基于视觉的皮革自适应切割技术之机械学研究
2019-04-26 12:45:42 点击：
本文是一篇机械论文，
第一章绪论
1.1研究的背景及意义
进入20世纪以来，由皮革制成的服装、鞋、箱包等开始大量进入普通家庭用户，其需求量也在不断的日益增长，随着个性化需求，皮革成品的款式也十分丰富。据资料显示亚洲生产的皮革总量占据了全世界53%左右，在这样的大背景下我国的皮革制造业也迅猛发展。在皮革制造业中皮革的切割、裁剪是为不可或缺的工序，早期皮革的切割、裁剪主要依赖人工实现，人工切割、裁剪不仅效率较低且皮革制品精度不高，皮革切割、裁剪的尺寸不统一势必影响产品的互换性及产品品质。另一方面受到手工切割裁剪的限制，难以完成复杂制品的批量化生产。随着制造业的发展，机器作业代替了人工作业，皮革制造行业中也出现了切割、裁剪的设备，如皮革切割机等。
目前市场上的皮革切割机按照皮革切割方式分类，可分为皮革冲裁机和皮革切割机两大类。皮革冲裁机通过制造特殊的冲裁刀具，利用冲压力将冲裁刀具作用于皮革上，从而得到与冲裁刀具轮廓一致的皮革制品。皮革冲裁机可将多张皮革堆叠起来一次冲裁，加工效率得到了很大提高，但因裁剪不同轮廓的皮革需要配备不同样式的刀具，其刀具成本较高。受刀具形状轮廓影响，皮革冲裁机比较适合皮革简单轮廓、批量较大的场合，对于皮革复杂轮廓的裁剪比较难实现。皮革切割机使通过裁剪刀具与皮革做相对运动，进行轮廓的切割，与冲裁相比刀具的通用性较强，但对于一些较小尺寸的内轮廓或曲率变化很大或细节要求较高的轮廓切割存在较大难度甚至无法加工到位，通常将皮革大体轮廓进行裁剪，细节部分需要二次加工或人工辅助裁剪才能达到要求。
皮革制品的品种日趋丰富，为适应发展所需皮革裁剪、切割设备也从传统机器向智能化、柔性化、高效化发展。新型智能化的皮革裁剪设备应具有一定的识别判断功能，对不同种类的皮革可合理安排匹配的切割路线，此外，传统的切割工具如刀具、裁具等，也需进行优化或改善从而满足高精确尺寸切割的要求。因此，研发高效的、智能的皮革切割、裁剪装置对皮革制造业来说是十分必要的。
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1.2国内外研究现状及分析
1.2.1皮革栽剪技术研究
为了提高加工效率、提升产品的品质，人工裁剪皮革的工作逐渐由皮革裁剪切割机来代替。早些年由于国内对于智能化、全自动皮革裁剪设备研究起步较晚，核心技术不成熟，国内大多数皮革制造企业的设备还是以传统的皮革裁剪、切割设备为主。近几年机器换人，工业4.0概念的提出，生产设备都朝着智能化方向发展，皮革裁剪切割设备也不例外，国内高效对智能化、全自动皮革裁剪机的研究主要包括：浙江大学朱年军等人研究了高速数控皮革裁剪机，主要开展了对皮革裁剪机控制系统的硬件结构进行分析，对皮革的运动切割轨迹路径进行了优化，完成了皮革切割的控制系统；上海工程技术大学高飞等人将CAD/CAM技术应用于皮革面料的裁剪，利用视觉技术实现皮革边缘提取与疵点检测，皮革制品排版避开了疵点，最终通过激光切割技术完成皮革的切割；浙江理工大学林智慧等人对皮革切割装置的控制系统进行了设计与优化，将不同的轮廓在一张皮革毛坯上进行优化相＿版，使皮革的有效利用率达到最大，同时为提高切割效率优化了切割路径，实现最短路径切割的目的；长春理工大学周洪宇等人将激光切割技术应用在服装布料的裁剪上，对切割装置的控制系统进行了设计，对装置的电气控制路线进行了布局设计，并研制出样机进行调试及实验分析。近年来除了高校对智能皮革切割机进行研究外，国内也有不少企业研发了自动化皮革裁剪设备并推广到市场，例如广东川崎科技技术有限公司王玮棠提出采用双刀头同时切割皮革，以提高加工效率，但只适合于加工同类皮革的切割；广东瑞洲科技有限公司研发的型号为RZCRT5-3625E数控皮革切割机和青岛瑞智鑫自动化设备有限公司生产的型号为RZX皮革裁剪机床，这两类产品以裁剪震动刀进行切割；盐城金利龙机械有限公司研发的金利龙双油缸皮革自动冲裁机和江苏须清机械有限公司研发的型号为XCLP-400四柱皮革冲裁机，该类产品以冲裁刀模为切割体进行冲压切割；深训欣宇激光技术有限公司研发的DY-1206型皮革制品激光切割机实现了以激光对皮革进行切割。
