机器视觉技术在圆网印花机自动对花系统中的应用

机器视觉技术在圆网印花机自动对花系统中的应用

黄朝丽,仇建喜
(西安工程大学,陕西西安710048)

摘　要:提出了一种自动对花的织物圆网印花机对花系统,通过图像传感器在线自动检测印花图案套色的位置,借助
于控制器自动控制、调节各印花网筒相对于织物印花图案色位位置,提高了印花精度,进而提高了产品质量和工作效率。

关键词:机器视觉;圆网印花机;图像传感器;自动对花中图分类号: TS194 　　　　　　　　
文献标识码:B 文章编号:1673 - 0356 (2006) 03 - 0048 - 03

控制工程技术开发与应用。
　　随着科学技术的不断发展,提高技术装备的智能化和自动
化水平已成为工业控制领域发展的重要方向。在现代化工业大
生产中,传统人工检测方法已经不能适应生产自动化和产品高
外观质量的要求。于是人们开始考虑把计算机的快速性、可靠
性和结果的可重复性与人类视觉的高度智能化和抽象能力相结
合。由此产生了一种新的检测技术———机器视觉技术。机器视
觉技术是一个相当新且发展十分迅速的技术,它在科学研究的
多个领域获得广泛应用,如宇宙探测、卫星遥感、生物医学、军
事、公安、工业和农业等领域[1 ] 。在工业领域,机器视觉技术的
出现极大地减轻了人工检测的压力,提高了产品的检测质量和
检测速度[1 ] 。
作为陕西省教委产业化项目《圆网印花机全自动闭环对花
控制系统的研究与应用》的子系统,本研究提出了一种基于机器
视觉的圆网印花机自动对花方法,通过图像传感器在线实时对
印花图案色位进行检测控制,借助于控制器及时调整各印花网
筒相对于织物印花图案色位位置,从而进一步提高了对花精度。
本系统结构合理,可靠有效,能提高产品质量和工作效率。

1 　圆网印花机对花方法的发展
目前,在我国圆网印花机仍是印染行业中使用最广泛的印
花设备,其印花年产量占各类印花机印花总产量的60 %以上。
但是,圆网印花机在对花精度上还不是很高,主要受实际生产过
程中出现的传动机构零部件磨损、对花齿轮松动,以及织物变形
等系列因素影响,不仅降低了印花精度,还使产品的残次品率增
加[1 ] 。
传统的圆网印花机对花调整方法是依靠人工在线目测观
察、判断来调节的。由于人工观察判别误差大,对花精度低,劳
动强度大,且只有当印花导带低速运行时才能进行判别,一旦印
花导带在中速以上运行,就很难依靠人工在线目测了,因此常会
造成大量的疵布。即用该种方法对花,不仅费时费力,而且还造
成浪费,特别是在正常运行后发生的“错花”、“跑花”很难发现,
使产品的残次品率增加,生产效率降低[2 ] 。针对传统圆网印花
机印花单元运行控制存在的主要技术问题———对花精度不高,
全自动对花控制系统没有实现,缺乏在线质量检测/ 监测的保证
等,目前已开发的较先进的织物圆网印花机采用的对花方法
是[3 ] :在各印花网筒轴上做上特殊标记,或当织物通过滚辊时在
织物上压出检测标记,以对应于印花网筒上的印花图案位置;印
花网筒初始定位时人工参与,而运行过程中,则通过电子传感
器,对印花网筒轴上或织物上的标记进行在线检测,并将测检信
号反馈到印花网筒的电机,控制印花网筒标记位置或印花网筒
与织物标记之间的距离,以达到自动控制对花的效果。由于这
种圆网印花机仅对印花网筒轴上或织物上的标记进行检测,不
是直接对织物上的印花图案色位进行检测,因此当织物在印花
导带上出现变形或印花导带与各印花网筒之间运行速度不同步
时,依然会产生套色后的印花图案色位不准确的缺陷,还是不能
达到高精度控制印花套色的效果[3 ] 。

机器视觉技术在圆网印花机自动对花系统中的应用

黄朝丽,仇建喜
(西安工程大学,陕西西安710048)

