布料纵向大损伤在线自动检测装置设计

于丰鸣，孙东鹏，孙巧妍，张德军

(烟台南山学院 工学院，山东 烟台 265713)

1 系统方案设计

目前国内的验布机技术较落后，多依靠人工视力进行检测，费时费力。国内许多大型精纺、毛纺厂织造线使用很多布匹剪毛机，1名工人验布时需同时兼顾10多台设备；当其中1台设备布料出现纵向损伤、不能及时停止传送设备时，就会造成大量布料的浪费。为此，研究设计布料纵向大损伤在线自动检测装置、实现布料纵向贯穿式大损伤的自动在线检测很有必要。

1.1 总体设计

1.1.1 要求

实验模拟被检测布料运动方向的总长度为4800 mm、宽为300 mm；卷布收布速度和放布速度，即布料的移动速度为30 m/min；检测装置固定不动且检测方向与布料表面垂直，布料的运动方向是电机带动卷布装置运动的方向；要求该装置能够在线检测任意织物类型、组织、花纹、颜色及布料厚度的纵向贯穿式大损伤；当布料被损伤时则快速制动并报警；根据设计要求采取的系统总体结构设计方案见图1。

图1 系统总体结构设计方案示意

1.1.2 组成

该装置主要由5部分组成：主控制器模块，损伤检测模块，动力模块，补光模块和故障报警模块。除运作核心装置外，还有机械支架和卷布装置，采用STC89S52单片机作为主控制器。

1.1.3 工作原理

动力模块带动布料开始传送，在设备运行过程中检测传感器通过对布料裂缝透过的光强度检测到布料裂缝及其大小；当有大裂缝出现时，传感器向控制器输出信号，控制器收到信号后控制电机停止，并进行报警。补光模块用于检测并调整光照强度，保证在任意光照条件下的装置内光敏检测部分的光照强度始终保持在一定的范围，以便光敏电阻能够可靠地检测到布料的大损伤。

1.2 机械设计

设计该装置的实物模型如图2所示。其中，x轴为布料运动方向，z轴为检测装置检测方向。

1—动力模块；2—主控制模块；3—损伤检测模块；4—卷布装置；5—针辊； 6—机械支架；7—故障报警模块；8—补光模块。

1.2.1 装置材料及相关要求

机架材料为Q235钢，机械装置长为1300 mm、宽为300 mm、高为790 mm，铺设在机架上的针辊长度为200 mm，两针辊间距离不小于500 mm。

1.2.2 技术和公差要求

零件应无氧化皮，加工表面无划痕、擦伤、毛刺、锐棱；机架零部件加工应采用焊接工艺。

未注形状公差应符合GB 01804—2000的要求，未注长度尺寸极限偏差应为±0.5 mm。

基于以上比较，可以发现企业进行续航技术研发合作与竞争时的最优续航里程研发量之差Δs大于0。积分交易价格pφ越高、合作情境下的技术溢出率越大，Δs越大；而βi越大 （研发效率越低），Δs越小。同时，企业进行续航技术研发合作与竞争时的总利润之差Δπ大于0。积分交易价格越高、合作时的技术溢出率ω′i越大，Δπ越大；而βi越大 （研发效率越低），Δπ越小。综合图1、图2，可知企业进行续航技术研发合作与竞争时的社会福利之差ΔF大于0。βi越大 （研发效率越低），ΔF越大；而积分交易价格pφ越高、合作时的技术溢出率ω′i越大，ΔF越小。

1.2.3 热处理要求

调质处理的零件洛氏硬度为50 HRC～55 HRC；零件高频淬火的回火温度为350 ℃～370 ℃，洛氏硬度为40 HRC～44 HRC；渗碳深度为0.3 mm；进行高温时效处理。

1.3 检测模块设计

目前，国内外很多学者致力于用数字图像处理方法检测产品的质量问题或识别所需目标的图像，如目前的车牌识别[1]、指纹识别[2]、人脸识别[3]即应用图像识别的大数据技术进行自动检测。本设计因为生产织物的类型、组织、颜色、材质、厚度、花纹及破损部分的形状千差万别，所以使用固定算法的图像处理方法难度很大而难有突破。另外，使用这种方法在实际生产中将会面临2个问题：一是触发设备、摄像设备、补光设备、图像采集设备等价格昂贵；二是使用的算法如定位算法、字符分割算法、光学字符识别算法的复杂度高、计算量大、执行时间长[4]，因此选用5506型光敏传感器检测方案。

