基于虚拟仪器技术的木板自动分选系统

　　随着国内经济的持续快速增长，家具、地板等木制品消费量将急速上升。2003 年，中国木地板销量已跃居世界第一[1]。虽然我国是地板生产大国，但还不是强国。中国的地板生产企业普遍存在问题，如设备落后，人员素质不高，管理不到位，产品质量档次低且不稳定，及在国际市场中没有著名品牌产品。而木板颜色分选是影响木板生产质量的重要工序 [2] 。经调查，国内木板分选主要利用人工根据颜色依靠经验判断或者利用滤光片观测进行分选地板，不仅需要耗用大量的人力而且由于人工判断，容易疲劳、花眼，使分选精度低，板色不均匀，所生产的地板质量不高。另外，由于成本的制约，难以增加较多的分选层次。因此，有必要研究一种木板（如竹材、人造板、木材、装饰单板等）颜色自动分选的系统，以满足市场对地板质量的要求。

　　1 系统测色原理和方案

　　1.1 测色原理和色差

　　1.1.1 测色原理

　　国际照明委员会 CIE 认为在一定的照明条件下，可由三个接受器来接受物体的反射（或透射）光测试物体的颜色，而这三个接受器（测量值称为三刺激值：（X、Y、Z）的光谱条件如图1 所示。根据CIE 所推荐的测色原理，仪器的光谱特性的总体响应（仪器光源、光学系统和探测器三者的综合响应）等价于被测物体在CIE 标准照明D65 及10℃视场色匹配函数下的三刺激值。

 

　　图1 三刺激值的光谱曲线图

　　1.1.2 色差

　　色差△E 是指两种颜色之间的差异。颜色包含色调、饱和度和高度三个特征，而色差△E就是这三个因素的综合差异[2]。CIE 在1967 年推荐使用L*·a*·b*均匀空间的概念，用以更好地*价色差，L*称为米制明度而a*·b*为米制色度。求得L*·a*·b*后，可求得色差△E。相关公式如下：

 

　　其中，下标2 为被测物的测量值，下标1 为参考物的测量值。本系统中参考值是使用了标准白板的色差值L*=100，a*=0，b*=0。

　　1.2 总体方案

　　随着测试技术和计算机软硬件的发展，虚拟仪器应运而生，为自动化测试系统的研发开辟了一条新途径[3-6]。本文采用虚拟仪器技术构建了一个木板自动分选系统。系统利用具有三个接受器的探测器采集被测物（木板）的颜色，并输出电压，信号经过调理后，经过数据采集卡进入PC 机。通过电压与颜色刺激值的标定关系计算出相应的刺激值，然后再与设定值进行比较，推算得到色差。最后，根据色差大小和范围进行分成8 类，输出相应的开关控制信号给执行机构。[page]

　　系统软件选择了虚拟仪器软件 LabVIEW。软件实现的功能为：（1）对积分球输出的电压进行测量；（2）计算出被测物的色差值；（3）根据用户的要求设定色差的范围；（4）按分选结果输出相应的控制信号，将同一色差范围木板分选在一起；（5）数据存储和显示。

　　2 硬件组成

　　系统由探测器、信号调理模块、数据采集卡（DAQ 卡）、个人计算机（PC 机）和执行机构等组成。系统结构图如图2 示。

 

　　图2 系统的结构图

　　探测器包括光源、滤色片和积分球等。积分球的基本原理是光源发出的光线经过滤光片照射到待测的样本上，不同颜色的样本会反射不同波段的光，反射的光一部分光被吸收井吸收，另外一部分光反射到积分球壁上的三个硅光电池上。当不同波段和强度的光照在硅光电池上，电池会产生不同大小的电压。三个硅光电池产生的电压反映该样本的三个刺激值。积分球内的硅光电池输出的是微弱电压，需要实现电压滤波和放大的信号调理功能。信号调理模块采用NI的SCXI，包括机座SCXI-1000、应力应变模块组SCXI-1520 和SCXI-1314，调理模块提供1～1000 的增益、10Hz～10kHz 的可编程模拟滤波器、0～10V 的激励直流电压、自动调零、桥路补偿等功能，还可以调理一般的模拟电压。在系统中，通过软件选择了10Hz 的硬件滤波。

