基于機器視覺的大軸激光清洗控制系統研發

熊娟，張榮，詹文贊，楊金堂

(1.武漢科技大學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.武漢東湖學院機電工程學院，湖北武漢 430212)

0 前言

軸類零件廣泛應用于各種大型機械設備中，主要作用是支撐其他零件旋轉并傳遞扭矩，其性能會直接影響設備的平穩性和使用壽命。但在實際服役過程中，由于工作的環境惡劣，軸類零件長期受到重載、高溫、高沖擊、重腐蝕、磨損等綜合作用，其關鍵部位表面極易形成厚氧化層、腐蝕層、油層等污染層，這些污染層會影響設備的運轉，造成重大損失。

現階段國內多采用人工打磨或噴砂噴丸的方法進行軸件表面污染層的清洗，但清洗效率低下且耗時耗力。而激光清洗技術作為新興的綠色高效清洗方法，有著對材料無損傷、經濟效益高、成本低的優點。又因為大型軸類零件質量大，人工清洗十分不便，而現有的再制造技術不能滿足嚴苛環境下冶金軸件的清洗需求，亟需研發一種智能化激光清洗裝備，提升國內現有再制造技術水平。所以針對廢舊大型冶金軸件的清洗，本文作者提出一種基于視覺技術的PLC控制方案。通過視覺檢測系統來識別大型軸類零件表面污染層位置，設計了基于S7-200PLC的激光清洗控制系統，進行了硬件的選擇與設計，使用STEP7 Micro/win軟件編寫了十字滑臺移動定位程序。該系統取代了繁瑣的人工清洗，降低了生產成本的投入，提高了清洗效率和系統自動化程度。

1 清洗設備的結構及工作原理

典型冶金設備中所廢棄的大型軸件如圖1所示，質量可達幾十噸，長度和直徑尺寸變化大，移動較為困難，人工清洗十分不便。為了解決大軸清洗困難的問題，本文作者提出一種基于機器視覺的廢舊冶金軸件表面無損激光清洗控制方案，該方案中所用到的清洗裝備是基于作者課題組公開號為CN111451641A的中國專利《一種大型軸類零件自動激光清洗裝置與方法》。

圖1 廢舊大型冶金軸類零件

1.1 設備整體結構

該設備主要由大軸驅動裝置、視覺檢測裝置和激光清洗裝置三大部分組成，如圖2所示。大軸驅動裝置主要是由卡緊基座、齒式聯軸器構成，利用電機驅動大型軸類零件做周轉運動，配合機器視覺完成大軸表面圖像信息的采集，確定需要清洗的具體位置。視覺檢測裝置由龍門架狀滑軌、工業相機和滾珠絲桿機構等組成，工業相機從龍門架箱體的開口縫中伸出，沿著平行于待清洗軸水平布置的直線滑軌橫向移動。激光清洗裝置由十字滑臺、脈沖激光器和吸塵器等組成，激光器和吸塵器位于十字滑臺的支撐座上，十字滑臺由兩個垂直導軌組合而成，兩套絲桿步進電機機構驅動，吸塵器位于脈沖激光器兩側，配合十字滑臺和機器視覺在軸向與徑向兩個自由度方向上對清洗點定位，對軸體表面及孔鍵槽進行清洗。

圖2 激光清洗裝備

1.2 清洗設備的工作原理

激光清洗設備的工作過程注重合理規劃、提高效率和柔性的原則，實現各個機構之間的協同工作，依靠多個傳感器進行協調配合，其工作流程如圖3所示。在激光清洗前后分別對軸件表面進行圖像采集，并判斷軸件表面清洗情況，若未清洗徹底，十字滑臺再次移動定位，并進行二次清洗。

圖3 工作流程

2 激光清洗控制系統設計

2.1 控制系統方案設計

在該控制系統中，以PLC為核心，依靠多個傳感器，將大軸驅動裝置、視覺檢測裝置和激光清洗裝置配合起來協同工作，同時利用一臺MCGS觸摸屏進行控制操作和監控整個設備的運行過程。大軸驅動裝置由一臺伺服電機驅動軸類零件做周轉運動；視覺檢測裝置由一臺伺服電機通過滾珠絲桿與滑塊相連，驅動滑塊上的相機在滑軌上進行軸向移動；激光清洗裝置由兩套相互垂直設置的絲桿步進電機機構驅動激光器進行、軸方向上的移動定位，激光器移動到相應位置后，發射脈沖激光束對軸件進行清洗，激光清洗裝置中只需預設好激光的參數即可，后續的清洗過程中不需要進行參數調解。整個控制系統設計方案如圖4所示。

