基于機器視覺的自動澆注機控制系統的研究

程德芳　靳晨聰　王振霞

【摘 要】隨著圖像傳感器和嵌入式技術的飛速發展，機器視覺應用越來越廣泛，通過機器眼來定位砂型澆口杯位置成為可能。因此，本文采用ARM嵌入式平臺和PLC電氣控制系統，利用CMOS圖像傳感器，采集澆注機澆注鑄件圖像，并進行圖像處理、定位特征提取，進而實現智能化自動澆注。

【關鍵詞】澆注機；機器視覺；圖像處理；ARM

【Abstract】Along with the rapid development of image sensor and embedded technology， machine vision is more and more widely used， It is possible to locate sand pouring cup position through the machine eye . Therefore， this paper adopts ARM embedded platform and PLC electric control system， using CMOS image sensor， image acquisition of casting machine， and image processing， feature extraction， and then achieve the intelligent automatic pouring.

【Key words】Casting machine； Machine vision； Image processing； ARM

0 前言

鑄造是獲得機械鑄件的主要工藝和重要基礎環節。提高澆注的智能化程度，是實現高精度、高品質鑄件生產的保障，還是工人從繁重的從事澆注工作的體力勞動和惡劣的生產環境中解放出來的重要手段。

1 系統整體方案設計

本論文通過工業可編程序控制器（PLC）和嵌入式技術（ARM）的數字化平臺，采用機器視覺[1]液位定位技術、伺服控制技術，實現了自動瞄準澆口杯，自動檢測鐵水液面變化，模擬人工示教的方法自動完成澆注過程。實時補償澆注包，因金屬液體長時間高溫浸蝕掛渣所導致的澆注狀態的惡化，進一步提高了自動澆注機的精確度，改善了自動澆注機的性能。

2 電氣控制系統的軟硬件設計

2.1 電氣控制系統的硬件設計及選型

電氣控制系統整體結構：PLC變頻器控制柜、伺服驅動控制柜、人機界面及按鈕、澆注機。

PLC選型：根據項目任務需要，該項目選擇S7-300 315-2 DP作為該系統電氣控制系統主控單元。

變頻器選型：變頻器選擇高精度、高性能的SINAMICS S120 變頻器。

伺服電氣選型：選擇德國SEW伺服電機及其驅動器。

該澆注機主要由孕育劑給料機、卷揚機、倒鐵水槽、澆包、上行車、下行車、底座、電控系統等幾個重要部分組成。

（1）孕育劑給料機

孕育劑經過減速電機驅動的螺旋體進入孕育劑接管，通過氣流帶動與鐵水同時流入砂型內，即隨流孕育。孕育劑接管可手動調節其角度。

（2）卷揚機

卷揚機由帶有制動器的減速電機驅動，帶動鋼絲繩連接的澆包蓋，使其掀起。

（3）倒鐵水槽

倒鐵水槽內也需要搪耐火材料，當澆包內鐵水溫度達不到澆注工藝要求或由于機器故障等原因需要長時間停機時，需將澆包內鐵水通過此槽倒出。

（4）澆包及澆包模

澆包是整臺澆注機的核心部分。本機澆包為扇形澆包，鐵水出口在扇形圓心附近。澆包內放入澆包模并定位后，將混合好的耐火材料倒入，待凝固后可形成約140mm厚的耐火層。澆包由伺服電機帶動鏈條驅動繞扇形中心旋轉，控制精度高。

（5）上行車

上行車控制澆包X方向移動（與造型線垂直方向），此運動由減速電機變頻驅動，并設有機械限位和電氣限位。上行車也是澆注系統的架體，其上放有澆包平輪支架以及澆包小V型輪支架，此二支架支撐并導向澆包的旋轉運動，此外倒鐵水槽、孕育給料機也固定在上行車上。

（6）下行車

下行車控制澆包沿Y方向移動（與造型線平行方向），此運動由減速電機變頻驅動，并設有機械限位和電氣限位。

（7）底座

底座為下行車車軌，并設有機械限位和電氣限位，以保證下行車運動順暢。

2.2 電氣控制系統的軟件流程圖

3 電子控制系統的軟硬件設計

3.1 電子控制系統的硬件設計及選型

電子控制系統的結構主要為ARM和圖像傳感器。ARM選擇四核1.6Ghz的ARM cortex-A9，圖像傳感器選擇功耗低、價格便宜、像素高的CMOS傳感器OV5640，500萬像素。

3.2 電子控制系統的軟件結構

ARM的軟件部分，完成了圖像的采集，圖像的預處理，圖像的特征提取[2] ，模具的定位以及部分圖像信息的存儲。

4 實施效果及性能檢測

澆注機加滿鐵水后，在自動澆注生產線上配合砂型成型機，連續澆注50個鑄件，澆注完后檢測澆注的準確度、鑄件的合格率，以及澆注機的澆注效率，這三個指標與該廠普通的澆注機的檢測值進行比較計算，測試的數據如下所示：

從以上結果可看出，澆注鑄件的合格率達98%，澆注機效率相對于扇形澆注機提高了1倍，相對于傳統的人工操作提高了2倍多 ，澆注的準確度高達98%。經檢驗，控制系統達到的指標與設計性能指標一致。

【參考文獻】

[1]范祥，盧道華，王佳.機器視覺在工業領域中的研究應用[J].現代制造工程，2007，6：129-133.

[2]陳爽.基于圖像處理的模具自動識別及定位技術研究[J].東北大學，2011：27-29.

[責任編輯：張濤]