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第二章皮革切割装置的系统框架与结构设计
2.1切割系统总体设计方案
为明确皮革切割装置机械结构设计、图像处理算法设计以及切割轨迹控制等模块的任务，在皮革切割装置保证切割精度的前提下，降低生产成本、发挥出最高加工效率，结合皮革切割装置的性能指标，对皮革切割系统的整体框架结构进行设计，给皮革切割装置各模块的设计任务起到指导作用。
2.1.1切割装置性能指标分析
机器设备的规格尺寸参数、功能参数、运行速度、适应场合、执行精度等构成了设备的性能指标。通常，性能指标是根据生产需求来确定的，只有明确装置的功能需求及性能指标，才能将设备的机械结构进行设计，对所需的硬件进行选型设计、系统的算法设计及软件开的流程也需要结合性能指标来完成。在本文中，性能指标就是皮革切割装置设计的第一要素，本装置所涉及的机械结构设计、硬件选型设计、算法设计及实现、运动控制设计、样机性能测试与实验分析等都是根据性能指标开展的。对于自适应皮革切割装置而言为皮革的切割尺寸精度、加工效率、传输带运行速度、切割对象、切割速度等都提出了明确的要求，具体性能指标如表2.1所示。
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2.2皮革切割装置的结构设计
本节将通过对皮革切割装置的整体框架设计、机械硬件选型与设计、关键结构设计等方面开展研究。整体框架设计主要根据皮革切割装置性能指标将各功能区域的尺寸进行布局；对本装置所涉及的机械部件进行选型及尺寸设计，确定各硬件技术参数；针对本装置的特点，将传输带衔接过渡结构进行设计，为皮革的图像采集和处理、运动轨迹控制奠定基础。
根据皮革切割装置功能分析，该装置将皮革图像采集、运动轨迹切割集于一体。为保证皮革切割时不破坏传输带，优先采用刚性传输带如不锈钢链板作为切割部分的传输带，但因不锈钢板具有反光、链板间有接缝等问题，会使工业相机采集的图像背景杂质较多或图像不够清晰，给图像处理带来不利，甚至会导致无法正常提取轮廓，且链板传输带较重，能耗消耗较大。介于以上原因不宜将整条传输带都采用不锈钢链板。因平带传输相对平稳且平带背景一致有利于用相机对图像进行采集，且皮革本身质量较轻选用平带传输带作为皮革图像采集部分的传输带较合适。因此需要通过平带传输带和链板传输带对皮革进行传输。
由于通过两条传输带对皮革进行传输，为使皮革在传输带上具有平稳传输、传输过程中其位姿不发生偏移，对皮革切割装置的传输平稳性、两条传输带传输运行速度误差等方面提出要求。因此对皮革切割装置进行了机械结构设计，对两条传输带的传动轴进行了错位布局设计，为便于调整错位高度差、便于调整平带两侧的张紧力，设计了错位轴高度差及张紧调节机构，为获取两条传输带的运行速度设计了计米器机构等，通过对皮革切割装置的机械结构设计主要解决皮革在两条传输带上的平稳过渡衔接、解决两条传输带运行速度的反馈等问题。皮革切割装置主要分为整体框架部分、皮革传输部分、图像采集部分、皮革切割部分等，为便于装置硬件的尺寸设计、细节结构设计等，对皮革切割装置进行了三维建模设计如图2.2所示，粉红色为整体机架体部分、绿色为皮革传输部分、蓝色为图像采集部分、红色为皮革切割部分。
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第三章基于视觉的皮革形状识别..........21
3.1视觉系统的总体框架............21
3.1.1图像采集系统的搭建...........21
3.1.2相机光源的选型.............22
第四章皮革切割运动控制系统..........39
4.1运动控制系统硬件组成.............39
4.1.1运动控制总体设计方案..............39
4.1.2硬件选型与设计.............40
第五章皮革切割装置实验与结果分析..........54
5.1实验平台的搭建.............54
