光纤精确绕线视觉识别技术的设计

时间:2020-11-09 12:45:08 物理毕业论文 我要投稿

光纤精确绕线视觉识别技术的设计

  随着高绕线精度器件的出现,对光纤绕线的精确度要求越来越高,下面是小编搜集整理的一篇相关论文范文,欢迎阅读参考。

  虽然光纤绕线技术伴随着光纤的出现就开始被广泛研究,但是随着高绕线精度器件(如光纤陀螺线圈和有线制导线团等)的出现,并逐渐进入工程化阶段,对光纤绕线的精确度要求越来越高,绕线工艺[1-4]及线圈品质好坏[5]直接影响光纤陀螺和有线制导的质量。由于光纤直径误差、内应力和静电等因素影响排线精度,而这些因素又具有随机性,无法通过在控制系统中预先设置来消除。因此,精密排线一直是光纤行业的一个难题。引入视觉识别技术,对各种误差因素总体结果进行反馈解决紧密绕线问题,不需要对每个误差因素进行消除,优化了系统结构,提高了绕线精度。本文设计一种视觉识别技术,通过对硬件、结构和识别方法的设计,识别出精密绕线的滞后角、光纤间距、搭线等参数,作为闭环反馈信号,实现了光纤精密排列。

  1 工作原理

  绕线机工作时,放线盘跟踪收线盘,排纤装置根据视觉识别系统识别出排线的滞后角、光纤搭线、间隙等参数,传给主控系统形成闭环控制,实现光纤的精密排列。视觉识别系统主要功能:(1)识别出排线的滞后角,作为反馈信号传输给主控系统,实现光纤密排;(2)识别光纤间隙、光纤搭线情况,传输给主控系统,用于判断有无缠绕缺陷,进行自动倒车回绕等操作。

  光纤密绕线间距与滞后角如图1所示:光纤密绕线间距W,缠绕过程中同一层相邻光纤间的距离;光纤密绕滞后角θ,当前上绕光纤与前一匝已缠绕好光纤之间的夹角。

  1.1 视觉识别系统绕制缺陷测试原理

  光纤精密绕制过程中的主要缺陷是出现间隙和叠层搭线两种。光纤密绕线间距分为三类:间距合格、间距过大(有间隙)、间距过小(搭线)。如图2所示:

  1.2 视觉识别系统滞后角测试原理

  绕线滞后角就是正在上绕的'光纤和已经绕在线盘上的光纤之间的夹角。只有滞后角控制在一定范围才能保证光纤精密绕制。在光纤密绕过程中,滞后角分为三类:滞后角合格、滞后角过大、滞后角过小。如图3所示,主控系统根据滞后角的情况,调节排线位置,使滞后角保持在一定范围内,实现光纤密排。

  2 视觉识别系统设计

  2.1 绕制缺陷识别系统

  绕制缺陷主要指在绕制过程出现的不符合精密绕线工艺的状况,如光纤间距过大(出现间隙)、搭线(错层)都不符合精密绕线工艺,一旦出现必须进行识别和处理。

  2.1.1 硬件配置

  绕制缺陷识别系统硬件由工业像机、镜头、补充光源和电源及网线等附件组成,主要硬件配置参数见表1.

  2.1.2 光纤密绕间距的识别

  为了能够获得更清晰稳定的图像和适应不同工作环境要求,环境的自然光不能满足视觉识别系统的技术要求,必须使用辅助光源,提高视觉图像的效果,达到视觉识别的要求。光源照射方式分为光源直射、光源侧射和背光模式三种,其优缺点和存在问题见表2.

  2.1.2.1 光源和相机的位置

  光纤密绕线间距检测采用背光照射方式,使光源发光面对着工业相机的镜头,部分光线被缠绕上光纤的线轴遮挡,形成背光阴影。对光纤缠绕盘切面进行成像,这样就有最大的对比度,有利于图像处理和识别。光源与工业相机位置如图4(a)所示,图像位置及成像效果如图4(b)所示。

  2.1.2.2 光纤密绕线间距测量

  把收线盘安装到收线轴上,在收线盘上用高精度的刻度尺标出一段长度L,用相机采集图像在L长度上有n个像素,则单个像素代表长度δ=L/n.光纤间距测量:提取当前层中光纤包络的各个最高点,测出高点之间的距离D所包含的像素数量nD,如图5所示。则光纤间距LD=δ·nD,通过MODBUS通信协议把光纤间距LD传给主控系统,主控系统把测出间距LD与工艺要求的间距比较,进行相应处理。

  2.1.3 光纤搭线的识别

  光纤搭线是指光纤在绕制过程中,在不该换层的地方绕到上一层形成的绕制缺陷,光纤搭线是光纤绕制中严重缺陷,必须进行识别和处理。要识别搭线,就要知道光纤所处的层数,判断层数是当前层还是上一层要有参照物,这个参照物就是光纤密绕层基准参考线。

  光纤密绕层基准参考线获取:线轴基准线为光纤密绕线轴的实际线;光纤密绕层基准参考线指当前密绕层的理想高度位置的参考线;光纤密绕层参考线指当前密绕层顶点坐标拟合的实际参考线,如图6所示。光纤密绕层高度和光纤线径相关,线径越粗,高度越大,光纤密绕层基准参考线距离线轴基准线越远;线径越细,高度越小,光纤密绕层基准线距离线轴基准线越近。测量时输入光纤线径、允许公差等参数。

  搭线的判断:当光纤图像高度超过本层基线2/3高度时,就认为有搭线发生,这时就会向主控系统发出报警信号。

  2.2 绕制滞后角识别测量系统

  绕制滞后角反馈给主控系统,是保证光纤密排的重要参数,滞后角的识别也是视觉识别系统主要功能之一。

  2.2.1 硬件配置。

  绕制滞后角识别系统硬件由两套工业相机、镜头、补充光源和电源及网线等附件组成,主要硬件配置参数见表3.

  2.2.2 光纤滞后角的识别

  光纤密绕过程中,当前上绕光纤和已缠绕好的光纤不在同一平面,通过调整测量相机的安装位置确定,使相机视野的一个边作为测量滞后角的角度基准线,通过光纤与基准线的夹角作为滞后角。为了使图像清晰采用环状LED光源,正面打光,通过对各种色光成像对比,选择红色光效果最好。

  光纤密绕滞后角检测位置及采集图像如图7所示,红线为与CCD一边平行的角度基准线,白线为光纤图像,利用视觉识别软件对读取的图像进行处理,根据像素数,利用反三角函数就能算出滞后角度数。

  3 设计验证

  本文采用上述方案,以Sherlock视觉识别软件作为视觉识别软件开发平台,实现了对绕制光纤间距(如图8(a)所示)、搭线(如图8(b)所示)和滞后角(如图8(c)所示)的测量。光纤密绕线间距测量精度±0.04 mm,见表4;滞后角测量精度达到±0.1°,见表5;光纤搭线识别率100%.

  4 结束语

  本文设计了一种用于光纤精密绕制的视觉识别系统,该系统能够识别光纤绕制滞后角,精度达到±0.1°;线间距测量精度±0.04 mm;光纤搭线识别率100%.该系统与主控系统配合,完成了大长度光纤(≥10 km)无间隙无搭线缺陷自动绕制。该技术解决了光纤精密绕制的难题,可用于绕制光纤陀螺线圈等精密绕制设备。

  参考文献:

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  戴旭涵,杨国光,刘承。 光纤环中的Shupe效应及其补偿方法研究[J]. 光子学报,2001,30(12):1470-1473.

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