Разработка технологии и методов обнаружения внешних пороков текстильных материалов с применением локальных бинарных шаблонов и вейвлет-анализа

На современном этапе развития экономической мысли доминирует так называемая сберегающая экономика. Ключевая особенность этой парадигмы заключается в том, что она рассматривает производство не только как результат комбинации предметов труда, средств труда и рабочей силы, но и как потребителя восполняемых и не восполняемых ресурсов. Как следствие: всеобщая тенденция к эффективной модернизации и оптимизации производственных процессов. Именно стремление к повышению эффективности текстильных производств за счёт снижения доли выпуска недоброкачественной продукции требует новых разработок в области методов проверки качества тканей. Для обеспечения высокого качества и повышения производительности осуществляется модернизация существующих технологических процессов путём внедрения новых технологий, компьютерных средств на платформе более эффективных математических моделей анализа.

Изделия текстильной и лёгкой промышленности традиционно составляют значительную часть от общего количества потребляемых в России. По оценке российских экономистов, на их приобретение россияне тратят до 50% своих доходов. Кроме того, изделия из текстиля используются при производстве целого ряда товаров для автомобильной промышленности, медицины и т. д.

Высокий уровень сложности изготовления конечного продукта в текстильной промышленности неизбежно приводит к отказам технологического оборудования и, как следствие, к появлению пороков. Для достижения надлежащего качества текстильных материалов особенно важно оперативно получать надёжную и достоверную информацию.

К сожалению, существующие методы и комплексы для контроля качества либо очень дорогостоящие, что препятствует их приобретению малыми и средними предприятиями, либо морально и физически устарели.

Современный уровень развития компьютерных и информационных технологий позволяет разрабатывать новые методы контроля качества и на их основе создавать программно-технические комплексы, способные решать задачи автоматизированного контроля качества различных текстильных материалов и изделий.

На основе сделанного выбора того или иного вида технологического обеспечения с учётом функциональной, экономической или иной целесообразности, появляется возможность решать задачи анализа, оптимизации, прогнозирования, управления технологическим процессом и т. д., при этом лишь заменяется программное обеспечение вычислительной системы.

Целью данной диссертационной работы является разработка методов обнаружения и классификации локальных пороков внешнего вида хлопчатобумажной ткани с применением машинного зрения с последующим их внедрением в технологический процесс выработки ткацкого полотна.

Общая характеристика работы.

Актуальность работы. Пороки в ткачестве возникают уже на стадии выработки текстильных материалов вследствие неисправной работы ткацкого станка. Несвоевременное обнаружение пороков ведёт к снижению сортности ткани и, как следствие, её удешевлению.

На ткацких станках всех типов используют основные и уточные остановы, которые контролируют целостность соответствующих нитей. При обрыве нитей станок останавливают. Однако остановы, в силу ограниченности ассортимента рассматриваемых пороков, не могут обеспечить высокое качество ткани. Остановы не дают информацию о причинах появления дефекта. Разработка и внедрение комплекса поиска пороков с использованием доступных компьютерных средств при выработке ткани имеют высокую рентабельность, но при этом являются сложной научно-технической проблемой, решение которой в мировой практике до настоящего времени не реализовано в полном объёме. Создание комплекса поиска пороков включает в себя разработку методов обнаружения и классификации пороков внешнего вида ткацкого полотна.

Подобный комплекс позволит управлять частью технологического процесса выработки ткацкого полотна и даст возможность фиксировать пороки в режиме реального времени с целью исправления дефектных областей и предотвращения их возможного образования в дальнейшем.

Таким образом, разработка комплекса поиска дефектов при выработке ткацкого полотна, основанного на методах обнаружения и классификации пороков с применением доступных компьютерных средств, является актуальной задачей научного и прикладного исследования.

Целью диссертационной работы является решение задачи определения пороков с применением машинного зрения, что соответствует практическим нуждам ткачества, а также разработка комплекса обнаружения пороков при выработке ткацкого полотна — для частичного управления технологическим процессом выработки ткани, с тем чтобы: • фиксировать пороки ткани;

• останавливать — при необходимости — ткацкий станок;

• исправлять пороки ткани;

• предупреждать неисправности ткацкого оборудования.

Для достижения поставленных целей:

• проведён анализ современного состояния проблемы поиска пороков с использованием машинного зрения;

• разработан двухступенчатый алгоритм определения пороков с использованием машинного зрения;

• разработан метод поиска пороков внешнего вида ткацкого полотна;

• разработан метод классификации пороков ткани с применением компьютерных средств;

• на основании метода определения пороков внешнего вида разработана структура комплекса поиска пороков ткацкого полотна при его выработке;

• проведены испытания разработанных методов на образцах тканей в производственных условиях на предмет выявления их работоспособности и преимуществ по сравнению с визуальным контролем ткацкого полотна.

Объектом исследования являются технологический процесс выработки тканисуществующие системы контроля качества суровой ткани и способы их модернизациидефекты ткани и причины их появления.

Предметом исследования являются управление технологическим процессом выработки хлопчатобумажной тканиспособы замены существующих предохранительных приспособлений бесчелночных ткацких станковмашинные алгоритмы выявления и анализа наиболее часто встречающихся пороков ткани, причины появления дефектов.

