利用虛擬儀器LabVIEW軟件搭建木板自動分選系統(tǒng)

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的持續(xù)快速增長，家具、地板等木制品消費量將急速上升。2003 年，中國木地板銷量已躍居世界第一。雖然我國是地板生產(chǎn)大國，但還不是強國。中國的地板生產(chǎn)企業(yè)普遍存在問題，如設備落后，人員素質(zhì)不高，管理不到位，產(chǎn)品質(zhì)量檔次低且不穩(wěn)定，及在國際市場中沒有著名品牌產(chǎn)品。而木板顏色分選是影響木板生產(chǎn)質(zhì)量的重要工序 。經(jīng)調(diào)查，國內(nèi)木板分選主要利用人工根據(jù)顏色依靠經(jīng)驗判斷或者利用濾光片觀測進行分選地板，不僅需要耗用大量的人力而且由于人工判斷，容易疲勞、花眼，使分選精度低，板色不均勻，所生產(chǎn)的地板質(zhì)量不高。另外，由于成本的制約，難以增加較多的分選層次。因此，有必要研究一種木板（如竹材、人造板、木材、裝飾單板等）顏色自動分選的系統(tǒng)，以滿足市場對地板質(zhì)量的要求。

1 系統(tǒng)測色原理和方案

1.1 測色原理和色差

1.1.1 測色原理

國際照明委員會 CIE 認為在一定的照明條件下，可由三個接受器來接受物體的反射（或透射）光測試物體的顏色，而這三個接受器（測量值稱為三刺激值：（X、Y、Z）的光譜條件如圖1 所示。根據(jù)CIE 所推薦的測色原理，儀器的光譜特性的總體響應（儀器光源、光學系統(tǒng)和探測器三者的綜合響應）等價于被測物體在CIE 標準照明D65 及10℃視場色匹配函數(shù)下的三刺激值。

圖1 三刺激值的光譜曲線圖

1.1.2 色差

色差△E 是指兩種顏色之間的差異。顏色包含色調(diào)、飽和度和高度三個特征，而色差△E就是這三個因素的綜合差異。CIE 在1967 年推薦使用L*·a*·b*均勻空間的概念，用以更好地*價色差，L*稱為米制明度而a*·b*為米制色度。求得L*·a*·b*后，可求得色差△E。相關公式如下：

其中，下標2 為被測物的測量值，下標1 為參考物的測量值。本系統(tǒng)中參考值是使用了標準白板的色差值L*=100，a*=0，b*=0。

1.2 總體方案

隨著測試技術和計算機軟硬件的發(fā)展，虛擬儀器應運而生，為自動化測試系統(tǒng)的研發(fā)開辟了一條新途徑[3-6]。本文采用虛擬儀器技術構建了一個木板自動分選系統(tǒng)。系統(tǒng)利用具有三個接受器的探測器采集被測物（木板）的顏色，并輸出電壓，信號經(jīng)過調(diào)理后，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡進入PC 機。通過電壓與顏色刺激值的標定關系計算出相應的刺激值，然后再與設定值進行比較，推算得到色差。最后，根據(jù)色差大小和范圍進行分成8 類，輸出相應的開關控制信號給執(zhí)行機構。

系統(tǒng)軟件選擇了虛擬儀器軟件 LabVIEW。軟件實現(xiàn)的功能為：（1）對積分球輸出的電壓進行測量；（2）計算出被測物的色差值；（3）根據(jù)用戶的要求設定色差的范圍；（4）按分選結果輸出相應的控制信號，將同一色差范圍木板分選在一起；（5）數(shù)據(jù)存儲和顯示。

2 硬件組成

系統(tǒng)由探測器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡（DAQ 卡）、個人計算機（PC 機）和執(zhí)行機構等組成。系統(tǒng)結構圖如圖2 示。

圖2 系統(tǒng)的結構圖

探測器包括光源、濾色片和積分球等。積分球的基本原理是光源發(fā)出的光線經(jīng)過濾光片照射到待測的樣本上，不同顏色的樣本會反射不同波段的光，反射的光一部分光被吸收井吸收，另外一部分光反射到積分球壁上的三個硅光電池上。當不同波段和強度的光照在硅光電池上，電池會產(chǎn)生不同大小的電壓。三個硅光電池產(chǎn)生的電壓反映該樣本的三個刺激值。積分球內(nèi)的硅光電池輸出的是微弱電壓，需要實現(xiàn)電壓濾波和放大的信號調(diào)理功能。信號調(diào)理模塊采用NI的SCXI，包括機座SCXI-1000、應力應變模塊組SCXI-1520 和SCXI-1314，調(diào)理模塊提供1～1000 的增益、10Hz～10kHz 的可編程模擬濾波器、0～10V 的激勵直流電壓、自動調(diào)零、橋路補償?shù)裙δ?，還可以調(diào)理一般的模擬電壓。在系統(tǒng)中，通過軟件選擇了10Hz 的硬件濾波。