摘　要:提出了一种自动对花的织物圆网印花机对花系统,通过图像传感器在线自动检测印花图案套色的位置,借助
于控制器自动控制、调节各印花网筒相对于织物印花图案色位位置,提高了印花精度,进而提高了产品质量和工作效率。

关键词:机器视觉;圆网印花机;图像传感器;自动对花中图分类号: TS194 　　　　　　　　
文献标识码:B 文章编号:1673 - 0356 (2006) 03 - 0048 - 03

控制工程技术开发与应用。
　　随着科学技术的不断发展,提高技术装备的智能化和自动
化水平已成为工业控制领域发展的重要方向。在现代化工业大
生产中,传统人工检测方法已经不能适应生产自动化和产品高
外观质量的要求。于是人们开始考虑把计算机的快速性、可靠
性和结果的可重复性与人类视觉的高度智能化和抽象能力相结
合。由此产生了一种新的检测技术———机器视觉技术。机器视
觉技术是一个相当新且发展十分迅速的技术,它在科学研究的
多个领域获得广泛应用,如宇宙探测、卫星遥感、生物医学、军
事、公安、工业和农业等领域[1 ] 。在工业领域,机器视觉技术的
出现极大地减轻了人工检测的压力,提高了产品的检测质量和
检测速度[1 ] 。
作为陕西省教委产业化项目《圆网印花机全自动闭环对花
控制系统的研究与应用》的子系统,本研究提出了一种基于机器
视觉的圆网印花机自动对花方法,通过图像传感器在线实时对
印花图案色位进行检测控制,借助于控制器及时调整各印花网
筒相对于织物印花图案色位位置,从而进一步提高了对花精度。
本系统结构合理,可靠有效,能提高产品质量和工作效率。

1 　圆网印花机对花方法的发展
目前,在我国圆网印花机仍是印染行业中使用最广泛的印
花设备,其印花年产量占各类印花机印花总产量的60 %以上。
但是,圆网印花机在对花精度上还不是很高,主要受实际生产过
程中出现的传动机构零部件磨损、对花齿轮松动,以及织物变形
等系列因素影响,不仅降低了印花精度,还使产品的残次品率增
加[1 ] 。
传统的圆网印花机对花调整方法是依靠人工在线目测观
察、判断来调节的。由于人工观察判别误差大,对花精度低,劳
动强度大,且只有当印花导带低速运行时才能进行判别,一旦印
花导带在中速以上运行,就很难依靠人工在线目测了,因此常会
造成大量的疵布。即用该种方法对花,不仅费时费力,而且还造
成浪费,特别是在正常运行后发生的“错花”、“跑花”很难发现,
使产品的残次品率增加,生产效率降低[2 ] 。针对传统圆网印花
机印花单元运行控制存在的主要技术问题———对花精度不高,
全自动对花控制系统没有实现,缺乏在线质量检测/ 监测的保证
等,目前已开发的较先进的织物圆网印花机采用的对花方法
是[3 ] :在各印花网筒轴上做上特殊标记,或当织物通过滚辊时在
织物上压出检测标记,以对应于印花网筒上的印花图案位置;印
花网筒初始定位时人工参与,而运行过程中,则通过电子传感
器,对印花网筒轴上或织物上的标记进行在线检测,并将测检信
号反馈到印花网筒的电机,控制印花网筒标记位置或印花网筒
与织物标记之间的距离,以达到自动控制对花的效果。由于这
种圆网印花机仅对印花网筒轴上或织物上的标记进行检测,不
是直接对织物上的印花图案色位进行检测,因此当织物在印花
导带上出现变形或印花导带与各印花网筒之间运行速度不同步
时,依然会产生套色后的印花图案色位不准确的缺陷,还是不能
达到高精度控制印花套色的效果[3 ] 。

2 　基于机器视觉的圆网印花机自动对花系统设计

2.1 　机器视觉系统的组成
(1) 硬件系统的组成　机器视觉硬件系统包括:图像传感器
(成都永智科技有限公司的威视系列VC2913D 彩色摄像机) ,图
像采集卡和专用计算机。系统的工作过程为,使用CCD 摄像机
以一定间隔摄取印花图像,再通过美国NI 公司的图像采集卡
PCI21411 将摄像机输出的视频信号转换为数字信号输入计算机
中,并显示在计算机的显示器上。
(2) 软件系统的组成　机器视觉软件系统由检测管理软件
和数据库系统组成。检测管理软件对印花图像进行图像去噪、
边缘检测、特征提取、模板匹配等处理,从整体图像中分出各个
单色图案,并确定出各个单色图案之间的相对位置。数据库系
统用于存储不同图案的特征参数和各种统计数据。

