阅读说明：本技术 一种基于机器视觉的断纱找头装置 (Broken yarn and head finding device based on machine vision ) 是由 张洁 汪俊亮 李冬武 徐楚桥 于 2020-05-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于机器视觉的断纱找头装置及使用方法,属于环锭纺细纱自动接头技术领域；包括机器人、旋转锭子、气泵装置、吸嘴、毛刷、机器视觉系统和控制柜；旋转锭子的一侧对应设有机器人,机器人的末端执行机构上设有毛刷和吸嘴；吸嘴与气泵装置连接；旋转锭子对应设有机器视觉系统；机器人、旋转锭子、气泵装置和机器视觉系统与控制柜连接。本发明装置使用机器人完成纱管的取放,使用毛刷将附着在纱管表面的断纱刷离纱管,引入机器视觉的方法完成断纱的识别与定位以及断纱是否捕获成功的检测,使用负压气泵完成断纱的捕获。本发明用于断纱的寻找与捕获,解决了现有环锭纺细纱自动接头装置中断纱找头与捕获时间长、效率低的问题。(The invention relates to a broken yarn and end-finding device based on machine vision and a using method thereof, belonging to the technical field of automatic joint of ring spun yarn; comprises a robot, a rotary spindle, an air pump device, a suction nozzle, a brush, a machine vision system and a control cabinet; a robot is correspondingly arranged on one side of the rotating spindle, and a brush and a suction nozzle are arranged on a tail end executing mechanism of the robot; the suction nozzle is connected with the air pump device; the rotary spindle is correspondingly provided with a machine vision system; the robot, the rotary spindle, the air pump device and the machine vision system are connected with the control cabinet. The device uses a robot to complete the picking and placing of the bobbin, uses a brush to brush the broken yarn attached to the surface of the bobbin away from the bobbin, introduces a machine vision method to complete the recognition and positioning of the broken yarn and the detection of whether the broken yarn is successfully captured, and uses a negative pressure air pump to complete the capturing of the broken yarn. The automatic yarn-breaking and end-finding device is used for finding and capturing broken yarns, and solves the problems of long yarn-breaking and end-finding and capturing time and low efficiency of the conventional automatic ring spun yarn splicing device.)

一种基于机器视觉的断纱找头装置

技术领域

本发明涉及一种基于机器视觉的断纱找头装置及使用方法，属于环锭纺细纱自动接头技术领域。

背景技术

细纱工序是纺纱工艺的一个重要环节，细纱生产过程中断纱(从前罗拉输出至筒管之间连续的细纱条发生断裂的现象)问题直接导致细纱生产工序的中断，严重影响细纱生产效率。细纱机断纱后需要通过接头来使中断的细纱工序得以继续，而目前在细纱机中占比最大的环锭纺细纱机断纱接头工作仍需要依靠技术熟练的挡车工人手动完成，增加了工人劳动强度且降低了纺织企业生产的智能化和信息化，目前国内还没有自主生产的可以投入使用的环锭纺细纱机自动接头装置，虽然国外在国际纺机展中展示出过自动接头装置，但由于技术封锁国内自动接头技术发展仍旧落后。

要实现细纱机的自动接头，必须先完成断纱的自动找头，包括断纱的寻找与捕获，再将断纱穿过钢丝圈、导纱钩后喂入前罗拉完成接头。传统自动接头装置中对断纱的寻找与捕获的主要方法可以分为两类，一类是通过负压气流吸取断纱，另一类是使用毛毡摩擦纱管表面粘取断纱。其中第一类方法缺点在于，断纱后由于锭子仍旧高速旋转，使得断纱紧贴于纱管表面，因此直接吸取的成功率很低；第二类方法的缺点在于操作面积大且需要锭子配合反转。这两类方法共有的缺点在于没有断纱捕获后的检测，即无法知道是否已经成功捕获。因此传统自动接头装置断纱的寻找与捕获仍停留在盲人摸象的阶段，找头成功率低且耗费时间长。

发明内容

本发明的目的是为解决环锭纺细纱生产工序中断纱自动寻找与捕获的技术问题。

为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种基于机器视觉的断纱找头装置，包括机器人、旋转锭子、气泵装置、吸嘴、毛刷、机器视觉系统和控制柜；所述用于安装断纱纱管的旋转锭子的一侧对应设有机器人，机器人设有的末端执行机构上设有毛刷和吸嘴；所述吸嘴与机器人一侧设有的气泵装置连接；所述旋转锭子上设有的断纱纱管对应设有机器视觉系统；所述机器人、旋转锭子、气泵装置和机器视觉系统与控制柜连接。

