1 引言
機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是利用機(jī)器取代人眼視覺(jué)，進(jìn)行測(cè)量和判斷的系統(tǒng)。基本原理是通過(guò)圖像攝取裝置(分cmos和ccd兩種)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào);圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。機(jī)器視覺(jué)自起步到現(xiàn)在，已有將近20年的發(fā)展歷史。應(yīng)該說(shuō)機(jī)器視覺(jué)作為自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)分支，其功能特點(diǎn)是隨著整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展而逐漸完善和發(fā)展的。在歐美，機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。在我國(guó)隨著配套基礎(chǔ)建設(shè)的完善，技術(shù)、資金的積累，各行各業(yè)對(duì)采用圖像和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的智能化控制需求開(kāi)始廣泛出現(xiàn)。
國(guó)內(nèi)某硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司型材廠是目前國(guó)內(nèi)最大的棒材生產(chǎn)基地。其引進(jìn)的山特維克的擠壓機(jī)(d-120/250)可以擠壓多種棒材：、1mm的棒材，雙孔1mm、雙孔、雙孔2mm棒材，7×2.0、6×2.5、6×0.4、5.5×0.5管材，3×10、1.5×4扁材等。其調(diào)速系統(tǒng)的性能對(duì)棒材的質(zhì)量影響至關(guān)重要，如其調(diào)速效果不好，很容易拉斷或者堆積棒材。北京和利時(shí)電機(jī)公司應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)和基于伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)擠壓機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了改造，大大提高了調(diào)速系統(tǒng)的性能，從而提升了工廠的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。
2 硬件簡(jiǎn)介
系統(tǒng)硬件配置的原則如下：
(1) 調(diào)速系統(tǒng)的靈敏性必須高、調(diào)速范圍寬。
(2) 操作簡(jiǎn)單、可靠。
(3) 便于系統(tǒng)升級(jí)、擴(kuò)展。
(4) 緊急情況下，具有自保護(hù)功能。
(5) 性能價(jià)格比高。
基于以上整體考慮，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括：精度為亞象素級(jí)的嵌入式圖像處理系統(tǒng)、具有很好的快速響應(yīng)的交流伺服電機(jī)系統(tǒng)、編程靈活升級(jí)方便的plc控制系統(tǒng)、方便地查看修改系統(tǒng)參數(shù)的工業(yè)觸摸屏、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)系統(tǒng)。
3 軟件部分
3.1 控制原理
調(diào)速系統(tǒng)的主要目的：將擠出的棒材穩(wěn)定在一定的區(qū)域，圖2給出調(diào)速系統(tǒng)示意圖，也就是將圖像處理器檢測(cè)到的棒材邊緣點(diǎn)控制在平衡區(qū)內(nèi)。這樣棒材才可以正常擠出，不被拉斷、產(chǎn)生堆料。同時(shí)還可以保證擠出棒材的均勻度。
擠壓機(jī)的擠壓速度跟液壓部分強(qiáng)弱、它所裝料的多少、料的質(zhì)量以及棒材粗細(xì)都有很大關(guān)系，很難建立線性模型，簡(jiǎn)單的pid控制很難得到較好的控制效果。面對(duì)實(shí)際情況，我們采用了三種控制手段來(lái)調(diào)節(jié)擠壓機(jī)的擠壓速度：對(duì)擠壓機(jī)進(jìn)行模糊建模、微分控制環(huán)節(jié)和平衡區(qū)控制。
(1)首先，通過(guò)對(duì)擠壓機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)速試驗(yàn)，我們總結(jié)出了它的模糊模型-拋物線模型。越接近理想位置速度調(diào)節(jié)量越少，越遠(yuǎn)離理想位置速度調(diào)節(jié)量越大，而且速度調(diào)節(jié)量跟與理想位置的差距為乘冪關(guān)系，如圖3所示：
