基于圖像識(shí)別的隨流孕育自動(dòng)加注系統(tǒng)應(yīng)用研究

石振東，羅永革

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院，十堰 442002）

0 引言

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)高質(zhì)量鑄件的需求日益加快，高品質(zhì)鑄件的生產(chǎn)成為鑄造廠家面臨的重要問題，且鑄件的合格率和操作人員的安全防護(hù)問題也與廠家的效益息息相關(guān)。影響鑄件質(zhì)量的因素很多，其中澆注過程隨流添加孕育劑，能促進(jìn)石墨化，減少白口傾向，改善石墨形態(tài)和分布狀況，增加共晶團(tuán)數(shù)量，細(xì)化基體組織，對(duì)鑄件的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。孕育劑自身品質(zhì)、加注時(shí)間、加注量和單位時(shí)間內(nèi)加注量的均勻性都會(huì)影響到鑄件的品質(zhì)，其中加注量和加注均勻性尤為重要，也是生產(chǎn)廠家面臨的技術(shù)難題。

目前國內(nèi)外大部分鑄造廠家采用隨流孕育的方式，從而消除孕育衰退現(xiàn)象。隨流孕育一般采用人工加注或自動(dòng)加注兩種模式。人工加注方式不需要任何附加設(shè)備，由操作人員現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)澆注流程，手動(dòng)添加孕育劑，加注現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1 人工加注現(xiàn)場(chǎng)圖

人工加注方式具有操作簡(jiǎn)單，成本低廉的特點(diǎn)，但存在較多的技術(shù)缺陷及重大安全隱患。首先，加注量取決于操作人員的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，難以達(dá)到精確控制要求，同類產(chǎn)品澆注過程中，加注量一致性差；其次，操作人員通過類似漏斗的容器完成加注，加注速度手動(dòng)調(diào)節(jié)，難以控制加注過程的均勻性；最后，加注操作時(shí)距離鐵水澆包很近，澆注過程中鐵水飛濺很容易傷及操作人員，其人身安全不能得到有效保證。

自動(dòng)加注方式利用鐵水高溫的特點(diǎn)，應(yīng)用紅外傳感器識(shí)別澆包口鐵水狀態(tài)，控制螺旋粉末給料機(jī)實(shí)現(xiàn)加注過程的啟動(dòng)和停止，該方法較好的實(shí)現(xiàn)了隨流孕育的自動(dòng)化功能，解決了劑量一致性及均勻度的問題，但實(shí)際應(yīng)用中仍存在一定的局限性。

首先，紅外傳感器有效感應(yīng)范圍小，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用對(duì)安裝位置有嚴(yán)格要求，感應(yīng)探頭必須準(zhǔn)確對(duì)正鐵水流口，一般適合于澆包位置固定的應(yīng)用類型，目前國內(nèi)中小型鑄造廠家的生產(chǎn)設(shè)備普遍為低成本的澆包移動(dòng)式類型，導(dǎo)致該自動(dòng)加注方式不能得到有效推廣應(yīng)用；其次，受環(huán)境高溫因素的影響，紅外傳感器感應(yīng)信號(hào)不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)誤判，造成孕育劑加注控制過程失常；另外，紅外傳感器有效感應(yīng)距離短，要求安裝位置與澆注口距離很近，澆注時(shí)高溫飛濺的鐵水容易損壞傳感器及構(gòu)件。

1 硬件組成和基本工作原理

針對(duì)現(xiàn)有問題，本系統(tǒng)應(yīng)用攝像頭跟蹤澆包位置，實(shí)時(shí)采集澆包狀態(tài)圖像信息，由光敏傳感器獲取現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境光照強(qiáng)度信號(hào)作為輔助分析，通過微控制器單元實(shí)現(xiàn)信息收集及數(shù)據(jù)融合，結(jié)合預(yù)置的控制模型，判別澆注的起始、終止?fàn)顟B(tài)及鐵水流量信息，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)螺旋粉末給料機(jī)出口劑量，實(shí)現(xiàn)隨流孕育過程的高度智能化控制功能，跟隨澆注鐵水流量的變化，實(shí)現(xiàn)孕育劑加注量的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)是本系統(tǒng)的創(chuàng)新特色，具備應(yīng)用廣泛、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性好的特點(diǎn)。為滿足現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的應(yīng)用需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有孕育劑儲(chǔ)料倉料位檢測(cè)、加注速度及加注密度參數(shù)設(shè)置、工作狀態(tài)存儲(chǔ)記錄、系統(tǒng)內(nèi)部故障自診斷、遠(yuǎn)程無線控制等功能，系統(tǒng)硬件組成及其相互關(guān)系如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)圖

