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1、 液压机活动横梁水平方向偏移在线检测系统研究和开发第一章：课题研究综述1.1 课题研究概述液压机（又名：油压机）利用帕斯卡定律制成的利用液体压强传动的机械，其是目前宇宙、航空、原子能、汽车、船舶等工业中必不可少的关键设备。也是重型机械制造业的重要设备，它对于一个国家的国防工业及重型机械制造业等领域的技术水平与生产率有着关键的作用，是一个国家工业化程度和经济，国防实力的重要标志之一。 1-1大型液压锻造机液压机除用于锻压成型外，也可用于矫正、压装、打包、压块和压板等。其工作原理如下：大、小柱塞的面积分别为S2、S1，柱塞上的作用力分别为F2、F1。根据帕斯卡原理，密闭液体压强各处相等，即：F2/
2、S2=F1/S1=P；F2=F1(S2/S1)。表示液压的增益作用，与机械增益一样，力增大了，但功率不增益，因此大柱塞的运动距离是小柱塞运动距离的S1/S2倍。如下图1-2： 1-2液压机原理由上图1-2我们可以知道液压机活动部件沿导向装置来回运动的方向为其工作方向，而其它方向的运动则称为液压机活动部件非工作方向的偏移。300MN模锻液压机是目前我国，也是亚洲最大的模锻液压机，其活动横梁沿导向装置垂直运动，因此，活动横梁非工作方向的偏移即水平方向偏移。 液压机长时间运行后会造成活动横梁与导向装置的摩擦磨损严重，再加上工作过程巨大载荷下的剧烈振动、冲击的影响，活动横梁很容易发生水平方向偏移。其将
3、影响模具合模精度，影响锻件质量，并产生载荷奇异传递和巨大的偏载附加内力，直接影响大型构件受力状况和水压机的强度、刚度，造成机体磨损不均匀，缩短机体寿命，严重时损坏产品、压坏模具，甚至损坏液压机本体，给国家和企业造成重大损失。 由于模锻液压机活动横梁水平方向偏移检测及调整大多以人为主,这种检测方法工作量大,精度低,缺乏科学性。同时国内外对于大型锻造液压机活动部件非工作方向偏移缺乏有效的检测手段，该方面的研究工作也未见任何公开报导。由于缺少活动横梁水平方向偏移的在线检测数据资料，对于研究大惯量多约束活动横梁空间受控运动规律、避免水压机活动横梁水平方向偏移而产生巨大的偏心载荷、优化水压机锻造工艺过程
4、、提高产品质量带来了困难。因此，活动横梁的水平方向偏移在线检测系统的开发与研究是非常必要的。然而，模锻液压机具有结构巨大，现场环境恶劣，干扰严重，活动部件行程长，冲击、振动剧烈，信号传输线路长，控制系统的布线受到诸多限制等特点，常规的检测方法与手段难以适应其特殊的工作环境。因此，为了实现模锻液压机特殊环境下的活动横梁水平方向偏移检测功能，本课题组研究了一种非接触式(机器视觉)活动横梁水平方向偏移检测系统。1.2 本文研究内容及结构 第一章：课题研究综述。简单介绍了液压机，论述了本课题来源背景及意义，提出了开发一种液压机活动横梁水平方向偏移在线检测系统的必要性。 第二章：液压机活动横梁水平方向偏
5、移在线检测系统方案设计。首先介绍了基于本课题研究的机器视觉。对在线检测系统的总体方案进行了设计，提出其功能技术指标。第三章：对本课题设计使用的重要模块传感器部分介绍分析并详细比较三种传感器的优缺点，选定最合理的传感器以及选定系统的通讯方式。第四章：活动横梁便宜在线检测系统硬件设计与实现。通过系统设计计算，完成了检测系统机械结构及电气控制系统设计。并详细介绍了系统主要元器件的选型及参数。第五章：液压机活动横梁水平方向偏移视觉检测方法软件设计与实现。介绍了视觉检测系统软件的总体设计思路，并从图像分割、自动标定、目标物定位三方面对视觉检测系统的功能进行了设计与研究，提出了一种新的图像分割方法、一种基
