基于机械视觉的造纸机械机电一体化实验系统研究

摘要：机电一体化实验系统作为机械工程与自动化领域不可缺少的一部分，造纸专业模拟教学、实践操作教学体系中发挥着重要的作用。对于传统造纸机械功能电一、实验环节问题频发等问题，依托机械视觉技术开发造纸机械一体化实验系统。下文在阐述机械视觉技术基础上，对系统实现流程、软件等开展设计。测试结果表明，所设计的造纸机械机电一体化实验系统对于误操作故障可以快速恢复至稳定状态，设计不同的刷新频率也能确保具有良好的渲染速度，系统容错能力大大提高。

关键词：机械视觉;造纸机械;系统研究

随着计算机的发展及微处理器性能的提升，造纸微机控制在国内得到普遍的应用。在造纸机微机控制研发及推广过程中，蒸汽消耗量及紙浆下降，促使提升产品质量及产量。在机械视觉技术使用过程中，也充分运用摄像机的功能，对录入图像特征进行深入的研究，依托信息转变方法把其转变为数字化信号，工作人员获得这些数字化信号后，便于开展后续的监测工作[1]。由机械视觉技术发展视角分析，主要表现为工作效率、精准度高等;对不同类型数据信息与系统环境机械视觉技术均能良好的适应，运用自身的全面性特征避免数据信息遗忘等问题。使用机械视觉技术也能增强操作人员的灵活性，进而提升数据处理效率。

1 机械视觉技术主要特点

随着信息技术的快速发展，我们不遗余力地把人类视觉能力赋予计算机、机器人等智能设备。机械视觉也是工业自动化及智能化得以实现的核心技术，也是人工智能发展比较快的一个分支。人类利用眼睛捕捉、观察物体，图像信息通过视觉神经传递给大脑进行分析及理解，由大脑对观察到的物体开展自动空间分离，获得物体位置、纹理、颜色等一系列的特征信息，迅速判定物体名称、分类等属性。机械视觉同理，从本质上来说，机械视觉是图像分析技术用于工厂自动化方面，依托图像处理工具、光学系统等模拟人的视觉能力，做出与之对应的决策，最终指挥一些特定装置执行上述决策。从实际应用分析，机械视觉技术可以取代肉眼观察，依托计算机对三维世界内各种目标对象进行全面识别，开展更为精准的测绘判断工作。机械视觉作为一项综合的技术，包含图像处理、传感器、计算机软硬件等。机械视觉技术具有测量精度及灵敏度高等特点，整体测试迅速，在应用过程中不会出现额外的噪音。

2 机械视觉技术在造纸机械中的运用

木材剥皮机作为造纸厂、制浆常等广泛使用的设备，旨在对新伐木材进行剥皮处理，也可对部分冻材、干材予以剥皮。剥皮机应用范围较广，成为自动化生产、流水线生产过程中不可缺少的利器。但造纸机械所用剥皮机改造前见图1。

分析发现，未改造前过度剥皮使用的原木失去概率为4.5%，第4-5短纤维受损明显。实施改造处理，将第4、5段进行拆除，并适当延长003链条，如图2所示。

改造后，电耗节降每一年为232MWH，每一年约为10万元，也能有效减少原木剥皮损失，每年合计为67万元。此外，对两段剥皮辊拆除后，节约维保费用每年为19万元，其改造后效果如图3所示。