优选地，所述机器人设为六自由度工业机器人。

优选地，所述旋转锭子设为一种可以绕其自身中心轴无限角度回转的用于完成纱管的正反转与角度控制的装置。

优选地，所述气泵装置设为一种可以不断产生负压气流的装置，包括负压气泵和气压导管；所述负压气泵设为可以输送空气介质的泵或压缩机。

优选地，所述毛刷设为一种可通过在纱管表面摩擦来使附着在纱管表面的断纱与纱管分离的刷类或毛毡类工具。

优选地，所述机器视觉系统包括工业相机、光源和背景板，用于采集并处理断纱图像。

优选地，所述控制柜包括工业控制系统、旋转锭子驱动装置、气泵装置的驱动装置和机器人的驱动装置。

优选地，所述吸嘴设为喇叭状，吸嘴的一端通过气压导管连接到负压气泵，吸嘴的另一端设为敞开用于吸取断纱的吸嘴口。

优选地，所述机器人设有的末端执行机构设有用于将断纱后的纱管从细纱机取放到旋转锭子上的末端吸取工位、用于将毛刷移动到纱管表面的刷离工位和用于将吸嘴移动到断纱吸取点的吸取工位；并通过机器人末端执行机构的旋转完成不同工位的切换。

本发明还提供一种基于机器视觉的断纱找头装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：机器人将断纱后的纱管从细纱机上取放到旋转锭子上；

步骤2：旋转锭子在机械臂将断纱后的纱管放到旋转锭子上之后，开始驱动纱管绕某一方向旋转；旋转锭子开始旋转的同时，工业相机实时采集断纱照并上传至控制柜的嵌入式系统处理，完成断纱照片的预处理以及断纱轮廓的识别与定位；若未检测到断纱轮廓即断纱附着在纱管表面，则机器人末端转换到刷离工位并将毛刷移动到纱管表面，通过旋转锭子绕退卷方向旋转使断纱裸露在纱管外部，然后完成断纱的检测与定位；若断纱未附着在纱管表面，则可直接进行断纱的检测与定位；

步骤3：断纱定位后，将断纱的像素坐标转换为机器人坐标并计算出吸取位置，机器人末端转换到吸取工位并将吸嘴移动到该吸取位置；

步骤4：开启气泵装置，完成断纱的捕获；

步骤5：纱管退卷，为了方便进行是否捕获成功的检测，旋转锭子需要再次绕纱线退卷的方向旋转固定的角度，同时吸嘴向远离纱管的方向移动固定距离，再次采集完成吸取后的照片上传嵌入式系统处理；

步骤6：若检测到已捕获到断纱，则整个断纱自动找头流程结束，否则返回步骤2重新找头。

本发明引入机器视觉的方法完成断纱识别与定位、使用毛刷刷离加负压吸取的方式完成断纱的捕获、完成捕获后再次使用机器视觉检测捕获结果，最终完成断纱自动找头。本发明解决了现有环锭纺细纱机自动接头装置中断纱寻找与捕获时间长、效率低的问题。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1.引入基于机器视觉的断纱检测方法，实现针对断纱的识别与定位，解决了现有技术中断纱吸取操作面积大、耗费时间长的缺点；

2.使用毛刷与吸附相结合的捕获方式，确保附着在纱管上的断纱能被成功捕获，解决了现有技术中负压吸附对附着在纱管表面的断纱捕获效果差的问题。

3.引入基于机器视觉的吸取后检测，确保成功捕获断纱，极大地提高了断纱捕获的成功功率。

4.将毛刷与吸嘴装配于机器人末端，通过机器人末端位姿的改变来转换纱管取放、断纱刷离、断纱捕获工位，仅使用一套机器人便可完成断纱的寻找与捕获，极大地简化了断纱自动找头装置的机械结构，克服了现有技术中断纱自动找头装置机械机构复杂的缺点。

附图说明

图1是本发明实施例的基于机器视觉的断纱自动找头装置结构示意图；

图2是本发明实施例的机器人末端执行机构示意图；

图3是本发明实施例的断纱自动找头总流程图；

图3中的图a为断纱自动找头流程图；图b为断纱检测算法流程图；

附图标记：1.控制柜2.机器人3.气泵装置4.机器人末端执行机构5.毛刷6.吸嘴7.背景板8.纱管9.机器视觉系统10.旋转锭子11.吸嘴口12.吸嘴接口13.纱管取放装置；

