基于智能视觉相机的视频浇注系统

■丰裕文，卢锡伟

现代化的高速造型线的出现，无疑加大了铸造业浇注的工作强度。由于浇注作业是重复性的工作，因此需要一个能够代替人的双眼以长时间监视浇口杯的装置。视频浇注是一项能够持续监控浇口杯，并完成自动浇注的现代化技术。

1. 视频浇注系统的应用与发展

在智能视觉相机出现之前，原有的视频浇注系统的监控装置是由工业相机（C C D或CMOS）、视频采集卡、PC组成的，工业相机只能将光信号转换成模拟电信号，然后由视频采集卡将这些模拟信号转换成数字信号（0和1）。

多数视频采集卡都具备硬件压缩的功能，在采集视频信号时首先在卡上对视频信号进行压缩，然后通过PCI接口把压缩的视频数据传送到PC，同时有一个独立的视频显示器与视频卡通过同轴电缆相连，浇注图像由视频显示器显示。

由于PC采用通用视频A/D转换器实现数据的采集，数据采集占用了CPU的时间，对处理器的速度要求很高。而且原有的控制系统采用的是PC结合输入输出单元的设计，所有的计算工作都是由PC来完成的，这样就又加重了PC的工作负荷，引起系统不稳定，图像显示断续，容易导致系统死机，故障经常发生。如果在浇注过程中出现这样的情况，便会使浇注工作停止，影响生产。

为了解决上面出现的问题。我们改进了视频浇注系统，采用智能视觉相机来监控浇口杯。智能视觉相机是一个兼具图像采集、图像处理、信息传递功能和I/O控制的小型机器视觉系统（见图1），是一种嵌入式的机器视觉系统。它将图像传感器、数字处理器、通信模块和I/O控制单元集成到一个单一的相机内，使相机能够完全替代传统的基于P C的计算机系统，独立地完成预先设定的图像处理和分析任务。该相机采用了一体化的设计，降低了系统的复杂度，提高了系统的可靠性。该相机的最大特点是集成度高，功能模块化。作为独立的智能图像采集和处理单元，内部存储器可以存储下载的图像处理算法。智能视觉相机还具有抗干扰能力强、开发效率高、组成简单、规格等级化等优点。

选择智能视觉相机时，考虑到相机的稳定性、尺寸大小、采样速度等，我们选用了康耐视公司的Ins i ght Mi cr o系列1 4 0 0智能视觉相机。这款相机是世界上最小巧、智能、简易的一体化的视觉系统。而且该款相机也是这一系列当中采样速度最快的机型。它的体积只有30mm×30mm×60mm，非常节约空间。相机的背面采用的是M1 2以太网接口，也有I/O接口。由于是采用PLC控制相机，所以选用M12接口通信，相机端用M12接口，另一端采用以太网RJ45接头，相机采用了POE供电技术。原有系统的工业相机除了需要同轴电缆来传输图像数据之外，还需要AC110V供电。而POE电源技术只需要一根以太网电缆连接相机，该电缆同时能够供电和传输数据。而且POE电源只会为需要供电的设备供电，只有连接了需要供电的设备，以太网才会有电压存在，因此解决了线路上漏电的风险。

如前所述，原有视频浇注系统是采用PC的CPU来完成控制的，因此P C不但要对采样来自浇口杯的数据图像做处理，与视频采集卡、显示器配合完成浇注图像的显示工作，还要处理系统中模拟量、数字量的输入输出工作，所以负担过重。由于采用了智能视觉相机，该相机能通过以太网通信，所以我们便采用了PLC触摸屏结合PC的设计。由PLC来完成系统中模拟量、数字量的输入输出工作。而PC只是用来配合触摸屏来完成人机对话及浇口图像的显示工作。考虑到该视频浇注系统需要I/O控制、运动控制和网络通信要求，选用了AB公司的1768-Compact l og i x系列的PLC，该型PLC是专门针对以上几点而设计的。采用以太网的通信网络，无论是从系统的复杂程度还是传输数据的稳定性方面都得到了很大的提高。

改进后的视频浇注系统的结构框图如图2所示。

图1 智能视觉相机结构

图2 改进后视频浇注系统结构框图

从以上框图可以看出，视频浇注系统是由智能视觉和运动控制执行两部分组成的。视觉部分主要就是智能视觉相机、触摸屏、PLC、而运动控制部分是由PLC，运动控制板、伺服电动机驱动器、运动执行机构（包括伺服、电机）组成（见图3）。运动执行机构安装在浇注机“Y”轴载车上，靠近浇包，故设计的结构能承受浇注包中金属高温。其悬臂可转动，方便更换塞杆及取下浇包，也使维修塞杆更容易。塞杆机构的控制臂带有气缸，可以通过气缸让塞杆机构进行旋转，塞杆底部便会与浇口杯做碾磨动作，以使塞杆和浇口杯的贴合度达到最佳，防止铁液泄漏。该机构是由PLC控制，通过驱动伺服电动机来实现动作的，这样就能快速响应来自PLC给出的浇注信号，并由PLC根据对塞杆扭矩的跟踪而自动调整塞杆位置。伺服电动机带动丝杆转动，每转丝杆前进3mm，伺服编码器设置为8192个脉冲，运动控制精度达到了0.3μm。