5.2传输带线速度误差实验及分析...........55
第五章皮革切割装置实验与结果分析
5.1实验平台的搭建
结合皮革切割功能所需搭建了皮革切割实验样机，为清晰表达图像采集单元将视觉暗箱去除，皮革切割样机如图5.1所示，该样机主要由图像采集单元、皮革传输单元、机架单元、切割单元、运动控制单元、上位机控制单元等组成。图像采集单元包括摄像头，相机固定机架、LED灯、视觉暗箱等；皮革传输单元包括平带传输带、链板传输带、张紧调节机构等；切割单元包括切割平台、激光切割器等；运动控制单元包括平带测速机构、链板测速机构、电控箱等；上位机控制单元包括PC机等。
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第六章总结与展望
6.1总结
本文基于视觉的自适应皮革切割技术研究主要针对需二次切割加工的半成品皮革，通过图像处理技术提取皮革轮廓，并将皮革轮廓与模板皮革轮廓自动匹配，结合模版皮革与当前皮革对应的关键坐标点得到欧式变换矩阵值，利用欧式变换矩阵值、模版皮革的切割轨迹生成当前皮革所需的切割轨迹路径，采用激光切割加工的方式使半成品进行二次切割，最后通过实验数据验证皮革切割装置的效果，同时通过对实验数据的分析也明确了装置的改进方向。本文主要完成的工作内容如下：
１）皮革切割装置的机械结构设计：根据皮革切割装置的性能指标，对皮革切割装置的硬件进行了选型及尺寸设计；对皮革切割装置的关键部件进行了设计，主要包括：两条传输带过度衔接结构的设计、错位轴高度差调节张紧机构的设计、传输带计米器机构的设计等，确保皮革在传输过程中不发生位姿的偏移，位皮革图像处理奠定基础。
2）皮革图像处理算法研究；通过灰度工业相机采集传输带上的皮革图像经图像处理后生成当前皮革所需的切割轨迹。主要包括皮革图像的双边滤波算法对采集到的图像进行滤波降噪处理；利用图像二值化、边界追踪等算法对皮革轮廓进行提取；采用Hu矩算法将当前皮革与模板库中皮革进行皮革类型的匹配，利用轮廓最小外接圆方法提取皮革轮廓关键特征点求得欧式变换矩阵，最后将模板库中切割轨迹路径转换成当前皮革所需的切割轨迹路径。
参考文献（略）
第一章绪论
1.1研究的背景及意义
进入20世纪以来，由皮革制成的服装、鞋、箱包等开始大量进入普通家庭用户，其需求量也在不断的日益增长，随着个性化需求，皮革成品的款式也十分丰富。据资料显示亚洲生产的皮革总量占据了全世界53%左右，在这样的大背景下我国的皮革制造业也迅猛发展。在皮革制造业中皮革的切割、裁剪是为不可或缺的工序，早期皮革的切割、裁剪主要依赖人工实现，人工切割、裁剪不仅效率较低且皮革制品精度不高，皮革切割、裁剪的尺寸不统一势必影响产品的互换性及产品品质。另一方面受到手工切割裁剪的限制，难以完成复杂制品的批量化生产。随着制造业的发展，机器作业代替了人工作业，皮革制造行业中也出现了切割、裁剪的设备，如皮革切割机等。
目前市场上的皮革切割机按照皮革切割方式分类，可分为皮革冲裁机和皮革切割机两大类。皮革冲裁机通过制造特殊的冲裁刀具，利用冲压力将冲裁刀具作用于皮革上，从而得到与冲裁刀具轮廓一致的皮革制品。皮革冲裁机可将多张皮革堆叠起来一次冲裁，加工效率得到了很大提高，但因裁剪不同轮廓的皮革需要配备不同样式的刀具，其刀具成本较高。受刀具形状轮廓影响，皮革冲裁机比较适合皮革简单轮廓、批量较大的场合，对于皮革复杂轮廓的裁剪比较难实现。皮革切割机使通过裁剪刀具与皮革做相对运动，进行轮廓的切割，与冲裁相比刀具的通用性较强，但对于一些较小尺寸的内轮廓或曲率变化很大或细节要求较高的轮廓切割存在较大难度甚至无法加工到位，通常将皮革大体轮廓进行裁剪，细节部分需要二次加工或人工辅助裁剪才能达到要求。
皮革制品的品种日趋丰富，为适应发展所需皮革裁剪、切割设备也从传统机器向智能化、柔性化、高效化发展。新型智能化的皮革裁剪设备应具有一定的识别判断功能，对不同种类的皮革可合理安排匹配的切割路线，此外，传统的切割工具如刀具、裁具等，也需进行优化或改善从而满足高精确尺寸切割的要求。因此，研发高效的、智能的皮革切割、裁剪装置对皮革制造业来说是十分必要的。
.........................
