張娟娟 沈小渝

(1. 四川財經(jīng)職業(yè)學(xué)院，四川 成都 610101；2. 電子科技大學(xué)成都學(xué)院，四川 成都 611731)

在實踐中，規(guī)?；l(fā)展的食品工業(yè)需要更多更長的加工流水線，這些流水線不可避免地存在平臺對接問題。而機械加工對接過程中受工作臺扭擺易產(chǎn)生誤差[1]，致使監(jiān)控對接過程的信號傳感器受到影響，大大降低了機械加工對接的精確度，導(dǎo)致機械加工控制效果差[2]。楊亮亮等[3]提出了將迭代學(xué)習(xí)控制方法從時域辨識拓展到正交矢量基函數(shù)空間領(lǐng)域，提高了控制系統(tǒng)的位置跟蹤精度和響應(yīng)性能，但對控制系統(tǒng)控制參數(shù)的把握較復(fù)雜且準確度不高。朱莊生等[4]提出了單目視覺檢校方法，分析了合作靶標(biāo)精度對單目視覺姿態(tài)測量精度的影響，利用合作靶標(biāo)實現(xiàn)了視覺高精度姿態(tài)測量；基于正交矢量和動態(tài)濾波的聯(lián)合標(biāo)定法等實現(xiàn)了具備高精度姿態(tài)精度的單目視覺檢校系統(tǒng)，但耗時較長，不利于實際應(yīng)用。

基于上述問題，試驗擬設(shè)計基于三維投影矩陣構(gòu)建生產(chǎn)流水線對接系統(tǒng)平臺，在機械加工對接過程中按照三維立體視覺原理，提取對接圖像特征點，針對特征點進行三維投影矩陣計算，通過投影矩陣校對提高機械加工對接的精確度，改善機械加工控制效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械加工工作臺由于自身扭擺易產(chǎn)生誤差[5]，而三維投影矩陣在機械加工對接研究中效果顯著[6]，因此設(shè)計基于三維投影矩陣的機械加工系統(tǒng)平臺，將三軸測量與三維控制規(guī)劃到控制系統(tǒng)中，得到機械加工控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1中，系統(tǒng)對X、Y1、Y2展開控制，抑制由于工作臺擺動產(chǎn)生的誤差。使用精密工件臺、微動臺的組合結(jié)構(gòu)作為機械結(jié)構(gòu)，采用微動臺進行精準定位，使定位系統(tǒng)取得高精準定位度與點動靈敏度[7]，且控制更為便捷。

圖1 食品生產(chǎn)流水線對接系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)框圖

由圖1可知，系統(tǒng)由兩個8098單片機電路、激光器控制模塊、測量單元、微動臺精準定位單元及三維運動平臺等組成。機械加工控制系統(tǒng)的工作臺精密工作特性要求X-Y工件臺實現(xiàn)高速精準定位，且滿足兩個方向在同一時間進行實時定位等特點[8]。因此，在X、Y兩個方向上各加一片8098單片機實現(xiàn)兩個方向的單獨控制，并使X、Y兩個方向可以在同一時間運動。由于X、Y能夠獨立控制，所以X、Y運動互不影響，使得工件臺在工作過程中一直處于實時有效的閉環(huán)控制下，確保工件臺工作效率高，且具備較高控制實時性[9]。兩個方向的單片機工作相對獨立，可以實現(xiàn)兩個方向的軟件、硬件基本相互兼容。系統(tǒng)的突出優(yōu)點是調(diào)試方法簡單，工作穩(wěn)定，且后期維護便捷性強。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 三維運動平臺

機械加工控制系統(tǒng)中的三維運動平臺采用一種對脈沖信號控制的步進電機進行驅(qū)動。步進電機通過調(diào)整脈沖頻率來調(diào)整電動機轉(zhuǎn)數(shù)，三維運動平臺需要3個步進電機進行3個維度的獨立驅(qū)動，驅(qū)動方式相同，圖2為其中一維的運動控制模塊電路圖。由圖2可知，電機驅(qū)動器的DIR口和CP口分別與步進電機獨立驅(qū)動的兩個I/O端口相連，控制電機轉(zhuǎn)動方向與脈沖。驅(qū)動器A、B各自連接對應(yīng)的電機繞組，S1、S2為限位電路接口引腳，能各自連接單片機的I/O端口，達到機床限位控制的目的。

