■豐裕文，盧錫偉

現(xiàn)代化的高速造型線的出現(xiàn)，無疑加大了鑄造業(yè)澆注的工作強度。由于澆注作業(yè)是重復性的工作，因此需要一個能夠代替人的雙眼以長時間監(jiān)視澆口杯的裝置。視頻澆注是一項能夠持續(xù)監(jiān)控澆口杯，并完成自動澆注的現(xiàn)代化技術。

1. 視頻澆注系統(tǒng)的應用與發(fā)展

在智能視覺相機出現(xiàn)之前，原有的視頻澆注系統(tǒng)的監(jiān)控裝置是由工業(yè)相機（C C D或CMOS）、視頻采集卡、PC組成的，工業(yè)相機只能將光信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號，然后由視頻采集卡將這些模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號（0和1）。

多數(shù)視頻采集卡都具備硬件壓縮的功能，在采集視頻信號時首先在卡上對視頻信號進行壓縮，然后通過PCI接口把壓縮的視頻數(shù)據(jù)傳送到PC，同時有一個獨立的視頻顯示器與視頻卡通過同軸電纜相連，澆注圖像由視頻顯示器顯示。

由于PC采用通用視頻A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)采集占用了CPU的時間，對處理器的速度要求很高。而且原有的控制系統(tǒng)采用的是PC結(jié)合輸入輸出單元的設計，所有的計算工作都是由PC來完成的，這樣就又加重了PC的工作負荷，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，圖像顯示斷續(xù)，容易導致系統(tǒng)死機，故障經(jīng)常發(fā)生。如果在澆注過程中出現(xiàn)這樣的情況，便會使?jié)沧⒐ぷ魍Ｖ?，影響生產(chǎn)。

為了解決上面出現(xiàn)的問題。我們改進了視頻澆注系統(tǒng)，采用智能視覺相機來監(jiān)控澆口杯。智能視覺相機是一個兼具圖像采集、圖像處理、信息傳遞功能和I/O控制的小型機器視覺系統(tǒng)（見圖1），是一種嵌入式的機器視覺系統(tǒng)。它將圖像傳感器、數(shù)字處理器、通信模塊和I/O控制單元集成到一個單一的相機內(nèi)，使相機能夠完全替代傳統(tǒng)的基于P C的計算機系統(tǒng)，獨立地完成預先設定的圖像處理和分析任務。該相機采用了一體化的設計，降低了系統(tǒng)的復雜度，提高了系統(tǒng)的可靠性。該相機的最大特點是集成度高，功能模塊化。作為獨立的智能圖像采集和處理單元，內(nèi)部存儲器可以存儲下載的圖像處理算法。智能視覺相機還具有抗干擾能力強、開發(fā)效率高、組成簡單、規(guī)格等級化等優(yōu)點。

選擇智能視覺相機時，考慮到相機的穩(wěn)定性、尺寸大小、采樣速度等，我們選用了康耐視公司的Ins i ght Mi cr o系列1 4 0 0智能視覺相機。這款相機是世界上最小巧、智能、簡易的一體化的視覺系統(tǒng)。而且該款相機也是這一系列當中采樣速度最快的機型。它的體積只有30mm×30mm×60mm，非常節(jié)約空間。相機的背面采用的是M1 2以太網(wǎng)接口，也有I/O接口。由于是采用PLC控制相機，所以選用M12接口通信，相機端用M12接口，另一端采用以太網(wǎng)RJ45接頭，相機采用了POE供電技術。原有系統(tǒng)的工業(yè)相機除了需要同軸電纜來傳輸圖像數(shù)據(jù)之外，還需要AC110V供電。而POE電源技術只需要一根以太網(wǎng)電纜連接相機，該電纜同時能夠供電和傳輸數(shù)據(jù)。而且POE電源只會為需要供電的設備供電，只有連接了需要供電的設備，以太網(wǎng)才會有電壓存在，因此解決了線路上漏電的風險。

