Содержание к диссертации
Введение 6
Общая характеристика работы 8
1. Современное состояние проблемы компьютерного измерения характеристик строения текстильных материалов 15
1.1. Выявление основных направлений в повышении качества текстильных материалов 15
1.2. Определение современных тенденций в развитии методов и средств оценки показателей качества текстильных материалов 19
1.3. Анализ преимуществ компьютерных методов определения показателей свойств текстильных материалов 27
1.4 Описание цифровых технологий обработки информации 33
1.4.1 Выявление особенностей цифровой обработки сигналов 33
1.4.2 Обзор методов цифровой обработки одномерных сигналов 34
1.4.3 Обзор методов цифровой обработки двумерных сигналов 55
1.5. Постановка задач научных исследований 70
1.6. Выбор и характеристика объектов исследований 71
2. Развитие методов получения и обработки информации о свойствах текстильных материалов на основе цифровых технологий 74
2.1. Использование и развитие цифровых технологий получения информации о свойствах текстильных материалов... 74
2.2. Изучение особенностей методов спектрального анализа в задачах обработки информации 84
2.3. Разработка системы непараметрического спектрального анализа 89
2.4. Разработка конечнопараметрической модели спектра случайных изменений толщины волокнистого продукта 102
2.5. Совершенствование градиентного анализа неравномерности свойств волокнистых продуктов 107
2.6. Использование методов вейвлет-преобразования для исследования свойств волокнистых продуктов 118
2.7. Определение новых научных результатов по главе 127
Совершенствование аппаратно-программного обеспечения для оценки неравномерности толщины полуфабрикатов и продуктов прядильного производства 129
3.1. Выявление направлений совершенствования лабораторного оборудования для контроля неровноты волокнистых продуктов 129
3.2. Анализ причин возникновения и оценка погрешностей при определении неровноты по толщине продуктов прядения 131
3.3. Определение статистических критериев качества оценок спектральной плотности методом машинного эксперимента 140
3.4. Особенности аппаратной и программной реализации лабораторных устройств для определения неровноты продуктов прядильного производства 156
3.5. Определение новых научных результатов по главе 161
Разработка методов компьютерного исследования показателей протяженности текстильных волокон 163
4.1. Рассмотрение общих принципов получения цифровых изображений текстильных волокон 163
4.2. Разработка метода измерения длины хаотически ориентированных одиночных волокон 165
4.3. Сопоставление характеристик протяженности волокон, полученных различными методами измерений 189
4.4. Создание метода определения характеристик протяженности группы ориентированных волокон 203
4.5. Исследование способа определения характеристик протяженности группы ориентированных волокон методом компьютерного моделирования 213
4.6. Выявление новых научных результатов по главе и направления их дальнейшего развития 217
Создание методов компьютерного определения характеристик строения текстильных нитей .220
5.1. Выявление особенностей выделения структурной неравномерности строения нитей 220
5.2. Разработка метода обнаружения ствола ворсистой пряжи 223
5.3. Разработка методов распознавания пороков внешнего вида пряжи 232
5.4. Разработка метода измерения показателей ворсистости пряжи 239
5.5. Разработка методов измерения показателей скрученности текстильных нитей 249
5.6. Определение новых научных результатов по главе 254
Проектирование методов компьютерного измерения показателей строения тканых полотен 256
6.1. Общая характеристика процессов получения и обработки первичной графической информации о строении тканых полотен 256
6.2. Разработка методов определения характеристик строения ткани по ее изображению 258
6.3. Создание метода определение ворсистости ткани 269
6.4. Решение проблем вычислительной эффективности в процессах обнаружения пороков внешнего вида ткани 276
6.5. Определение новых научных результатов по главе 284
Основные результаты и выводы по работе 286
Библиографический список 290
Приложения 322
П. 1. Схема платы сопряжения лабораторного комплекса КЛА-М с персональным компьютером 322
П.2. Комплекс лабораторный автоматизированный КЛА-М. Руководство оператора 324
П.З. Определение точности компьютерного метода измерения длины одиночных волокон 348
П.4. Результаты определения погрешности компьютерных методов измерения крутки пряжи различных видов в сравнении с базовым методом 351
П.5. Копии актов о внедрении 356
Введение к работе
На предприятиях текстильной промышленности вопросам повышения качества выпускаемой продукции всегда уделялось большое внимание. Сегодня же, в условиях интенсивного развития рыночных отношений, качество продукции рассматривается как важный стратегический фактор конкуренции. Конкурентоспособность продукции, определяемая соотношением ее качественных и стоимостных показателей, играет существенную роль как при решении вопросов экономической состоятельности предприятий на внутреннем экономическом рынке страны, так и в процессах интеграции российской экономики в мировую экономическую систему.
