基于機(jī)器視覺(jué)的傳送帶跑偏糾正系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

皖江物流集團(tuán)裕溪口煤碼頭分公司 王來(lái)平

安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 徐善永

皖江物流集團(tuán)裕溪口煤碼頭分公司 徐曉強(qiáng) 劉淵亮 劉 昆 劉平寬 蔣 偉

根據(jù)工礦業(yè)在生產(chǎn)中輸送機(jī)的傳送帶容易發(fā)生跑偏現(xiàn)象的大背景下，本文采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種傳送帶跑偏自動(dòng)糾正系統(tǒng)。在實(shí)時(shí)監(jiān)控傳送帶傳輸情況下，將傳送帶偏差信號(hào)及時(shí)的反饋給控制元件來(lái)進(jìn)行計(jì)算分析，這很大程度上提高了跑偏糾正精度同時(shí)也使得工作效率大大提高，本文也詳細(xì)敘述了其軟硬件得構(gòu)成。

1 引言

目前的工礦業(yè)輸送機(jī)仍在在大規(guī)模的使用，但是由于生產(chǎn)條件以及使用的不恰當(dāng)導(dǎo)致傳送帶時(shí)不時(shí)都就會(huì)發(fā)生各種故障，一般比較常見(jiàn)的故障主要有傳送帶的撕裂，跑偏以及磨損等。這其中，傳送帶的跑偏現(xiàn)象尤其常見(jiàn)。當(dāng)機(jī)器正常運(yùn)行時(shí)如果發(fā)生傳送帶跑偏現(xiàn)象不僅僅會(huì)造成機(jī)器的不工作，還會(huì)影響生產(chǎn)進(jìn)度，導(dǎo)致人員傷亡的這樣惡性事故也是有可能發(fā)生的。因此，設(shè)計(jì)一種跑傳送帶偏糾正裝置來(lái)降低帶式輸送機(jī)跑偏現(xiàn)象的發(fā)生的在工業(yè)生產(chǎn)中具有相當(dāng)實(shí)用意義。

2 跑偏故障分析

2.1 傳送帶兩側(cè)受力不均

導(dǎo)致傳送帶跑偏故障的直接原因就是傳送帶兩側(cè)的受力不均勻。而傳送帶兩側(cè)受力不均的因素主要有以下幾點(diǎn)：首先，在安裝傳送帶裝置的過(guò)程中，每個(gè)部件的緊密度引起誤差，這將導(dǎo)致傳送帶兩端的力不均勻，從而傳送帶將發(fā)生跑偏故障。第二，傳送帶硫化接頭或傳送帶原先就不是直的從而導(dǎo)致不平衡的張力，此時(shí)，傳送帶的主要特征是一側(cè)張力較大，容易發(fā)生偏差（陳蕾,李青燦.]虛擬儀器技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息,2012(11)）。第三，傳送帶在長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)因拉伸而老化，張力減小，導(dǎo)致傳送帶兩側(cè)的張力不一致。

2.2 傳送帶接頭不正或物料落入傳送帶造成傳送帶跑偏

如果傳送帶的傳送帶接頭傾斜或偏移，則當(dāng)傳送帶工作時(shí)，傳送帶會(huì)跑偏。機(jī)械接頭和硫化接頭是目前傳送帶的兩種主要類型的傳送帶接頭。為了避免在正常運(yùn)行過(guò)程中傳送帶兩側(cè)張力不均勻引起的傳送帶偏差，無(wú)論采用哪種方式連接傳送帶接頭，都必須保證接頭的連接，水平平滑。另外，當(dāng)材料放在傳送帶上時(shí)，如果材料的下落點(diǎn)遠(yuǎn)離傳送帶的中心線，材料會(huì)在重力的作用下撞擊傳送帶，而傳送帶的傳送帶則會(huì)受到傳送帶的影響導(dǎo)致傳送帶的偏離。

2.3 張緊裝置調(diào)整影響

當(dāng)傳送帶在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中，傳送帶的密封性的定期檢查十分重要。所以，該張緊裝置是一個(gè)有效的跑偏糾正措施。在安裝張緊裝置時(shí)如果有部件沒(méi)有安裝到位或是安裝有偏差以及傳送帶兩側(cè)傳送帶張力的錯(cuò)誤調(diào)節(jié)就會(huì)導(dǎo)致傳送帶跑偏現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3 跑偏糾正裝置

