Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих методов и средств контроля геометрических параметров текстильных паковок 9
1.1. Влияние дефектов формы паковок крестовой намотки на их пригодность к переработке 9
1.2. Механические методы контроля геометрических параметров тела намотки 13
1.3. Оптические методы контроля геометрических параметров тела намотки 26
Глава 2. Теоретический анализ контроля профиля образующих паковок крестовой намотки методом теневой проекции 37
2.1. Зависимость масштаба преобразования профиля от конструктивных параметров устройства 37
2.2. Анализ погрешностей масштаба преобразования профиля 43
2.2.1. Погрешности масштаба преобразования профиля, вызванные отклонением установки осветителя и фотоприемника 45
2.2.2. Погрешности масштаба преобразования профиля, вызванные линейным смещением бобины 47
2.2.3. Погрешности масштаба преобразования профиля, вызванные угловыми смещениями шторки 48
2.2.4. Влияние кривизны изображения края тени на погрешность масштаба преобразования 50
2.3. Выбор и обоснование устройства для регистрации изображения 53
2.3.1. Фотоаппарат, как устройство для регистрации изображения 53
2.3.2. WEB-камера, как устройство для регистрации изображения 53
2.3.3. MiniDV видеокамера, как устройство для регистрации изображения 54
2.3.4. Цифровая камера, как устройство для регистрации изображения 55
Глава 3. Разработка программно аппаратного комплекса для контроля геометрических параметров текстильных паковок 58
3.1. Устройство для получения первичных данных о форме паковки 58
3.2. Алгоритмы обработки данных 61
3.2.1. Масштабирование 62
3.2.2. Разбивка видеороликов на кадры 63
3.2.3. Получение координат профиля паковки 65
3.2.4. Построение трехмерной визуальной модели паковки 73
3.3. Описание программного продукта 76
Глава 4 Разработка метода оценки качества формы паковок крестовой намотки 80
4.1. Алгоритм автоматизированного определения единичных показателей для оценки формы паковок крестовой намотки (решающие правила) 81
4.2. Проектирование обобщенного показателя для оценки формы паковок крестовой намотки 96
4.2.1. Проведение экспертного опроса 97
4.2.2. Построение комплексного показателя для оценки формы паковок 103
4.3. Оценка применимости комплексного показателя для анализа формы паковок 106
Общие выводы 112
Литература из
Приложения 119
- Механические методы контроля геометрических параметров тела намотки
- Анализ погрешностей масштаба преобразования профиля
- Проектирование обобщенного показателя для оценки формы паковок крестовой намотки
- Оценка применимости комплексного показателя для анализа формы паковок
Введение к работе
При переходе на рыночные отношения во всех отраслях промышленности и предоставления услуг зарождается конкуренция, которая является стимулом развития производства и технологий. При конкурентной борьбе каждое предприятие стремится уменьшить потребление ресурсов, повысить качество, а затем объёмы производства. Качество продукции зависит от поставляемого сырья и оборудования, на котором происходит его выработка и технологического режима. Зачастую закупка нового, более совершенного оборудования, невозможна из-за нехватки средств в амортизационном фонде предприятия, поэтому требуется максимально эффективное использование имеющегося оборудования.
Исключением не является и легкая промышленность. На стадии подготовки к снованию при формировании паковок могут возникнуть отклонения формы от нормальной. Чаще всего такие отклонения возникают из-за износа мотального механизма или его неправильной наладки. И в дальнейшем использование не качественно намотанной бобины может привести к появлению временных задержек или отбраковке на последующих стадиях производства.
Настройка оборудования производится вручную, а ее продолжительность и качество зависит, в основном, от опыта работника. То есть, налицо просматривается "человеческий фактор". В современных условиях, характеризующихся высокими темпами роста информационных технологий, многие задачи, ранее выполняемые с помощью ручного труда, могут быть решены с использованием систем автоматизации, что позволит существенно сократить трудоемкость процесса, и как следствие, время его выполнения. Также при этом повышается качество выполняемой работы, высвобождаются дополнительные трудовые мощности. Процесс оценки качества формы паковки при этом будет лишен человеческого субъективизма.