(2)筆者在現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，遇到突發(fā)情況，速度會(huì)發(fā)生急劇變化，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加入微分環(huán)節(jié)后提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。比如，由于液壓系統(tǒng)的原因擠壓速度突然變快，這時(shí)系統(tǒng)要求加速，但是根據(jù)它的拋物線模型給它加速遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了系統(tǒng)需求，這時(shí)系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生堆料，加入了微分環(huán)節(jié)，預(yù)測(cè)了這種情況，會(huì)采取給系統(tǒng)成倍加速，從而改善了系統(tǒng)的靈敏性，滿足了要求。
(3)筆者采用了平衡區(qū)控制。規(guī)定在理想位置附近的一定范圍內(nèi)為平衡區(qū)，認(rèn)為這時(shí)的系統(tǒng)滿足了控制要求。當(dāng)棒材從加速區(qū)或者減速區(qū)進(jìn)入平衡區(qū)時(shí)，筆者根據(jù)邊緣位置的變化量來(lái)反向調(diào)節(jié)速度。這樣可以起到緩沖效果，使得棒材可以在最短的時(shí)間內(nèi)停留在平衡區(qū)內(nèi)。比如，當(dāng)邊緣點(diǎn)在平衡區(qū)上界(參加圖2)，調(diào)速系統(tǒng)會(huì)減小速度使得棒材邊緣點(diǎn)下降，當(dāng)它進(jìn)入平衡區(qū)時(shí)，平衡區(qū)控制開(kāi)始起作用，邊緣位置下降，根據(jù)邊緣位置變化量增加速度值(這里的具體情況是邊緣位置下降，變化量為負(fù)值;邊緣位置上升，變化量為正值值。同時(shí)變化量的大小可以反映位置變化的距離程度)，這樣防止了速度降的太快沖過(guò)平衡區(qū)，從而引起系統(tǒng)的震蕩。
3.2 總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的主要功能是：跟隨擠壓機(jī)的擠壓速度，從而保證擠壓機(jī)的正常運(yùn)行。軟件設(shè)計(jì)分為三大塊：
(1) 機(jī)器視覺(jué)部分：即通過(guò)圖像處理器得到被擠出棒材的位置信息;
(2) plc控制部分：根據(jù)3.1節(jié)的控制原理編寫(xiě)控制程序;
(3) 觸摸屏部分：讓用戶方便地查看、修改系統(tǒng)的參數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行。
3.3視覺(jué)部分軟件設(shè)計(jì)
如圖2所示，使用圖像軟件查找灰度邊緣的功能，得到擠出棒材的位置。將得到的位置量(數(shù)字量)通過(guò)串口，利用串行通訊的方式，以波特率115200bps的傳送速度傳送給plc。
3.4 plc的軟件設(shè)計(jì)
plc的軟件設(shè)計(jì)分為兩大塊：手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。手動(dòng)模式，調(diào)速系統(tǒng)人工來(lái)操作，不受3.1節(jié)講的控制律影響，通過(guò)觸摸屏修改速度參數(shù)，從而改變運(yùn)行速度。自動(dòng)模式，調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)3.1節(jié)講的控制原理來(lái)調(diào)節(jié)速度。自動(dòng)模式和手動(dòng)模式之間可以自由切換。
3.5 觸摸屏的界面設(shè)計(jì)
如圖4所示，界面設(shè)計(jì)包括四大塊：手動(dòng)、自動(dòng)、參數(shù)查看、報(bào)警。
(1) 手動(dòng)：手動(dòng)模式的界面。當(dāng)使用手動(dòng)模式時(shí)，此界面可以顯示系統(tǒng)運(yùn)行的情況，并且可以設(shè)定系統(tǒng)的運(yùn)行速度;
(2) 自動(dòng)：自動(dòng)模式的界面。當(dāng)使用自動(dòng)模式時(shí)，此界面可以顯示系統(tǒng)運(yùn)行的情況，并且可以修改自動(dòng)控制律的控制參數(shù);
(3) 參數(shù)查看：可以查看系統(tǒng)運(yùn)行的各個(gè)參數(shù)值;
(4) 報(bào)警：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行不正常時(shí)，給出報(bào)警信息，同時(shí)還可以在線清除一些故障。
4 結(jié)束語(yǔ)
此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)與視覺(jué)的完美結(jié)合，在用戶現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了調(diào)試和運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、速度控制達(dá)到了實(shí)際生產(chǎn)的性能。