6、于网斑特征值的分割评价指标和相机曝光时间调整新方法，并实现了系统自动标定和目标物定位计算。 第六章：全文总结与展望。第二章 水平偏移检测系统的方案设计 300MN模锻液压机工业现场情况复杂，为研制一套高可靠性、高灵活性的活动横梁水平方向偏移检测系统，本章结合检测需求，首先对检测系统的重要模块机器视觉做了一个简单的介绍与应用的参考，并提出了一些功能技术指标，围绕这些指标，完成系统的总体方案设计。2.1 机器视觉的简介 机器视觉主要研究用计算机来模拟人的视觉功能从客观事物的图像中提取信息进行处理并加以理解最终用于实际检测、测量和控制。一个典型的工业机器视觉应用系统包括光源、光学系统、图像捕捉系统、
7、图像数字化模块、数字图像处理模块智能判断决策模块和机械控制执行模块。如下图2-1所示：首先采用CCD摄机或其它图像拍摄装置将目标转换成图像信号，然后转变成数字化信号传送给专用的图像处理系统，根据像素分布、亮度和颜色等信息，进行各种运算来抽取目标的特征，根据预设的容许度和其他条件输出判断结果。图像采集与数字化图像捕捉系统被测目标光学成像系统 智能图像出来与决策模块控制执行模块光源2-1典型的工业机器视觉组成1：机器视觉系统的特点 值得一提的是：广义的机器视觉的概念与计算机视觉没有多大区别，泛指使用计算机和数字图像处理技术达到对客观事物图像的识别、理解和控制。而工业应用中的机器视觉概念与普通计算机
8、视觉模式识别、数字图像处理有着明显区别，其特点是：(1) 机器视觉是一项综合技术，其中包括数字图像处理技术、机械工程技术、控制技术、电光源照明技术、光学成像技术、传感器技术、模拟与数字视频技术、计算机软硬件技术、人机接口技术等这些技术在机器视觉中是并列关系，相互协调应用才能构成一个成功的工业机器视觉应用系统。(2) 机器视觉更强调实用性，要求能够适应工业生产中恶劣的环境，有合理的性价比，要有通用的工业接口，能够由普通工作来操作，有较高的容错能力和安全性，不会破坏工业产品，必须有较强的通用性和可移植性。(3) 对机器视觉工程师来说不仅要具有研究数学理论和编制计算机软件的能力，更需要的是光机电一体
9、化的综合能力。(4) 机器视觉更强调实时性，要求高速度和高精度，因而计算机视觉和数字图像处理中的许多技术目前还难以应用于机器视觉，它们的发展速度远远超过其在工业生产中的实际应用速度。 (5) 机器视觉系统一般都采用非接触式传感器如摄像机，红外热像仪等拍摄到的场景转变为数字信号，再次对数字信号进行分析处理，得到检测目标物的相关信息再做出结论。 本课题即是使用摄像机用来对目标物信息的采集。2：机器视觉的关键实用技术 （1）光源照明技术在目前的机器视觉应用系统中，好的光源与照明方案往往是整个系统成败的关键。起着非常重要的作用，并不是简单的照亮物体而已。光源与照明方案的配合应尽可能地突出物体特征量，在
10、物体需要检测的部分与那些不重要部份之间应尽可能地产生明显的区别，增加对比度。同时还应保证足够的整体亮度，物体位置的变化不应该影响成像的质量。 在机器视觉应用系统中一般使用透射光和反射光。对于反射光情况应充分考虑光源和光学镜头的相对位置，物体表面的纹理，物体的几何形状等要素。光源设备的选择必须符合所需的几何形状，照明亮度，均匀度，发光的光谱特性也必须合实际的要求，同时还要考虑光源的发光效率和使用寿命。表1列出了主要几种光源的相关特性。 表1各光源对比光源颜色寿命（小时）发光点特点卤素灯白色偏黄5000-7000很亮发热多，较便宜荧光灯白色偏绿5000-7000亮较便宜LED灯红黄绿白蓝60000