1） 攝像頭：遠(yuǎn)距離安裝于加注設(shè)備外部，通過運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌跟蹤澆包位置，獲取澆包狀態(tài)圖像信息，周期性輸出PAL制式的模擬量信號(hào)，經(jīng)硬件調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)同步分離后，傳輸至微控制器單元模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采樣、解析及數(shù)據(jù)融合。實(shí)際應(yīng)用中，通過攝像頭鏡頭加裝濾光片，可有效濾除環(huán)境自然光產(chǎn)生的干擾，由于鐵水亮度非常高，各種環(huán)境工況下，不會(huì)影響圖像信息分析的準(zhǔn)確性，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，加裝濾光片后，系統(tǒng)圖像信息處理的抗干擾能力明顯增強(qiáng)。

2）料位傳感器：若干光敏電阻按照一定間距構(gòu)成的陣列，由上至下依次安裝在孕育劑料倉內(nèi)部，料倉頂部安裝有LED光源，光敏電阻不同受光狀態(tài)導(dǎo)致輸出阻值差異，由此分析各獨(dú)立光敏電阻的孕育劑粉末覆蓋狀態(tài)，判定料倉料位，光敏電阻陣列數(shù)量愈多，則料位精度越高，本系統(tǒng)中應(yīng)用10個(gè)光敏電阻構(gòu)成陣列，檢測(cè)精度10%。鑒于料倉一般為非規(guī)則外形設(shè)計(jì)，控制軟件中，需要通過查表方式獲取非線性標(biāo)定數(shù)據(jù)。

3）光敏傳感器：獲取現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境光照強(qiáng)度信號(hào)做為輔助分析，既根據(jù)采樣信號(hào)的階躍變化狀態(tài)，激活攝像頭啟動(dòng)圖像信息采集，由初始幀圖像數(shù)據(jù)確定澆包內(nèi)鐵水的可見光照強(qiáng)度閥限值，輔助微控制器完成圖像信息的后處理功能。該應(yīng)用方案有效提高系統(tǒng)了的適應(yīng)性及可靠性。

4）控制器單元：應(yīng)用飛思卡爾公司高性能16位單片機(jī)MC9S12XS128為核心，用于前向輸入通道信號(hào)采集，完成數(shù)據(jù)分析、融合及控制策略實(shí)現(xiàn)，并生成外部執(zhí)行器件的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，主要由電源管理、最小應(yīng)用系統(tǒng)、時(shí)鐘電路、輸入信號(hào)調(diào)理、輸出驅(qū)動(dòng)控制及RS-232通訊接口電路組成，控制器實(shí)物如圖3所示。

圖3 控制器實(shí)物圖

5）顯示屏：設(shè)置參數(shù)及工作狀態(tài)顯示，選用器件320×240圖形點(diǎn)陣式液晶屏，用于加注密度、加注速度、加注狀態(tài)、工作模式、故障信息及系統(tǒng)時(shí)鐘等信息顯示功能，界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)顯示界面

6）驅(qū)動(dòng)電機(jī)：拖動(dòng)機(jī)械式螺旋粉末給料機(jī)，將孕育劑由料倉均勻傳輸至外部無障礙傳輸管道，不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，孕育劑傳輸速率不同，基本呈現(xiàn)線性特征，控制器單元生成PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)，并結(jié)合速度反饋脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，完成孕育劑加注量的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

7）無線接收器和遙控器：手動(dòng)控制模式下有效，通過遙控器按鈕，人工實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的遠(yuǎn)程啟?？刂疲摴δ茏鳛閭鞲衅魇顟B(tài)下的應(yīng)急響應(yīng)模式，避免因設(shè)備故障導(dǎo)致生產(chǎn)進(jìn)度停滯。

8）功能按鍵：人機(jī)交互輸入器件，固定于控制器單元面板，用于參數(shù)設(shè)置及工作模式的切換操作。

系統(tǒng)部件組成如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)組成實(shí)物圖

2 圖像識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)

鐵水起始澆注時(shí)刻、停止?jié)沧r(shí)刻及澆注過程中鐵水流量狀態(tài)信息的判別是系統(tǒng)的核心技術(shù)，本應(yīng)用軟件中通過圖像識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)，經(jīng)大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析，總結(jié)出一個(gè)可靠性較高的設(shè)計(jì)方案?；驹O(shè)計(jì)思想：系統(tǒng)應(yīng)用光敏傳感器獲取現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境光照強(qiáng)度信號(hào)作為啟動(dòng)條件，通過攝像頭采集圖像信息，確定澆包及鐵水的大致輪廓，由其輪廓特征確定鐵水的澆注狀態(tài)，澆注工況下實(shí)現(xiàn)澆包及鐵水圖像剝離，計(jì)算鐵水圖像中有效像素點(diǎn)網(wǎng)格面積，估算出鐵水流量的當(dāng)量值作為加注劑量的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)。

