基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的鋼卷智能裝車系統(tǒng)

孫 星 宋文宇 史紀(jì)錄 哲江龍 姚天富

1寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司 石嘴山 753001 2寧夏天地奔牛銀起設(shè)備有限公司 銀川 750000

0 引言

鋼廠在搬運(yùn)鋼卷時(shí)，通常采用人工的方式，這種操作方式需要橋式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱橋機(jī)）司機(jī)與地面指揮人員緊密配合，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，定位精度依靠工人目測(cè)與經(jīng)驗(yàn)判斷，導(dǎo)致鋼卷需放置的位置定位不準(zhǔn)確，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)放置不到位，夾鉗夾傷鋼卷的情況，存在安全隱患。

針對(duì)這些問(wèn)題，有必要開發(fā)一種無(wú)人化鋼卷搬運(yùn)智能控制系統(tǒng)，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)定位鋼卷運(yùn)輸車輛鞍座位置精確定位，無(wú)需人為手動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)鋼卷從庫(kù)區(qū)移動(dòng)至鋼卷運(yùn)輸車上。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

鋼廠鋼卷搬運(yùn)過(guò)程需要鋼廠、鋼卷庫(kù)、運(yùn)輸車輛、橋機(jī)密切配合才能完成鋼卷的搬運(yùn)作業(yè)，多數(shù)鋼廠的操作流程為運(yùn)輸車司機(jī)將鋼卷運(yùn)輸車輛停靠在帶運(yùn)輸鋼卷庫(kù)區(qū)的車輛停靠點(diǎn)，橋機(jī)司機(jī)在司機(jī)室根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)指揮人員指揮操作橋機(jī)大小車行走機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)的運(yùn)行及電動(dòng)臥卷夾鉗的開閉，從而把鋼卷從庫(kù)區(qū)夾取、運(yùn)輸?shù)戒摼磉\(yùn)輸車的鞍座上。若要改變現(xiàn)有操作方式，自動(dòng)完成鋼卷自動(dòng)搬運(yùn)到運(yùn)輸車輛上，自動(dòng)裝車系統(tǒng)應(yīng)需要以下幾個(gè)要求：

1）為了保證夾取、放置鋼卷位置正確，橋機(jī)需具有定位、搖擺控制功能；

2）能自動(dòng)識(shí)別運(yùn)輸車輛鞍座位置，并將位置發(fā)送給橋機(jī)控制器；

3）能在中控制實(shí)現(xiàn)對(duì)橋機(jī)的遠(yuǎn)程控制；

4）為了便于監(jiān)控橋機(jī)運(yùn)行狀況，在中控室上位機(jī)能夠?qū)驒C(jī)工作狀態(tài)、鞍座位置信息等實(shí)現(xiàn)在線數(shù)據(jù)監(jiān)控，能在中控室實(shí)現(xiàn)對(duì)橋機(jī)運(yùn)行畫面監(jiān)控；

5）具有鋼卷庫(kù)的庫(kù)區(qū)管理，實(shí)現(xiàn)鋼卷歷史信息記錄、查詢、鋼卷盤點(diǎn)功能；

6）鋼卷夾鉗通過(guò)橋機(jī)控制命令，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾取、放置和旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。