Методической и теоретической основой диссертации явились научные труды по текстильному материаловедению, технологии хлопкоткачества, методы и средства измерения, методы оценки и прогнозирования качества, аналитическая геометрия, методы математической статистикиметоды компьютерной обработки цифровых изображенийметоды фильтрации цифровых сигналовприкладные методы обработки сигналовалгоритмирование и программирование на языках высокого уровня.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые получены следующие результаты:

• разработан двухступенчатый алгоритм определения пороков с целью наиболее быстрого определения дефектных областей и их точной классификации — на основании анализа современного состояния проблемы поиска пороков с использованием машинного зрения;

• разработан алгоритм поиска дефектной области с помощью локальных бинарных шаблонов — на основе современных достижений математического анализа и методов преобразования цифрового изображения;

• разработан метод классификации пороков ткани с помощью вейвлет-функции Габора — на основе современных достижений прикладной математики в области анализа нестационарных сигналов;

• разработан комплекс управления технологическим процессом выработки ткацкого полотна, дающий возможность фиксировать пороки в режиме реального времени с целью исправления дефектных областей и предотвращения их дальнейшего образования — на основе алгоритма по определению пороков.

Практическая значимость работы. В результате проведённых научных исследований разработаны исследовательские алгоритмы и программы для комплекса управления технологическим процессом выработки ткани. Разработаны методические указания по внедрению комплекса в технологический процесс. Данный комплекс позволит повысить качество выпускаемой ткани и даст возможность контролировать готовый продукт на всех этапах его формирования.

Апробация работы. Исследования проводились на кафедрах ГОУ ВПО «РосЗИТЛП»: «Технология тканей и трикотажа», «Техническая механика». Практические испытания разработанных методов и комплекса проводились в производственных условиях на фабрике ОАО «Группа компаний ОРЕТЕКС».

Основные материалы диссертационной работы изложены в докладах и тезисах:

• научно-технических и научно-практических конференций,.

• в директорате ОАО «Группа компаний ОРЕТЕКС»,.

• на кафедре технологии тканей и трикотажа ГОУ ВПО «РосЗИТЛП»,.

• на кафедре технической механики ГОУ ВПО «РосЗИТЛП».

Публикации по теме диссертации. По теме диссертационной работы опубликованы статьи:

• в журналах «Спутник+. Естественные и технические науки». № 6. 2010; «Казанский Издательский Дом. Казанская наука». № 10. 2010; «Известия вузов. Технология текстильной промышленности». № 1. 2011; «Швейная промышленность». № 2. 2011;

• в сборниках «Инновационность научных исследований в текстильной и лёгкой промышленности», «Теоретические знания — в практические дела», «Современные информационные технологии в образовании, науке и промышленности».

На защиту выносятся следующие положения.

• Комплекс управления технологическим процессом выработки ткани.

• Алгоритм определения пороков внешнего вида ткацкого полотна.

• Метод поиска дефектной области с помощью локальных бинарных шаблонов.

• Метод классификации пороков ткани с помощью вейвлет-функции Габора.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Она изложена на 125 страницах.

Выводы главы 5.

1. Разработанные метод поиска дефектной области и метод классификации пороков внешнего вида ткацкого полотна, реализованные в программном обеспечении, позволили провести логически завершённый комплекс практических работ по экспериментальному исследованию моделей пороков и анализу образцов готовой продукции текстильного производства.

2. Испытания на модельных примерах показали высокий процент безошибочной работы по определению линейных размеров модели порока. ^.

3. Экспериментальные исследования по выявлению цветовых нарушений ткацких полотен выявили правильность выбора технических средств и возможность выбранного оборудования стабильно работать на протяжении восьмичасовой рабочей смены.

4. Проведенные прикладные исследования в производственных условиях показали преимущество разработанного комплекса по определению пороков ткани перед традиционным визуальным методом контроля качества ткацкого полотна.

5. Установлено, что поэтапный метод по определению пороков ткани обладает рядом достоинств, одно из которых заключается в способности с высокой достоверностью распознавать широкий спектр дефектов ткацкого полотна.

6. Успешность испытаний в производственных условиях позволяет рекомендовать разработанный метод определения пороков ткани в качестве базового для дальнейшего создания системы контроля качества ткацкого полотна, интегрированной в технологический процесс выработки ткани.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработанный метод определения пороков с использованием машинного зрения (разделы 2 и 3) является более успешным по сравнению с существующими современными методами контроля качества ткани и может заменить визуальный контроль качества ткацкого полотна.

2. Используемые в методе математические алгоритмы преобразования и анализа функции яркости позволяют вести дальнейшие исследования для расширения ассортимента рассматриваемых текстильных материалов.

3. Разработанный двухступенчатый алгоритм определения пороков ткани с использованием машинного зрения, на основе локальных бинарных шаблонов и вейвлета Габора позволил точно классифицировать дефекты ткацкого полотна в режиме реального времени.

4. Высокая скорость работы метода позволила разработать комплекс управления технологическим процессом выработки ткани (раздел 4). Управление технологическим процессом даёт возможность оперативно реагировать на возникновение порока, а анализ дефектной зоны позволяет рационально управлять технологическим процессом выработки ткани.

5. Разработанные исследовательские алгоритмы и программы позволяют провести прикладные исследования по анализу тканых материалов. Универсальность алгоритмов позволяет использовать любой язык программирования высокого уровня.

6. Созданная для прикладных исследований тканей лабораторная установка (раздел 5) основана на принципе использования серийных технологий, что существенно уменьшает стоимость её промышленного аналога.

7. Разработанный для производственных испытаний браковочный комплекс, выполненный на базе диодного сканирующего устройства, показал высокую пригодность к работе по выявлению дефектов текстильных изделий в условиях текстильного производства.

Таким образом, в рамках поставленной задачи проведён полный комплекс исследований, который может быть использован для внедрения в технологический процесс выработки ткани на ткацком производстве.