光敏传感器信号干净、波形好、驱动能力强、可检测光照强度、相应改变输出电平，因光敏电阻尺寸小、价格低，不会带来成本压力[5]。

光敏电阻灵敏度高，可迅速发现布料损伤问题，相比采用数字图像识别方法在价格、处理准确度、生产效率方面优势明显。

在制作本设计的实验模型时，对于布料的损伤检测采用了15个4针式光敏电阻模块，其工作电压为3.3 V～3.5 V；其输出形式为：D0数字开关输出，A0模拟电压输出。

4针式光敏电阻模块主控芯片为LM393，其正相输入端接通光敏电阻，反相输入端接通10k滑动变阻器，输出端接单片机P0口，当有纵向损伤的布料通过时则亮度增强，光敏电阻阻值减小，LM393输出低电平、电机停转；反之，未损伤的布料通过时LM393输出高电平、电机继续转动。

1.4 补光模块设计

因为采用光敏电阻模块检测裂缝易受自然光照强度、天气情况的影响，所以系统必须有补光装置。因在纺织厂考察时发现，为检查布料的损伤也设有补光装置情况，故本设计可很方便地嫁接到纺织厂生产的应用系统中。

缩小模型装置的补光模块是通过单片机控MOC3022型双向可控硅的导通实现灯管亮度的调节，其灯泡规格为220 V/40 W[6-7]；灯泡的亮度取决于触发信号的送出时间，在交流电的每个半波期间都要送出触发信号，在过零点后一段时间再触发双向可控硅开关导通，从而实现调光。可控硅导通的时间越长、则灯就越亮，否则反之。系统整体电路仿真中的4个按键用于手动控制：KEY1控制灯的开，KEY2控制灯亮度增强，KEY3控制灯亮度减弱，KEY4控制关灯。

1.5 驱动模块设计

制作实物缩小模型时模拟纺织厂大型剪毛机运行状态，且设计目标要求布料的传动速度为30 m/min，故驱动模块所选电机应力矩较大、运行平稳。本设计采用了力矩大的60KTYZ爪极式永磁同步电机，可正反转进行控制，其控制简单、运行平稳、噪声小，适用于在该系统中进行布料卷取[8-9]。

该电机额定参数为：UN=220 V，IN=0.45 A，PN=32 W，nN=15 r/min，经计算：

当电机负载过大或堵转时，电机线圈不会烧坏，能很好地实现布料的卷取和释放；当装置正常运行时，卷取滚筒和收布滚筒在电机的带动下运转。由于电机内部设有减速装置，当光敏电阻检测到布料裂缝时，电机将由控制器迅速进行减速、直至停止运行。

1.6 整体电路设计

本装置电控部分主要分为6个模块，其电机模块如图3所示[10]，光敏电阻检测模块如图4所示，剩余部分为主控模块、报警模块、补光模块、按键模块。电机模块采用继电器控制电机正反转形成驱动模块；光敏电阻模块由16组光敏模块组成，光敏电阻对光线十分敏感，光照愈强,阻值就愈低，随着光照强度的升高,电阻值迅速降低，由此设定一个阀值判断布料是否损伤；若布料损伤，光敏电阻检测到光，报警模块的蜂鸣器则发出警报；补光模块采用交流供电给LED灯，保证光敏电阻设置阀值可以有效判断布匹是否损伤；按键模块包括光源调节按键、启动正转按键、启动反转按键、停止按键。

图3 电机模块

图4 光敏电阻检测模块

1.7 软件设计

系统主程序流程如图5所示。开始接通电源后，程序初始化，此时判断检测装置内的光照强度是否在基准值内。若不在，则适当调整光照强度使其处于基准值内；若在基准值内，则电机继续运行。

图5 主程序流程

当布料损伤时，采用外部中断方式处理运行，中断服务程序会控制相应输出接口控制继电器输出，使电机停止运行，并驱动报警装置发出声光报警。

2 模型制作及性能测试

根据设计方案,制作精纺、毛纺厂织造线布料纵向大损伤在线自动检测装置缩小模型的三维结构图和实物图,如图6和图7所示。经测试的布匹检测成功率见表1所示，整体设计运转故障情况见表2。

图6 实物模型三维结构

图7 缩小模型实物

由表1、表2可知，该装置检测成功率高、故障率低，各项功能达到要求。

表1 布匹检测成功率

表2 整体设计运转故障情况

3 结语

基于STC89S52单片机设计的布料纵向大损伤自动检测装置，采用光敏电阻作为补光系统和布料损伤检测模块的传感器，结合继电器、双向晶闸管等器件将直流弱电信号转化为交流控制信号、控制剪毛机的运行与补光，经缩小版的实物模型实验验证，能够代替人工，实现省时省力、精准检测的功能。