自動澆注機(jī)上的機(jī)器視覺系統(tǒng)

錢紅兵，蘇中德

（1.無錫應(yīng)達(dá)工業(yè)有限公司，江蘇無錫214028；2.應(yīng)達(dá)工業(yè)（上海）有限公司，上海201203）

自動澆注機(jī)上的機(jī)器視覺系統(tǒng)

錢紅兵1，蘇中德2

（1.無錫應(yīng)達(dá)工業(yè)有限公司，江蘇無錫214028；2.應(yīng)達(dá)工業(yè)（上海）有限公司，上海201203）

“中國制造2025”的重點是發(fā)展智能制造，促使制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。企業(yè)所裝備的設(shè)備具備自動化和智能化的特性是建設(shè)數(shù)字化鑄造廠的前提條件。半自動澆注機(jī)的控制系統(tǒng)是開環(huán)控制，不能對生產(chǎn)過程中狀態(tài)參數(shù)的變化做出及時調(diào)整。帶機(jī)器視覺功能的全自動澆注機(jī)，閉環(huán)自適應(yīng)控制，能根據(jù)澆注過程狀態(tài)的變化，自動調(diào)整澆鑄參數(shù)。機(jī)器視覺技術(shù)包括目標(biāo)物圖像的采集、圖像的處理、指令的發(fā)出。VISIPOUR控制系統(tǒng)利用了機(jī)器視覺技術(shù)中成熟的算法，配備VISIPOUR的澆注機(jī)，具有高生產(chǎn)率、高鑄件質(zhì)量、節(jié)約金屬液和外部通訊的特點。

自動澆注機(jī)；機(jī)器視覺；VISIPOUR控制系統(tǒng)

發(fā)源于上世紀(jì)末的信息技術(shù)革命，進(jìn)入本世紀(jì)以來，得到迅猛發(fā)展，全球科技創(chuàng)新呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢，世界主要國家都在尋找科技創(chuàng)新的突破口，搶占未來經(jīng)濟(jì)科技發(fā)展的先機(jī)。德國發(fā)布了“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，成為整個國家的發(fā)展藍(lán)圖。這一輪技術(shù)革命，對我國的產(chǎn)業(yè)發(fā)展既是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇，面對科技創(chuàng)新發(fā)展的新態(tài)勢，我國提出“中國制造2025”，加快從制造大國向制造強(qiáng)國的跨越。

“中國制造2025”的主線是工業(yè)化和信息化的融合，重點發(fā)展智能制造，促使制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。首先，“三化”可以從根本上提高產(chǎn)品功能、性能，從而提高產(chǎn)品的市場競爭力；其次，“三化”可全面提升企業(yè)的設(shè)計、制造和管理水平，大幅度提高制造效益、降低產(chǎn)品成本和資源消耗，同時可以從容面對瞬息萬變的市場，快速響應(yīng)市場的變化[1]。

鑄造是制造業(yè)的基礎(chǔ)行業(yè)，內(nèi)燃機(jī)中鑄件的重量占總重的70%～90%；機(jī)床、拖拉機(jī)等通用機(jī)械中鑄件的重量占65%～80%；礦冶、能源、軍工等工業(yè)中，鑄件占很大的比重和占重要的作用[2]。但到目前為止，絕大多數(shù)鑄造企業(yè)仍然大量裝備落后的設(shè)備，沿襲傳統(tǒng)的手工生產(chǎn)方式，與建設(shè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的鑄造工廠的目標(biāo)相比，有相當(dāng)大的差距。

建設(shè)數(shù)字化鑄造廠的前提條件之一，那就是企業(yè)所裝備的設(shè)備必須具備自動化和智能化的特性。顯而易見，鑄造企業(yè)全部配備手工操作設(shè)備，這些設(shè)備既不能接受外界的信息指令執(zhí)行自動操作，也不能向外傳遞信息，沒有了建設(shè)數(shù)字化工廠的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，鑄造企業(yè)的造型、制芯、落砂等工序的設(shè)備能實行半自動化和自動化生產(chǎn)，但作為對鑄件質(zhì)量具有重大影響的鑄型的澆鑄工序，能夠成功采用自動化生產(chǎn)的例子不普遍。

