1.引言 機器視覺系統(tǒng)是指通過機器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）將被攝取目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。機器視覺自起步發(fā)展到現(xiàn)在，已有15年的發(fā)展歷史。應該說機器視覺作為一種應用系統(tǒng)，其功能特點是隨著工業(yè)自動化的發(fā)展而逐漸完善和發(fā)展的。在歐美，機器視覺在工業(yè)上得到了廣泛的應用。目前在我國隨著配套基礎(chǔ)建設(shè)的完善，技術(shù)、資金的積累，各行各業(yè)對采用圖像和機器視覺技術(shù)的工業(yè)自動化、智能化需求開始廣泛出現(xiàn)。 株洲硬質(zhì)合金集團有限公司型材廠是目前國內(nèi)最大的棒材生產(chǎn)基地。其引進的山特維克的擠壓機（D-120/250）可以擠壓多種棒材：0.5mm、1mm的棒材，雙孔1mm、雙孔1.5mm、雙孔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。其調(diào)速系統(tǒng)的性能對棒材的質(zhì)量影響至關(guān)重要，如其調(diào)速效果不好，很容易拉斷或者堆積棒材。北京和利時電機應用機器視覺和基于伺服電機的運動系統(tǒng)對擠壓機的調(diào)速系統(tǒng)進行了改造，大大提高了調(diào)速系統(tǒng)的性能，從而提升了工廠的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。 2.硬件簡介 系統(tǒng)硬件配置的原則如下： ·調(diào)速系統(tǒng)的靈敏性必須高、調(diào)速范圍寬。 ·操作簡單、可靠。 ·便于系統(tǒng)升級、擴展。 ·緊急情況下，具有自保護功能。 ·性能價格比高。 基于以上整體考慮，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括：精度為亞象素級的嵌入式圖像處理系統(tǒng)、具有很好的快速響應的交流伺服電機系統(tǒng)、編程靈活升級方便的PLC控制系統(tǒng)、方便地查看修改系統(tǒng)參數(shù)的工業(yè)觸摸屏、過壓過流保護系統(tǒng)。 3.軟件部分 3.1控制原理 下面給出調(diào)速系統(tǒng)示意圖，如圖2所示。 調(diào)速系統(tǒng)的主要目的：將擠出的棒材穩(wěn)定在一定的區(qū)域，如圖2所示，也就是將圖像處理器檢測到的棒材邊緣點控制在平衡區(qū)內(nèi)。這樣棒材才可以正常擠出，不被拉斷、產(chǎn)生堆料。同時還可以保證擠出棒材的均勻度。 擠壓機的擠壓速度跟液壓部分強弱、它所裝料的多少、料的質(zhì)量以及棒材粗細都有很大關(guān)系，很難建立線性模型，簡單的PID控制很難得到較好的控制效果。面對實際情況，我們采用了三種控制手段來調(diào)節(jié)擠壓機的擠壓速度：對擠壓機進行模糊建模、微分控制環(huán)節(jié)和平衡區(qū)控制。 首先，通過對擠壓機的現(xiàn)場調(diào)速試驗，我們總結(jié)出了它的模糊模型――拋物線模型。越接近理想位置速度調(diào)節(jié)量越少，越遠離理想位置速度調(diào)節(jié)量越大，而且速度調(diào)節(jié)量跟與理想位置的差距為乘冪關(guān)系，如圖3所示。 接下來，我們在現(xiàn)場的試驗中發(fā)現(xiàn)，遇到突發(fā)情況，速度會發(fā)生急劇變化，嚴重影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我們加入了微分環(huán)節(jié)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。比如，由于液壓系統(tǒng)的原因擠壓速度突然變快，這時系統(tǒng)要求加速，但是根據(jù)它的拋物線模型給它加速遠遠滿足不了系統(tǒng)需求，這時系統(tǒng)就會產(chǎn)生堆料，我們加入了微分環(huán)節(jié)，預測了這種情況，會采取給系統(tǒng)成倍加速，從而改善了系統(tǒng)的靈敏性，滿足了要求。 最后，我們采用了平衡區(qū)控制。我們規(guī)定在理想位置附近的一定范圍內(nèi)為平衡區(qū)，認為這時的系統(tǒng)滿足了控制要求。當棒材從加速區(qū)或者減速區(qū)進入平衡區(qū)時，我們根據(jù)邊緣位置的變化量來反向調(diào)節(jié)速度。這樣可以起到緩沖效果，使得棒材可以在最短的時間內(nèi)停留在平衡區(qū)內(nèi)。比如，當邊緣點在平衡區(qū)上界（參加圖2），調(diào)速系統(tǒng)會減小速度使得棒材邊緣點下降，當它進入平衡區(qū)時，平衡區(qū)控制開始起作用，邊緣位置下降，我們根據(jù)邊緣位置變化量增加速度值（我們這里的具體情況是邊緣位置下降，變化量為負值；邊緣位置上升，變化量為正值值。同時變化量的大小可以反映位置變化的距離程度），這樣防止了速度降的太快沖過平衡區(qū)，從而引起系統(tǒng)的震蕩。 3.2總體設(shè)計 本系統(tǒng)的主要功能是：跟隨擠壓機的擠壓速度，從而保證擠壓機的正常運行。軟件設(shè)計分為三大塊：1.機器視覺部分，即通過圖像處理器得到被擠出棒材的位置信息。2.PLC控制部分，根據(jù)3.1節(jié)的控制原理編寫控制程序。3.觸摸屏部分，讓用戶方便地查看、修改系統(tǒng)的參數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)的運行。 3.3視覺部分軟件設(shè)計 如圖2所示，使用圖像軟件查找灰度邊緣的功能，得到擠出棒材的位置。將得到的位置量（數(shù)字量）通過串口，利用串行通訊的方式，以波特率115200bps的傳送速度傳送給PLC。 3.4PLC的軟件設(shè)計 PLC的軟件設(shè)計分為兩大塊：手動模式和自動模式。手動模式，調(diào)速系統(tǒng)人工來操作，不受3.1節(jié)講的控制律影響，通過觸摸屏修改速度參數(shù)，從而改變運行速度。自動模式，調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)3.1節(jié)講的控制原理來調(diào)節(jié)速度。自動模式和手動模式之間可以自由切換。 3.5觸摸屏的界面設(shè)計 如圖4所示，界面設(shè)計包括四大塊：手動、自動、參數(shù)查看、報警。 手動：手動模式的界面。當使用手動模式時，此界面可以顯示系統(tǒng)運行的情況，并且可以設(shè)定系統(tǒng)的運行速度。 自動：自動模式的界面。當使用自動模式時，此界面可以顯示系統(tǒng)運行的情況，并且可以修改自動控制律的控制參數(shù)。 參數(shù)查看：可以查看系統(tǒng)運行的各個參數(shù)值。 報警：當系統(tǒng)運行不正常時，給出報警信息，同時還可以在線清除一些故障。 4.結(jié)論 此系統(tǒng)實現(xiàn)了運動與視覺的完美結(jié)合，在株洲硬質(zhì)合金集團有限公司型材廠進行了調(diào)試和運行，現(xiàn)場運行穩(wěn)定、操作簡單、速度控制達到了實際生產(chǎn)的性能。