□ 馮 浩 □ 李居峰 □ 趙佳慶 □ 鄧宜興

上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 上海 200072

基于數(shù)據(jù)采集卡的煙條表面瑕疵檢測(cè)系統(tǒng)

□ 馮 浩 □ 李居峰 □ 趙佳慶 □ 鄧宜興

上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 上海 200072

介紹了一種煙條表面瑕疵檢測(cè)系統(tǒng)中的自學(xué)習(xí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)香煙表面瑕疵的高速檢測(cè)。與傳統(tǒng)測(cè)量相比，具有的優(yōu)勢(shì)：第一，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)煙條表面的檢測(cè)；第二，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人操作，從開(kāi)機(jī)、學(xué)習(xí)到檢測(cè)不需要人工操作；第三，分開(kāi)保存了合格與不合格的檢測(cè)數(shù)據(jù)，方便歷史追溯與統(tǒng)計(jì)。

數(shù)據(jù)采集卡 自動(dòng) 光學(xué) 檢測(cè)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的煙條表面瑕疵檢測(cè)，大多依靠人工觀察，效率低，而且只能是少部分抽查，即使有部分廠(chǎng)家使用自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，也只針對(duì)鋼印的形狀，而對(duì)鋼印的位置與煙條上的其它瑕疵起不了作用。本文提出一種基于數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)的工件表面瑕疵檢測(cè)系統(tǒng)，在提高測(cè)量精度和效率的同時(shí)，保存了測(cè)量數(shù)據(jù)，便于工件加工工藝的改進(jìn)。

1 工件表面瑕疵檢測(cè)系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)使用Visual Studio軟件的C#編程語(yǔ)言編寫(xiě)上位機(jī)軟件。該程序包括工件表面測(cè)量點(diǎn)信息和測(cè)量信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)伺服電機(jī)及光碼盤(pán)控制工件運(yùn)動(dòng)與瑕疵檢測(cè)，通過(guò)DAQ-2010數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行信號(hào)采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過(guò)工控機(jī)處理與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并發(fā)送檢測(cè)結(jié)果給PLC，PLC根據(jù)檢測(cè)結(jié)果控制剔除閥剔除不合格香煙。通過(guò)用戶(hù)界面可以手工設(shè)置參數(shù)及調(diào)看歷史數(shù)據(jù)。

▲圖1 煙條瑕疵檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

2 數(shù)據(jù)采集卡選擇與控制

DAQ-2010是凌華數(shù)據(jù)采集卡的成員之一，該數(shù)據(jù)采集卡基于計(jì)算機(jī)PCI總線(xiàn)，可同時(shí)采集四路電壓信號(hào)。DAQ-2010數(shù)據(jù)采集卡的性能：支持32位3.3 V或5 V PCI總線(xiàn)，4通道差分模擬輸入，最高可達(dá)2兆點(diǎn)/秒同步采樣率，14位A/D分辨率，最高8kB采樣A/D FIFO，雙極性或單極性模擬輸入范圍，可編程增益：x1，x2，x4，x8。DAQ-2010數(shù)據(jù)采集卡同時(shí)還提供了可用于多種編程語(yǔ)言如VB、VC、VC++、C#等的二次開(kāi)發(fā)的文件。

本文采用了C#編寫(xiě)上位機(jī)軟件，其與數(shù)據(jù)采集卡的控制過(guò)程如下。

（1）安裝驅(qū)動(dòng)程序，在C盤(pán)會(huì)自動(dòng)生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件D2K-Dask.dll。

（2）在Visual Studio軟件的Windows窗體應(yīng)用程序中，在“解決方案資源管理器”的欄中添加引用，選擇現(xiàn)有項(xiàng)D2KDask.cs類(lèi)文件，再在Form1.cs窗口頂端添加using D2KDask，便可調(diào)用數(shù)據(jù)采集卡的庫(kù)函數(shù)。

（3）對(duì)采集卡進(jìn)行初始化。

①注冊(cè)采集卡，使用函數(shù)D2K_Register_Card，注冊(cè)成功后會(huì)返回卡號(hào)值。

② 根據(jù)返回的卡號(hào)設(shè)置每張卡的采集電壓范圍和模式，分別使用函數(shù) D2K_AI_CH_Config和D2K_AI_Config。DAQ-2010的采集范圍最大為-10～10 V，采集模式有內(nèi)部時(shí)鐘和外部觸發(fā)兩種，采集頻率最大為2 MB。本文選擇了-10～10 V的采集范圍，以及外部觸發(fā)的采集模式，外部觸發(fā)信號(hào)為光碼盤(pán)的A脈沖，每進(jìn)一個(gè)A脈沖采集一次數(shù)據(jù)。光碼盤(pán)安裝在生產(chǎn)所用的電機(jī)上，光碼盤(pán)轉(zhuǎn)一圈為256個(gè)脈沖，每64個(gè)脈沖為一支香煙的長(zhǎng)度，利用外部觸發(fā)可以不受生產(chǎn)速度的影響。本文所用的最大檢測(cè)速度為10 kB，所以采集卡滿(mǎn)足使用要求。