1.2国内外研究现状及分析
1.2.1皮革栽剪技术研究
为了提高加工效率、提升产品的品质，人工裁剪皮革的工作逐渐由皮革裁剪切割机来代替。早些年由于国内对于智能化、全自动皮革裁剪设备研究起步较晚，核心技术不成熟，国内大多数皮革制造企业的设备还是以传统的皮革裁剪、切割设备为主。近几年机器换人，工业4.0概念的提出，生产设备都朝着智能化方向发展，皮革裁剪切割设备也不例外，国内高效对智能化、全自动皮革裁剪机的研究主要包括：浙江大学朱年军等人研究了高速数控皮革裁剪机，主要开展了对皮革裁剪机控制系统的硬件结构进行分析，对皮革的运动切割轨迹路径进行了优化，完成了皮革切割的控制系统；上海工程技术大学高飞等人将CAD/CAM技术应用于皮革面料的裁剪，利用视觉技术实现皮革边缘提取与疵点检测，皮革制品排版避开了疵点，最终通过激光切割技术完成皮革的切割；浙江理工大学林智慧等人对皮革切割装置的控制系统进行了设计与优化，将不同的轮廓在一张皮革毛坯上进行优化相＿版，使皮革的有效利用率达到最大，同时为提高切割效率优化了切割路径，实现最短路径切割的目的；长春理工大学周洪宇等人将激光切割技术应用在服装布料的裁剪上，对切割装置的控制系统进行了设计，对装置的电气控制路线进行了布局设计，并研制出样机进行调试及实验分析。近年来除了高校对智能皮革切割机进行研究外，国内也有不少企业研发了自动化皮革裁剪设备并推广到市场，例如广东川崎科技技术有限公司王玮棠提出采用双刀头同时切割皮革，以提高加工效率，但只适合于加工同类皮革的切割；广东瑞洲科技有限公司研发的型号为RZCRT5-3625E数控皮革切割机和青岛瑞智鑫自动化设备有限公司生产的型号为RZX皮革裁剪机床，这两类产品以裁剪震动刀进行切割；盐城金利龙机械有限公司研发的金利龙双油缸皮革自动冲裁机和江苏须清机械有限公司研发的型号为XCLP-400四柱皮革冲裁机，该类产品以冲裁刀模为切割体进行冲压切割；深训欣宇激光技术有限公司研发的DY-1206型皮革制品激光切割机实现了以激光对皮革进行切割。
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第二章皮革切割装置的系统框架与结构设计
2.1切割系统总体设计方案
为明确皮革切割装置机械结构设计、图像处理算法设计以及切割轨迹控制等模块的任务，在皮革切割装置保证切割精度的前提下，降低生产成本、发挥出最高加工效率，结合皮革切割装置的性能指标，对皮革切割系统的整体框架结构进行设计，给皮革切割装置各模块的设计任务起到指导作用。
2.1.1切割装置性能指标分析
机器设备的规格尺寸参数、功能参数、运行速度、适应场合、执行精度等构成了设备的性能指标。通常，性能指标是根据生产需求来确定的，只有明确装置的功能需求及性能指标，才能将设备的机械结构进行设计，对所需的硬件进行选型设计、系统的算法设计及软件开的流程也需要结合性能指标来完成。在本文中，性能指标就是皮革切割装置设计的第一要素，本装置所涉及的机械结构设计、硬件选型设计、算法设计及实现、运动控制设计、样机性能测试与实验分析等都是根据性能指标开展的。对于自适应皮革切割装置而言为皮革的切割尺寸精度、加工效率、传输带运行速度、切割对象、切割速度等都提出了明确的要求，具体性能指标如表2.1所示。
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2.2皮革切割装置的结构设计
本节将通过对皮革切割装置的整体框架设计、机械硬件选型与设计、关键结构设计等方面开展研究。整体框架设计主要根据皮革切割装置性能指标将各功能区域的尺寸进行布局；对本装置所涉及的机械部件进行选型及尺寸设计，确定各硬件技术参数；针对本装置的特点，将传输带衔接过渡结构进行设计，为皮革的图像采集和处理、运动轨迹控制奠定基础。
根据皮革切割装置功能分析，该装置将皮革图像采集、运动轨迹切割集于一体。为保证皮革切割时不破坏传输带，优先采用刚性传输带如不锈钢链板作为切割部分的传输带，但因不锈钢板具有反光、链板间有接缝等问题，会使工业相机采集的图像背景杂质较多或图像不够清晰，给图像处理带来不利，甚至会导致无法正常提取轮廓，且链板传输带较重，能耗消耗较大。介于以上原因不宜将整条传输带都采用不锈钢链板。因平带传输相对平稳且平带背景一致有利于用相机对图像进行采集，且皮革本身质量较轻选用平带传输带作为皮革图像采集部分的传输带较合适。因此需要通过平带传输带和链板传输带对皮革进行传输。