1. 電機繞組 2. 獨立驅(qū)動 3. 獨立驅(qū)動 A. 步進電機驅(qū)動器 B. 步進電機驅(qū)動器 S1、S2. 限位電路接口引腳

圖2 三維運動平臺控制模塊電路圖

Figure 2 Circuit diagram of control module for 3D motion platform

2.2 激光器控制模塊設(shè)計

激光器控制模塊是三維運動平臺的組成部分，該模塊通過控制激光器開關(guān)和控制激光器的輸出功率實現(xiàn)系統(tǒng)的激光控制，獲取機械對接的三維投影[10]。新研發(fā)的激光電源在前期激光電源設(shè)備的基礎(chǔ)上進行了改進，合并兩個輸入端口為一個脈沖輸入接口，調(diào)節(jié)激光器的開關(guān)和輸出功率。采用ATmega128的兩個I/O端口對激光器進行控制。激光器控制模塊中PG0控制激光器開關(guān)，通過調(diào)節(jié)輸出高、低電瓶實現(xiàn)激光器開關(guān)控制。激光器控制模塊的PG1通過改變輸出頻率脈沖實現(xiàn)激光器功率的控制。

2.3 測量單元

機械加工控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)一定程度上由測量系統(tǒng)的精準度決定[11]。測量單元是機械加工控制系統(tǒng)的重要組成部分，要求測量單元需具備測量精準度高、反應(yīng)靈敏度高、穩(wěn)定性強等優(yōu)點。測量單元通過多普勒頻差測量位移技術(shù)，采用交流前置放大器替換常規(guī)直流放大器，實現(xiàn)高精準度動態(tài)測量，獲取精準實時測量數(shù)據(jù)，根據(jù)配備的自動補償器補償波長變化。

2.4 微動臺精準定位單元

微動臺精準定位單元依據(jù)系統(tǒng)測量單元的測量值，采用三維投影矩陣對接校對算法進行精準定位。圖3為微動臺精準定位電路原理圖。微位移性能指標(biāo)包括：量程145 μm；頻響范圍0～4 kHz；推力3 000 N；拉力600 N；剛度16 N·μm；位移分辨率>0.01 μm。圖3中，驅(qū)動器放大器為一個線性放大器，具備分辨率高與穩(wěn)定性強的特點，電壓輸出為0～1 200 V。

圖3 微動臺精準定位電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 基于立體視覺校對的對接圖像特征點提取

機械加工控制系統(tǒng)平臺的加工對象對接是實現(xiàn)精準加工的關(guān)鍵[12-13]，系統(tǒng)基于立體視覺校對提取對接圖像的特征點。依照圖像識別原理選擇兩個性能較優(yōu)的對接裝置實施對接，按照三維立體視覺原理提取對象圖像特征點后，依據(jù)該特征點對機械加工平臺的三維對接圖像進行校驗[14]，提取圖像特征點過程如下。

機械加工校驗對接時，選取應(yīng)符合相似度要求的對接圖像，從該圖像中采集對接區(qū)域的特征點，針對對接區(qū)域?qū)嵤┯行У娜S區(qū)域定位，樣本圖像采集原理如圖4所示。

圖4 樣本圖像采集原理

由圖4可知，機械加工對接圖像像素點用g表示，通過圖像采集設(shè)備Q1采集機械對接平臺圖像對接點g1，Q1、Q2兩個圖像采集設(shè)備需同時采集對接平臺其他對接點圖像，G為與此圖像相應(yīng)的實際對接平臺特征點，根據(jù)特征點空間位置關(guān)系，完成機械加工對接的三維圖像空間特征點定位。

在設(shè)備對接過程的樣本圖像中隨機選擇一點G，G在圖像采集設(shè)備Q1、Q2上的特征點分別為g1、g2，其對應(yīng)的投影矩陣分別為h1、h2，得式(1)、(2)。

(1)

(2)

式中：

(ψ1,θ1,1)、(ψ2,θ2,1)——圖像采集設(shè)備采集的對接三維圖像特征點坐標(biāo)；

(Z,A,B,I)——標(biāo)準坐標(biāo)系中上述特征點的坐標(biāo)。

各特征點的變換處理通過式(3)實現(xiàn)。

(3)

按上述方法提取對接圖像特征點，完成機械加工控制對接。

3.2 三維投影矩陣對接校對算法設(shè)計

3.2.1 三維投影矩陣的定義及計算 依據(jù)提取的特征點對機械加工平臺的三維對接圖像進行校驗，根據(jù)3.1中提取的特征點構(gòu)建幾何矩陣，如式(4)。

(4)

