基于智能視覺相機的視頻澆注系統

■豐裕文，盧錫偉

現代化的高速造型線的出現，無疑加大了鑄造業澆注的工作強度。由于澆注作業是重復性的工作，因此需要一個能夠代替人的雙眼以長時間監視澆口杯的裝置。視頻澆注是一項能夠持續監控澆口杯，并完成自動澆注的現代化技術。

1. 視頻澆注系統的應用與發展

在智能視覺相機出現之前，原有的視頻澆注系統的監控裝置是由工業相機（C C D或CMOS）、視頻采集卡、PC組成的，工業相機只能將光信號轉換成模擬電信號，然后由視頻采集卡將這些模擬信號轉換成數字信號（0和1）。

多數視頻采集卡都具備硬件壓縮的功能，在采集視頻信號時首先在卡上對視頻信號進行壓縮，然后通過PCI接口把壓縮的視頻數據傳送到PC，同時有一個獨立的視頻顯示器與視頻卡通過同軸電纜相連，澆注圖像由視頻顯示器顯示。

由于PC采用通用視頻A/D轉換器實現數據的采集，數據采集占用了CPU的時間，對處理器的速度要求很高。而且原有的控制系統采用的是PC結合輸入輸出單元的設計，所有的計算工作都是由PC來完成的，這樣就又加重了PC的工作負荷，引起系統不穩定，圖像顯示斷續，容易導致系統死機，故障經常發生。如果在澆注過程中出現這樣的情況，便會使澆注工作停止，影響生產。

為了解決上面出現的問題。我們改進了視頻澆注系統，采用智能視覺相機來監控澆口杯。智能視覺相機是一個兼具圖像采集、圖像處理、信息傳遞功能和I/O控制的小型機器視覺系統（見圖1），是一種嵌入式的機器視覺系統。它將圖像傳感器、數字處理器、通信模塊和I/O控制單元集成到一個單一的相機內，使相機能夠完全替代傳統的基于P C的計算機系統，獨立地完成預先設定的圖像處理和分析任務。該相機采用了一體化的設計，降低了系統的復雜度，提高了系統的可靠性。該相機的最大特點是集成度高，功能模塊化。作為獨立的智能圖像采集和處理單元，內部存儲器可以存儲下載的圖像處理算法。智能視覺相機還具有抗干擾能力強、開發效率高、組成簡單、規格等級化等優點。

選擇智能視覺相機時，考慮到相機的穩定性、尺寸大小、采樣速度等，我們選用了康耐視公司的Ins i ght Mi cr o系列1 4 0 0智能視覺相機。這款相機是世界上最小巧、智能、簡易的一體化的視覺系統。而且該款相機也是這一系列當中采樣速度最快的機型。它的體積只有30mm×30mm×60mm，非常節約空間。相機的背面采用的是M1 2以太網接口，也有I/O接口。由于是采用PLC控制相機，所以選用M12接口通信，相機端用M12接口，另一端采用以太網RJ45接頭，相機采用了POE供電技術。原有系統的工業相機除了需要同軸電纜來傳輸圖像數據之外，還需要AC110V供電。而POE電源技術只需要一根以太網電纜連接相機，該電纜同時能夠供電和傳輸數據。而且POE電源只會為需要供電的設備供電，只有連接了需要供電的設備，以太網才會有電壓存在，因此解決了線路上漏電的風險。

如前所述，原有視頻澆注系統是采用PC的CPU來完成控制的，因此P C不但要對采樣來自澆口杯的數據圖像做處理，與視頻采集卡、顯示器配合完成澆注圖像的顯示工作，還要處理系統中模擬量、數字量的輸入輸出工作，所以負擔過重。由于采用了智能視覺相機，該相機能通過以太網通信，所以我們便采用了PLC觸摸屏結合PC的設計。由PLC來完成系統中模擬量、數字量的輸入輸出工作。而PC只是用來配合觸摸屏來完成人機對話及澆口圖像的顯示工作?？紤]到該視頻澆注系統需要I/O控制、運動控制和網絡通信要求，選用了AB公司的1768-Compact l og i x系列的PLC，該型PLC是專門針對以上幾點而設計的。采用以太網的通信網絡，無論是從系統的復雜程度還是傳輸數據的穩定性方面都得到了很大的提高。

改進后的視頻澆注系統的結構框圖如圖2所示。

圖1 智能視覺相機結構

圖2 改進后視頻澆注系統結構框圖

從以上框圖可以看出，視頻澆注系統是由智能視覺和運動控制執行兩部分組成的。視覺部分主要就是智能視覺相機、觸摸屏、PLC、而運動控制部分是由PLC，運動控制板、伺服電動機驅動器、運動執行機構（包括伺服、電機）組成（見圖3）。運動執行機構安裝在澆注機“Y”軸載車上，靠近澆包，故設計的結構能承受澆注包中金屬高溫。其懸臂可轉動，方便更換塞桿及取下澆包，也使維修塞桿更容易。塞桿機構的控制臂帶有氣缸，可以通過氣缸讓塞桿機構進行旋轉，塞桿底部便會與澆口杯做碾磨動作，以使塞桿和澆口杯的貼合度達到最佳，防止鐵液泄漏。該機構是由PLC控制，通過驅動伺服電動機來實現動作的，這樣就能快速響應來自PLC給出的澆注信號，并由PLC根據對塞桿扭矩的跟蹤而自動調整塞桿位置。伺服電動機帶動絲桿轉動，每轉絲桿前進3mm，伺服編碼器設置為8192個脈沖，運動控制精度達到了0.3μm。