1 澆鑄工藝的發(fā)展

1.1 人工澆注的局限性

傳統(tǒng)的澆注是采用人工澆注的方法，基本的場景是由車間內(nèi)的橋式起重機(jī)吊著澆包，人工控制澆包的移動，澆注速度完全由人工控制，人工澆注有如下缺陷：

（1）人工澆注的生產(chǎn)效率低下

人工澆注狀態(tài)下每澆完一模，在開始澆注下一模以前，必須通過起重機(jī)移動澆包，定位到模型澆口的上方，這個過程的效率非常低下。以前整個社會的勞動生產(chǎn)率普遍偏低，矛盾不突出，但是在現(xiàn)代化的生產(chǎn)企業(yè)，要求很高的勞動生產(chǎn)率，如果其他工序均采用自動化的設(shè)備高效率地生產(chǎn)，澆注采用傳統(tǒng)的工人澆注法，澆注工序就會成為制約整個企業(yè)效率提高的瓶頸（圖1）.

圖1 人工澆鑄圖

（2）產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定

澆注溫度和澆注速度是澆注過程中決定鑄件質(zhì)量的兩個關(guān)鍵因素，人工澆注受人為因素的影響比較大，同樣的生產(chǎn)條件，具有不同技能的澆注工可能生產(chǎn)出質(zhì)量有很大不同的產(chǎn)品，即使是同一人，因為精神狀態(tài)和生理狀態(tài)的不同，產(chǎn)品質(zhì)量也可能有非常大的差異。

（3）勞動強(qiáng)度大

人工澆注時，操作工必須近距離靠近澆包，處于高溫環(huán)境下，工作環(huán)境差；澆注過程中，眼睛必須緊盯著鑄型，大腦不停地思考判斷，手還要時刻做出調(diào)節(jié)動作，體力消耗非常大，不符合提供勞動效率的同時降低勞動強(qiáng)度的要求。

1.2 半自動澆注機(jī)

半自動澆注機(jī)可以代替操作工的大部分體力勞動，控制方式有三種：（1）根據(jù)重量傳感器；（2）根據(jù)時間；（3）學(xué)習(xí)和模仿人工澆注的過程。以上三種控制方式的設(shè)計理念是一致的，都基于一個假設(shè)：每次澆注的情況完全一樣，是不會變化的。在國外一般將這些澆注機(jī)統(tǒng)稱為預(yù)測式澆注機(jī)。

半自動澆注機(jī)的控制模式是開環(huán)控制系統(tǒng)，設(shè)備工作之前預(yù)先設(shè)置運行參數(shù)，不能對運行過程中發(fā)生的偏差做及時的調(diào)整。例如：如果氧化渣擋住了一部分澆嘴，澆注速度大大減少，這時候如果采用時間控制澆注機(jī)或示教式澆注機(jī)，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)先設(shè)定的結(jié)束澆注的條件時，澆注機(jī)會自動停止?jié)沧ⅲ墒菍嶋H上這個時刻澆注尚未完成。

實現(xiàn)全自動澆注存在澆注機(jī)與造型線控制匹配問題，某自動澆注線上的澆注機(jī)可以實現(xiàn)定位澆注和移動澆注，所謂的移動澆注就是鑄型不動，澆注機(jī)移動到鑄型的上方進(jìn)行澆注的方式，應(yīng)該說隨線運行的澆注方式可以極大提高生產(chǎn)效率，但實際運行過程中經(jīng)常發(fā)生澆包和澆口偏離，既浪費了鐵水，又需要工人清理砂箱表面殘留的鐵液[3]。

1.3 自動澆注機(jī)

針對半自動澆注機(jī)的缺點，發(fā)展了采用閉環(huán)自適應(yīng)控制系統(tǒng)全自動澆注機(jī)，能根據(jù)澆注過程中狀態(tài)的變化，自動調(diào)整澆鑄參數(shù)。發(fā)展全自動澆注機(jī)的關(guān)鍵是能夠連續(xù)和穩(wěn)定地采集澆注狀態(tài)參數(shù)，經(jīng)綜合分析判斷后輸出調(diào)節(jié)信號，使設(shè)備能夠?qū)ψ兓说臓顟B(tài)做出適時的準(zhǔn)確的響應(yīng)。