圖4 控制系統設計方案

該系統工作環境惡劣，存儲要求高，輸入輸出信號較多且反饋信號復雜，為滿足自動化生產的要求并保證清洗效率和出于經濟性和便利性的考慮，采用S7-200PLC系列中型號為CPU226CN的控制器進行控制。以待清洗的冶金軸件為參照物，負責軸向和徑向運動的步進電動機及步進電機驅動器可以通過控制脈沖個數和脈沖頻率來控制角位移量和電機轉動的速度，從而達到精準控制系統的位置和速度的目的，絲桿由步進電機驅動旋轉，帶動滑塊做直線往復運動，使得清洗泵可在和方向進行移動。編碼器可將直線位移或者角位移轉化為電信號，用脈沖的個數表示位置關系，準確控制清洗泵的具體位置，相機在滑軌上的時刻位移和激光清洗泵在十字滑臺上的時刻位移都需要編碼器進行記錄，并實時反饋具體方位。原點、極限傳感器用于復位，使相機和清洗泵回到原點位置和限制相機和清洗泵的行程。

2.2 控制系統硬件設計

在十字滑臺裝置中，兩套相互垂直設置的絲桿步進電機機構由S7-200PLC控制，并由一個編碼器記錄十字滑臺上支撐座的具體位置，實現激光清洗器在軸和軸方向的移動和具體位置的記錄，當支撐座移動相應位置后，激光器發射激光束進行清洗，脈沖激光器只需預設好激光的參數即可，后續的清洗過程中不需要進行參數調解。大軸驅動裝置和視覺檢測裝置也由S7-200PLC控制，實現對大軸旋轉運動的控制和相機在滑軌上的移動控制。考慮到圖像采集過程中大軸處于旋轉狀態，所以視覺系統中的相機采用面陣CCD工業相機，該相機可實現在任何快門速度下一次曝光拍攝移動物體；內嵌圖像采集卡，與圖像采集模塊相連，對圖像進行運算處理；由相機控制器與PLC進行通信。該控制系統的接線圖如圖5所示。

圖5 清洗系統電路設計

2.3 控制系統軟件設計

激光清洗裝置中清洗器的定位精度主要是由機器視覺的圖像采集和處理來決定的。在圖像采集過程中，大軸做周轉運動，采集的圖像難免會有噪聲，畫面對比度低，因此采用中值濾波和直方圖均衡的方法來對圖像進行預處理。圖6所示為預處理前后的對比圖，使用該方法增加了油漆層與背景的對比度，使邊界變得更為清晰。

圖6 預處理示意

其次采用閾值分割的方法對預處理的圖像進行特征提取以實現對圖像清洗效果的判斷。為了保證清洗效果判斷的準確性，需要保證特征全部提取，故應適當放寬特征提取的閾值區間。圖7所示為圖像分割之后的效果圖。

圖7 分割效果示意

梯形圖(LAD)語言是PLC程序設計中最常用的編程語言，具有直觀性、形象性與實用性，易于掌握、便于修改；采用STEP7 Micro/win軟件編寫程序，該軟件為西門子S7-200PLC最新版本的編程軟件，功能和操作界面都更加完善。基于十字滑臺的移動定位控制進行了圖8所示梯形圖的編寫。該程序首先需要根據視覺系統檢測出清洗點坐標(，);緊接著編碼器計算出絲桿機構需要轉動的圈數，清洗泵進行移動，其坐標為(，);最后將兩者進行比較，若相等則表明清洗泵到達了目標位置，若不相等則繼續進行移動直到相等為止。

圖8 十字滑臺移動程序段

2.4 界面設計

采用西門子WINCC V7.3組態軟件對系統進行組態和控制。配置和修正控制系統的每個部分(設備，標簽量和屏幕)；處理數據和系統報警；提供多種數據驅動程序；各類報表的生成和打印輸出；使用腳本語言輔助開發功能；存儲數據；提供實時監控畫面，及時修復和清理現場的設備。

監控畫面分別是相機運動界面和實時位置，主軸旋轉運動界面和電機的啟停控制，十字滑臺移動界面和實時位置，清洗泵界面和流量控制，清洗完成情況的結果顯示。圖9所示為監控運行界面。

圖9 監控運行界面

3 結束語

針對大型軸件表面的污染層，設計一套基于視覺技術的激光清洗自動控制系統；完成了控制系統硬件的選擇、控制程序的編寫以及對復雜人工操作過程的改造；實現了軸的轉運、軸的清洗、軸的歸位以及其他特定功能。目前，該激光清洗系統已投入工廠使用。該裝備能準確尋找到清洗位置并根據不同表面污染層特點合理調節清洗流量；響應速度快，運行穩定可靠，能有效地“除漆、除油、除銹”，清洗效果滿足探傷要求。與傳統的人工清洗方式對比，極大地提高了大型軸類零件的清洗效率；實現了高端裝備重要部件的再制造，推動相關產品和再制造技術的跨代式發展，提升了產品的附加值。