工作狀態(tài)下，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集光敏傳感器信號(hào)，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度階躍范圍超出一定幅值，激活攝像頭啟動(dòng)圖像采集，并根據(jù)預(yù)置模型確定當(dāng)前鐵水圖像的閥限值T。系統(tǒng)中圖像幀信息采樣周期500毫秒，單幀圖像94行有效數(shù)據(jù)，單行有效點(diǎn)數(shù)40個(gè)，既單幀圖像簡(jiǎn)化為94×40的矩形陣列。根據(jù)已確定的鐵水圖像閥限值T，在該陣列中檢索數(shù)值不小于T的連續(xù)最長(zhǎng)一行，該段數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度約等于澆包的直徑，記錄該段數(shù)據(jù)有效點(diǎn)數(shù)為X，確定X的中點(diǎn)，即為澆包圓心O的大概位置，為更準(zhǔn)確的定位澆包圓心O的位置，在X線段中點(diǎn)附近向上尋找數(shù)值不小于T的連續(xù)最長(zhǎng)一列，記錄點(diǎn)數(shù)為Y，通過2Y和X進(jìn)行比較以驗(yàn)證澆包圓心O的定位是否正確，由于兩者都代表澆包的直徑，理論上存在對(duì)稱性特征，需要指出的是，由于原始圖像幀中行列間距的梯形失真，導(dǎo)致X和2Y在數(shù)值上并不相等，但呈現(xiàn)為一定的比例關(guān)系，比例系數(shù)由攝像頭與澆包直線距離標(biāo)定校準(zhǔn)，該常量參數(shù)通過液晶面板設(shè)定。

澆包圓心定位通過驗(yàn)證后，繼續(xù)做澆注狀態(tài)分析，在澆包圓心O點(diǎn)附近向下尋找數(shù)值不小于T的連續(xù)最長(zhǎng)一列，并記錄點(diǎn)數(shù)為H，非加注工況下H約等于Y；加注工況下H應(yīng)大于Y，一般情況下，當(dāng)H大于1.5倍Y時(shí)為正在澆注。參數(shù)位置描述如圖6所示。

圖6 算法相關(guān)參數(shù)示意圖

加注工況下，實(shí)現(xiàn)鐵水流量分析功能，需對(duì)圖像信息幀做有效像素點(diǎn)的提取及剝離后處理，既根據(jù)已確定的鐵水圖像閥限值T，對(duì)采樣點(diǎn)矩形陣列實(shí)現(xiàn)圖像銳化及二值化處理，在獲取的位圖數(shù)據(jù)中，清除離散點(diǎn)及不符合邏輯的干擾點(diǎn)，再根據(jù)斜率變化特征，實(shí)現(xiàn)鐵水及澆包圖像區(qū)域的剝離，計(jì)算鐵水圖像中有效像素點(diǎn)網(wǎng)格面積，既有效像素點(diǎn)累加求和的方法，估算出鐵水流量的當(dāng)量值作為加注劑量的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)。

該圖像識(shí)別算法經(jīng)大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，充分證明可靠性高、穩(wěn)定性好，且該控制算法對(duì)攝像頭及光敏傳感器的安裝位置沒有嚴(yán)格要求，能更好地適應(yīng)鑄造車間復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境。控制軟件流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程圖

3 結(jié)束語

圖像識(shí)別算法應(yīng)用于鐵水澆注過程中起始、終止?fàn)顟B(tài)判別及動(dòng)態(tài)流量分析，實(shí)現(xiàn)了隨流孕育過程的高度智能化控制，通過國內(nèi)某汽車零部件廠的應(yīng)用驗(yàn)證，隨流加注過程具備應(yīng)用廣泛、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)及安全性好的特點(diǎn)，其中跟隨澆注鐵水流量的變化，實(shí)現(xiàn)孕育劑加注量的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方法有效的提高了產(chǎn)品合格率和生產(chǎn)效率。針對(duì)澆注過程中，部分鐵水未完全進(jìn)入模具澆杯口導(dǎo)致鐵水飛濺，影響圖像識(shí)別準(zhǔn)確性的解決方案有待改進(jìn)和完善。

總之，應(yīng)用圖像識(shí)別的方法控制孕育劑的隨流加注，相比現(xiàn)有技術(shù)而言，有著巨大的優(yōu)勢(shì)和拓展空間，可以預(yù)見在不久的將來，必將在鑄造業(yè)發(fā)揮重要的作用。

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