Для повышения качества паковок необходим постоянный контроль на стадии подготовки к снованию. Одним из показателей качества намотки пряжи на патрон может служить форма паковки. Одним из документов нормирующим отклонения формы ткацкой бобины является ГОСТ 10078— 85. В данном стандарте перечислен ряд дефектов намотки, которые не допустимы. Однако, как показывает практика, некоторые отклонения от заданной формы, не допустимые по ГОСТу, не влияют на протекание техпроцесса. Поэтому необходимо количественно определить эти отклонения. Причем необходимо сформировать комплексный показатель качества формы паковки.
В настоящее время существуют методы, позволяющие по форме паковки осуществлять процесс их разбраковки на стадии подготовки к снованию. Однако они не позволяют количественно определить качество сформированной паковки.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что создание автоматизированного метода для количественной оценки качества формы паковки является актуальным.
Цель и задачи исследования
Целью работы является повышение качества паковок за счет введения контроля формы бобины. Для этого необходимо решить ряд задач: провести сравнительный анализ современных методов и средств оценки качества паковки по ее геометрическим параметрам; разработать методику и устройство для съема первичных данных, характеризующих форму; оценить погрешности измерения первичных данных о форме паковки и сформулировать требования к точности изготовления устройства. разработать алгоритмы: -предварительной обработки изображения; -фильтрации; -формирования данных о профилях исследуемых поверхностей; -построения графической 3-х мерной модели паковки; разработать комплексный показатель качества формы; разработать алгоритм расчета комплексного показателя качества формы; разработать программное обеспечение на основе алгоритмов; выполнить экспериментальную проверку разработанного метода;
Методы исследования
В работе использовали теоретические и экспериментальные методы. Применяли методы математического моделирования, методы информационных технологий обработки и анализа изображений и видео роликов. Исследования проводились как стандартными, так и оригинальными методами и средствами. Обработка экспериментальных данных проводилась средствами MS Excel 2000, MS Access 2000, Adobe Photoshop CS, а автоматизированная оценка качества партии бобин с помощью оригинального программно-аппаратного комплекса, программная часть которого разработана в среде Borland Delphi 6 Studio.
Научная новизна
В диссертационной работе впервые: разработан автоматизированный метод распознавания и оценки дефектов намотки бобины; для распознавания дефектов формы ткацкой паковки применен метод теневой проекции; разработано устройство для определения качества формы бобины; экспериментальным образом выявлена зависимость между количественным отклонением значения дефекта намотки и качеством формы бобины; разработан метод визуального моделирования бобины с учетом дефектов намотки; разработан комплексный показатель качества формы паковки на основе ее геометрических параметров;
Практическая значимость
Разработано алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющее определить качество мотки бобины по геометрическим показателям; разработано алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющее построить визуальную модель бобины; разработано устройство и проведена его экспериментальная проверка;
Механические методы контроля геометрических параметров тела намотки
Этот класс методов является наиболее многочисленным. В основу методов этого класса положено измерение формы паковки с помощью мерительных инструментов, оснащенных щупами. Такие устройства не пригодны для достаточно точного измерения геометрических размеров паковки ввиду давления, оказываемого щупами на измеряемую поверхность. Как правило, тело намотки имеет малую жесткость и деформируется при контакте со щупами. Далее приведен краткий обзор нескольких устройств этого класса. В простейшем случае для определения размеров и формы паковки пользуются линейкой и штангенциркулем. Применение штангенциркуля при измерении диаметра паковок приводит к большим ошибкам, потому что тело намотки имеет малую жесткость и деформируется в процессе измерения. Гораздо лучшие результаты можно получить, применяя гибкую металлическую ленту для измерения длины окружности с последующим расчетом диаметра. В этом случае давление от ленты распределяется равномерно по поверхности и деформации паковки незначительны.
С помощью указанных инструментов можно измерять ширину и диаметр паковки только по наружной поверхности. Однако если намотка имеет свободные торцевые стороны, они, как правило, криволинейны. Поэтому для контроля формы такая паковка разматывается послойно с контролем ее ширины на соответствующих диаметрах. Такая методика не позволяет непосредственно оценивать форму паковки и ее отклонения. Это можно сделать только по результатам трудоемкой обработки. Кроме того измерения проводятся не по всей поверхности, а точечно, что снижает точность метода и делает его трудоемким и не позволяет применять для выборок большого объема.
