熊娟，張榮，詹文贊，楊金堂

(1.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430081；2.武漢科技大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430081；3.武漢東湖學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢 430212)

0 前言

軸類零件廣泛應(yīng)用于各種大型機(jī)械設(shè)備中，主要作用是支撐其他零件旋轉(zhuǎn)并傳遞扭矩，其性能會(huì)直接影響設(shè)備的平穩(wěn)性和使用壽命。但在實(shí)際服役過程中，由于工作的環(huán)境惡劣，軸類零件長期受到重載、高溫、高沖擊、重腐蝕、磨損等綜合作用，其關(guān)鍵部位表面極易形成厚氧化層、腐蝕層、油層等污染層，這些污染層會(huì)影響設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，造成重大損失。

現(xiàn)階段國內(nèi)多采用人工打磨或噴砂噴丸的方法進(jìn)行軸件表面污染層的清洗，但清洗效率低下且耗時(shí)耗力。而激光清洗技術(shù)作為新興的綠色高效清洗方法，有著對(duì)材料無損傷、經(jīng)濟(jì)效益高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。又因?yàn)榇笮洼S類零件質(zhì)量大，人工清洗十分不便，而現(xiàn)有的再制造技術(shù)不能滿足嚴(yán)苛環(huán)境下冶金軸件的清洗需求，亟需研發(fā)一種智能化激光清洗裝備，提升國內(nèi)現(xiàn)有再制造技術(shù)水平。所以針對(duì)廢舊大型冶金軸件的清洗，本文作者提出一種基于視覺技術(shù)的PLC控制方案。通過視覺檢測(cè)系統(tǒng)來識(shí)別大型軸類零件表面污染層位置，設(shè)計(jì)了基于S7-200PLC的激光清洗控制系統(tǒng)，進(jìn)行了硬件的選擇與設(shè)計(jì)，使用STEP7 Micro/win軟件編寫了十字滑臺(tái)移動(dòng)定位程序。該系統(tǒng)取代了繁瑣的人工清洗，降低了生產(chǎn)成本的投入，提高了清洗效率和系統(tǒng)自動(dòng)化程度。

1 清洗設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理

典型冶金設(shè)備中所廢棄的大型軸件如圖1所示，質(zhì)量可達(dá)幾十噸，長度和直徑尺寸變化大，移動(dòng)較為困難，人工清洗十分不便。為了解決大軸清洗困難的問題，本文作者提出一種基于機(jī)器視覺的廢舊冶金軸件表面無損激光清洗控制方案，該方案中所用到的清洗裝備是基于作者課題組公開號(hào)為CN111451641A的中國專利《一種大型軸類零件自動(dòng)激光清洗裝置與方法》。

圖1 廢舊大型冶金軸類零件

1.1 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)

該設(shè)備主要由大軸驅(qū)動(dòng)裝置、視覺檢測(cè)裝置和激光清洗裝置三大部分組成，如圖2所示。大軸驅(qū)動(dòng)裝置主要是由卡緊基座、齒式聯(lián)軸器構(gòu)成，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)大型軸類零件做周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，配合機(jī)器視覺完成大軸表面圖像信息的采集，確定需要清洗的具體位置。視覺檢測(cè)裝置由龍門架狀滑軌、工業(yè)相機(jī)和滾珠絲桿機(jī)構(gòu)等組成，工業(yè)相機(jī)從龍門架箱體的開口縫中伸出，沿著平行于待清洗軸水平布置的直線滑軌橫向移動(dòng)。激光清洗裝置由十字滑臺(tái)、脈沖激光器和吸塵器等組成，激光器和吸塵器位于十字滑臺(tái)的支撐座上，十字滑臺(tái)由兩個(gè)垂直導(dǎo)軌組合而成，兩套絲桿步進(jìn)電機(jī)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，吸塵器位于脈沖激光器兩側(cè)，配合十字滑臺(tái)和機(jī)器視覺在軸向與徑向兩個(gè)自由度方向上對(duì)清洗點(diǎn)定位，對(duì)軸體表面及孔鍵槽進(jìn)行清洗。

