張宏發(fā),陳偲,周詩洋,楊金堂

(1.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，湖北武漢 430081；2.武漢科技大學(xué)機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室， 湖北武漢 430081；3.武漢科技大學(xué)精密制造研究院， 湖北武漢 430081)

0 前言

激光清洗是在保證基底材料安全的前提下調(diào)整激光參數(shù)，使光脈沖的能量密度介于基底燒蝕閾值與污物清洗閾值之間，將表面污染物剝離和蒸發(fā)，達(dá)到清洗表面的效果，是一種極為關(guān)鍵的綠色再制造技術(shù)[1]。當(dāng)前，現(xiàn)有激光除銹設(shè)備存在2個關(guān)鍵缺點或不足:一是均需現(xiàn)場人工操作，效率低，且銹蝕顆粒及激光都對人體有害；二是只針對于數(shù)量眾多、尺寸均一、形狀規(guī)則的待清洗工件，才可實現(xiàn)自動化清洗操作。針對以上2項缺點與不足，采用機器視覺與激光清洗相結(jié)合的方式，用相機代替人眼，用軟件系統(tǒng)代替人腦，實現(xiàn)對有著較復(fù)雜外形、尺寸不單一的非標(biāo)準(zhǔn)銹蝕件進行無人化自動清洗。同時，這也對激光清洗軟件的開發(fā)提出了更高要求。

現(xiàn)有自動化清洗軟件的移植性、兼容性、開放性都較差，無法滿足新型清洗裝置的特殊需求。它具有以下缺點和不足：(1)清洗工藝選擇匱乏，無法根據(jù)實際待清洗情況進行激光器參數(shù)選擇; (2)多數(shù)為對已有軟件的二次開發(fā)，移植困難，配置性差，系統(tǒng)集成度低[2];(3)清洗效果可視性差，無法滿足多種不同待清洗工件的清洗要求，無法實時監(jiān)測清洗進程。

綜上所述，針對激光清洗系統(tǒng)軟件的特殊性，為健全軟件系統(tǒng)功能、提高人機交互性以及其在清洗過程中的可視化程度，本文作者開發(fā)一套基于視覺的激光清洗軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)對圖像坐標(biāo)與激光器坐標(biāo)的定位與轉(zhuǎn)換，針對不同銹蝕層的清洗進行激光參數(shù)設(shè)置、路徑規(guī)劃和隨動控制，并對該軟件的功能進行實驗測試。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 軟件體系構(gòu)架

文中設(shè)計的激光清洗軟件系統(tǒng)是在Visual Studio 2017開發(fā)環(huán)境下，基于MFC開發(fā)框架，使用C++語言設(shè)計開發(fā)的PC端上位機軟件，系統(tǒng)架構(gòu)由設(shè)備實體層、通信鏈接層、數(shù)據(jù)存儲層、軟件驅(qū)動層、業(yè)務(wù)邏輯層和用戶表示層等6層組成[3]，如圖1所示。

圖1 軟件體系架構(gòu)Fig.1 Software architecture

設(shè)備實體層由三軸運動平臺、PLC、變參激光模塊、相機模塊、外部輔助裝置、計算機終端等硬件設(shè)備構(gòu)成[4]。計算機終端為激光清洗控制系統(tǒng)的大腦，下發(fā)指令至系統(tǒng)各個模塊；三軸運動平臺實現(xiàn)激光清洗過程中的位置變換，帶動激光器完成清洗工作；變參激光模塊實現(xiàn)激光器的激光參數(shù)配置；相機模塊負(fù)責(zé)待清洗工件信息采集；外部輔助裝置提供照明、吸塵等外部支持，輔助清洗完成。

通信鏈接層依托Modbus通信協(xié)議實現(xiàn)上位機與下位機之間的數(shù)據(jù)交互[5]。通過總線實現(xiàn)激光清洗裝置內(nèi)外部通信； 通過LAN網(wǎng)口實現(xiàn)PC端軟件與PLC的數(shù)據(jù)通信；通過RS232串口實現(xiàn)PLC梯形圖代碼下載；通過RS485串口實現(xiàn)外部輸入顯示設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)存儲層實現(xiàn)實時和歷史數(shù)據(jù)的存儲[6]。DDR SDRAM和SSD固態(tài)硬盤分別實現(xiàn)用戶操作及軟件運行產(chǎn)生數(shù)據(jù)的動態(tài)隨機存儲、非易失性存儲；PLC寄存器實現(xiàn)除銹過程中運動機構(gòu)產(chǎn)生的指令數(shù)據(jù)的存儲;SD存儲卡實現(xiàn)軟件初始化程序和歷史數(shù)據(jù)的存儲。