數(shù)據(jù)采集卡采用 NI 的PCI-6024E 型DAQ 卡，是基于PCI 總線的12 位多功能數(shù)據(jù)采集卡，最高采樣速率200kS/s，16 個單端模擬輸入（或8 個差分模擬輸入），8 個數(shù)字輸入/輸出，2 個模擬輸出，2 個20MHz、24 位計數(shù)器/定時器，實現(xiàn)A/D、D/A 功能。PC 機的CPU 為 AMD 2500+（64 位），主頻為1.4GHz，內(nèi)存512Mb。執(zhí)行機構采用日本東方電機生產(chǎn)的 5 相步進電機UPK596BW2，其基本步距角為0.72°，保持轉(zhuǎn)矩2.1N·m，轉(zhuǎn)動慣量J 為1400×10-7kg·m2，配合使用的驅(qū)動器為UDK5114NW2，功能是模擬現(xiàn)場的分選機構，執(zhí)行轉(zhuǎn)向命令。

3 軟件設計

利用圖形化的虛擬儀器軟件 LabVIEW 專業(yè)開發(fā)版編寫操作界面，配有Report GenerationToolkit 工具包。

軟件采用模塊化的思想，將整體結構分為主操作控制模塊、自動檢測模塊、信息處理模塊和輔助模塊，并分頁顯示。每個模塊下又細分為子模塊，如數(shù)據(jù)儲存子模塊、報表顯示打印子模塊、歷史回訪子模塊、重要參數(shù)修改子模塊（需要輸入密碼才可見參數(shù)值）、統(tǒng)計分析子模塊（顯示最大值、最小值和平均值等）、幫助系統(tǒng)子模塊、用戶管理子模塊等。以數(shù)據(jù)儲存子模塊為例，當信號采集完成后，數(shù)據(jù)直接存入 EXCEL，格式為時間、日期、三刺激值、色差等參數(shù)，并同時在數(shù)據(jù)旁邊描繪出散點圖。

主操作控制界面分為控制和顯示兩個區(qū)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集的控制和顯示。顯示部分包括三個通道輸出電壓、三刺激值、L*?a*?b*、色差△E 等顯示，超過極限亮燈顯示并且發(fā)出鳴叫聲音，日期時間顯示，變化趨勢顯示等；控制部分包括存儲數(shù)據(jù)頻率、控制開關、初始值、極限值等設置，主操作界面見圖3 所示。程序最后生成.EXE 的文件，脫離LabVIEW 運行。

圖3 主操作界面

4 標定與誤差分析

系統(tǒng)與高精密的毫伏表（精度為 0.01mV）同時測量微弱電壓，在范圍0～500mV 選擇45 個點，進行比較，系統(tǒng)測量誤差絕對值最大為2.1mV，平均為0.9mV；相當誤差絕對值最大為1.2％，平均為1.0％。以上海精密科學儀器有限公司的 WSC—S 測色色差計為標準，進行標定試驗，測量數(shù)據(jù)如表1 所示。WSC—S 測色色差計是一種性能優(yōu)越，用途廣泛而又操作方便的測色計，適用于測定各種物體的反射色，測試頭幾何條件滿足CIE 規(guī)定，配有標準白板用以校正。可以測試物體的白度、色度以及色差，數(shù)字顯示。

刺激值 X 與系統(tǒng)測量電壓回歸方程如下：

X= 2009.1Ux－170.49，

式中：X——刺激值，

Ux——系統(tǒng)測量電壓值，V，

用軟件 SPSS 分析得相關系數(shù)R 2= 0.9982，相關性極顯著。

刺激值 Y 與系統(tǒng)測量電壓回歸方程如下：

Y= 1151.4Uy－184.75，

式中，Y——刺激值，

Uy——系統(tǒng)測量電壓值，V，

用軟件 SPSS 分析得相關系數(shù)R2 = 0.9997，相關性極顯著。

刺激值 Z 與系統(tǒng)測量電壓回歸方程如下：

Z= 3188.7Uz－192.61，

式中，Z——刺激值，

Uz——系統(tǒng)測量電壓值，V，

用軟件 SPSS 分析得相關系數(shù)R 2= 0.9991，相關性極顯著。

5 系統(tǒng)性能測試

將回歸方程結果以及公式（1）、（2）、（3）、（4）應用到LabVIEW 程序中求解△E，取5個樣品用于檢驗系統(tǒng)的性能，數(shù)據(jù)誤差分析如表2 所示。

結果表明：測量的色差值的絕對誤差的絕對值最大為 5.097，絕對誤差的絕對值平均為3.038；相對誤差的絕對值最大為2.58%，相對誤差的絕對值平均為1.56%。

另外，WSC-S 測色色差計每測量一個數(shù)據(jù)要10 秒，而本系統(tǒng)可以用戶設置根據(jù)需要設置測量周期。

6 結論

本文介紹了一種基于虛擬儀器技術的木板自動分選系統(tǒng)。系統(tǒng)能測量木板的顏色，并根據(jù)色差最多輸出8 個控制信號驅(qū)動執(zhí)行裝置，實現(xiàn)木板自動分選。測量的色差值的絕對誤差的絕對值最大為5.097，絕對誤差的絕對值平均為3.038；相對誤差的絕對值最大為2.58%，相對誤差的絕對值平均為1.56%。系統(tǒng)應用反映了系統(tǒng)操作界面友好直觀方便，響應速度快的特點。數(shù)據(jù)直接讀入EXCEL，硬盤儲存。系統(tǒng)擴展容易，本系統(tǒng)還有5 個SCXI 通道空余，可同時測量2 個樣品。