將式(4)視為機械加工設(shè)備對接圖像特征，展開幾何矩陣計算。由于計算量龐大，無法應(yīng)用到圖像校對中，故將式(4)進行轉(zhuǎn)變：

(5)

式中：

(6)

在i∈{0,1,…}上取得Ti(a,b)，即任意一個階矩，完成機械加工對接信息f(a,b,c)的還原。

(7)

(8)

(9)

式中：

minf(X)——目標(biāo)函數(shù)最小值。

X=Δa,Δb,Δzc,Sa,Sb,Sc,θa,θb,θc——待優(yōu)化參數(shù)，表示a,b與c方向上對接機械的位置移動、收縮放大與旋轉(zhuǎn)角度。

最后采用Powell方法求解目標(biāo)函數(shù)的最小值，得到精準的對接校對結(jié)果，從而改善機械加工平臺對接效果。

4 試驗分析

4.1 系統(tǒng)控制效果分析

為驗證試驗設(shè)計的基于三維投影矩陣的機械加工系統(tǒng)的有效性，進行如下試驗分析。

試驗以機械1、2為測試對象，給出a、b、c方向中兩個加工設(shè)備的映射變換關(guān)系的位置移動、收縮放大與旋轉(zhuǎn)角度的實際數(shù)據(jù)，采用試驗設(shè)計系統(tǒng)、正交投影控制系統(tǒng)、單目視覺控制系統(tǒng)對兩個食品機械加工設(shè)備進行控制，測試3種系統(tǒng)下機械1、2位置移動、收縮放大與旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)，與實際結(jié)果進行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 3種系統(tǒng)測試結(jié)果方差分析

由表1可知，試驗設(shè)計系統(tǒng)控制的機械1、2的位置移動、收縮放大、旋轉(zhuǎn)角度的精度方差均小于正交投影控制系統(tǒng)和單目視覺控制系統(tǒng)，表明試驗設(shè)計系統(tǒng)具備高精度的控制效果，滿足食品機械加工對接的需求。

4.2 系統(tǒng)控制效率與精度分析

由圖5可知，試驗設(shè)計系統(tǒng)進行機械加工耗時18～23 min，正交投影控制系統(tǒng)加工耗時35～40 min，單目視覺控制系統(tǒng)加工耗時25～31 min，與同類型系統(tǒng)相比，試驗設(shè)計系統(tǒng)節(jié)省了大量的加工時間，能夠?qū)崿F(xiàn)機械加工系統(tǒng)的高效率運行。

由圖6可知，試驗設(shè)計系統(tǒng)的精確度最大可以無限接近于100%，最小精確度也在95%左右，表明試驗設(shè)計系統(tǒng)控制精確度高于其他兩種系統(tǒng)，能夠確保機械加工的高精確度運行。

圖5 3種系統(tǒng)耗時對比

4.3 不同條件下系統(tǒng)控制誤差分析

為驗證試驗設(shè)計系統(tǒng)控制機械加工對接的普適性，以5 cm×5 cm、10 cm×10 cm尺寸的食品為對象，采用3種系統(tǒng)進行食品加工對接試驗，結(jié)果見表2、3。

由表2、3可知，加工不同尺寸食品時，試驗設(shè)計系統(tǒng)進行機械加工對接的相對誤差和對接時間均小于正交投影控制系統(tǒng)和單目視覺控制系統(tǒng)。針對5 cm×5 cm、10 cm×10 cm 尺寸的食品進行對接，試驗設(shè)計系統(tǒng)最大相對誤差值分別為1.50%，1.11%，單目視覺控制系統(tǒng)最大相對誤差值分別為3.85%，2.45%，正交投影控制系統(tǒng)最大相對誤差值分別為4.99%，3.65%，試驗設(shè)計系統(tǒng)的對接精準度較高；同時，對接時間顯示，試驗設(shè)計系統(tǒng)所需對接時間短、波動性小，能夠穩(wěn)定實現(xiàn)機械加工的對接。

圖6 3種系統(tǒng)精確度對比

表2 5 cm×5 cm尺寸食品測試結(jié)果對比

表3 10 cm×10 cm尺寸食品測試結(jié)果對比

5 結(jié)論

試驗設(shè)計系統(tǒng)采用微動臺實現(xiàn)了系統(tǒng)的精準定位，依據(jù)系統(tǒng)測量單元的測量值、采用三維投影矩陣對接校對算法進行精準定位，提升了機械加工控制系統(tǒng)的控制精確度。為進一步改善機械加工的控制效果，可引入三維投影矩陣進行精準對接。