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：

如图1-3所示，本发明提供一种基于机器视觉的断纱找头装置，包括机器人2、旋转锭子10、气泵装置3、吸嘴6、毛刷5、机器视觉系统9和控制柜1；用于安装断纱纱管8的旋转锭子10的一侧对应设置有机器人2，机器人2设有的末端执行机构4上设置有毛刷5和吸嘴6；吸嘴6与机器人2一侧设有的气泵装置3连接；旋转锭子10上设置有的断纱纱管8对应设有机器视觉系统9；机器人2、旋转锭子10、气泵装置3和机器视觉系统9与控制柜1连接。机器人2设为六自由度工业机器人，旋转锭子10设为一种可以绕其自身中心轴无限角度回转的用于完成纱管8的正反转与角度控制的装置。气泵装置3设为一种可以不断产生负压气流的装置，包括负压气泵和气压导管；负压气泵设为可以输送空气介质的泵或压缩机。毛刷5设为一种可通过在纱管表面摩擦来使附着在纱管表面的断纱与纱管分离的刷类或毛毡类工具。机器视觉系统9包括工业相机、光源和背景板7，用于采集并处理断纱图像。控制柜1包括工业控制系统、旋转锭子驱动装置、气泵装置的驱动装置和机器人的驱动装置。吸嘴6设为喇叭状，吸嘴的一端通过气压导管连接到负压气泵，吸嘴的另一端设为敞开用于吸取断纱的吸嘴口。机器人2设有的末端执行机构4设有用于将断纱后的纱管8从细纱机取放到旋转锭子10上的末端吸取工位、用于将毛刷移动到纱管表面的刷离工位和用于将吸嘴移动到断纱吸取点的吸取工位；并通过机器人末端执行机构的旋转完成不同工位的切换。

一种基于机器视觉的断纱找头装置的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：机器人2将断纱后的纱管8从细纱机上取放到旋转锭子10上；

步骤2：旋转锭子10在机械臂将断纱后的纱管放到旋转锭子上之后，开始驱动纱管8绕某一方向旋转；旋转锭子10开始旋转的同时，工业相机实时采集断纱照并上传至控制柜1的嵌入式系统处理，完成断纱照片的预处理以及断纱轮廓的识别与定位；若未检测到断纱轮廓即断纱附着在纱管表面，则机器人末端转换到刷离工位并将毛刷5移动到纱管表面，通过旋转锭子绕退卷方向旋转使断纱裸露在纱管外部，然后完成断纱的检测与定位；若断纱未附着在纱管表面，则可直接进行断纱的检测与定位；

步骤3：断纱定位后，将断纱的像素坐标转换为机器人坐标并计算出吸取位置，机器人末端转换到吸取工位并将吸嘴6移动到该吸取位置；

步骤4：开启气泵装置3，完成断纱的捕获；

步骤5：纱管退卷，为了方便进行是否捕获成功的检测，旋转锭子10需要再次绕纱线退卷的方向旋转固定的角度，同时吸嘴6向远离纱管8的方向移动固定距离，再次采集完成吸取后的照片上传嵌入式系统处理；

步骤6：若检测到已捕获到断纱，则整个断纱自动找头流程结束，否则返回步骤2重新找头。

如图1所示：一种基于机器视觉的断纱找头装置包括以下几个部分：机器人2、旋转锭子10、气泵装置3、毛刷5、工业相机、光源、背景板7、控制柜1。装置各部分的描述如下：机器人2采用常用的六自由度工业机器人，用于纱管的取放、毛刷与吸嘴的移动；旋转锭子10使用步进电机驱动，用于驱动纱管8完成正反转与角度控制；气泵装置3是一种可以不断产生负压气流的装置，包括负压气泵、气压导管和吸嘴，用于完成断纱的吸附；毛刷5是一种尼龙丝材质的刷子，用于当断纱附着在纱管表面时摩擦纱管表面来使附着在纱管表面的断纱与纱管分离；工业相机是工业生产中常用的相机，用于采集断纱图像。光源为LED光源，用于给工业相机获取照片提供光源。背景板7是纯黑色亚克力板，作为相机捕获的纱管照片中的背景来提高断纱与背景的对比度。控制柜1中核心部件为嵌入式系统树莓派，用于断纱图像的处理、机器人的运动控制、旋转锭子的控制和气泵的控制。