圖2 激光清洗裝備

1.2 清洗設(shè)備的工作原理

激光清洗設(shè)備的工作過程注重合理規(guī)劃、提高效率和柔性的原則，實(shí)現(xiàn)各個(gè)機(jī)構(gòu)之間的協(xié)同工作，依靠多個(gè)傳感器進(jìn)行協(xié)調(diào)配合，其工作流程如圖3所示。在激光清洗前后分別對(duì)軸件表面進(jìn)行圖像采集，并判斷軸件表面清洗情況，若未清洗徹底，十字滑臺(tái)再次移動(dòng)定位，并進(jìn)行二次清洗。

圖3 工作流程

2 激光清洗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在該控制系統(tǒng)中，以PLC為核心，依靠多個(gè)傳感器，將大軸驅(qū)動(dòng)裝置、視覺檢測(cè)裝置和激光清洗裝置配合起來協(xié)同工作，同時(shí)利用一臺(tái)MCGS觸摸屏進(jìn)行控制操作和監(jiān)控整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行過程。大軸驅(qū)動(dòng)裝置由一臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸類零件做周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；視覺檢測(cè)裝置由一臺(tái)伺服電機(jī)通過滾珠絲桿與滑塊相連，驅(qū)動(dòng)滑塊上的相機(jī)在滑軌上進(jìn)行軸向移動(dòng)；激光清洗裝置由兩套相互垂直設(shè)置的絲桿步進(jìn)電機(jī)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)激光器進(jìn)行、軸方向上的移動(dòng)定位，激光器移動(dòng)到相應(yīng)位置后，發(fā)射脈沖激光束對(duì)軸件進(jìn)行清洗，激光清洗裝置中只需預(yù)設(shè)好激光的參數(shù)即可，后續(xù)的清洗過程中不需要進(jìn)行參數(shù)調(diào)解。整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣，存儲(chǔ)要求高，輸入輸出信號(hào)較多且反饋信號(hào)復(fù)雜，為滿足自動(dòng)化生產(chǎn)的要求并保證清洗效率和出于經(jīng)濟(jì)性和便利性的考慮，采用S7-200PLC系列中型號(hào)為CPU226CN的控制器進(jìn)行控制。以待清洗的冶金軸件為參照物，負(fù)責(zé)軸向和徑向運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率來控制角位移量和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，從而達(dá)到精準(zhǔn)控制系統(tǒng)的位置和速度的目的，絲桿由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)滑塊做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得清洗泵可在和方向進(jìn)行移動(dòng)。編碼器可將直線位移或者角位移轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位置關(guān)系，準(zhǔn)確控制清洗泵的具體位置，相機(jī)在滑軌上的時(shí)刻位移和激光清洗泵在十字滑臺(tái)上的時(shí)刻位移都需要編碼器進(jìn)行記錄，并實(shí)時(shí)反饋具體方位。原點(diǎn)、極限傳感器用于復(fù)位，使相機(jī)和清洗泵回到原點(diǎn)位置和限制相機(jī)和清洗泵的行程。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在十字滑臺(tái)裝置中，兩套相互垂直設(shè)置的絲桿步進(jìn)電機(jī)機(jī)構(gòu)由S7-200PLC控制，并由一個(gè)編碼器記錄十字滑臺(tái)上支撐座的具體位置，實(shí)現(xiàn)激光清洗器在軸和軸方向的移動(dòng)和具體位置的記錄，當(dāng)支撐座移動(dòng)相應(yīng)位置后，激光器發(fā)射激光束進(jìn)行清洗，脈沖激光器只需預(yù)設(shè)好激光的參數(shù)即可，后續(xù)的清洗過程中不需要進(jìn)行參數(shù)調(diào)解。大軸驅(qū)動(dòng)裝置和視覺檢測(cè)裝置也由S7-200PLC控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)大軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的控制和相機(jī)在滑軌上的移動(dòng)控制。考慮到圖像采集過程中大軸處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以視覺系統(tǒng)中的相機(jī)采用面陣CCD工業(yè)相機(jī)，該相機(jī)可實(shí)現(xiàn)在任何快門速度下一次曝光拍攝移動(dòng)物體；內(nèi)嵌圖像采集卡，與圖像采集模塊相連，對(duì)圖像進(jìn)行運(yùn)算處理；由相機(jī)控制器與PLC進(jìn)行通信。該控制系統(tǒng)的接線圖如圖5所示。