軟件驅(qū)動層基于Visual Studio中的MFC框架開發(fā)出PC端軟件并生成動態(tài)鏈接庫，通過ADO進行數(shù)據(jù)庫連接，通過DBeaver進行數(shù)據(jù)庫可視化操作，實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯層的除銹邏輯和用戶表示層的功能應(yīng)用，完成對激光清洗硬件系統(tǒng)的驅(qū)動[7]。

業(yè)務(wù)邏輯層是軟件系統(tǒng)的根本規(guī)則，它指導(dǎo)軟件各功能模塊的邏輯調(diào)用，進行待清洗圖像采集與處理、清洗原點設(shè)定、激光器運動及其參數(shù)配置、清洗路徑計算和規(guī)劃等，并給出清洗效果圖以及計算清洗率[8]。

用戶表示層實現(xiàn)用戶與軟件系統(tǒng)的交互，操作人員可以通過 PC 端軟件界面中的功能選項對某些流程進行指令發(fā)布或干預(yù)[9]。

1.2 軟件界面及功能設(shè)計

軟件界面由最上方的工具欄，其下左右兩塊圖像顯示欄、參數(shù)顯示欄，右側(cè)參數(shù)設(shè)置欄，最下方信息通知欄組成，如圖2所示。

圖2 軟件界面Fig.2 Software interface

為了實現(xiàn)軟件系統(tǒng)功能多樣性與魯棒性，保證不同情況下的清洗作業(yè)，軟件系統(tǒng)采用模塊化開放式設(shè)計思路，進行包括圖像綜合、程序管理、清洗工藝管理、報警監(jiān)測等4個模塊的功能設(shè)計[10]，如圖3所示。

圖3 軟件功能模塊Fig.3 Software function module

2 軟件功能實現(xiàn)

2.1 圖像綜合模塊

圖像綜合模塊的功能界面設(shè)計如圖4所示，具體包括記錄快照、外部通信、相機調(diào)整、圖像采集及顯示、圖像處理、計算清洗率和輪廓繪制等功能。

快照記錄可以設(shè)置圖像存儲路徑以及圖像文件類型；外部通信常用IPC模式，將視頻信號編碼壓縮成數(shù)字信號，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能。在采集圖像前，打開輔助光源，開啟攝像，此時左側(cè)屏幕顯示圖像，對相機位置角度進行調(diào)整；接著采集圖像，將采集后的圖像進行標(biāo)定矯正、算法處理[11]，右側(cè)屏幕顯示二值圖，其下方展示欄顯示清洗率。

2.2 程序管理模塊

程序管理模塊具有清洗原點設(shè)定、PLC 設(shè)置、程序編輯、操作管理等功能。操作人員可以通過原點設(shè)定手動調(diào)整或重設(shè)清洗原點；程序編輯對激光器運動、出光等進行控制；操作管理對激光器進行手動控制。程序管理模塊如圖4所示。

圖4 圖像綜合與程序管理模塊Fig.4 Image synthesis and program management module

2.3 清洗工藝管理模塊

不同的銹蝕等級對應(yīng)著不同的圖層設(shè)置以及默認(rèn)的最優(yōu)激光器參數(shù)，操作人員可以參照激光器技術(shù)指標(biāo)根據(jù)實際需求更改激光參數(shù)設(shè)置。通過對不同輪廓圖層指定序號來實現(xiàn)順序清洗，通過設(shè)置第一條輪廓的原點完成清洗原點設(shè)定。清洗工藝管理模塊設(shè)計如圖5所示。

圖5 清洗工藝管理與報警監(jiān)測模塊Fig.5 Cleaning process management and alarm monitoring module

2.4 報警監(jiān)測模塊

報警監(jiān)測模塊對系統(tǒng)運行、人員操作、程序執(zhí)行等進行實時監(jiān)測并生成日志，異常情況實時顯示在信息通知欄，根據(jù)異常情況的大小可以立即停止系統(tǒng)運行，發(fā)出警報，以確保軟件系統(tǒng)的正常運行。其功能模塊設(shè)計如圖5所示。

3 軟件關(guān)鍵技術(shù)

3.1 銹蝕等級判斷與輪廓分割繪制技術(shù)

針對激光清洗的行業(yè)應(yīng)用，將銹蝕等級分為浮銹、輕銹、中銹和重銹4個等級，并分別設(shè)置了對應(yīng)的圖層[12]。每層圖層都設(shè)置了對應(yīng)的最優(yōu)激光參數(shù)，組成激光清洗各級銹蝕的工藝參數(shù)庫。