毛刷5与吸嘴6均装配于机器人2末端执行机构4上，通过机器人末端的旋转完成机器人末端吸取工位、刷离工位、吸取工位的切换，分别完成纱管的取放、毛刷的移动、吸嘴的移动。旋转锭子10在机械臂将断纱后的纱管8从细纱机取放到旋转锭子10上之后，开始绕某一方向旋转，供相机获取断纱照片；在完成断纱的吸取之后，为了方便进行是否捕获成功的检测，旋转锭子需要再次绕纱线退卷的方向旋转固定的角度。

在识别并完成断纱的定位之后，吸嘴6移动到断纱吸取位置；气泵在吸嘴6移动到断纱吸取位置后开启，完成断纱的捕获；工业相机在旋转锭子10开始旋转的同时，获取纱管实时照片并上传给树莓派完成断纱照片的处理；在断纱吸取完毕、纱管退卷、吸嘴后移之后再次获取纱管与吸嘴区域的照片上传给树莓派，检测是否成功捕获断纱。嵌入式系统树莓派搭载Linux系统，总控制程序使用Python编程语言编写，调用OpenCV(计算机视觉库)类库完成断纱图像的预处理、断纱轮廓的识别与定位、断纱吸取后是否吸取成功的检测；使用树莓派扩展板完成对旋转锭子10中步进电机、机器人2和气泵装置3中气泵的协同控制。

旋转锭子10位于机器人的一侧，使用步进电机完成旋转锭子的正反转及角度控制。为提升图断纱图像处理效果，使用区别于白色纱线的黑色背景板7放置于旋转锭子10的后方，相机与光源置于旋转锭子10的前方完成断纱图像的采集。气泵装置3中负压气泵使用直流电机驱动的双泵头隔膜泵，置于机器人2的另外一侧，串联两个泵头时负压可达-90Kpa，流量约为16L/min。

控制柜1中工业控制系统使用嵌入式系统树莓派，总控制程序使用Python编程语言编写，调用OpenCV(计算机视觉库)类库完成断纱图像的预处理、断纱轮廓的识别与定位、断纱吸取后是否吸取成功的检测；使用树莓派扩展板完成旋转锭子10中步进电机、机器人2、气泵3的协同控制。

机器人末端执行机构4如图2所示，其中毛刷5与吸嘴6均装配在机器人末端执行机构4上，图中末端执行机构4设置有纱管取放装置13、吸嘴口11和吸嘴接口12；吸嘴接口12通过导管连接在负压气泵上，在机器人末端处于纱管取放工位时，毛刷5与吸嘴6均位于水平位置，机器人可完成纱管的取放。当需要使用毛刷5将吸附在纱管上的断纱与纱管8分离或需要完成断纱的吸取时，机器人末端旋转90度到对应工位，此时毛刷5和吸嘴6均处在竖直位置，可完成断纱的刷离和断纱的吸取。其中吸嘴口11口径为35mm*7mm，毛刷5为尼龙丝材质，毛刷5长度等于纱管8高度。

基于机器视觉的断纱自动找头流程如图3所示，其中图3中断纱自动找头流程为a图所示；可具体描述为：1)机器人将断纱后的纱管从细纱机上取放到旋转锭子上；2)锭子开始旋转，同时工业相机实时采集断纱照并上传嵌入式系统处理；3)若断纱附着在纱管表面，则采用毛刷摩擦纱管表面使断纱头裸露在纱管外部，然后完成断纱的检测与定位；若断纱未附着在纱管表面，则直接进行断纱的检测与定位；4)断纱定位后，将断纱的像素坐标转换为机器人坐标、驱动机器人末端将吸嘴移动到断纱吸取位置；5)开启气泵，完成断纱的捕获；6)纱管退卷，再次采集完成吸取后的照片上传嵌入式系统处理；7)若检测到已捕获到断纱，则整个断纱自动找头流程结束，否则返回步骤2)重新找头。

断纱检测的算法流程图如图3中b图所示，断纱检测算法的原理为：1)断纱图像的预处理，包括图像平滑处理、图像灰度格式得转化、通过阈值处理将图像二值化；2)提取靠近机械臂的纱管一侧区域为感兴趣区域；3)使用边缘检测的方法寻找断纱轮廓，发现断纱轮廓后立即停止旋转锭子的转动；4)返回断纱轮廓的像素点坐标平均值；5)使用坐标转换算法将像素坐标转换为机器人坐标，并将此坐标点作为断纱吸取点返回给机器人。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。