图 3

2. 视频浇注系统的工作原理及特点

改进后的视频浇注系统在两个地方用到了智能视觉相机。一个相机用于视频浇注检测铁液液位，另一个用于造型线的自动定位。

（1）用于监测铁液的相机能够采集浇口杯内炽热的铁液和型砂分别发出的亮暗反差很大的两种光线画面信号，并将信号作高分辨率的数字化处理，然后通过以太网通信将数字信号传递给PLC，经过运算建立了一个精确的浇口杯液位，并将其与从触摸屏人机对话界面预先输入的浇口杯内铁液液位设定值作比较，根据与设定值的误差大小及运动执行机构的当前状态信息，PLC按复杂的曲线控制数学模型计算发出指令，使运动执行机构在伺服电动机的作用下作相应的行程调整，以缩小上述的误差值，从而达到闭环控制的目的。

视频浇注的过程由图4所示人机界面来监控。

图4中，1—浇注图像显示，包括浇口和自动定位口；2—浇注画面感兴趣区域的调节，以及当前用的模板型号的显示；3—浇注参数的设置，包括初始浇注速度(Initial pour speed)、初始浇口杯液位(Initial cup)、浇注液位控制(Pour level control)、最终浇口液位（Final cup level）、结束浇注控制（End of pour control）等；4—浇注的动态图像，包括浇注液位（Pourlevel)、浇注错误（Pourerror）、塞杆位置（Rodposition）等，通过观察这些画面可以清楚地了解浇注是否稳定；5—对当天浇注型数的统计，包括浇注总型数，浇坏的型数，浇好的型数等；6—浇注的控制按钮，比如塞杆旋转（Twist），冲杆控制，这两个动作的手动自动切换，还有如浇注与自动浇注的切换等操作；7—预设浇注时间和实际浇注时间的显示等。

（2）每当一砂型浇注完成之后，造型线就会移动，移动完之后，经常会出现浇口与浇注系统对不准的情况，需要人工移动浇注机，使浇口与砂型对准，然后浇注。每天这样重复很多次，非常麻烦。

针对以上问题，我们给浇注系统增加了自动定位功能。自动定位就是当造型线移动之后，如果浇口与砂型没有对准，浇注机便会自己移位，并使浇注口与砂型对准，达到准确浇注。采用智能视觉相机监视造型线上砂型的自动定位口，在浇注时，智能视觉相机能够正确监测到这一型的槽口位置，并拍照记录，当下一次造型线移动后，智能相机又会拍照，并会通过以太网将图像信号传递给PLC，PLC会将这一次的照片与上一次的作比较，如果偏差较大，PLC便会向控制造型线方向液压缸动作的电磁比例阀发出信号，该阀便会通电打开，浇注机便会移动，使浇注口与砂型对准，然后浇注。造型线方向上装有位移传感器，该传感器发出的模拟量信号能够正确地反馈造型线的实际位置。如果经过定位还不能对准的话，系统就会判断为坏型。

图5为自动定位原理。

视频浇注系统考虑了一系列的随时间变化的参数，如浇注溜槽内的铁液液位，浇注孔的条件以及铁液从浇口砖到达型腔时间的延迟等。该数学运算模型功能强大，且有自身调节功能。因此，当浇注作业过程中向浇包进铁口加金属液的情况下还能保证系统的浇注精度。

相对于视频浇注，还有一种浇注是激光浇注。就是在监视浇口杯的地方将智能视觉相机换成了一套激光发射和接收装置。发射的激光被浇口杯内的金属液面反射回来，由接收装置接收。浇口杯内金属液面的变化，同时会使反射面升高或降低，引起光线到接收器的反射角度的变化。应用三角测量技术，便可计算出激光接收器和浇口杯液位之间距离变化，借此便可对塞杆的升程做出调整，以维持浇口杯液面高度的稳定。但是此种浇注系统仅能在砂型上平面保持不变的情况下应用，而且由于反射的激光束的强度衰减很快，故要求激光发射和接收装置的安装角度（与垂直面之间）不大于30°。这样往往需要在铸型浇口杯旁开一条特殊的沟槽，以使激光束能抵达浇口杯内金属液面，这无疑在某种程度上增加了无效铁液的流失。

图4 视频浇注系统人机对话界面

图5 自动定位原理

3. 结语

在研发系统的时候，我们运用了视觉系统和运动控制的相关知识。最后的结果也证明视觉系统和运动控制的结合，是工业监视和完成高精度自动化操作的最有效手段。智能相机的高精度、高速度、多功能、小型化与集成化的优点在这个系统中表现得淋漓尽致。随着铸造企业对产品的工艺要求，产量要求，以及自动化要求的不断提高，相信基于智能视觉相机的视频浇注系统会被越来越多的人所青睐。我们也在不断努力，使该系统更加完善。