Для текстильных предприятий характерен широкий и достаточно часто меняющийся ассортимент выпускаемой продукции. При этом производственные процессы отличаются сложностью и большим количеством технологических переходов. Чтобы обеспечить необходимое качество, контролю подвергаются многочисленные характеристики свойств исходного сырья, полуфабрикатов и готовой продукции. Для этих целей служит большое количество разнообразных методов и технических средств, реализованных в виде приборного оснащения отделов и служб технического контроля. В связи с тем, что значительная часть этого оборудования изношена, сегодня существует настоятельная потребность в разработке и оснащении текстильных предприятий новыми инструментальными средствами испытания и измерения. Для решения этой проблемы весьма перспективным представляется направление, основанное на использовании последних достижений средств компьютерной техники и информационных технологий.
Происходящая сегодня информатизация всех сфер жизни общества проявляется, в первую очередь, в доступности компьютерной техники и программного обеспечения. Компьютерные и информационные технологии вышли на качественно новый уровень, позволяющий без значительных капитальных за трат решать сложные задачи в различных областях человеческой деятельности, в том числе и задачи создания приборного оснащения для оценки качества текстильных материалов. При условии правильной постановки задач, обоснованного выбора методов и уже существующих программно-технических средств можно заметно сократить сроки и снизить затраты на исследовательских и про-ектно-конструкторских этапах разработки. Очевидным преимуществом компьютерных технологий является возможность их использования на всех этапах измерительного процесса, включая операции сбора, передачи и преобразования информации, обработки собранных данных и представления полученных результатов, удовлетворяющих самым высоким требованиям к их содержанию и форме. Нужно отметить также высокую оперативность и достоверность, необходимые при принятии обоснованных решений на любом уровне управления производством или предприятием. Подтверждением сказанному является возросшая потребность и платежеспособный спрос на программно-технические продукты со стороны субъектов экономики всех форм собственности.
Однако на сегодняшний день в нашей стране недостаточно теоретических работ в сфере компьютерного распознавания и измерения свойств текстильных материалов, а практически реализованных систем еще меньше. Это является следствием нашего отставания от мирового уровня в развитии техники, инструментального и программного обеспечения. Поэтому возникает необходимость в систематизации знаний, касающихся данной научно-практической области, а также в развитии методического аспекта процесса создания и практики использования компьютерной техники и информационных технологий при анализе и определении свойств текстильных материалов.
Цель работы заключается в обеспечении возможности повышения качества продукции текстильных предприятий за счет разработки и применения новых методов контроля и измерения характеристик строения текстильных материалов, основанных на использовании современной компьютерной техники и цифровых технологий обработки информации.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
проведен анализ современного состояния проблемы оценки показателей качества текстильных материалов, выявлены основные тенденции развития этого направления;
предложены и реализованы новые методы получения и обработки информации о свойствах текстильных материалов, основанные на современных цифровых технологиях;
- получены новые аппаратные решения, разработаны алгоритмы и создано программное обеспечение для осуществления лабораторного контроля и оценки свойств полуфабрикатов и продуктов прядильного производства;
разработаны методы компьютерного исследования показателей протяженности текстильных волокон;
созданы методы компьютерного определения характеристик строения текстильных нитей по их изображению;
- разработаны методы компьютерного измерения характеристик строения тканей, а также методы обнаружения местных пороков.
Основные методы исследований
Методической и теоретической основой диссертационного исследования явились научные труды по текстильному материаловедению, технологии прядения и ткачества. Широко использовались современные методы математического анализа, теории вероятностей и математической статистики, методы цифровой обработки сигналов и изображений, вычислительные методы. Исследования предложенных методов контроля и измерения структурных свойств текстильных материалов проводились с использованием системы компьютерной математики MATLAB, а также с помощью пакета прикладных программ, разработанных автором. Достоверность экспериментальных результатов исследований обеспечивалась корректным использованием методов оценки погрешности измерений, достоверность результатов теоретических исследований подтверждена экспериментально.
Новые научные результаты, полученные в работе
1. Составлено алгоритмическое описание и осуществлено имитационное моделирование процесса формирования волокнистых продуктов. Показано, что статистические, вероятностные и спектральные характеристики моделей соответствуют аналогичным характеристикам моделируемых объектов.
2. Разработаны и опробованы методы проектирования различных систем анализа одномерных сигналов, получаемых с помощью устройств контроля не-ровноты волокнистых продуктов.
3. Установлены и исследованы причины возникновения погрешностей в процессе определения неровноты волокнистых продуктов. Получено математическое описание и произведена оценка уровня систематических и случайных погрешностей, подтвержденная соответствующими экспериментальными исследованиями. Предложены пути снижения выявленных погрешностей.
4. Сформулированы основные принципы формирования цифровых изображений текстильных материалов (волокон, нитей, тканей), учитывающие особенности их строения, геометрические и оптические свойства, позволяющие конкретизировать требования к характеристикам технических средств и параметрам процесса получения изображений.
5. Разработан метод определения длины группы хаотически ориентированных текстильных волокон по их цифровому изображению. На основании теоретического и экспериментального исследования получены соотношения, связывающие основные характеристики длины волокон, определенные прямыми и косвенными методами. Разработан новый способ определения характеристик длинны группы ориентированных волокон, обладающий подтвержденной научно-технической новизной.