1.2 自動(dòng)裝車工藝流程

結(jié)合目前鋼廠的操作流程，根據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝車的需求，本文制定了以下自動(dòng)裝車流程：系統(tǒng)開始后，庫(kù)區(qū)管理系統(tǒng)生成運(yùn)輸工單，工單包括車輛需要運(yùn)輸?shù)匿摼硇吞?hào)、質(zhì)量等信息；同時(shí)庫(kù)區(qū)管理系統(tǒng)將待搬運(yùn)鋼卷的庫(kù)區(qū)位置信息通過(guò)無(wú)線通訊的方式發(fā)送給控制系統(tǒng)PLC控制器；運(yùn)輸車輛司機(jī)接到庫(kù)區(qū)管理軟件生成的工單后將車開至車輛停靠區(qū)，在車輛停靠區(qū)域設(shè)置車輛到位確認(rèn)按鈕，車輛停靠到位后，運(yùn)輸車輛司機(jī)按下確認(rèn)按鈕確認(rèn)到達(dá)車輛停靠區(qū)；位于車輛工業(yè)相機(jī)接到控制系統(tǒng)識(shí)別位置信息信號(hào)，識(shí)別車輛輪廓、車輛相對(duì)于水平方向的偏轉(zhuǎn)角度、鞍座相對(duì)于車輛的平面位置信息及高度信息；識(shí)別后的信息通過(guò)無(wú)線通訊的方式發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)PLC控制器記錄識(shí)別信息為鋼卷放置做準(zhǔn)備，控制系統(tǒng)PLC控制器根據(jù)獲得庫(kù)區(qū)管理系統(tǒng)將待搬運(yùn)鋼卷的庫(kù)區(qū)位置信息控制變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)起重機(jī)大車機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)到達(dá)庫(kù)區(qū)待取鋼卷位置；與起升機(jī)構(gòu)相連接的電動(dòng)臥卷夾鉗裝置到位后，控制系統(tǒng)控制夾鉗夾取鋼卷，并根據(jù)夾鉗上到位檢測(cè)開關(guān)完成夾取動(dòng)作；控制系統(tǒng)PLC控制器根據(jù)之前工業(yè)相機(jī)識(shí)別的車輛及鞍座位置信息，控制變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)起重機(jī)大車機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)到達(dá)車輛鞍座位置，通過(guò)控制起升機(jī)構(gòu)上下運(yùn)行監(jiān)測(cè)鋼卷是否放置到位；當(dāng)鋼卷放置到鞍座后，控制系統(tǒng)控制夾鉗打開，起重機(jī)回歸系統(tǒng)設(shè)置的初始位置，自動(dòng)完成從庫(kù)區(qū)取鋼卷到將鋼卷放置到運(yùn)輸車輛上的整個(gè)過(guò)程。

2 系統(tǒng)功能介紹

系統(tǒng)以西門子PLC作為主控制器，配合旋轉(zhuǎn)編碼器、變頻器、觸摸屏、工控機(jī)配合相應(yīng)網(wǎng)卡、視覺(jué)識(shí)別設(shè)備、電動(dòng)臥卷夾鉗組成。為了完成鋼卷自動(dòng)裝車工藝流程，需要各個(gè)功能進(jìn)行技術(shù)支撐。

2.1 橋機(jī)定位、搖擺控制

圖1 鋼卷自動(dòng)裝車工藝流程

橋機(jī)定位控制采用位置傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)大小車、起升機(jī)構(gòu)的位置信息，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋信息做閉環(huán)控制來(lái)控制橋機(jī)到達(dá)位置，橋機(jī)搖擺控制采用變頻器防搖卡，變頻器可根據(jù)速度信息通過(guò)內(nèi)部控制模型自動(dòng)實(shí)現(xiàn)搖擺控制。

2.2 運(yùn)輸車輛鞍座位置識(shí)別

鞍座位置識(shí)別采用視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)工業(yè)相機(jī)采集鞍座圖像，利用快速特征識(shí)別算法識(shí)別圖像特征，并提取像素坐標(biāo)，然后相機(jī)將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為實(shí)際坐標(biāo)。通過(guò)對(duì)實(shí)際坐標(biāo)值運(yùn)算，得到與PLC控制器通訊所需信息。最后將所需信息排列為通訊協(xié)議規(guī)定內(nèi)容，將格式化結(jié)果發(fā)送給PLC控制器。鞍座識(shí)別位置流程見圖2。

圖2 視覺(jué)識(shí)別鞍座功能流程圖

2.3 中控室遠(yuǎn)程控制及橋機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)