如前所述，原有視頻澆注系統(tǒng)是采用PC的CPU來完成控制的，因此P C不但要對采樣來自澆口杯的數(shù)據(jù)圖像做處理，與視頻采集卡、顯示器配合完成澆注圖像的顯示工作，還要處理系統(tǒng)中模擬量、數(shù)字量的輸入輸出工作，所以負擔過重。由于采用了智能視覺相機，該相機能通過以太網(wǎng)通信，所以我們便采用了PLC觸摸屏結(jié)合PC的設計。由PLC來完成系統(tǒng)中模擬量、數(shù)字量的輸入輸出工作。而PC只是用來配合觸摸屏來完成人機對話及澆口圖像的顯示工作。考慮到該視頻澆注系統(tǒng)需要I/O控制、運動控制和網(wǎng)絡通信要求，選用了AB公司的1768-Compact l og i x系列的PLC，該型PLC是專門針對以上幾點而設計的。采用以太網(wǎng)的通信網(wǎng)絡，無論是從系統(tǒng)的復雜程度還是傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性方面都得到了很大的提高。

改進后的視頻澆注系統(tǒng)的結(jié)構框圖如圖2所示。

圖1 智能視覺相機結(jié)構

圖2 改進后視頻澆注系統(tǒng)結(jié)構框圖

從以上框圖可以看出，視頻澆注系統(tǒng)是由智能視覺和運動控制執(zhí)行兩部分組成的。視覺部分主要就是智能視覺相機、觸摸屏、PLC、而運動控制部分是由PLC，運動控制板、伺服電動機驅(qū)動器、運動執(zhí)行機構（包括伺服、電機）組成（見圖3）。運動執(zhí)行機構安裝在澆注機“Y”軸載車上，靠近澆包，故設計的結(jié)構能承受澆注包中金屬高溫。其懸臂可轉(zhuǎn)動，方便更換塞桿及取下澆包，也使維修塞桿更容易。塞桿機構的控制臂帶有氣缸，可以通過氣缸讓塞桿機構進行旋轉(zhuǎn)，塞桿底部便會與澆口杯做碾磨動作，以使塞桿和澆口杯的貼合度達到最佳，防止鐵液泄漏。該機構是由PLC控制，通過驅(qū)動伺服電動機來實現(xiàn)動作的，這樣就能快速響應來自PLC給出的澆注信號，并由PLC根據(jù)對塞桿扭矩的跟蹤而自動調(diào)整塞桿位置。伺服電動機帶動絲桿轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)絲桿前進3mm，伺服編碼器設置為8192個脈沖，運動控制精度達到了0.3μm。

圖 3

2. 視頻澆注系統(tǒng)的工作原理及特點

改進后的視頻澆注系統(tǒng)在兩個地方用到了智能視覺相機。一個相機用于視頻澆注檢測鐵液液位，另一個用于造型線的自動定位。

（1）用于監(jiān)測鐵液的相機能夠采集澆口杯內(nèi)熾熱的鐵液和型砂分別發(fā)出的亮暗反差很大的兩種光線畫面信號，并將信號作高分辨率的數(shù)字化處理，然后通過以太網(wǎng)通信將數(shù)字信號傳遞給PLC，經(jīng)過運算建立了一個精確的澆口杯液位，并將其與從觸摸屏人機對話界面預先輸入的澆口杯內(nèi)鐵液液位設定值作比較，根據(jù)與設定值的誤差大小及運動執(zhí)行機構的當前狀態(tài)信息，PLC按復雜的曲線控制數(shù)學模型計算發(fā)出指令，使運動執(zhí)行機構在伺服電動機的作用下作相應的行程調(diào)整，以縮小上述的誤差值，從而達到閉環(huán)控制的目的。

視頻澆注的過程由圖4所示人機界面來監(jiān)控。

圖4中，1—澆注圖像顯示，包括澆口和自動定位口；2—澆注畫面感興趣區(qū)域的調(diào)節(jié)，以及當前用的模板型號的顯示；3—澆注參數(shù)的設置，包括初始澆注速度(Initial pour speed)、初始澆口杯液位(Initial cup)、澆注液位控制(Pour level control)、最終澆口液位（Final cup level）、結(jié)束澆注控制（End of pour control）等；4—澆注的動態(tài)圖像，包括澆注液位（Pourlevel)、澆注錯誤（Pourerror）、塞桿位置（Rodposition）等，通過觀察這些畫面可以清楚地了解澆注是否穩(wěn)定；5—對當天澆注型數(shù)的統(tǒng)計，包括澆注總型數(shù)，澆壞的型數(shù)，澆好的型數(shù)等；6—澆注的控制按鈕，比如塞桿旋轉(zhuǎn)（Twist），沖桿控制，這兩個動作的手動自動切換，還有如澆注與自動澆注的切換等操作；7—預設澆注時間和實際澆注時間的顯示等。