3.1 調(diào)整承載托輥輪組

調(diào)整輥輪組的位置是防止傳送帶在運(yùn)行期間發(fā)生跑偏的措施（湯偉波,強(qiáng)建寧,常妍.基于虛擬儀器技術(shù)的測(cè)試系統(tǒng)的搭建[J].信息通信,2017(05)）。傳送帶的哪一側(cè)偏置，托輥輪組的哪一側(cè)向傳送帶的前進(jìn)方向移動(dòng)，如果傳送帶向下跑偏，則托輥輪組的上部位置應(yīng)向左偏移，而下部位置向右偏移。如果偏差十分嚴(yán)重的話，傳送帶的另一側(cè)可以向后調(diào)整（趙云高,趙云俊,歐陽(yáng)喜德.虛擬儀器技術(shù)及其應(yīng)用[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā),2010(23)）。

3.2 安裝調(diào)心托輥輪組

自動(dòng)調(diào)心輥輪組的抗偏壓原理主要利用托輥在水平面上的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生橫向附加力，使得輥輪組框架圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)成一個(gè)弧形，并根據(jù)傳送帶在操作時(shí)不垂直于托輪的規(guī)律，傳送帶自動(dòng)移動(dòng)到中心以進(jìn)行調(diào)整。

3.3 調(diào)整各滾筒位置

對(duì)滾筒的位置進(jìn)行必要的調(diào)整，這是防止傳送帶發(fā)生跑偏故障的重要措施。因此，當(dāng)安裝滾筒時(shí)，滾筒的軸線應(yīng)垂直于傳送帶傳送方向的中心線（譚超.淺談虛擬儀器技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展[J].中國(guó)科技投資,2013(26)）。如果存在偏差，傳送帶就會(huì)跑偏。滾筒位置調(diào)整方法有以下幾點(diǎn)：傳送帶向右跑偏，右軸承座向前移動(dòng)或左軸承座向后移動(dòng)；傳送帶向左偏移，左軸承座向前移動(dòng)或右軸承座向后移動(dòng)。尾部滾筒正與頭部軸承相反。

4 基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的傳送帶跑偏糾正系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)器視覺(jué)的介紹

機(jī)器視覺(jué)是一個(gè)涉及面很廣，同時(shí)也是一個(gè)很復(fù)雜的系統(tǒng)?？偟膩?lái)說(shuō)，該系統(tǒng)主要由燈光系統(tǒng)，攝像頭，圖像獲取裝置（包括CMOS與CCD）以及圖像處理系統(tǒng)（譚超.淺談虛擬儀器技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展[J].中國(guó)科技投資,2013(26).）。將捕獲的圖像傳送到圖像處理裝置通過(guò)對(duì)圖像的像素分布，亮度以及顏色的信息計(jì)算分析將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；然后通過(guò)專門的算法計(jì)算數(shù)字信號(hào)從而得到我們需要的偏差結(jié)果進(jìn)而實(shí)施校準(zhǔn)措施。

4.2 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件主要由照明系統(tǒng)，CCD圖像采集系統(tǒng)，圖像采集卡和計(jì)算機(jī)模塊組成。在對(duì)大量光源進(jìn)行分析比較后，本設(shè)計(jì)選取Microvision公司生產(chǎn)的JC-FL-200x200型LED作為照明系統(tǒng)。CCD圖像采集系統(tǒng)采用Microvision公司生產(chǎn)的MV-VE08SCCCD圖像捕獲系統(tǒng)具有1392×1014的分辨率和6.45×6.45的像元大小。