2.2 　系统总设计
本系统采用成都永智科技有限公司生产的威视系列VC2
913D 彩色摄像机作图像传感器,在线以一定间隔摄取印花图　　　　
像,再通过美国NI 公司的图像采集卡PCI21411 将摄像机输出
的视频信号转换为数字信号输入计算机中,并显示在计算机的
显示器上。对于输入的图像,经控制器( PC 机或工控机) 里的处
理单元进行相关图像处理及模式识别之后,确定出各个单色图
案之间的相对位置,并与设定的标准印花图案套色位置进行对
比处理,及时将处理后的信号输出,最后通过控制器自动控制、
调节各印花网筒相对于织物印花图案色位位置,提高印花精度。
系统结构合理,其框图如图1 所示。


该圆网印花机自动对花系统有两大特点,一是在检测点上
有新的创意,采用了直接从印花布面上在线检测花位误差的方
法。当存在误差时,系统驱动执行机构校正圆网位置,形成真正
的花位闭环反馈控制系统。二是该系统利用计算机控制技术、
图像处理技术与软件识别的方法,从初始定位到全程动态对花,
实现了智能式检测与控制。

2.3 　系统采取的技术方案[4 ]
本系统包括导布架、机架、印花导带、传动机构和多个印花
网筒构成的套色机构,以及设置在各印花网筒内的给浆机构等。
从第2 个印花网筒开始的各印花网筒的后部,位于印花导带上
部至少装有一个图像传感器,还具有一控制器( PC 机或工控
机) 。控制器包括输入端、输出端和图像处理单元,控制器的输
入端与图像传感器的输出端连接,控制器的输出端与第2 个印
花网筒后部的各印花网筒的驱动电机连接。控制器的处理单元
对图像传感器所检测的印花图案进行对比处理后,输出信号控
制驱动电机动作,调节各印花网筒的转角位置。控制器的输出
端还与使印花网筒轴向移动的电机和使印花网筒轴向摆动的电
机连接,通过控制器调节各印花网筒的轴向位移与摆动位置。
本系统采用上述技术方案后具有如下优点,
(1) 结构合理、
可靠。本系统从第2 个印花网筒开始的各印花网筒后部至少设
有一个图像传感器,可通过图像传感器在线实时对织物上印花
图案色位进行检测,并及时将被测到的印花图案信号传给控制
器,经其处理单元与设定的印花图案进行对比处理,及时将处理
后的信号输出,调整印花网筒的转角位置,还可以同时调节印花
网筒的轴向位置以及轴向摆动,从而使各印花网筒所印制的套
色图案准确,提高了套色印花的精度,实现了在线自动印花图案
检验。
(2) 生产效率高,产品合格率大幅度提高。采用此种印花
机,可在线实时对印花图案进行检测控制,并及时调整各印花网
筒的相对位置,杜绝了织物在印花过程中无论是传动机构中零
部件产生的机械磨损,还是对花齿轮松动、导带与印花网筒速度
不协调,以及织物在印花导带上的变形等众多因素造成的“错
花”、“跑花”现象,对花精度高。这不仅提高了生产效率,大大降
低了劳动强度,而且还大幅度提高了产品的合格率。
(3) 方便老机型改造。本系统在不改变原有设备的基础上,仅增加
了图像传感器和控制器,与现有的印花网筒驱动机构实现有机结
合,使已有圆网印花机也能实现自动对花功能。

3 　自动对花系统的具体实施方式
图2 和图3 分别是织物圆网印花机自动对花系统的正视和
俯视结构示意图。导布架1 、机架8 、印花导带2 、传动机构7 和
多个印花网筒4 构成套色机构,设置在各印花网筒4 内的是给
浆机构9 。本系统从第2 个印花网筒4 开始的各印花网筒4 后
部,位于印花导带2 上部装有图像传感器6 ,可设置在完成最后
一个套色印花网筒4 的后部,也可从第2 个印花网筒4 开始的
各印花网筒4 后部设置,或采用间隔装在各印花网筒4 之间。