造纸行业纸张生产工艺比较复杂，生产操作中时常出现刮痕、破损、黑斑等缺陷对纸张质量产生不良的影响[3]。基于此，必须开展质量检测，及时剔除不良品。传统人工检测效率比较慢，还会由于疲劳等因素的影响导致产品质量参差不齐。而使用机械视觉技术，能有效解决造纸行业存在的一系列问题。机械视觉技术下纸张表面瑕疵检测系统在线对造纸生产中出现的表面瑕疵开展精准的检测;光学筛选机系统依据表面瑕疵特征，与现场工艺在线报警等功能连接实时识别瑕疵情况[5]。运用机械视觉技术用于纸张自动计数系统，所设计系统主要的计数目标是贴卡叠层纸。系统运用预扫描方式对纸张表面唯一的信号条形码完成扫描、检测工作，能有效解决贴卡纸张多样性方面的问题。系统正常工作时，如果需要检测纸张经扫描系统，利用智能检测摄像头把纸张信息传送到软件各模块，其依据反馈信息对皮带、平压设备等开展后续工作，做好一系列统计信息记录工作。通过机械视觉及时开展纸病检测工作，纸张实际生产时，受到内外部多种因素的影响，极易发生黑斑、皱褶等问题，上述缺陷会超过生产工艺的限制范围，称作纸病[4]。

3 实验系统设计

3.1 系统总体方案

基于机械视觉设计的造纸机械机电一体化实验系统，包含下列技术：机械视觉检测技术、纸带传送系统、上料系统等，各部分依托PLC、信息技术实施融合，模拟实现造纸机械检测、分拣等一系列工作[5]。实验系统旨在对平台各项课程展开学习，掌握造纸机械一体化加工、检测技术，根据理论引导造纸或者相关专业学生开展实践，提高造纸专业学生分析、解决造纸工业各项问题的工程设计能力。机械视觉下造纸机械机电一体化实验系统功能详见图1。

3.2 系统实现流程

运用C++软件对系统软件进行开发，操作人员利用软件控制步进电机开展纸带传送操作中的转速、方向调节工作，把有待检测的纸带或其他纸类产品传输至固定上料部位;设计视觉检测系统中的光学系统，促使需要检测的纸带等完成清晰成像。顺利进行检测阶段，依托控制片把有待检测纸带放于传送带上完成纸带上料操作。如果需要检测纸带被传送到视觉检测模块合理的检测部位，传感器发出相应的信号，传送带陆续向前运行进入下一个环节的纸带检测。若纸带存在断纸等一系列问题，传感器及时发出信号，传送机停止工作并利用工业相机对纸带出现的纸病、断纸图片予以采集，对获取的图像采用数据形式传送至软件处理部分完成纸病分析。对纸病问题进行处理后，借助远程控制卡促使生产流水线恢复到正常工作状态。

3.3 系统硬件设计

对系统硬件展开设计时，将系统的需求考虑在内，通过光电传感器、磁性开关等当作实验系统的支撑配置。其中，以光敏三极管以及红外发光二极管当作光电转换元件，运用MHT15-N2317型开关，具体工作中提供两种工作方法便于用户选择，包含同轴反射、对射型。使用电感式传感器旨在对目标进行检测，识别目标过程中，电感线圈会出现涡流效应会带来振幅改变，将其转化为开关量输出，达到准确识别目标的效果。磁性感应传感器通过物体磁场及时感知目标，在磁性开关上设计LED显示，用来展示信号状态。若磁性开关动作，LED灯及时亮起，输出信号是“1”;反之，LED灯未亮，输出信号是“0”。通过上述传感器及时采集造纸机械实际场景数据，构建机电一体化实验系统顺利完成人机交互。虚拟现实平台是整个机电一体化实验系统的数据交换中心，数据传输涉及范围比较广，虚拟场景内动态变化主要源于服务器及传感器。系统实际运行中，平台与服务器之间构建TCP/IP连接，获得实验系统的各项数据。再借助数据解析器对数据展开分析，把数据转换至虚拟场景内。与此同时，把人际交互出现的数据变化依托通信网络传送至服务器，发送到系统后台开展模拟仿真处理。C854D286-BFDD-42E5-9FD0-2990352336F7

4 控制软件及电路设计

4.1 控制软件设计

对控制软件展开设计，旨在对图像数据、纸带传送方向、传感信号等问题进行处理。运用C++语言编写光机电一体化实验系统控制软件，支持使用步进电机对控制卡数据库状况开展函数表达，完成不同步进电机及纸带传送系统的动静调控等一系列工作。此外，所设计的控制软件能依据纸带种类差异自由撰写、修改一些参数，顺利完成纸带上料阶段的位置调控工作。除此以外，系統图像处理与分析功能也集成于系统的控制软件内。图像处理功能包含：对所获取的图像数据开展分析及特殊化处理;把系统工作日志及各项信息存储于数据库内，进而获取设备全寿命周期中的参数;自动处理模块支持对纸带检测环节出现的故障进行自处理。