針對不同等級銹蝕，對4個等級的銹蝕顏色所對應(yīng)的HSV值進行劃分，使用算法完成對銹蝕等級的判斷以及輪廓的分割繪制[13]。

3.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與協(xié)調(diào)控制技術(shù)

在激光清洗過程中，激光器配合工作臺運動發(fā)射工作激光，其出光頻率與工作臺的運動速率相配合，完成對工件指定位置的清洗。實現(xiàn)軟件系統(tǒng)時，使用相機標(biāo)定進行圖像矯正，完成世界坐標(biāo)系到相機坐標(biāo)系，再到圖像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，使世界坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系一一對應(yīng)[14]。當(dāng)軟件實時讀取的激光器位置坐標(biāo)與指定的圖像坐標(biāo)系位置坐標(biāo)相匹配時，控制激光器出光，進行激光清洗。此技術(shù)方法較傳統(tǒng)的時間控制法更為精確、直接，進一步滿足激光清洗的高精度、高可靠性需求。

3.3 清洗效果模擬仿真技術(shù)

由于直接目視激光對人眼有害，而通過監(jiān)控又不易實時觀察到激光清洗的效果。因此，文中在設(shè)計軟件時，特別增設(shè)清洗效果預(yù)覽功能，系統(tǒng)根據(jù)實時清洗情況，生成清洗過程示意圖，對清洗效果進行模擬仿真；清洗結(jié)束后，再次采集并處理圖像得到清洗效果，跟模擬的清洗效果進行對比，更新模擬仿真情況，便于操作人員在清洗后對清洗效果進行評估以及及時調(diào)整不恰當(dāng)?shù)墓に噮?shù)。

4 軟件功能調(diào)試

4.1 軟件運行流程

軟件系統(tǒng)先進行初始化，檢查通信鏈接與數(shù)據(jù)庫連接是否成功，打開輔助光源，進行相機姿態(tài)、焦距等調(diào)整，進行圖像采集、矯正以及處理，計算清洗率，如果達(dá)標(biāo)，則程序結(jié)束，反之，則進行輪廓繪制[15]。根據(jù)輪廓的圖層不同進行激光參數(shù)和原點設(shè)置，選擇清洗順序、打開吸塵裝置以及攝像模擬雙屏模式，開始激光清洗，清洗結(jié)束后，再次進行圖像采集，計算清洗率，達(dá)標(biāo)則結(jié)束，不達(dá)標(biāo)則重復(fù)上述流程再次進行清洗。運行流程如圖6所示。

圖6 軟件運行流程Fig.6 Software running process

4.2 軟件運行驗證

應(yīng)用激光清洗軟件系統(tǒng)，對大軸端面銹蝕進行多組激光清洗，并對軟件功能進行多組測試驗證。大軸端面采集如圖7所示。

圖7 大軸端面采集Fig.7 Collection of large axis end surface:(a) fork end face tooth;(b) end face of bracket 1;(c) end face of bracket 2; (d)shaft end face

如表1所示，對圖7中的4幅圖像進行多次激光清洗，得到清洗率。

表1 采集圖像的多次清洗率Tab.1 Multiple wash rate of the acquired images

測試結(jié)果表明：激光清洗軟件系統(tǒng)運行穩(wěn)定流暢，界面友好直觀，操作簡單可靠，人機交互性良好，可以完整地實現(xiàn)激光清洗任務(wù)，使清洗效率得到提高。

5 結(jié)論

以大軸端面銹蝕的激光清洗需求為背景，在Visual Studio 2017的開發(fā)環(huán)境下，使用MFC框架開發(fā)了一套基于視覺的激光清洗軟件系統(tǒng)，設(shè)計了圖像綜合、程序管理、清洗工藝管理、報警監(jiān)測4個功能模塊，支持針對不同銹蝕等級的清洗作業(yè)。

利用激光清洗設(shè)備構(gòu)建實驗環(huán)境，對開發(fā)的軟件進行功能測試，驗證了軟件的有效性。結(jié)果表明：開發(fā)的軟件能夠滿足大軸端面激光清洗的功能需求，軟件結(jié)構(gòu)合理，層次直觀明了，運行流暢穩(wěn)定，人機交互良好，可視化程度高，能夠為激光清洗主動控制技術(shù)的研究提供技術(shù)支撐，對專用激光清洗軟件系統(tǒng)的集成和定制開發(fā)提供了一條可借鑒的途徑。