③設(shè)置A脈沖采集部分，使用D2K_GCTR_Reset函數(shù)設(shè)置采集通道，使用 D2K_GCTR_Setup與D2K_GCTR_Control設(shè)置采集模式，A脈沖的采集為程序檢測(cè)生產(chǎn)速度服務(wù)。

④設(shè)置緩存，使用D2K_AI_AsyncDblBufferMode開(kāi)辟雙緩存，當(dāng)一個(gè)緩存數(shù)據(jù)處理時(shí)，另一個(gè)進(jìn)行采集，以保證操作的速度與數(shù)據(jù)的安全性。使用

D2K_AI_ContBufferSetup設(shè)置緩存大小，緩存大小為256 byte，正好為4支香煙的數(shù)據(jù)。至此，數(shù)據(jù)采集卡初始化完畢。

（4）啟用與關(guān)閉數(shù)據(jù)采集卡，使用函數(shù)D2K_AI _ContReadChannel，采集卡開(kāi)始工作，當(dāng)收到外部觸發(fā)信號(hào)時(shí)，開(kāi)始采集。使用完采集卡后，使用D2K_AI_ AsyncClear釋放緩存，再使用D2K_Release_Card關(guān)閉采集卡。

3 光學(xué)檢測(cè)部分

采用光學(xué)檢測(cè)，其主要由光電二極管、透鏡、LED燈、放大電路等組成，利用光學(xué)進(jìn)行測(cè)量，具有測(cè)量速度快、靈敏度高、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。光學(xué)檢測(cè)原理如圖2所示。

▲圖2 光學(xué)檢測(cè)原理

共分8個(gè)通道，每個(gè)通道有2個(gè)LED燈。LED燈光照射在煙條表面，反射后經(jīng)透鏡聚焦在光電二極管上，產(chǎn)生的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路放大輸出。通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集電壓值，判斷煙條表面顏色。

4 自學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

4.1 自學(xué)習(xí)系統(tǒng)

該檢測(cè)系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)與檢測(cè)主要由一條測(cè)速線(xiàn)程控制，通電之后電腦自動(dòng)開(kāi)啟，程序開(kāi)機(jī)自啟動(dòng)。由于需要進(jìn)行高速采集和處理，程序使用了多線(xiàn)程技術(shù)，其中與學(xué)習(xí)相關(guān)的有4條，分別為采集卡監(jiān)測(cè)線(xiàn)程、測(cè)速線(xiàn)程、A脈沖計(jì)數(shù)線(xiàn)程及學(xué)習(xí)線(xiàn)程。

程序啟動(dòng)后，測(cè)速線(xiàn)程開(kāi)始工作。測(cè)速主要通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡上的計(jì)數(shù)器采集電機(jī)光碼盤(pán)上的A脈沖來(lái)測(cè)速，當(dāng)一定時(shí)間內(nèi)A脈沖數(shù)達(dá)到要求，程序進(jìn)入自學(xué)習(xí)模式，如圖3所示。其中A脈沖數(shù)“speed”由A脈沖計(jì)數(shù)線(xiàn)程提供。

采集卡監(jiān)測(cè)線(xiàn)程開(kāi)始檢測(cè)采集卡狀態(tài)。當(dāng)半滿(mǎn)（雙緩存有一個(gè)存滿(mǎn)）時(shí)，提取出數(shù)據(jù)，并通過(guò)D2K_AI_ ContVScale函數(shù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電壓值。這時(shí)，學(xué)習(xí)線(xiàn)程啟動(dòng)程序會(huì)采集20組數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算作為標(biāo)準(zhǔn)模板，學(xué)習(xí)線(xiàn)程功能如圖4所示。學(xué)習(xí)開(kāi)始信號(hào)，由測(cè)速線(xiàn)程給出。采集卡半滿(mǎn)信號(hào)為一組數(shù)據(jù)進(jìn)來(lái)時(shí)的信號(hào)，由采集卡監(jiān)測(cè)線(xiàn)程提供。學(xué)習(xí)的第一步為保存采集進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)，第二步為尋找Z脈沖，第三步是根據(jù)Z脈沖對(duì)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。雖然A脈沖為一圈256個(gè)，但偶爾會(huì)由于機(jī)械振動(dòng)等原因?qū)е旅}沖變多。而該檢測(cè)的一項(xiàng)內(nèi)容就是鋼印的位置，所以必須根據(jù)Z脈沖對(duì)齊（電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個(gè)Z脈沖）。程序中有采集次數(shù)設(shè)定，初始值為20次，也可手動(dòng)更改。當(dāng)采集次數(shù)達(dá)到設(shè)定值后，停止采集，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理階段。