圖 3

2. 視頻澆注系統的工作原理及特點

改進后的視頻澆注系統在兩個地方用到了智能視覺相機。一個相機用于視頻澆注檢測鐵液液位，另一個用于造型線的自動定位。

（1）用于監測鐵液的相機能夠采集澆口杯內熾熱的鐵液和型砂分別發出的亮暗反差很大的兩種光線畫面信號，并將信號作高分辨率的數字化處理，然后通過以太網通信將數字信號傳遞給PLC，經過運算建立了一個精確的澆口杯液位，并將其與從觸摸屏人機對話界面預先輸入的澆口杯內鐵液液位設定值作比較，根據與設定值的誤差大小及運動執行機構的當前狀態信息，PLC按復雜的曲線控制數學模型計算發出指令，使運動執行機構在伺服電動機的作用下作相應的行程調整，以縮小上述的誤差值，從而達到閉環控制的目的。

視頻澆注的過程由圖4所示人機界面來監控。

圖4中，1—澆注圖像顯示，包括澆口和自動定位口；2—澆注畫面感興趣區域的調節，以及當前用的模板型號的顯示；3—澆注參數的設置，包括初始澆注速度(Initial pour speed)、初始澆口杯液位(Initial cup)、澆注液位控制(Pour level control)、最終澆口液位（Final cup level）、結束澆注控制（End of pour control）等；4—澆注的動態圖像，包括澆注液位（Pourlevel)、澆注錯誤（Pourerror）、塞桿位置（Rodposition）等，通過觀察這些畫面可以清楚地了解澆注是否穩定；5—對當天澆注型數的統計，包括澆注總型數，澆壞的型數，澆好的型數等；6—澆注的控制按鈕，比如塞桿旋轉（Twist），沖桿控制，這兩個動作的手動自動切換，還有如澆注與自動澆注的切換等操作；7—預設澆注時間和實際澆注時間的顯示等。

（2）每當一砂型澆注完成之后，造型線就會移動，移動完之后，經常會出現澆口與澆注系統對不準的情況，需要人工移動澆注機，使澆口與砂型對準，然后澆注。每天這樣重復很多次，非常麻煩。

針對以上問題，我們給澆注系統增加了自動定位功能。自動定位就是當造型線移動之后，如果澆口與砂型沒有對準，澆注機便會自己移位，并使澆注口與砂型對準，達到準確澆注。采用智能視覺相機監視造型線上砂型的自動定位口，在澆注時，智能視覺相機能夠正確監測到這一型的槽口位置，并拍照記錄，當下一次造型線移動后，智能相機又會拍照，并會通過以太網將圖像信號傳遞給PLC，PLC會將這一次的照片與上一次的作比較，如果偏差較大，PLC便會向控制造型線方向液壓缸動作的電磁比例閥發出信號，該閥便會通電打開，澆注機便會移動，使澆注口與砂型對準，然后澆注。造型線方向上裝有位移傳感器，該傳感器發出的模擬量信號能夠正確地反饋造型線的實際位置。如果經過定位還不能對準的話，系統就會判斷為壞型。

圖5為自動定位原理。

視頻澆注系統考慮了一系列的隨時間變化的參數，如澆注溜槽內的鐵液液位，澆注孔的條件以及鐵液從澆口磚到達型腔時間的延遲等。該數學運算模型功能強大，且有自身調節功能。因此，當澆注作業過程中向澆包進鐵口加金屬液的情況下還能保證系統的澆注精度。

相對于視頻澆注，還有一種澆注是激光澆注。就是在監視澆口杯的地方將智能視覺相機換成了一套激光發射和接收裝置。發射的激光被澆口杯內的金屬液面反射回來，由接收裝置接收。澆口杯內金屬液面的變化，同時會使反射面升高或降低，引起光線到接收器的反射角度的變化。應用三角測量技術，便可計算出激光接收器和澆口杯液位之間距離變化，借此便可對塞桿的升程做出調整，以維持澆口杯液面高度的穩定。但是此種澆注系統僅能在砂型上平面保持不變的情況下應用，而且由于反射的激光束的強度衰減很快，故要求激光發射和接收裝置的安裝角度（與垂直面之間）不大于30°。這樣往往需要在鑄型澆口杯旁開一條特殊的溝槽，以使激光束能抵達澆口杯內金屬液面，這無疑在某種程度上增加了無效鐵液的流失。

圖4 視頻澆注系統人機對話界面

圖5 自動定位原理

3. 結語

在研發系統的時候，我們運用了視覺系統和運動控制的相關知識。最后的結果也證明視覺系統和運動控制的結合，是工業監視和完成高精度自動化操作的最有效手段。智能相機的高精度、高速度、多功能、小型化與集成化的優點在這個系統中表現得淋漓盡致。隨著鑄造企業對產品的工藝要求，產量要求，以及自動化要求的不斷提高，相信基于智能視覺相機的視頻澆注系統會被越來越多的人所青睞。我們也在不斷努力，使該系統更加完善。