Попыткой механизировать процесс измерения этим методом являются приборы Севостьянова А.Г. [13] для определения размеров ровничных паковок. Они представляют собой специальные измерительные приспособления, одно из которых показано на рис 1.1. Как нетрудно видеть они позволяют оперативно контролировать основные геометрические размеры. Несмотря на это они обладают всеми указанными выше недостатками и не позволяют в общем виде оценить отклонение формы паковок.
Задача контроля шероховатости и отклонений от правильной геометрической формы деталей давно поставлена и успешно решается в машиностроении [14, 15]. Однако текстильные паковки обладают рядом специфических особенностей (малой твердостью поверхности и большой шероховатостью), которые не позволяют напрямую использовать известные методы.
В [16] для экспериментального определения величины радиального биения образующей поверхности тела намотки и угла наклона ее к оси вращения бобинодержателя предложено устройство, которое состоит из измерительного узла и узла крепления бобины, смонтированных на основании 1 (рис. 1.2.), опирающемся на регулировочные болты 16, 19 и 20.
Рабочим элементом измерительного узла является контактная пластина 8, радиус изгиба которой соответствует радиусу контактирующего с телом намотки цилиндра. Пластина 8 закреплена винтом 9 на кронштейне 18, удерживающем ее на уровне оси вращения бобинодержателя. Пластина имеет возможность радиального перемещения относительно поверхности тела намотки (обеспечивается поворотом кронштейна 18 на оси 17), а также возможность поворота в горизонтальной плоскости вокруг винта 9.
Необходимое усилие прижима контактной пластины к телу намотки устанавливают винтом 13 и контролируют по шкале 12. Угол наклона образующей тела намотки к оси вращения бобинодержателя определяют по шкале 10, биение по индикатору 11. При измерении паковок разных диаметров контакт пластины 8 с измеряемым телом обеспечивается переменой положения стойки 14, фиксируемой винтом 15.
Узел крепления бобины состоит из кронштейнов 2 и 21, удерживающих бобинодержатель 3 с бобиной и телом намотки 4.
В процессе измерений бобинодержатель поворачивают рукояткой 7, угол поворота отсчитывают по шкале 6, расположенной на диске 5.
Несомненным достоинством устройства является то, что оно позволяет отделить радиальное биение, как отклонение формы от отклонения диаметра бобины. Однако в целом устройство имеет целый ряд недостатков - оно требует индивидуальной наладки перед каждым измерением, не позволяет фиксировать отклонения формы образующей паковки, измерения угла наклона образующей носят точечный характер и для создания полной картины должны проводиться многократно, форма торцов бобины не контролируется. В [17] описано устройство для контроля формы торцевых поверхностей паковки (рис 1.3).
Анализ погрешностей масштаба преобразования профиля
Дальнейшим развитием системы Beltro-Lis является система Lis-200 [32], которая производится фирмой Lenzing-Instruments (Австрия) в сотрудничестве с фирмой Barmag AG (Германия). Система позволяет контролировать геометрические параметры . (диаметр, седловитость и вздутие), а также структурные их параметры (наличие заправочного конца нити, жгутовой намотки и т.д.) и такие параметры, как скрещивание витков, наличие оборванных элементарных нитей, петель, пуха. Система имеет модульную конструкцию, что позволяет получать систему, определяющую все перечисленные характеристики или только некоторые из них. Использование лазерной технологии позволяет фиксировать очень мелкие пороки бобин, невидимые глазом человека. Система оснащается автоматическим транспортным средством и роботом, которые обеспечивают прием бобин, установку их на место контроля и выполнение других действий, связанных с результатом контроля. В течение всего контроля рука человека не касается бобины. На контроль бобины затрачивается 9с. В течение 1 часа система контролирует более 400 бобин. Системы, основанные на сканировании исследуемого участка паковки лазерным лучом являются довольно сложными и, как следствие, дорогостоящими, требующими специально подготовленного персонала для их эксплуатации.
Аналогичных результатов при гораздо меньших затратах можно добиться если использовать в качестве приемника телевизионные камеры или матрицы фотоэлементов.
Устройство [33] предназначено для контроля качества бобин пряжи любых размеров, цвета и материала. Принцип работы устройства основан на получении изображения бобин и их обработка с использованием ЭВМ для определения наличия дефектов.