近年發(fā)展起來的機(jī)器視覺技術(shù)，能非常好地適應(yīng)上述的需求。自動澆注機(jī)采用機(jī)器視覺技術(shù)，攝像機(jī)直接掃描澆口杯的金屬液面，根據(jù)澆口杯金屬液面的高低，自動調(diào)整澆注速度，始終保持澆口杯液面充滿，液面高度往往可以隨時隨意調(diào)整和設(shè)定，確保澆注質(zhì)量達(dá)到最佳澆注的效果。

2 機(jī)器視覺系統(tǒng)

2.1 澆注工序的控制原理

人工澆注一個鑄型時，典型的操作是：眼睛看著澆口杯，手動操作澆包的傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，往鑄型的澆口澆注鐵水；在澆注過程中，必須目不轉(zhuǎn)睛地觀察著鐵水澆到澆口杯的狀況，大腦接受來自眼睛所觀察到的信息后，與腦中存儲的由經(jīng)驗構(gòu)成的信息相比對，判斷鐵水澆注速率和澆口杯中的液面高度是否恰當(dāng)，如上述參數(shù)不合適，則大腦給手下達(dá)指令，調(diào)整澆包的傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，當(dāng)液面到達(dá)要求的高度時，即停止?jié)沧?。澆注工的手、眼睛和大腦一起構(gòu)成了一個基本的自動控制意義上的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

機(jī)器視覺控制就是再現(xiàn)澆注工的眼手協(xié)調(diào)的一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由視頻攝像機(jī)、計算機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成，有時還包括光源系統(tǒng)。澆注工的眼睛被攝像機(jī)所取代，大腦被計算機(jī)或控制器及復(fù)雜的軟件包所取代，手則被伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)所取代（圖2）.

圖2 自動澆鑄圖

2.2 機(jī)器視覺系統(tǒng)介紹[4]

機(jī)器視覺系統(tǒng)就是利用機(jī)器代替人眼來作各種測量，通過計算機(jī)做判斷，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種調(diào)節(jié)操作。它是計算機(jī)學(xué)科的一個重要分支，它綜合了光學(xué)、機(jī)械、電子、計算機(jī)軟硬件等方面的技術(shù)，涉及到計算機(jī)、圖像處理、模式識別、人工智能、信號處理、光機(jī)電一體化等多個領(lǐng)域。

視覺系統(tǒng)簡單來說就可以用三個既獨立又相互聯(lián)系的模塊來概括：目標(biāo)物圖像的采集、圖像的處理、指令的發(fā)出（圖3）。

2.2.1 圖像的獲取

圖像的獲取實際上是將被測物體的可視化圖像和內(nèi)在特征轉(zhuǎn)換成能被計算機(jī)處理的一系列數(shù)據(jù)，主要由三部分組成：照明、圖像聚焦形成、圖像確定和形成攝像機(jī)輸出信號。

2.2.2 圖像處理技術(shù)

機(jī)器視覺系統(tǒng)中，視覺信息的處理技術(shù)主要依賴于圖像處理方法，經(jīng)過處理后，輸出圖像的質(zhì)量得到相當(dāng)程度的改善，既改善了圖像的視覺效果，又便于計算機(jī)對圖像進(jìn)行分析、處理和識別。

2.2.3 輸出或顯示

處理器對圖像進(jìn)行處理、分析、識別，獲得測量結(jié)果或邏輯控制值，再轉(zhuǎn)變成控制信號輸出到控制單元，調(diào)整設(shè)備以及流水線的動作和狀態(tài)誤差，使之符合預(yù)設(shè)的要求。

圖3 機(jī)器視覺原理圖

2.3 機(jī)器視覺技術(shù)的關(guān)鍵

2.3.1 定位鑄模位置

全自動澆注生產(chǎn)線，首先需要做的是要能找到鑄模目標(biāo)物。鑄模出現(xiàn)在拍攝視場中時，要能精確知道目標(biāo)物在哪里，即使造型線的運行相當(dāng)精確，也不能保證鑄模每次都完全出現(xiàn)在同一位置的，這就需要用到定位功能。