　　通过图像传感器6 可在线、分时自动摄取织物上的印花图
案,并送至控制器13 中,与控制器13 内设定储存的印花图案的
套色色位进行对比处理。图像传感器6 可安装在机架8 的支承
架上,或通过其他方式安装在支承架上,其安装位置可前后、左
右、上下移动调整。控制器13 可采用带有图像处理单元的PC
机或工控机等,其输出端则与第2 个印花网筒4 后部的各印花
网筒4 的驱动电机10 连接,能与印花网筒4 的轴向移动电机11
和轴向摆动电机12 连接更好。当图像传感器6 将检测到的织
物印花图案色位与设定印花图案色位进行对比、判别后,输出信
号,对图案色位偏移的印花网筒4 的转角位置进行调整,同时也
对印花网筒4 的轴向位移及轴向偏摆位置进行调整,全方位地
控制织物上印花图案的套色位置。从而使各印花网筒印在织物
上的图案套色达到精准要求,并对印花后的成品织物实现在线
自动检验。

图4 为系统的印花网筒控制框图,当系统印花网筒4 的驱
动电机10 、轴向移动电机11 和轴向摆动电机12 采用伺服电机
或步进电机时,图像传感器6 将检测的印花图案色位偏移的误
差信号送至控制器13 内,控制器13 的处理单元则对各位置的
误差信号进行计算,产生各位置误差校正的正脉冲串,经缓冲
级,差分输出脉冲信号串,对驱动电机10 、轴向移动电机11 和轴
向摆动电机12 进行调整,直至各印花网筒4 在织物上的印花图
案套色位置准确,达到高精度印花效果为止。


当印花网筒4 的驱动电机10 、轴向移动电机11 和轴向摆动
电机12 采用普通微电机时,各微电机上设有反馈装置,图像传
感器6 将检测到的印花图案各色位偏移的误差信号送至控制器
13 内,控制器13 的处理单元则对各位置的误差信号进行计算
后发出电压或电流信号,调节各微电机,微电机也将调节情况通
过电机上的反馈装置送至控制器13 内,直至各印花网筒4 在织
物上的印花图案位置准确为止。
本系统的印花图案可采用图样直接输入控制器13 内作为
设定印花图案,也可把电子分色制网的信息输入控制器13 内作
为设定印花图案,或直接把在印花过程中确认的印花图案通过
图像传感器送至控制器13 内作为设定印花图案。
本系统可在第1 个印花网筒4 的后部设置图像传感器5 ,将
在线摄取的印花图案送至控制器13 内作为套色基准,在线对织
物的印花图案进行检测,并通过控制器13 自动处理,及时调节
各印花网筒4 在织物上的印花图案套色位置。此方法简单可
靠,能提高产品质量和生产效率,大幅度降低劳动强度。

4 　结语
基于机器视觉的圆网印花机自动对花系统利用图像传感器
在线实时地对印花图案套色位置进行自动检测与控制,不仅极
大地减轻了人工检测的劳动强度,而且还显著地提高了产品的
检测质量和检测速度,并进一步提高了对花精度。本系统不但
为圆网印花机全自动闭环对花系统的设计打下了一个良好的基
础,同时还为不少印染企业的研究人员提供了另一条技术开发
思路,具有一定的借鉴意义。
参考文献:
[1 ] 　刘曙光,屈萍鸽,费佩燕. 机器视觉在纺织检测中的应用[J ] . 纺织
学报,2004 ,24 (6) :89 - 91.
[2 ] 　武祥珊. 印花技术的现状与发展[J ] . 印染,2003 , (12) :44 - 47.
[3 ] 　吕志刚,曹跃进,刘重轩. 新型圆网印花机对花精度检测系统的实
现[J ] . 江苏纺织,2003 , (7) : 50 - 52.
[4 ] 　姜立芳. 工业视觉检查系统中模式识别的研究[D] . 哈尔滨:哈尔滨
理工大学,2003.