4.2 电路设计

系统控制电路包含传感器、报警系统、供电系统等，在机械光机电一体化实验系统中发挥着重要的作用。系统控制电路原理如图4所示。实验系统控制卡IO口可以对外部开光量信号开展智能接收、输出操作，例如：纸病检测操作中停机、电磁阀启动等。

5 系统测试与结果分析

5.1 设计信号源

对实验系统的性能展开研究，设计一系列的常用信号源，挑选合适的线路保护装置开展仿真培训，并把结果与虚拟现实场景相关联进行实验。考虑传统实训模拟系统面临的一系列问题，实验对象包括基于HMD实验系统、机械视觉技术下造纸机械一体化实验系统。所设计信号源包含测控装置、继电保护装置等，用于检测造纸机械机电一体化设备及系统功能的容错情况。为满足不同实训模拟系统实际需求，设计下列信号源见表1。

开展测试中，只要对系统动态特性进行检验，划分为两部分，（1）对系统硬件保护装置展开测试;对系统实训模拟场景渲染情况实施测试，最后依据对比结果，分析各系统的容错情况。

5.2 保护装置动性

检测中检验造纸机械机电一体化实验系统面临误操作时要以保护为主，所用信号源为变电流信号源，这个信号源频率设定为50Hz，其它初始参数见表2。对实验各种信号源连接至硬件硬件部分，当0.2s设定相应的操作故障，通过第三方软件输出系统动作信号。研究结果表明，基于机械视觉设计的造纸机械机电一体化实验系统出现故障，可以在较短的时间内调整至正常状态，促使系统快速恢复正常运行。提示设计的机电一体化实验系统面临突发状况更为稳定。

5.3 渲染速度

为确保整个测试结果的公平公正，测试中采用高清晰度的数码相机拍摄真实图像，再通过Photoshop软件内拾取工具获取图片内各面颜色参数，利用不同实验系统对其开展渲染处理，求出各系统渲染操作所需时间。测试结果见表3。

设置不同的刷新频率，基于HMD实验系统渲染速度相对较慢，在100s以上。机械视觉技术下造纸机械机电一体化实验系统在各刷新频率下渲染速度均低于60s，其渲染速度明显优于传统系统。与系统保护装置动性结果相结合可知，所设计的造纸机械机电一体化实验系统应对操作故障时安全、稳定，系统容错能力达到实际应用要求。

6 结论

综上所述，针对传统系统误操作较多引起的容错能力差等问题，文中基于纸病检测系统、机械视觉技术等方面对传统实验系统展开设计，系统可根据不同加工工艺及尺寸纸张、纸带实施自适应调节，有效解决传统造纸机械实验系统对纸品类型要求比较严格等问题。对系统测试发现，系统能满足造纸机械实际要求，能够更稳定的面临突发状况。

参考文献

[1]张明， 陈卫红. 造纸机械设备故障振动信号实时监测系统设计[J]. 造纸科学与技术， 2021， 40（5）：6.

[2]廖剑贵， 王勰， 黄承勇. 机电一体化系统的设计分析[J]. 南方农机， 2018， 49（2）：1.

[3]余深河. 机电一体化在工程机械上的应用与发展[J]. 湖南造纸， 2020， 49（1）：33.

[4]李秀敏. 机电一体化的发展趋势及实验教学的思考[J]. 科技资讯， 2019， 17（10）：2.

[5]罗佳. 基于PLC技术的机电一体化生产系统控制研究[J]. 造纸装备及材料， 2021， 50（5）：3.

作者简介：陈合成，（1986.10.2），汉族，海南省临高县，学历：大专，造纸机械。C854D286-BFDD-42E5-9FD0-2990352336F7