6. Исследована и показана возможность использования методов анализа перепадов яркости на цифровых изображениях с целью обнаружения границ ствола ворсистой пряжи, определения ее диаметра, обнаружения пороков внешнего вида и измерения скрученности текстильных нитей. Разработан метод измерения показателей ворсистости пряжи по ее изображению, полученному в отраженном световом потоке.
7. Разработаны методы компьютерного анализа изображений поверхности ткани, позволяющие осуществить измерение характеристик строения тканей, а также обнаружение местных пороков.
Практическая значимость
В работе заложены основы и сформулированы принципы разработки новых методов измерения характеристик строения текстильных материалов, базирующихся на возможностях современной компьютерной техники и информационных технологий. Проведенные исследования позволили создать методы, обладающие высокими эксплуатационными показателями, обеспечивающие оперативность и достоверность получаемых результатов.
Разработанные методы реализованы в виде аппаратно-программных комплексов и систем, ориентированных на использование доступной вычислительной и периферийной техники. Созданное программное обеспечение предназначено для работы в операционной среде семейства WINDOWS и не требует высокой квалификации работников.
На ряде российских текстильных предприятий (ОАО «Родники-Текстиль» - г. Родники Ивановской области, ОАО «Навтекс» - г. Наволоки Ивановской области, ЗАО «Промтекстиль» - г. Воронеж и др.) в соответствии с полученными в работе результатами проведена модернизация лабораторных комплексов КЛА-1 и КЛА-2. Вместе с модернизированным лабораторным оборудованием эксплуатируется созданное для этих целей специальное программное обеспечение. Устройство для контроля и анализа неровноты по толщине волокнистой ленты используется в лаборатории текстильного предприятия ОАО «Родники-Текстиль». Внедрение результатов работы на российских текстильных предприятиях подтверждается соответствующими актами.
Часть результатов исследования внедрена в учебный процесс ИГТА и КГТУ в виде лабораторных работ для студентов, а также в виде измерительных комплексов для аспирантов.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на заседаниях кафедр, проблемных и научных семинарах МГТУ им. А.Н. Косыгина, СПГУТД, КГТУ, ИГТА. Доклады по материалам работы были заслушаны:
- на межвузовских научно-технических конференциях аспирантов, магистров и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (ПОИСК-2000,2003,2005), ИГТА, Иваново, 2000,2003,2005;
- на международных научно-технических конференциях «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2000, 2001, 2002, 2004, 2005), ИГТА, Иваново, 2000, 2001,2002,2004,2005;
- на межвузовской научно-технической конференции «Перспективы использования компьютерных технологий в текстильной и легкой промышленности» (ПИКТЕЛ-2003), ИГТА, Иваново, 2003;
- на всероссийской научно-методической конференции «Новые информационные технологии в вузах и на предприятиях легкой промышленности» СПГУТД, Санкт-Петербург, 1998;
- на всероссийской научно-методической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2003), МГТУ, Москва, 2003;
- на второй международной научно-технической конференции «Достижения текстильной химии в - производство» (Текстильная химия - 2004), ИХ-РРАН, Иваново, 2004;
- на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях» (Лен-2004), КГТУ, Кострома, 2004;
- на седьмой Всероссийской научно-технической конференции «Проектирование, контроль и управление качеством продукции и образовательных услуг» (Москва - Тольятти 2004);
- на четвертой центрально-европейской конференции «Полимеры, химические волокна и текстиль специального назначения» (Чешская республика, Ли- берец, 7-9.09.2005);
- на XIII российском конкурсе «Текстильный салон-2005», Иваново, 2005. Разработанные в рамках диссертационной работы аппаратно- программные комплексы демонстрировались на выставках:
- Ивановский инновационный салон «ИННОВАЦИИ-2004»;
- Ивановский инновационный салон «ИННОВАЦИИ-2005». Личный вклад автора
Соискателю принадлежит основная роль в постановке и решении задач, в непосредственном выполнении теоретических и экспериментальных исследований, разработке алгоритмов и написании специального программного обеспечения, обобщении результатов и формулировке выводов, изложенных в диссертации.
Публикации
По материалам диссертации опубликованы 72 работы, из них 16 статей в журнале «Известия вузов. Технология текстильной промышленности», пять статей в журнале «Вестник ИГТА», одна статья в журнале Уханьского университета науки и технологии (Китай), 14 статей в сборниках материалов семинаров и конференций различного уровня, получено три патента, 12 свидетельств о регистрации программ для ЭВМ в Российском агентстве по патентам и товарным знакам, а так же два свидетельства в Отраслевом фонде алгоритмов и программ, остальные публикации - тезисы конференций.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов по работе, библиографического списка и приложений. Основное содержание изложено на 321 странице, содержит 100 рисунков, 39 таблиц. Библиографический список включает 264 источника. Приложения составляют 43 страницы.