無(wú)線遠(yuǎn)程控制功能采用無(wú)線傳輸技術(shù)，通過(guò)無(wú)線傳輸設(shè)備將中控室操作數(shù)據(jù)傳輸給橋機(jī)控制器，在中控室實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制橋機(jī)。同時(shí)，中控室也可通過(guò)無(wú)線傳輸設(shè)備將橋機(jī)控制器數(shù)據(jù)發(fā)送至中控室，在中控室實(shí)現(xiàn)上位機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。如圖3所示，上位機(jī)監(jiān)測(cè)包括用戶登錄、用戶注銷、主界面、物料管理、庫(kù)存信息、主鉤影像、定位影像、大小車起升機(jī)構(gòu)趨勢(shì)圖、故障報(bào)警等界面。

圖3 中控室上位機(jī)遠(yuǎn)程控制及橋機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控圖

2.4 橋機(jī)運(yùn)行畫面中控制監(jiān)控

橋機(jī)運(yùn)行畫面監(jiān)控主要是主鉤的監(jiān)控，設(shè)置在大車兩個(gè)端梁之間。視頻監(jiān)控圖像在司機(jī)室和中控室分別顯示。司機(jī)室設(shè)置有硬盤錄像機(jī)可以實(shí)時(shí)顯示主鉤狀況及過(guò)去近半個(gè)月的錄像回放。在中控室同樣可以實(shí)時(shí)顯示主鉤監(jiān)控畫面，數(shù)據(jù)的傳輸采用一對(duì)無(wú)線網(wǎng)橋完成無(wú)線通訊。功能原理如圖4所示。

圖4 視頻無(wú)線傳輸原理圖

2.5 鋼卷庫(kù)庫(kù)區(qū)管理

鋼卷庫(kù)管理系統(tǒng)通過(guò)可以實(shí)現(xiàn)鋼卷出入庫(kù)區(qū)物料的記錄，系統(tǒng)具有庫(kù)區(qū)物料的盤點(diǎn)，自動(dòng)存儲(chǔ)搬運(yùn)物體位置數(shù)據(jù)，自動(dòng)規(guī)劃搬運(yùn)路徑，庫(kù)區(qū)管理系統(tǒng)見圖5。

圖5 鋼卷庫(kù)庫(kù)區(qū)管理系統(tǒng)界面

2.6 智能電動(dòng)臥卷夾鉗

智能電動(dòng)臥卷夾鉗主要由吊架裝置、橫梁、左右平移機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、自鎖機(jī)構(gòu)、鉗腿、支撐底座、液壓潤(rùn)滑系統(tǒng)、電纜卷升裝置和電氣及控制系統(tǒng)等組成。智能電動(dòng)臥卷夾鉗可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)橋機(jī)的控制命令自動(dòng)實(shí)現(xiàn)鋼卷的夾取與放置，當(dāng)夾取或放置鋼卷有角度要求時(shí)，旋轉(zhuǎn)夾鉗自動(dòng)旋轉(zhuǎn)到需要的角度再實(shí)現(xiàn)張開或閉合動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)智能夾取。夾鉗還設(shè)置有多重檢測(cè)和保護(hù)開關(guān)，如夾緊限位、開度限位、旋轉(zhuǎn)限位，鋼卷防夾傷限位等。

3 結(jié)論

在中國(guó)制造 2025 與智能工廠發(fā)展變革的大背景下，伴隨著鋼鐵行業(yè)處在產(chǎn)能過(guò)剩、同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)激烈、盈利能力下降的情況下，鋼鐵企業(yè)必然向降本增效的智能化方向發(fā)展。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與人工操作相比，本控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)為：

1）真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)人控制下鋼卷自動(dòng)搬運(yùn)到運(yùn)輸車輛鞍座流程，節(jié)省了人力資源；

2）基本消除了搬運(yùn)過(guò)程中鋼卷?yè)u擺現(xiàn)象，定位準(zhǔn)確；

3）降低了鋼卷作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)性、提高了作業(yè)效率；

4）實(shí)現(xiàn)了鋼卷庫(kù)的信息管理、提高了鋼廠的信息化水平。