Устройство содержит две стойки, на которых установлены датчики изображения, например, матричные камеры. Датчики просматривают верхний и нижний торцы бобины, а также ее боковую поверхность. Для этого они перемещаются вдоль стоек электромеханическими механизмами. Для обработки каждого изображения используются блок ввода изображения, блок его улучшения, фильтр, блок преобразования изображения в двоичную форму, блок вывода полученных характеристик и блок их оценки. Каждое введенное изображение преобразуется в двухцветное цифровое изображение. Из этого изображения извлекаются специфические геометрические характеристики каждого дефекта. Эти характеристики сравниваются с хранящимися в запоминающем устройстве заранее определенными значениями. Это позволяет оценить наличие дефекта или его отсутствие.
В устройстве [34] контролируемые бобины перемещаются через контрольную камеру, оснащенную оптическими приспособлениями для контроля бобин. В результате проверки каждой бобины производится их сортировка. При этом полноценные бобины продолжают движение на несущем их транспортере к месту съема. Бобины, имеющие дефекты, переводятся на другой транспортер, с которого они снимаются в другом месте.
Устройство позволяет достаточно полно и оперативно оценить качество паковок. Однако принципы фильтрации изображения, его преобразования и выделения дефектов авторами не разглашаются. Поэтому представляется целесообразным проведение научных исследований, задачами которого будет выявление рациональных способов обработки изображения паковок для обнаружения их дефектов.
Традиционно оптические методы применяются для контроля микронеровностей поверхностей в машиностроении. Наиболее распространенными являются методы светового сечения и теневой проекции. Сущность первого метода состоит в том, что на исследуемую поверхность проектируют под углом щель в виде узкой световой полосы, изображение которой наблюдают через расположенный под тем же углом микроскоп. Данный метод применим для измерения шероховатостей в пределах от 0,5 до 50 мкм [35]. Неравномерность профиля торцевых поверхностей бобины и ее образующей имеют гораздо большие величины. Следовательно, этот метод непригоден для измерения неровностей текстильной паковки.
При измерении методом теневой проекции (рис. 1.14) над контролируемой поверхностью устанавливается шторка Ш. Шторка устанавливается таким образом, что она отсекает часть пучка света, который направляется на контролируемую поверхность от осветителя, оптическая ось которого Oj-Oi наклонена под углом а к нормали контролируемой поверхности. Тень от шторки, падая на поверхность, повторяет ее профиль. О форме и размерах сечения судят по видимому изображению тени в приборе наблюдения, оптическая ось которого О2-О2 направлена под углом р к нормали контролируемой поверхности.
Проектирование обобщенного показателя для оценки формы паковок крестовой намотки
Единичные показатели, для нахождения которых в 4.1 сформулированы решающие правила не позволяют оценить качество паковки в целом. Действительно их влияние на качество паковки не равнозначно. Кроме того возможны случаи когда одни паковки имеют низкое значение по одним показателям и высокое по другим, сравнение их качества в этом случае затруднено. Для разрешения этой ситуации необходимо проектирование обобщенного комплексного показателя, который позволит учесть степень влияния каждого из единичных показателей на качество паковки. Для оценки степени влияния каждого из названных выше единичных показателей применялся метод экспертных оценок.
Сущность метода экспертных оценок [57] заключается в проведении экспертами интуитивно-логического анализа проблемы с количественной оценкой суждений и формальной обработкой результатов. Получаемое в результате обработки обобщенное мнение экспертов принимается как решение проблемы. Комплексное использование интуиции (неосознанного мышления), логического мышления и количественных оценок с их формальной обработкой позволяет получить эффективное решение проблемы.
Для реализации процедуры экспертного оценивания была сформирована группа экспертов. Общим требованием при формировании группы экспертов явилась возможность эффективного решения проблемы.
Достоверность группового экспертного оценивания зависит от общего числа экспертов в группе, долевого состава различных специалистов в группе, от характеристик экспертов.
Группа экспертов для оценки влияния определенных выше единичных показателей качества формы паковки на пригодность ее к дальнейшей переработке состояла из 18 специалистов в области ткачества. Девять из которых, являются сотрудниками ООО «БКЛМ-Актив», работающими непосредственно в производственных подразделениях занимающихся контролем качества. Другие девять являются сотрудниками технологических кафедр Костромского технологического университета, имеющими квалификацию кандидата технических наук.
