机器视觉的挤压机调速系统设计

1 引言

机器视觉系统是利用机器取代人眼视觉，进行测量和判断的系统。基本原理是通过图像摄取装置（分cmos和ccd两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号;图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。机器视觉自起步到现在，已有将近20年的发展历史。应该说机器视觉作为自动化技术的一个分支，其功能特点是随着整个工业自动化的发展而逐渐完善和发展的。在欧美，机器视觉在工业上得到了广泛的应用。

国内某硬质合金集团有限公司型材厂是目前国内最大的棒材生产基地。其引进的山特维克的挤压机（d-120/250）可以挤压多种棒材：0.5mm、1mm的棒材，双孔1mm、双孔1.5mm、双孔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。其调速系统的性能对棒材的质量影响至关重要，如其调速效果不好，很容易拉断或者堆积棒材。北京和利时电机公司应用机器视觉和基于伺服电机的运动系统对挤压机的调速系统进行了改造，大大提高了调速系统的性能，从而提升了工厂的产品质量和产量。

2 硬件简介

系统硬件配置的原则如下：

（1） 调速系统的灵敏性必须高、调速范围宽。

（2） 操作简单、可靠。

（3） 便于系统升级、扩展。

（4） 紧急情况下，具有自保护功能。

（5） 性能价格比高。

基于以上整体考虑，系统硬件结构如图1所示，主要包括：精度为亚象素级的嵌入式图像处理系统、具有很好的快速响应的交流伺服电机系统、编程灵活升级方便的plc控制系统、方便地查看修改系统参数的工业触摸屏、过压过流保护系统。


3 软件部分

3.1 控制原理

调速系统的主要目的：将挤出的棒材稳定在一定的区域，图2给出调速系统示意图，也就是将图像处理器检测到的棒材边缘点控制在平衡区内。这样棒材才可以正常挤出，不被拉断、产生堆料。同时还可以保证挤出棒材的均匀度。

挤压机的挤压速度跟液压部分强弱、它所装料的多少、料的质量以及棒材粗细都有很大关系，很难建立线性模型，简单的pid控制很难得到较好的控制效果。面对实际情况，我们采用了三种控制手段来调节挤压机的挤压速度：对挤压机进行模糊建模、微分控制环节和平衡区控制。

（1）首先，通过对挤压机的现场调速试验，我们总结出了它的模糊模型-抛物线模型。越接近理想位置速度调节量越少，越远离理想位置速度调节量越大，而且速度调节量跟与理想位置的差距为乘幂关系，如图3所示：

（2）笔者在现场的试验中发现，遇到突发情况，速度会发生急剧变化，严重影响了系统的稳定性，加入微分环节后提高了系统的稳定性。比如，由于液压系统的原因挤压速度突然变快，这时系统要求加速，但是根据它的抛物线模型给它加速远远满足不了系统需求，这时系统就会产生堆料，加入了微分环节，预测了这种情况，会采取给系统成倍加速，从而改善了系统的灵敏性，满足了要求。

（3）笔者采用了平衡区控制。规定在理想位置附近的一定范围内为平衡区，认为这时的系统满足了控制要求。当棒材从加速区或者减速区进入平衡区时，笔者根据边缘位置的变化量来反向调节速度。这样可以起到缓冲效果，使得棒材可以在最短的时间内停留在平衡区内。比如，当边缘点在平衡区上界（参加图2），调速系统会减小速度使得棒材边缘点下降，当它进入平衡区时，平衡区控制开始起作用，边缘位置下降，根据边缘位置变化量增加速度值（这里的具体情况是边缘位置下降，变化量为负值;边缘位置上升，变化量为正值值。同时变化量的大小可以反映位置变化的距离程度），这样防止了速度降的太快冲过平衡区，从而引起系统的震荡。

3.2 总体设计

本系统的主要功能是：跟随挤压机的挤压速度，从而保证挤压机的正常运行。软件设计分为三大块：

（1） 机器视觉部分：即通过图像处理器得到被挤出棒材的位置信息;

（2） plc控制部分：根据3.1节的控制原理编写控制程序;

（3） 触摸屏部分：让用户方便地查看、修改系统的参数，监控系统的运行。

3.3视觉部分软件设计

如图2所示，使用图像软件查找灰度边缘的功能，得到挤出棒材的位置。将得到的位置量（数字量）通过串口，利用串行通讯的方式，以波特率115200bps的传送速度传送给plc。

3.4 plc的软件设计

plc的软件设计分为两大块：手动模式和自动模式。手动模式，调速系统人工来操作，不受3.1节讲的控制律影响，通过触摸屏修改速度参数，从而改变运行速度。自动模式，调速系统根据3.1节讲的控制原理来调节速度。自动模式和手动模式之间可以自由切换。

3.5 触摸屏的界面设计

如图4所示，界面设计包括四大块：手动、自动、参数查看、报警。

（1） 手动：手动模式的界面。当使用手动模式时，此界面可以显示系统运行的情况，并且可以设定系统的运行速度;

（2） 自动：自动模式的界面。当使用自动模式时，此界面可以显示系统运行的情况，并且可以修改自动控制律的控制参数;

（3） 参数查看：可以查看系统运行的各个参数值;

（4） 报警：当系统运行不正常时，给出报警信息，同时还可以在线清除一些故障。

此系统实现了运动与视觉的完美结合，在用户现场进行了调试和运行，现场运行稳定、操作简单、速度控制达到了实际生产的性能。

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