11、-100000较亮发热少，固体能做成很多形状氙灯白色偏蓝3000-7000亮发热多，持续光电致发光管由发光频率决定5000-7000较亮发热少，较便宜其中LED光源凭借其诸多的优点在现代机器视觉系统中得到越来越多的应用。本课题即是使用LED光源用作照明。(2) 光学镜头光学镜头相当于人眼的晶状体，在机器视觉系统中非常重要作用。镜头的种类按焦距可分为广角镜头,标准镜头，长焦距镜头；按动作方式可分为手动镜头，电动镜头；按安装方式可分为普通安装镜头，隐蔽安装镜头； 按光圈可分为手动光圈，自动光圈；按聚焦方式可分为手动聚焦，电动聚焦，自动聚焦;按变焦倍数可分为2倍变焦，6倍变焦，10倍变焦，20倍变焦
12、等。镜头的主要性能指标有焦距，光阑系数，倍率，接口等。(3) CCD摄像机目前CCD摄像机以其小巧、可靠、清晰度高等特点在商用与工业领域都得到了广泛地使用。CCD摄像机按照其使用的CCD器件可以分为线阵式和面阵式两大类。线阵CCD摄像机一次只能获得图像的一行信息，被拍摄的物体必须以直线形式从摄像机前移过，才能获得完整的图像。它主要用于检测条状，筒状产品，例如布匹、钢板、纸张等。面阵摄像机可以一次获得整幅图像的信息。(4) 图像采集卡 在基于PC机的机器视觉系统中，图像采集卡是控制摄像机拍照，完成图像采集与数字化，协调整个系统的重要设备。它一般具有以下功能模块： 图像信号的接收与A/D转换模块，
13、负责图像信号的放大与数字化。有用于彩色或黑白图像的采集卡，彩色输入信号可分为复合信号或RGB分量信号。同时，不同的采集卡有不同的采集精度，一般有8Bit 和10Bit 两种。 摄像机控制输入输出接口，主要负责协调摄像机进行同步或实现异步重置拍照，定时拍照等。 总线接口，负责通过PC机内部总线高速输出数字数据，一般是PCI接口，传输速率可高达130Mbps，完全能胜任高精度图像的实时传输，且占用较少的CPU时间。有的图像采集卡同时还包括显示模块，负责高质量的图像实时显示，通讯接口负责通讯，一些高档图像采集卡还带有DSP数字处理模块，能进行高速图像预处理， 适用于高档高速应用。(5) 视觉传感器
14、基于PC机的机器视觉系统结构没有模块化安装不方便，可移植性差，特别是与工业广泛使用的PLC接口比较麻烦。从软件和硬件开发两个方面来考虑，都需要一种更适合工业需求的机器视觉组件。目前国外已经开发出了一种叫做视觉传感器的模块化部件，下图2-2为实物图，这种视觉传感器集成了光源，摄像头，图像处理器，标准的控制与通讯接口，自成为一个智能图像采集与处理单元。内部程序存储器可存储图像处理算法，并能使用PC机，利用专用组态软件编制各种算法下载到视觉传感器的程序存储器中。视觉传感器将PC的灵活性，PLC的可靠性，分布式网络技术结合在一起。用这样的视觉传感器和PLC可以更容易地构成机器视觉系统。 2-2视觉传感
15、器2.2 功能技术指标 综合考虑液压机机体结构特征及其工作环境的特殊性，对活动横梁水平方向偏移在线检测系统基本要求如下： (1) 检测装置结构简单，且其安装对液压机基体的损伤或变动小； (2) 检测装置具有可拆卸性和灵活的调整功能，且其安装与维护不影响液压机的正常工作； (3) 检测装置能够适应检测对象液压机活动横梁剧烈冲击、振动的工作环境； (4) 检测范围大于20mm20mm，检测精度达0.1mm，检测频率高于5Hz，工作稳定、可靠； (5) 系统抗干扰能力强，能够实现水压机恶劣环境下检测信号的远距离高可靠性传输，且系统御线方便。2.3 总体方案设计2.3.1 基准检测2-3活动横梁结构图 300MN模锻水压机本体结构复杂，为8柱8缸
