虽然光纤绕线技术伴随着光纤的出现就开始被广泛研究，但是随着高绕线精度器件（如光纤陀螺线圈和有线制导线团等）的出现，并逐渐进入工程化阶段，对光纤绕线的精确度要求越来越高，绕线工艺[1-4]及线圈品质好坏[5]直接影响光纤陀螺和有线制导的质量。由于光纤直径误差、内应力和静电等因素影响排线精度，而这些因素又具有随机性，无法通过在控制系统中预先设置来消除。因此，精密排线一直是光纤行业的一个难题。引入视觉识别技术，对各种误差因素总体结果进行反馈解决紧密绕线问题，不需要对每个误差因素进行消除，优化了系统结构，提高了绕线精度。本文设计一种视觉识别技术，通过对硬件、结构和识别方法的设计，识别出精密绕线的滞后角、光纤间距、搭线等参数，作为闭环反馈信号，实现了光纤精密排列。
1 工作原理
绕线机工作时，放线盘跟踪收线盘，排纤装置根据视觉识别系统识别出排线的滞后角、光纤搭线、间隙等参数，传给主控系统形成闭环控制，实现光纤的精密排列。视觉识别系统主要功能：（1）识别出排线的滞后角，作为反馈信号传输给主控系统，实现光纤密排；（2）识别光纤间隙、光纤搭线情况，传输给主控系统，用于判断有无缠绕缺陷，进行自动倒车回绕等操作。
光纤密绕线间距与滞后角如图1所示：光纤密绕线间距W,缠绕过程中同一层相邻光纤间的距离；光纤密绕滞后角θ，当前上绕光纤与前一匝已缠绕好光纤之间的夹角。
1.1 视觉识别系统绕制缺陷测试原理
光纤精密绕制过程中的主要缺陷是出现间隙和叠层搭线两种。光纤密绕线间距分为三类：间距合格、间距过大（有间隙）、间距过小（搭线）。如图2所示：
1.2 视觉识别系统滞后角测试原理
绕线滞后角就是正在上绕的光纤和已经绕在线盘上的光纤之间的夹角。只有滞后角控制在一定范围才能保证光纤精密绕制。在光纤密绕过程中，滞后角分为三类：滞后角合格、滞后角过大、滞后角过小。如图3所示，主控系统根据滞后角的情况，调节排线位置，使滞后角保持在一定范围内，实现光纤密排。
2 视觉识别系统设计
2.1 绕制缺陷识别系统
绕制缺陷主要指在绕制过程出现的不符合精密绕线工艺的状况，如光纤间距过大（出现间隙）、搭线（错层）都不符合精密绕线工艺，一旦出现必须进行识别和处理。
2.1.1 硬件配置
绕制缺陷识别系统硬件由工业像机、镜头、补充光源和电源及网线等附件组成，主要硬件配置参数见表1.
2.1.2 光纤密绕间距的识别
为了能够获得更清晰稳定的图像和适应不同工作环境要求，环境的自然光不能满足视觉识别系统的技术要求，必须使用辅助光源，提高视觉图像的效果，达到视觉识别的要求。光源照射方式分为光源直射、光源侧射和背光模式三种，其优缺点和存在问题见表2.
2.1.2.1 光源和相机的位置
光纤密绕线间距检测采用背光照射方式，使光源发光面对着工业相机的镜头，部分光线被缠绕上光纤的线轴遮挡，形成背光阴影。对光纤缠绕盘切面进行成像，这样就有最大的对比度，有利于图像处理和识别。光源与工业相机位置如图4（a）所示，图像位置及成像效果如图4（b）所示。
2.1.2.2 光纤密绕线间距测量
把收线盘安装到收线轴上，在收线盘上用高精度的刻度尺标出一段长度L,用相机采集图像在L长度上有n个像素，则单个像素代表长度δ=L/n.光纤间距测量：提取当前层中光纤包络的各个最高点，测出高点之间的距离D所包含的像素数量nD,如图5所示。则光纤间距LD=δ·nD,通过MODBUS通信协议把光纤间距LD传给主控系统，主控系统把测出间距LD与工艺要求的间距比较，进行相应处理。
2.1.3 光纤搭线的识别
光纤搭线是指光纤在绕制过程中，在不该换层的地方绕到上一层形成的绕制缺陷，光纤搭线是光纤绕制中严重缺陷，必须进行识别和处理。要识别搭线，就要知道光纤所处的层数，判断层数是当前层还是上一层要有参照物，这个参照物就是光纤密绕层基准参考线。
光纤密绕层基准参考线获取：线轴基准线为光纤密绕线轴的实际线；光纤密绕层基准参考线指当前密绕层的理想高度位置的参考线；光纤密绕层参考线指当前密绕层顶点坐标拟合的实际参考线，如图6所示。光纤密绕层高度和光纤线径相关，线径越粗，高度越大，光纤密绕层基准参考线距离线轴基准线越远；线径越细，高度越小，光纤密绕层基准线距离线轴基准线越近。测量时输入光纤线径、允许公差等参数。
搭线的判断：当光纤图像高度超过本层基线2/3高度时，就认为有搭线发生，这时就会向主控系统发出报警信号。
2.2 绕制滞后角识别测量系统
绕制滞后角反馈给主控系统，是保证光纤密排的重要参数，滞后角的识别也是视觉识别系统主要功能之一。
2.2.1 硬件配置。
绕制滞后角识别系统硬件由两套工业相机、镜头、补充光源和电源及网线等附件组成，主要硬件配置参数见表3.
2.2.2 光纤滞后角的识别
光纤密绕过程中，当前上绕光纤和已缠绕好的光纤不在同一平面，通过调整测量相机的安装位置确定，使相机视野的一个边作为测量滞后角的角度基准线，通过光纤与基准线的夹角作为滞后角。为了使图像清晰采用环状LED光源，正面打光，通过对各种色光成像对比，选择红色光效果最好。
光纤密绕滞后角检测位置及采集图像如图7所示，红线为与CCD一边平行的角度基准线，白线为光纤图像，利用视觉识别软件对读取的图像进行处理，根据像素数，利用反三角函数就能算出滞后角度数。
3 设计验证
本文采用上述方案，以Sherlock视觉识别软件作为视觉识别软件开发平台，实现了对绕制光纤间距（如图8（a）所示）、搭线（如图8（b）所示）和滞后角（如图8（c）所示）的测量。光纤密绕线间距测量精度±0.04 mm,见表4;滞后角测量精度达到±0.1°，见表5;光纤搭线识别率100%.
4 结束语
本文设计了一种用于光纤精密绕制的视觉识别系统，该系统能够识别光纤绕制滞后角，精度达到±0.1°；线间距测量精度±0.04 mm;光纤搭线识别率100%.该系统与主控系统配合，完成了大长度光纤（≥10 km）无间隙无搭线缺陷自动绕制。该技术解决了光纤精密绕制的难题，可用于绕制光纤陀螺线圈等精密绕制设备。
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