（2）每當一砂型澆注完成之后，造型線就會移動，移動完之后，經(jīng)常會出現(xiàn)澆口與澆注系統(tǒng)對不準的情況，需要人工移動澆注機，使?jié)部谂c砂型對準，然后澆注。每天這樣重復很多次，非常麻煩。

針對以上問題，我們給澆注系統(tǒng)增加了自動定位功能。自動定位就是當造型線移動之后，如果澆口與砂型沒有對準，澆注機便會自己移位，并使?jié)沧⒖谂c砂型對準，達到準確澆注。采用智能視覺相機監(jiān)視造型線上砂型的自動定位口，在澆注時，智能視覺相機能夠正確監(jiān)測到這一型的槽口位置，并拍照記錄，當下一次造型線移動后，智能相機又會拍照，并會通過以太網(wǎng)將圖像信號傳遞給PLC，PLC會將這一次的照片與上一次的作比較，如果偏差較大，PLC便會向控制造型線方向液壓缸動作的電磁比例閥發(fā)出信號，該閥便會通電打開，澆注機便會移動，使?jié)沧⒖谂c砂型對準，然后澆注。造型線方向上裝有位移傳感器，該傳感器發(fā)出的模擬量信號能夠正確地反饋造型線的實際位置。如果經(jīng)過定位還不能對準的話，系統(tǒng)就會判斷為壞型。

圖5為自動定位原理。

視頻澆注系統(tǒng)考慮了一系列的隨時間變化的參數(shù)，如澆注溜槽內(nèi)的鐵液液位，澆注孔的條件以及鐵液從澆口磚到達型腔時間的延遲等。該數(shù)學運算模型功能強大，且有自身調(diào)節(jié)功能。因此，當澆注作業(yè)過程中向澆包進鐵口加金屬液的情況下還能保證系統(tǒng)的澆注精度。

相對于視頻澆注，還有一種澆注是激光澆注。就是在監(jiān)視澆口杯的地方將智能視覺相機換成了一套激光發(fā)射和接收裝置。發(fā)射的激光被澆口杯內(nèi)的金屬液面反射回來，由接收裝置接收。澆口杯內(nèi)金屬液面的變化，同時會使反射面升高或降低，引起光線到接收器的反射角度的變化。應用三角測量技術，便可計算出激光接收器和澆口杯液位之間距離變化，借此便可對塞桿的升程做出調(diào)整，以維持澆口杯液面高度的穩(wěn)定。但是此種澆注系統(tǒng)僅能在砂型上平面保持不變的情況下應用，而且由于反射的激光束的強度衰減很快，故要求激光發(fā)射和接收裝置的安裝角度（與垂直面之間）不大于30°。這樣往往需要在鑄型澆口杯旁開一條特殊的溝槽，以使激光束能抵達澆口杯內(nèi)金屬液面，這無疑在某種程度上增加了無效鐵液的流失。

圖4 視頻澆注系統(tǒng)人機對話界面

圖5 自動定位原理

3. 結(jié)語

在研發(fā)系統(tǒng)的時候，我們運用了視覺系統(tǒng)和運動控制的相關知識。最后的結(jié)果也證明視覺系統(tǒng)和運動控制的結(jié)合，是工業(yè)監(jiān)視和完成高精度自動化操作的最有效手段。智能相機的高精度、高速度、多功能、小型化與集成化的優(yōu)點在這個系統(tǒng)中表現(xiàn)得淋漓盡致。隨著鑄造企業(yè)對產(chǎn)品的工藝要求，產(chǎn)量要求，以及自動化要求的不斷提高，相信基于智能視覺相機的視頻澆注系統(tǒng)會被越來越多的人所青睞。我們也在不斷努力，使該系統(tǒng)更加完善。