本裝置安裝過(guò)程中，輥輪組必須確保軸線垂直于傳送帶的軸線。而且，所有滾筒軸線都要垂直于傳送帶長(zhǎng)度方向的軸線（賈奇童,成國(guó)強(qiáng),李兆.淺析虛擬儀器技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].南方農(nóng)機(jī),2017(05)）。根據(jù)以上分析，本文提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)的自動(dòng)糾偏裝置，該裝置基于輥輪組的糾正跑偏技術(shù)。該系統(tǒng)的傳送帶跑偏檢測(cè)流程圖如圖1所示。圖像捕獲系統(tǒng)安裝在處于工作狀態(tài)中的傳送帶底端，用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滾筒組的工作狀態(tài)。步進(jìn)電機(jī)安裝在各滾輪組上，我們根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)。該系統(tǒng)的具體工作流程如下：輥輪組的運(yùn)行狀態(tài)由CCD圖像捕獲系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，然后將CCD攝像機(jī)捕捉的圖像信號(hào)傳輸給圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行分析獲得角度測(cè)量結(jié)果，計(jì)算出傳送帶與輥輪組軸線之間偏差的大小和方向。通過(guò)上述介紹，需要在傳送帶中心線與輥輪組中心線偏差角度上設(shè)定一個(gè)的閾值θ，當(dāng)滾輪組的中心線與傳送帶的中心線之間的偏差超出給定值范圍時(shí)CCD圖像捕獲系統(tǒng)會(huì)采集到這個(gè)值，同時(shí)系統(tǒng)統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)。PLC控制器將偏差結(jié)果發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)把控制器輸入的命令信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)滾輪組以及時(shí)的調(diào)整皮帶偏差。

圖1 系統(tǒng)檢測(cè)流程圖構(gòu)

4.3 系統(tǒng)軟件

本系統(tǒng)的軟件選用NI開(kāi)發(fā)的機(jī)器視覺(jué)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，是研究機(jī)器視覺(jué)和相關(guān)科研的設(shè)備。視覺(jué)模塊主要由兩個(gè)子模塊組成：IMAO Vision Builder I和IMAO Vision。IMAQ Vision Builder模塊主要用于傳送帶運(yùn)行過(guò)程中的在線監(jiān)控。LabVIEW是一種基于程序代碼的圖形化編程語(yǔ)言，提供了大量的圖像理解功能庫(kù)，圖像分割和軟件開(kāi)發(fā)工具。軟件界面設(shè)計(jì)如圖2所示。

4.4 偏差糾正結(jié)果

偏差糾正說(shuō)明如圖3所示，x方向表示一般情況下的托輥輪組中心線方向，y方向表示通常情況下傳送帶軸線運(yùn)動(dòng)的方向。角度偏差表示為θ1= 90o — θ，通常情況下θ = 90o。如果給定的閾值為θ2，則在傳送帶跑偏的時(shí)候則θ2＜ θ ＜90o，利用圖像處理系統(tǒng)獲得角度θ。然后，使用二值化，邊緣檢測(cè)，圖像預(yù)處理，特征值提取等來(lái)計(jì)算捕獲圖像中的角度偏差，并在執(zhí)行偏差校正處理的同時(shí)實(shí)時(shí)記錄故障圖像，若θ <90o，則表示傳送帶向運(yùn)動(dòng)方向右側(cè)托輥輪組發(fā)生偏移，若θ ＞90o，則表示傳送帶向運(yùn)動(dòng)方向左側(cè)托輥輪組跑發(fā)生跑偏，當(dāng)傳送帶發(fā)生跑偏的時(shí)候，則由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)跑偏側(cè)的托輥輪組朝向傳送帶前進(jìn)方向進(jìn)行調(diào)整。

圖2 軟件設(shè)計(jì)界面

圖3 偏差說(shuō)明

5 結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)輸送帶在工作過(guò)程中易發(fā)生跑偏現(xiàn)象的分析，設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺(jué)的傳送帶跑偏校正系統(tǒng)。該裝置的優(yōu)勢(shì)主要包括以下幾點(diǎn)：首先，該設(shè)備非常精確。因?yàn)樵O(shè)備選用PLC控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)牽引輥輪組校正偏差，因此具有相當(dāng)高的精度；第二，具有可預(yù)測(cè)性，通過(guò)分析圖像信號(hào)，能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)傳送帶偏差，很大程度上防止了事故的產(chǎn)生。第三，速度快，可以自動(dòng)調(diào)整設(shè)備以避免手動(dòng)調(diào)整，這不僅改變了現(xiàn)有校準(zhǔn)設(shè)備的不足，而且提高了安全性。