▲圖3 測(cè)速線(xiàn)程工作原理圖

數(shù)據(jù)采集完成之后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理主要包括求平均曲線(xiàn)和計(jì)算包絡(luò)線(xiàn)。

平均曲線(xiàn)為20組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)求平均得到的平均值組成的曲線(xiàn)，再由平均曲線(xiàn)計(jì)算出檢測(cè)所用的上下包絡(luò)線(xiàn)。如圖5所示，橫坐標(biāo)為香煙長(zhǎng)度，一支香煙長(zhǎng)64 mm，縱坐標(biāo)為采集的電壓值。

圖中細(xì)實(shí)線(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)，粗實(shí)線(xiàn)為上下包絡(luò)線(xiàn)，只要采集的數(shù)據(jù)在包絡(luò)線(xiàn)內(nèi)都為合格。學(xué)習(xí)完后，學(xué)習(xí)線(xiàn)程關(guān)閉，檢測(cè)線(xiàn)程啟動(dòng)。當(dāng)速度低于一定標(biāo)準(zhǔn)值，程序進(jìn)

入待機(jī)狀態(tài)，直到速度再次滿(mǎn)足要求。

▲圖4 學(xué)習(xí)線(xiàn)程原理圖

▲圖5 系統(tǒng)學(xué)習(xí)后得到的圖像

自學(xué)習(xí)系統(tǒng)解決了香煙品種不同造成標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)不同的問(wèn)題，同時(shí)也降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

C#提供有比較多種類(lèi)的接口技術(shù)來(lái)支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)編程，例如ODBC、DAO、OLE/DB、ADO等。通過(guò)這些接口可直接操作SQL Server，Microsoft Access等多種較為普遍的數(shù)據(jù)庫(kù)。但使用發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)法存儲(chǔ)如此快的數(shù)據(jù)采集，所以采用txt文件作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，采用StreamWriter的方法寫(xiě)入txt，如果文件不存在，則會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建。由于txt文件隨文件變大，存儲(chǔ)速度就會(huì)變慢，所以每一天程序會(huì)創(chuàng)建600個(gè)txt文件，分別為1.txt，2.txt，…，600.txt，用來(lái)減小單個(gè)文件的大小。雙緩存每半滿(mǎn)一次，程序把數(shù)據(jù)存入一個(gè)txt，下一個(gè)半滿(mǎn)時(shí)存入下一個(gè)txt文件，以防止一個(gè)半滿(mǎn)時(shí)間txt沒(méi)存完導(dǎo)致程序出錯(cuò)或數(shù)據(jù)漏存。以下為合格數(shù)據(jù)存儲(chǔ)代碼：

其中，wlog是新建的一個(gè)StreamWriter方法。用File.Appendtext（）來(lái)指定文件路徑，并打開(kāi)該文件，用wlog.Write（）方法寫(xiě)入數(shù)據(jù)，再用wolg.Flush（）保存文件，最后通過(guò)wlog.Close（）關(guān)閉連接。

使用txt解決了數(shù)據(jù)高速存儲(chǔ)的問(wèn)題，方便了歷史數(shù)據(jù)追溯與統(tǒng)計(jì)。

5 結(jié)論

當(dāng)機(jī)器通電后，電腦自動(dòng)開(kāi)機(jī)，程序自啟動(dòng)。學(xué)習(xí)、檢測(cè)全部自動(dòng)完成，不需要任何人工操作，節(jié)省了勞動(dòng)力。使用了光學(xué)對(duì)煙條進(jìn)行全方位檢測(cè)，不漏過(guò)任何瑕疵。保存了不合格數(shù)據(jù)方便查看，程序里自帶了各種瑕疵統(tǒng)計(jì)，有助于改進(jìn)工作。最后通過(guò)剔除閥，阻止不合格的香煙通過(guò)。

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2014年12月