基于機(jī)器視覺的自動澆注機(jī)控制系統(tǒng)的研究

程德芳　靳晨聰　王振霞

【摘 要】隨著圖像傳感器和嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器視覺應(yīng)用越來越廣泛，通過機(jī)器眼來定位砂型澆口杯位置成為可能。因此，本文采用ARM嵌入式平臺和PLC電氣控制系統(tǒng)，利用CMOS圖像傳感器，采集澆注機(jī)澆注鑄件圖像，并進(jìn)行圖像處理、定位特征提取，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能化自動澆注。

【關(guān)鍵詞】澆注機(jī)；機(jī)器視覺；圖像處理；ARM

【Abstract】Along with the rapid development of image sensor and embedded technology， machine vision is more and more widely used， It is possible to locate sand pouring cup position through the machine eye . Therefore， this paper adopts ARM embedded platform and PLC electric control system， using CMOS image sensor， image acquisition of casting machine， and image processing， feature extraction， and then achieve the intelligent automatic pouring.

【Key words】Casting machine； Machine vision； Image processing； ARM

0 前言

鑄造是獲得機(jī)械鑄件的主要工藝和重要基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。提高澆注的智能化程度，是實(shí)現(xiàn)高精度、高品質(zhì)鑄件生產(chǎn)的保障，還是工人從繁重的從事澆注工作的體力勞動和惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中解放出來的重要手段。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本論文通過工業(yè)可編程序控制器（PLC）和嵌入式技術(shù)（ARM）的數(shù)字化平臺，采用機(jī)器視覺[1]液位定位技術(shù)、伺服控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動瞄準(zhǔn)澆口杯，自動檢測鐵水液面變化，模擬人工示教的方法自動完成澆注過程。實(shí)時(shí)補(bǔ)償澆注包，因金屬液體長時(shí)間高溫浸蝕掛渣所導(dǎo)致的澆注狀態(tài)的惡化，進(jìn)一步提高了自動澆注機(jī)的精確度，改善了自動澆注機(jī)的性能。

2 電氣控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及選型

電氣控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)：PLC變頻器控制柜、伺服驅(qū)動控制柜、人機(jī)界面及按鈕、澆注機(jī)。

PLC選型：根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)需要，該項(xiàng)目選擇S7-300 315-2 DP作為該系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)主控單元。

變頻器選型：變頻器選擇高精度、高性能的SINAMICS S120 變頻器。

伺服電氣選型：選擇德國SEW伺服電機(jī)及其驅(qū)動器。

該澆注機(jī)主要由孕育劑給料機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、倒鐵水槽、澆包、上行車、下行車、底座、電控系統(tǒng)等幾個重要部分組成。

（1）孕育劑給料機(jī)

孕育劑經(jīng)過減速電機(jī)驅(qū)動的螺旋體進(jìn)入孕育劑接管，通過氣流帶動與鐵水同時(shí)流入砂型內(nèi)，即隨流孕育。孕育劑接管可手動調(diào)節(jié)其角度。

（2）卷揚(yáng)機(jī)

卷揚(yáng)機(jī)由帶有制動器的減速電機(jī)驅(qū)動，帶動鋼絲繩連接的澆包蓋，使其掀起。

（3）倒鐵水槽

倒鐵水槽內(nèi)也需要搪耐火材料，當(dāng)澆包內(nèi)鐵水溫度達(dá)不到澆注工藝要求或由于機(jī)器故障等原因需要長時(shí)間停機(jī)時(shí)，需將澆包內(nèi)鐵水通過此槽倒出。

（4）澆包及澆包模

澆包是整臺澆注機(jī)的核心部分。本機(jī)澆包為扇形澆包，鐵水出口在扇形圓心附近。澆包內(nèi)放入澆包模并定位后，將混合好的耐火材料倒入，待凝固后可形成約140mm厚的耐火層。澆包由伺服電機(jī)帶動鏈條驅(qū)動繞扇形中心旋轉(zhuǎn)，控制精度高。

（5）上行車

上行車控制澆包X方向移動（與造型線垂直方向），此運(yùn)動由減速電機(jī)變頻驅(qū)動，并設(shè)有機(jī)械限位和電氣限位。上行車也是澆注系統(tǒng)的架體，其上放有澆包平輪支架以及澆包小V型輪支架，此二支架支撐并導(dǎo)向澆包的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，此外倒鐵水槽、孕育給料機(jī)也固定在上行車上。

（6）下行車

下行車控制澆包沿Y方向移動（與造型線平行方向），此運(yùn)動由減速電機(jī)變頻驅(qū)動，并設(shè)有機(jī)械限位和電氣限位。

（7）底座

底座為下行車車軌，并設(shè)有機(jī)械限位和電氣限位，以保證下行車運(yùn)動順暢。

2.2 電氣控制系統(tǒng)的軟件流程圖

3 電子控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 電子控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及選型

電子控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要為ARM和圖像傳感器。ARM選擇四核1.6Ghz的ARM cortex-A9，圖像傳感器選擇功耗低、價(jià)格便宜、像素高的CMOS傳感器OV5640，500萬像素。

3.2 電子控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

ARM的軟件部分，完成了圖像的采集，圖像的預(yù)處理，圖像的特征提取[2] ，模具的定位以及部分圖像信息的存儲。

4 實(shí)施效果及性能檢測

澆注機(jī)加滿鐵水后，在自動澆注生產(chǎn)線上配合砂型成型機(jī)，連續(xù)澆注50個鑄件，澆注完后檢測澆注的準(zhǔn)確度、鑄件的合格率，以及澆注機(jī)的澆注效率，這三個指標(biāo)與該廠普通的澆注機(jī)的檢測值進(jìn)行比較計(jì)算，測試的數(shù)據(jù)如下所示：

從以上結(jié)果可看出，澆注鑄件的合格率達(dá)98%，澆注機(jī)效率相對于扇形澆注機(jī)提高了1倍，相對于傳統(tǒng)的人工操作提高了2倍多 ，澆注的準(zhǔn)確度高達(dá)98%。經(jīng)檢驗(yàn)，控制系統(tǒng)達(dá)到的指標(biāo)與設(shè)計(jì)性能指標(biāo)一致。

【參考文獻(xiàn)】

[1]范祥，盧道華，王佳.機(jī)器視覺在工業(yè)領(lǐng)域中的研究應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程，2007，6：129-133.

[2]陳爽.基于圖像處理的模具自動識別及定位技術(shù)研究[J].東北大學(xué)，2011：27-29.

[責(zé)任編輯：張濤]