При формировании группы экспертов учитывался стаж работы по специальности, связанной с направлением экспертизы, проведение научных работ в области оценки влияния качества полуфабрикатов на процессы снования и ткачества, способность экспертов к самостоятельному суждению. Согласно приведенной в [57] классификации типов задач, решаемых при экспертных опросах, задача, решаемая в настоящей работе, относится к количественной оценке заданных объектов.
Из используемых при коллективной экспертизе видов опроса: дискуссии, анкетирования, интервьюирования, метода коллективной генерации идей, был выбран опрос в форме анкетирования без обратной связи, т.е. анкетирование проводилось одним этапом и экспертам не сообщалось о результатах анкетирования. Выбор такого варианта опроса объясняется тем, что анкетирование является наиболее эффективным и самым распространенным видом опроса, ибо позволяет наилучшим образом сочетать информационное обеспечение экспертов с их самостоятельным творчеством. При проведении опроса экспертам была предложена анкета, приведенная в таблице 4.3.
Информация, полученная при проведении индивидуального экспертного опроса [58] сведена в таблицу 4.4. Хотя в существующей литературе [57-58] по данному вопросу рекомендуют использовать 5 или 7 балльную шкалу - использовалась
Оценка применимости комплексного показателя для анализа формы паковок
Для оценки применимости разработанного метода к анализу формы паковок, проводились обмеры нескольких партий паковок, имеющих как цилиндрическую, так и коническую форму, наработанных на разных машинах и имеющих разный окрас. По результатам замеров с помощью разработанного программного обеспечения производился расчет комплексного показателя. Полученные при этом результаты сведены в таблицу 4.8. Партии паковок №1 и №2 наработаны в одних и тех же условиях. Их анализ проводился для определения воспроизводимости процесса определения комплексного показателя формы предложенным методом. Дисперсии выборок сравнивались по критерию Фишера. Было установлено, S2 что расчетное значение критерия Фишера Fp = — = 1,501. Табличное Si значение этого критерия Fx=4,28 для доверительной вероятности pD=0,95, и числа степеней свободы выходных параметров fj = f2 = 6. [59] Средние обеих выборок сравнивались по критерию Стьюдента. Для этого рассчитывалась дисперсия где Ші и Ш2 - количество повторностей в соответствующих выборках. После чего определялось расчетное значение критерия Стьюдента Табличное значение этого критерия определялось при доверительной вероятности pD=0,95 и числе степеней свободы f= ml+m2 -2=10.
Оно составило tT= 2,228. Поскольку tp tx, то разница в средних значениях статистически незначима и процесс контроля формы по предложенному комплексному показателю воспроизводим. Сравнение визуальной оценки формы паковок в партиях №1 -№6 позволяют сделать вывод о том, что предложенная оценка формы паковки отражает ее свойства и позволяет получить количественную оценку, которая более удобна при отладке оборудования, чем визуальная, более объективна и позволяет применять более тонкую градацию оценки качества. Как следует из данных, приведенных в таблице 4.8, разработанный метод и устройство с успехом могут использоваться для контроля формы паковок сформированных из хлопка, льна и штапелированных волокон. Пряжа из этих видов волокон обладает достаточно хорошими рассеивающими свойствами. При обработке бобин из вискозной комплексной нити был выявлен тот факт, что материал хорошо отражает поступающий на него свет. В связи с этим при обработке полученного видеоизображения практически невозможно зарегистрировать реальный профиль паковки. Для того чтобы получить реальный профиль паковки необходимо использовать специальные поляризационные и флуоресцентные фильтры. Как показал анализ партии №6, окраска пряжи не препятствует анализу формы паковок методом теневой проекции.
Разработанный комплексный показатель качества паковки позволяет количественно оценивать форму паковки и судить о ее пригодности для следующих технологических стадий. Он может быть использован при отладке технологического оборудования, установленного на производстве. Известно, что на форму паковки существенное влияние имеют линейная плотность нити, ее упруго-деформационные и фрикционные характеристики. Поэтому мотальный механизм должен подстраиваться для переработки нитей соответствующего ассортимента. Для такой подстройки в мотальных механизмах многих машин предусмотрены регулировки. Некоторые из них приведены в таблице 4.9. Рекомендаций по установке конкретных значений этих параметров, кроме намоточного натяжения нет. Метод комплексной количественной оценки формы паковок, изложенный в настоящей работе позволяет проводить оптимизационные эксперименты и на их основе назначать такие регулируемые параметры, которые позволят получать паковки требуемого качества.