由于通过两条传输带对皮革进行传输，为使皮革在传输带上具有平稳传输、传输过程中其位姿不发生偏移，对皮革切割装置的传输平稳性、两条传输带传输运行速度误差等方面提出要求。因此对皮革切割装置进行了机械结构设计，对两条传输带的传动轴进行了错位布局设计，为便于调整错位高度差、便于调整平带两侧的张紧力，设计了错位轴高度差及张紧调节机构，为获取两条传输带的运行速度设计了计米器机构等，通过对皮革切割装置的机械结构设计主要解决皮革在两条传输带上的平稳过渡衔接、解决两条传输带运行速度的反馈等问题。皮革切割装置主要分为整体框架部分、皮革传输部分、图像采集部分、皮革切割部分等，为便于装置硬件的尺寸设计、细节结构设计等，对皮革切割装置进行了三维建模设计如图2.2所示，粉红色为整体机架体部分、绿色为皮革传输部分、蓝色为图像采集部分、红色为皮革切割部分。
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第三章基于视觉的皮革形状识别..........21
3.1视觉系统的总体框架............21
3.1.1图像采集系统的搭建...........21
3.1.2相机光源的选型.............22
第四章皮革切割运动控制系统..........39
4.1运动控制系统硬件组成.............39
4.1.1运动控制总体设计方案..............39
4.1.2硬件选型与设计.............40
第五章皮革切割装置实验与结果分析..........54
5.1实验平台的搭建.............54
5.2传输带线速度误差实验及分析...........55
第五章皮革切割装置实验与结果分析
5.1实验平台的搭建
结合皮革切割功能所需搭建了皮革切割实验样机，为清晰表达图像采集单元将视觉暗箱去除，皮革切割样机如图5.1所示，该样机主要由图像采集单元、皮革传输单元、机架单元、切割单元、运动控制单元、上位机控制单元等组成。图像采集单元包括摄像头，相机固定机架、LED灯、视觉暗箱等；皮革传输单元包括平带传输带、链板传输带、张紧调节机构等；切割单元包括切割平台、激光切割器等；运动控制单元包括平带测速机构、链板测速机构、电控箱等；上位机控制单元包括PC机等。
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第六章总结与展望
6.1总结
本文基于视觉的自适应皮革切割技术研究主要针对需二次切割加工的半成品皮革，通过图像处理技术提取皮革轮廓，并将皮革轮廓与模板皮革轮廓自动匹配，结合模版皮革与当前皮革对应的关键坐标点得到欧式变换矩阵值，利用欧式变换矩阵值、模版皮革的切割轨迹生成当前皮革所需的切割轨迹路径，采用激光切割加工的方式使半成品进行二次切割，最后通过实验数据验证皮革切割装置的效果，同时通过对实验数据的分析也明确了装置的改进方向。本文主要完成的工作内容如下：
１）皮革切割装置的机械结构设计：根据皮革切割装置的性能指标，对皮革切割装置的硬件进行了选型及尺寸设计；对皮革切割装置的关键部件进行了设计，主要包括：两条传输带过度衔接结构的设计、错位轴高度差调节张紧机构的设计、传输带计米器机构的设计等，确保皮革在传输过程中不发生位姿的偏移，位皮革图像处理奠定基础。
2）皮革图像处理算法研究；通过灰度工业相机采集传输带上的皮革图像经图像处理后生成当前皮革所需的切割轨迹。主要包括皮革图像的双边滤波算法对采集到的图像进行滤波降噪处理；利用图像二值化、边界追踪等算法对皮革轮廓进行提取；采用Hu矩算法将当前皮革与模板库中皮革进行皮革类型的匹配，利用轮廓最小外接圆方法提取皮革轮廓关键特征点求得欧式变换矩阵，最后将模板库中切割轨迹路径转换成当前皮革所需的切割轨迹路径。
参考文献（略）
- 上一篇：新型环保快递包装设计与材料优选 [2019-04-27]
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