圖5 清洗系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

激光清洗裝置中清洗器的定位精度主要是由機(jī)器視覺的圖像采集和處理來決定的。在圖像采集過程中，大軸做周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，采集的圖像難免會(huì)有噪聲，畫面對(duì)比度低，因此采用中值濾波和直方圖均衡的方法來對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。圖6所示為預(yù)處理前后的對(duì)比圖，使用該方法增加了油漆層與背景的對(duì)比度，使邊界變得更為清晰。

圖6 預(yù)處理示意

其次采用閾值分割的方法對(duì)預(yù)處理的圖像進(jìn)行特征提取以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像清洗效果的判斷。為了保證清洗效果判斷的準(zhǔn)確性，需要保證特征全部提取，故應(yīng)適當(dāng)放寬特征提取的閾值區(qū)間。圖7所示為圖像分割之后的效果圖。

圖7 分割效果示意

梯形圖(LAD)語言是PLC程序設(shè)計(jì)中最常用的編程語言，具有直觀性、形象性與實(shí)用性，易于掌握、便于修改；采用STEP7 Micro/win軟件編寫程序，該軟件為西門子S7-200PLC最新版本的編程軟件，功能和操作界面都更加完善?；谑只_(tái)的移動(dòng)定位控制進(jìn)行了圖8所示梯形圖的編寫。該程序首先需要根據(jù)視覺系統(tǒng)檢測(cè)出清洗點(diǎn)坐標(biāo)(，);緊接著編碼器計(jì)算出絲桿機(jī)構(gòu)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，清洗泵進(jìn)行移動(dòng)，其坐標(biāo)為(，);最后將兩者進(jìn)行比較，若相等則表明清洗泵到達(dá)了目標(biāo)位置，若不相等則繼續(xù)進(jìn)行移動(dòng)直到相等為止。

圖8 十字滑臺(tái)移動(dòng)程序段

2.4 界面設(shè)計(jì)

采用西門子WINCC V7.3組態(tài)軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)和控制。配置和修正控制系統(tǒng)的每個(gè)部分(設(shè)備，標(biāo)簽量和屏幕)；處理數(shù)據(jù)和系統(tǒng)報(bào)警；提供多種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)程序；各類報(bào)表的生成和打印輸出；使用腳本語言輔助開發(fā)功能；存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；提供實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，及時(shí)修復(fù)和清理現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備。

監(jiān)控畫面分別是相機(jī)運(yùn)動(dòng)界面和實(shí)時(shí)位置，主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)界面和電機(jī)的啟停控制，十字滑臺(tái)移動(dòng)界面和實(shí)時(shí)位置，清洗泵界面和流量控制，清洗完成情況的結(jié)果顯示。圖9所示為監(jiān)控運(yùn)行界面。

圖9 監(jiān)控運(yùn)行界面

3 結(jié)束語

針對(duì)大型軸件表面的污染層，設(shè)計(jì)一套基于視覺技術(shù)的激光清洗自動(dòng)控制系統(tǒng)；完成了控制系統(tǒng)硬件的選擇、控制程序的編寫以及對(duì)復(fù)雜人工操作過程的改造；實(shí)現(xiàn)了軸的轉(zhuǎn)運(yùn)、軸的清洗、軸的歸位以及其他特定功能。目前，該激光清洗系統(tǒng)已投入工廠使用。該裝備能準(zhǔn)確尋找到清洗位置并根據(jù)不同表面污染層特點(diǎn)合理調(diào)節(jié)清洗流量；響應(yīng)速度快，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能有效地“除漆、除油、除銹”，清洗效果滿足探傷要求。與傳統(tǒng)的人工清洗方式對(duì)比，極大地提高了大型軸類零件的清洗效率；實(shí)現(xiàn)了高端裝備重要部件的再制造，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)品和再制造技術(shù)的跨代式發(fā)展，提升了產(chǎn)品的附加值。