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光纖精確繞線視覺識別技術的設計
隨著高繞線精度器件的出現，對光纖繞線的精確度要求越來越高，下面是小編搜集整理的一篇相關論文范文，歡迎閱讀參考。
雖然光纖繞線技術伴隨著光纖的出現就開始被廣泛研究，但是隨著高繞線精度器件(如光纖陀螺線圈和有線制導線團等)的出現，并逐漸進入工程化階段，對光纖繞線的精確度要求越來越高，繞線工藝[1-4]及線圈品質好壞[5]直接影響光纖陀螺和有線制導的質量。由于光纖直徑誤差、內應力和靜電等因素影響排線精度，而這些因素又具有隨機性，無法通過在控制系統中預先設置來消除。因此，精密排線一直是光纖行業的一個難題。引入視覺識別技術，對各種誤差因素總體結果進行反饋解決緊密繞線問題，不需要對每個誤差因素進行消除，優化了系統結構，提高了繞線精度。本文設計一種視覺識別技術，通過對硬件、結構和識別方法的設計，識別出精密繞線的滯后角、光纖間距、搭線等參數，作為閉環反饋信號，實現了光纖精密排列。
1 工作原理
繞線機工作時，放線盤跟蹤收線盤，排纖裝置根據視覺識別系統識別出排線的滯后角、光纖搭線、間隙等參數，傳給主控系統形成閉環控制，實現光纖的精密排列。視覺識別系統主要功能：(1)識別出排線的滯后角，作為反饋信號傳輸給主控系統，實現光纖密排;(2)識別光纖間隙、光纖搭線情況，傳輸給主控系統，用于判斷有無纏繞缺陷，進行自動倒車回繞等操作。
光纖密繞線間距與滯后角如圖1所示：光纖密繞線間距W,纏繞過程中同一層相鄰光纖間的距離;光纖密繞滯后角θ，當前上繞光纖與前一匝已纏繞好光纖之間的夾角。
1.1 視覺識別系統繞制缺陷測試原理
光纖精密繞制過程中的主要缺陷是出現間隙和疊層搭線兩種。光纖密繞線間距分為三類：間距合格、間距過大(有間隙)、間距過小(搭線)。如圖2所示：
1.2 視覺識別系統滯后角測試原理
繞線滯后角就是正在上繞的光纖和已經繞在線盤上的光纖之間的夾角。只有滯后角控制在一定范圍才能保證光纖精密繞制。在光纖密繞過程中，滯后角分為三類：滯后角合格、滯后角過大、滯后角過小。如圖3所示，主控系統根據滯后角的情況，調節排線位置，使滯后角保持在一定范圍內，實現光纖密排。
2 視覺識別系統設計
2.1 繞制缺陷識別系統
繞制缺陷主要指在繞制過程出現的不符合精密繞線工藝的狀況，如光纖間距過大(出現間隙)、搭線(錯層)都不符合精密繞線工藝，一旦出現必須進行識別和處理。
2.1.1 硬件配置
繞制缺陷識別系統硬件由工業像機、鏡頭、補充光源和電源及網線等附件組成，主要硬件配置參數見表1.
2.1.2 光纖密繞間距的識別
為了能夠獲得更清晰穩定的圖像和適應不同工作環境要求，環境的自然光不能滿足視覺識別系統的技術要求，必須使用輔助光源，提高視覺圖像的效果，達到視覺識別的要求。光源照射方式分為光源直射、光源側射和背光模式三種，其優缺點和存在問題見表2.
2.1.2.1 光源和相機的位置
光纖密繞線間距檢測采用背光照射方式，使光源發光面對著工業相機的鏡頭，部分光線被纏繞上光纖的線軸遮擋，形成背光陰影。對光纖纏繞盤切面進行成像，這樣就有最大的對比度，有利于圖像處理和識別。光源與工業相機位置如圖4(a)所示，圖像位置及成像效果如圖4(b)所示。
2.1.2.2 光纖密繞線間距測量
把收線盤安裝到收線軸上，在收線盤上用高精度的刻度尺標出一段長度L,用相機采集圖像在L長度上有n個像素，則單個像素代表長度δ=L/n.光纖間距測量：提取當前層中光纖包絡的各個最高點，測出高點之間的距離D所包含的像素數量nD,如圖5所示。則光纖間距LD=δ·nD,通過MODBUS通信協議把光纖間距LD傳給主控系統，主控系統把測出間距LD與工藝要求的間距比較，進行相應處理。
2.1.3 光纖搭線的識別
光纖搭線是指光纖在繞制過程中，在不該換層的地方繞到上一層形成的繞制缺陷，光纖搭線是光纖繞制中嚴重缺陷，必須進行識別和處理。要識別搭線，就要知道光纖所處的層數，判斷層數是當前層還是上一層要有參照物，這個參照物就是光纖密繞層基準參考線。
光纖密繞層基準參考線獲取：線軸基準線為光纖密繞線軸的實際線;光纖密繞層基準參考線指當前密繞層的理想高度位置的參考線;光纖密繞層參考線指當前密繞層頂點坐標擬合的實際參考線，如圖6所示。光纖密繞層高度和光纖線徑相關，線徑越粗，高度越大，光纖密繞層基準參考線距離線軸基準線越遠;線徑越細，高度越小，光纖密繞層基準線距離線軸基準線越近。測量時輸入光纖線徑、允許公差等參數。
搭線的判斷：當光纖圖像高度超過本層基線2/3高度時，就認為有搭線發生，這時就會向主控系統發出報警信號。
2.2 繞制滯后角識別測量系統
繞制滯后角反饋給主控系統，是保證光纖密排的重要參數，滯后角的識別也是視覺識別系統主要功能之一。
2.2.1 硬件配置。
繞制滯后角識別系統硬件由兩套工業相機、鏡頭、補充光源和電源及網線等附件組成，主要硬件配置參數見表3.
2.2.2 光纖滯后角的識別
光纖密繞過程中，當前上繞光纖和已纏繞好的光纖不在同一平面，通過調整測量相機的安裝位置確定，使相機視野的一個邊作為測量滯后角的角度基準線，通過光纖與基準線的夾角作為滯后角。為了使圖像清晰采用環狀LED光源，正面打光，通過對各種色光成像對比，選擇紅色光效果最好。
光纖密繞滯后角檢測位置及采集圖像如圖7所示，紅線為與CCD一邊平行的角度基準線，白線為光纖圖像，利用視覺識別軟件對讀取的圖像進行處理，根據像素數，利用反三角函數就能算出滯后角度數。
3 設計驗證
本文采用上述方案，以Sherlock視覺識別軟件作為視覺識別軟件開發平臺，實現了對繞制光纖間距(如圖8(a)所示)、搭線(如圖8(b)所示)和滯后角(如圖8(c)所示)的測量。光纖密繞線間距測量精度±0.04 mm,見表4;滯后角測量精度達到±0.1°，見表5;光纖搭線識別率100%.
4 結束語
本文設計了一種用于光纖精密繞制的視覺識別系統，該系統能夠識別光纖繞制滯后角，精度達到±0.1°;線間距測量精度±0.04 mm;光纖搭線識別率100%.該系統與主控系統配合，完成了大長度光纖(≥10 km)無間隙無搭線缺陷自動繞制。該技術解決了光纖精密繞制的難題，可用于繞制光纖陀螺線圈等精密繞制設備。
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