以巡回式吹吸风机为载体，设计了全车间细纱断头监控系统。研究了基于视觉的断头在线监测关键技术和数据通讯技术。机器视觉在硬件上具有成本的经济性，不会对产品的成本构成压力。主要解决了细纱断头自动监测的难题，有助于提高劳动生产率，节省用工量，具有一定的推广价值。

【参考文献】

[1]龔羽，倪远.环锭细纱机纺纱断头监测技术现状与发展评析[J].纺织报，2012，（6）

[2]姚俊红.赛络纺纱巡回式断头检测装置的设计[J].上海纺织科技，2015，（10）

[3]王庆江.气流纺纱机细纱断头检测装置[J].棉纺织技术，1984，（10）

[4]2018-2022年机器视觉产业深度调研及投资前景预测报告.中国投资咨询网www.ocn.com.cn2018/2/5