2.3.2 標(biāo)定

澆注過程中，需要高精度測量澆口的液位，為此需要做以下三個標(biāo)定：（1）光學(xué)畸變標(biāo)定；（2）投影畸變的標(biāo)定，也就是因為安裝位置誤差引起的圖像畸變校正；（3）物像空間的標(biāo)定，也就是具體算出每個像素對應(yīng)物空間的尺寸。目前通用的標(biāo)定算法都是基于平面的標(biāo)定，然而待測量的澆口不是平面的，需要作一些特種算法來處理。

2.3.3 環(huán)境的適應(yīng)性

攝像是整個工業(yè)視覺控制系統(tǒng)的“眼睛”，是控制系統(tǒng)的啟端，然而澆注現(xiàn)場的工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，表現(xiàn)為高溫、濃煙塵的環(huán)境，攝像系統(tǒng)應(yīng)能在煙霧繚繞的環(huán)境中快速準(zhǔn)確識別鑄型；同時攝像系統(tǒng)必須在上述的環(huán)境中長期穩(wěn)定工作。

3 應(yīng)達(dá)澆注機(jī)的機(jī)器視覺控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

（1）高性能的視頻攝像機(jī)，能從被測量的澆口金屬液表面上聚焦一小部分散射的光束，如同一個圖像被聚焦到人眼眼底的視網(wǎng)膜上那樣，傳出的圖象信息易于被操作系統(tǒng)和專用的控制軟件所接受；

（2）計算機(jī)系統(tǒng)，預(yù)裝了操作系統(tǒng)等通用軟件，同時預(yù)裝了Inductother m擁有知識產(chǎn)權(quán)的機(jī)器視覺控制系統(tǒng)VISIPOUR，專門為應(yīng)達(dá)公司的澆注機(jī)開發(fā)，可以精確定位鑄模和澆口；

（3）塞桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)，應(yīng)達(dá)全自動澆注機(jī)包括一套塞棒系統(tǒng)，可以通過氣動自動控制，也可以通過操縱桿手動控制，塞棒由高精度的伺服電機(jī)控制；

（4）操作臺，操作者可通過操作臺進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，選擇或設(shè)定理想的澆注曲線和其它澆注參數(shù)。

3.2 視覺控制系統(tǒng)VISIPOUR的特點

Inductother m利用從事鑄造行業(yè)幾十年所積累的鑄造經(jīng)驗，為自動澆注專門開發(fā)的機(jī)器視覺控制系統(tǒng)VISIPOUR，用于澆注機(jī)控制系統(tǒng)有非常好的適應(yīng)性。

（1）VISIPOUR控制系統(tǒng)利用了機(jī)器視覺技術(shù)中成熟的算法，利用計算機(jī)控制，能夠真正實現(xiàn)對鑄模和澆口的精確定位。

（2）利用金屬和模具的高對比度，在濃密煙霧的環(huán)境中，也表現(xiàn)出卓越的控制性能。

（3）閉環(huán)控制的VISIPOUR，配備高效的由伺服電機(jī)驅(qū)動的塞棒系統(tǒng)，可與最新一代高速造型生產(chǎn)線相匹配。

（4）控制系統(tǒng)能夠?qū)沧⑦^程中出現(xiàn)的實際情況做出快速反應(yīng)，并根據(jù)澆口的變化進(jìn)行調(diào)整。

（5）控制系統(tǒng)基于Linux的LX操作系統(tǒng)，提供友好、簡便的操作界面，提供澆注工藝管理功能，一個類型的鑄件對應(yīng)一種工藝，操作人員可以按生產(chǎn)計劃來更換澆注的鑄件類型；提供生產(chǎn)管理功能，記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)；實時地監(jiān)控設(shè)備，實時提供信息、警告和故障報警。

3.3 配備VISIPOUR的澆注機(jī)

3.3.1 高生產(chǎn)率

配備VISIPOUR的澆注機(jī)擁有快速定位鑄模的能力，而且可以對變化了的實際情況做出快速反應(yīng)，快節(jié)奏地生產(chǎn)，根據(jù)整個生產(chǎn)線的實際需要，澆注機(jī)生產(chǎn)節(jié)奏可調(diào)，能夠與造型機(jī)的生產(chǎn)節(jié)奏完美匹配，快節(jié)奏澆注，每小時澆注超過400鑄型。

