發布日期：2022-07-14 點擊率：6
1 引言
機器視覺系統是利用機器取代人眼視覺，進行測量和判斷的系統。基本原理是通過圖像攝取裝置(分cmos和ccd兩種)將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號;圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果來控制現場的設備動作。機器視覺自起步到現在，已有將近20年的發展歷史。應該說機器視覺作為自動化技術的一個分支，其功能特點是隨著整個工業自動化的發展而逐漸完善和發展的。在歐美，機器視覺在工業上得到了廣泛的應用。在我國隨著配套基礎建設的完善，技術、資金的積累，各行各業對采用圖像和機器視覺技術的智能化控制需求開始廣泛出現。
國內某硬質合金集團有限公司型材廠是目前國內最大的棒材生產基地。其引進的山特維克的擠壓機(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。其調速系統的性能對棒材的質量影響至關重要，如其調速效果不好，很容易拉斷或者堆積棒材。北京和利時電機公司應用機器視覺和基于伺服電機的運動系統對擠壓機的調速系統進行了改造，大大提高了調速系統的性能，從而提升了工廠的產品質量和產量。
2 硬件簡介
系統硬件配置的原則如下：
(1) 調速系統的靈敏性必須高、調速范圍寬。
(2) 操作簡單、可靠。
(3) 便于系統升級、擴展。
(4) 緊急情況下，具有自保護功能。
(5) 性能價格比高。
基于以上整體考慮，系統硬件結構如圖1所示，主要包括：精度為亞象素級的嵌入式圖像處理系統、具有很好的快速響應的交流伺服電機系統、編程靈活升級方便的plc控制系統、方便地查看修改系統參數的工業觸摸屏、過壓過流保護系統。
3 軟件部分
3.1 控制原理
調速系統的主要目的：將擠出的棒材穩定在一定的區域，圖2給出調速系統示意圖，也就是將圖像處理器檢測到的棒材邊緣點控制在平衡區內。這樣棒材才可以正常擠出，不被拉斷、產生堆料。同時還可以保證擠出棒材的均勻度。
擠壓機的擠壓速度跟液壓部分強弱、它所裝料的多少、料的質量以及棒材粗細都有很大關系，很難建立線性模型，簡單的pid控制很難得到較好的控制效果。面對實際情況，我們采用了三種控制手段來調節擠壓機的擠壓速度：對擠壓機進行模糊建模、微分控制環節和平衡區控制。
(1)首先，通過對擠壓機的現場調速試驗，我們總結出了它的模糊模型-拋物線模型。越接近理想位置速度調節量越少，越遠離理想位置速度調節量越大，而且速度調節量跟與理想位置的差距為乘冪關系，如圖3所示：
(2)筆者在現場的試驗中發現，遇到突發情況，速度會發生急劇變化，嚴重影響了系統的穩定性，加入微分環節后提高了系統的穩定性。比如，由于液壓系統的原因擠壓速度突然變快，這時系統要求加速，但是根據它的拋物線模型給它加速遠遠滿足不了系統需求，這時系統就會產生堆料，加入了微分環節，預測了這種情況，會采取給系統成倍加速，從而改善了系統的靈敏性，滿足了要求。
(3)筆者采用了平衡區控制。規定在理想位置附近的一定范圍內為平衡區，認為這時的系統滿足了控制要求。當棒材從加速區或者減速區進入平衡區時，筆者根據邊緣位置的變化量來反向調節速度。這樣可以起到緩沖效果，使得棒材可以在最短的時間內停留在平衡區內。比如，當邊緣點在平衡區上界(參加圖2)，調速系統會減小速度使得棒材邊緣點下降，當它進入平衡區時，平衡區控制開始起作用，邊緣位置下降，根據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，變化量為負值;邊緣位置上升，變化量為正值值。同時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平衡區，從而引起系統的震蕩。
3.2 總體設計
本系統的主要功能是：跟隨擠壓機的擠壓速度，從而保證擠壓機的正常運行。軟件設計分為三大塊：
(1) 機器視覺部分：即通過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3.1節的控制原理編寫控制程序;
(3) 觸摸屏部分：讓用戶方便地查看、修改系統的參數，監控系統的運行。
3.3視覺部分軟件設計
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(數字量)通過串口，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的軟件設計
plc的軟件設計分為兩大塊：手動模式和自動模式。手動模式，調速系統人工來操作，不受3.1節講的控制律影響，通過觸摸屏修改速度參數，從而改變運行速度。自動模式，調速系統根據3.1節講的控制原理來調節速度。自動模式和手動模式之間可以自由切換。
3.5 觸摸屏的界面設計
如圖4所示，界面設計包括四大塊：手動、自動、參數查看、報警。
(1) 手動：手動模式的界面。當使用手動模式時，此界面可以顯示系統運行的情況，并且可以設定系統的運行速度;
(2) 自動：自動模式的界面。當使用自動模式時，此界面可以顯示系統運行的情況，并且可以修改自動控制律的控制參數;
(3) 參數查看：可以查看系統運行的各個參數值;
(4) 報警：當系統運行不正常時，給出報警信息，同時還可以在線清除一些故障。
4 結束語
此系統實現了運動與視覺的完美結合，在用戶現場進行了調試和運行，現場運行穩定、操作簡單、速度控制達到了實際生產的性能。
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