　　数据采集卡采用 NI 的PCI-6024E 型DAQ 卡，是基于PCI 总线的12 位多功能数据采集卡，最高采样速率200kS/s，16 个单端模拟输入（或8 个差分模拟输入），8 个数字输入/输出，2 个模拟输出，2 个20MHz、24 位计数器/定时器，实现A/D、D/A 功能。PC 机的CPU 为 AMD 2500+（64 位），主频为1.4GHz，内存512Mb。执行机构采用日本东方电机生产的 5 相步进电机UPK596BW2，其基本步距角为0.72°，保持转矩2.1N·m，转动惯量J 为1400×10-7kg·m2，配合使用的驱动器为UDK5114NW2，功能是模拟现场的分选机构，执行转向命令。

　　3 软件设计

　　利用图形化的虚拟仪器软件 LabVIEW 专业开发版编写操作界面，配有Report GenerationToolkit 工具包。

　　软件采用模块化的思想，将整体结构分为主操作控制模块、自动检测模块、信息处理模块和辅助模块，并分页显示。每个模块下又细分为子模块，如数据储存子模块、报表显示打印子模块、历史回访子模块、重要参数修改子模块（需要输入密码才可见参数值）、统计分析子模块（显示最大值、最小值和平均值等）、帮助系统子模块、用户管理子模块等。以数据储存子模块为例，当信号采集完成后，数据直接存入 EXCEL，格式为时间、日期、三刺激值、色差等参数，并同时在数据旁边描绘出散点图。

　　主操作控制界面分为控制和显示两个区，实现对数据采集的控制和显示。显示部分包括三个通道输出电压、三刺激值、L*?a*?b*、色差△E 等显示，超过极限亮灯显示并且发出鸣叫声音，日期时间显示，变化趋势显示等；控制部分包括存储数据频率、控制开关、初始值、极限值等设置，主操作界面见图3 所示。程序最后生成.EXE 的文件，脱离LabVIEW 运行。

 

　　图3 主操作界面

　　4 标定与误差分析

　　系统与高精密的毫伏表（精度为 0.01mV）同时测量微弱电压，在范围0～500mV 选择45 个点，进行比较，系统测量误差绝对值最大为2.1mV，平均为0.9mV；相当误差绝对值最大为1.2％，平均为1.0％。以上海精密科学仪器有限公司的 WSC—S 测色色差计为标准，进行标定试验，测量数据如表1 所示。WSC—S 测色色差计是一种性能优越，用途广泛而又操作方便的测色计，适用于测定各种物体的反射色，测试头几何条件满足CIE 规定，配有标准白板用以校正。可以测试物体的白度、色度以及色差，数字显示。[page]

 

　　刺激值 X 与系统测量电压回归方程如下：

　　X= 2009.1Ux－170.49，

　　式中：X——刺激值，

　　Ux——系统测量电压值，V，

　　用软件 SPSS 分析得相关系数R 2= 0.9982，相关性极显著。

　　刺激值 Y 与系统测量电压回归方程如下：

　　Y= 1151.4Uy－184.75，

　　式中，Y——刺激值，

　　Uy——系统测量电压值，V，

　　用软件 SPSS 分析得相关系数R2 = 0.9997，相关性极显著。

　　刺激值 Z 与系统测量电压回归方程如下：

　　Z= 3188.7Uz－192.61，

　　式中，Z——刺激值，

　　Uz——系统测量电压值，V，

　　用软件 SPSS 分析得相关系数R 2= 0.9991，相关性极显著。

　　5 系统性能测试

　　将回归方程结果以及公式（1）、（2）、（3）、（4）应用到LabVIEW 程序中求解△E，取5个样品用于检验系统的性能，数据误差分析如表2 所示。

 

　　结果表明：测量的色差值的绝对误差的绝对值最大为 5.097，绝对误差的绝对值平均为3.038；相对误差的绝对值最大为2.58%，相对误差的绝对值平均为1.56%。

　　另外，WSC-S 测色色差计每测量一个数据要10 秒，而本系统可以用户设置根据需要设置测量周期。

　　6 结论

　　本文介绍了一种基于虚拟仪器技术的木板自动分选系统。系统能测量木板的颜色，并根据色差最多输出8 个控制信号驱动执行装置，实现木板自动分选。测量的色差值的绝对误差的绝对值最大为5.097，绝对误差的绝对值平均为3.038；相对误差的绝对值最大为2.58%，相对误差的绝对值平均为1.56%。系统应用反映了系统操作界面友好直观方便，响应速度快的特点。数据直接读入EXCEL，硬盘储存。系统扩展容易，本系统还有5 个SCXI 通道空余，可同时测量2 个样品。

参考文献:

[1]. PC  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/PC+_2043275.html.
[2]. PCI  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/PCI+_1201469.html.