3.3.2 高鑄件質(zhì)量

澆注速度和澆注時間的控制是澆注過程中保證鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，開始時慢澆，且不能直沖直澆口；中間按規(guī)定的速度快澆，以充滿澆注系統(tǒng)；快充滿時應(yīng)慢澆，以防鐵水漫出。理想狀態(tài)下的最佳澆注，澆注設(shè)備能夠準(zhǔn)確地將鐵水澆入鑄型的澆口杯，在澆注過程中始終保持澆口杯液面充滿，以防渣、氣進(jìn)入鑄型，直至澆注結(jié)束[5]。

VISI POUR機(jī)器視覺控制系統(tǒng)能夠根據(jù)監(jiān)察到的澆注狀況，調(diào)整澆包中金屬液面的高度，配合自動調(diào)節(jié)的塞棒系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)按工藝規(guī)定的澆注速度澆注。如果澆口的浮渣過多，將提醒操作工清除浮渣，以保證鑄件的質(zhì)量。

3.3.3 節(jié)約金屬液

VISIPOUR澆注機(jī)能夠保持澆口杯充滿，保證滿杯澆注，內(nèi)澆口壓頭恒定，能夠保證澆注按照澆注系統(tǒng)設(shè)計的理想方式澆注，不用過多考慮因澆注過程波動而必須增加的澆口余量，可以采用較小的澆口杯，因而節(jié)約了鐵水，提高工藝出品率。

精確的定位功能，即使?jié)部谛螤詈臀恢糜凶兓?，鐵水澆包的流口與鑄型的澆口也能完美地對正，減少鐵水的浪費。

精確的鐵水流量控制，杜絕了鐵水的外溢，準(zhǔn)確的澆注末期閉口，減少澆注溶液的損失。

3.3.4 外部通訊

VISIPOUR控制系統(tǒng)留有與外部的數(shù)據(jù)接口，可與工廠的視頻監(jiān)控系統(tǒng)相連，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控；可以將本機(jī)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳到控制中心，也可接受來自控制中心的指令，為建設(shè)智能化、數(shù)字化鑄造廠提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

澆注工序的生產(chǎn)特點是：重復(fù)性高、定位準(zhǔn)確、危險性大、批量生產(chǎn)。配備VISIPOUR機(jī)器視覺控制系統(tǒng)的全自動澆注機(jī)，就成為人力的最佳替代方式。隨著傳感器技術(shù)、電腦技術(shù)和人工智能的發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)日益向智能方向發(fā)展，將人工解放出來，實現(xiàn)澆注工序的完全自動化。

［1］周濟(jì)．智能制造——“中國制造2025”的主攻方向［R］.北京：中國機(jī)械工程學(xué)會，2015.

［2］單忠德．機(jī)械裝備工業(yè)節(jié)能減排制造技術(shù)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014．

［3］任玉泉.HW S靜壓線澆注機(jī)自動澆注系統(tǒng)改造［J］.科技風(fēng)，2012（18）：55.

［4］David. 機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計五大難點[EB/OL]．［2014-06-06］. http：//www.elecfans.com/kongzhijishu/jiqishijue/345065.html..

［5］曲衛(wèi)濤．鑄造工藝學(xué)［M］．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1994．

M achine Vision in Automatic Caster

QIAN Hong-bing1，SU Zhong-de2
（1.Wuxi Inductotherm Industrial Company,Wuxi 2140282，Chian；2.Inductotherm（Shanghai）Industrial Company,Shanghai201203，China）

The focus of“Made in China 2025”is the development of intelligentmanufacturing,pushing manufacturing works towards digital,network and intelligent.The precondition of the digitized foundry construction is that devices equipped by enterprises must have the characteristics of the automatic and intelligent.Control system in semi-automatic caster is the open loop control,cannot adjust parameters of the production process according manufacture situation.Automatic caster with the function of machine vision, which is closed loop adaptive control system,can automatically adjust the casting parameters according to the change of state of pouring process.Machine vision technology includes target image acquisition,image processing,and instructions.VISIPOUR control system uses themature algorithms inmachine vision technology.The caster equipped with VISIPOUR has the characteristics of high productivity,high casting quality andmetal liquid saving and external communication.

automatic caster，machine vision，VISIPOUR control system

TG23

A

1674-6694（2015）06-0007-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.06.003

2015-10-11

錢紅兵（1976-），男，學(xué)士，工程師。