呂小松,田 靜,谷玲玲

（保定維爾鑄造機(jī)械股份有限公司，河北保定 071058）

自動(dòng)澆注機(jī)的液位檢測(cè)

呂小松,田 靜,谷玲玲

（保定維爾鑄造機(jī)械股份有限公司，河北保定 071058）

自動(dòng)澆注機(jī)就是以機(jī)器視覺技術(shù)和線激光技術(shù)作為檢測(cè)設(shè)備，掃描澆口杯中的金屬液面，將澆口杯液面的情況反饋給控制器，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂破鞲鶕?jù)澆口杯中金屬液面的高低，自動(dòng)調(diào)整澆注速度，以保證澆口杯中的金屬液面高度維持在設(shè)定高度，確保達(dá)到最佳澆注的效果。

自動(dòng)澆注機(jī)；液位檢測(cè)；機(jī)器視覺；線激光

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，信息技術(shù)得到迅猛發(fā)展，世界主要國(guó)家都在尋找科技創(chuàng)新的突破口，搶占未來(lái)經(jīng)濟(jì)科技發(fā)展的先機(jī)。本輪技術(shù)革命，對(duì)我國(guó)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展既是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇。“中國(guó)制造2025”的提出，使我國(guó)加快從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變。

鑄造是現(xiàn)代裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)之一，是機(jī)械工業(yè)的根本，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有極其重要的地位，鑄造生產(chǎn)的水平和鑄件品質(zhì)的好壞極大地影響著機(jī)械產(chǎn)品的發(fā)展和使用壽命。

澆注是鑄造生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè)十分重要的工序。近十幾年來(lái)，在自動(dòng)化造型生產(chǎn)線上，出現(xiàn)了不少半自動(dòng)化及自動(dòng)化的澆注設(shè)備，代替了原來(lái)的人工澆注，改變了工作環(huán)境溫度高，勞動(dòng)強(qiáng)度大的狀況，而且可以降低澆注廢品率，減少鐵液的浪費(fèi)，提高鑄件的品質(zhì)。

1 澆注工藝的發(fā)展

1.1 人工澆注

傳統(tǒng)的澆注是采用人工澆注的方法，基本是由車間內(nèi)的起重設(shè)備吊著澆包，人工控制澆包的移動(dòng)，澆注速度完全由人工控制。在澆注過(guò)程中操作工必須近距離的靠近澆包，工作溫度高，且人的眼睛緊盯著鑄型，不停地判斷液位狀態(tài)以實(shí)時(shí)改變澆注速度，體力消費(fèi)非常大。人工澆注受人為因素的影響比較大，相同條件下澆注工的澆注水平、身體狀況和心理情緒直接影響了澆注產(chǎn)品的品質(zhì)。

1.2 半自動(dòng)澆注機(jī)

半自動(dòng)澆注機(jī)替代人工澆注，降低了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度，通過(guò)增加操作臺(tái)或操作室，改善了澆注環(huán)境，保護(hù)了操作人員的人身安全。因半自動(dòng)澆注機(jī)的操作模式為開環(huán)方式，即通過(guò)輸入澆注的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行工作，在實(shí)際工作過(guò)程中設(shè)備本身無(wú)法對(duì)實(shí)際的澆注狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，所以在使用半自動(dòng)澆注機(jī)的過(guò)程中，常常需要人通過(guò)確認(rèn)實(shí)際澆口杯的鐵液液位對(duì)澆注機(jī)的澆注速度進(jìn)行實(shí)時(shí)干預(yù)，以保證澆注時(shí)間及澆注品質(zhì)。外界因素的變化及操作工的經(jīng)驗(yàn)與熟練程度直接影響了半自動(dòng)澆注機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的使用效果。

1.3 自動(dòng)澆注機(jī)

自動(dòng)澆注機(jī)是在半自動(dòng)澆注機(jī)的基礎(chǔ)之上，增加各類傳感器元件，對(duì)工作過(guò)程中的關(guān)鍵因素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，由澆注機(jī)本身針對(duì)澆注過(guò)程中的狀態(tài)變化，自動(dòng)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速響應(yīng)，達(dá)到最佳工作狀態(tài)。全自動(dòng)澆注機(jī)的使用大大降低了操作者本身的操作水平及主觀情緒對(duì)澆注過(guò)程的負(fù)面影響，提高了產(chǎn)品的品質(zhì)及生產(chǎn)效率。

2 自動(dòng)澆注機(jī)的液位控制

澆注機(jī)在整個(gè)工作過(guò)程中，澆注直接影響著產(chǎn)品本身的品質(zhì)和整體的工作效率。實(shí)現(xiàn)最佳澆注需要滿足澆注的精準(zhǔn)和合理的澆注系統(tǒng)。通常澆包的澆注速度必須保證砂型的澆口杯中保持一定的金屬液面高度，有的鑄件對(duì)澆注速度的控制要求更高，要求澆注速度能根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)不同，按規(guī)定的程序進(jìn)行調(diào)節(jié)，即要求在一個(gè)砂型的澆注過(guò)程中，澆注速度能按一定的規(guī)律變化。

自動(dòng)澆注機(jī)就是以機(jī)器視覺技術(shù)和線激光技術(shù)作為檢測(cè)設(shè)備，掃描澆口杯中的金屬液面，將澆口杯液面的情況反饋給控制器，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制器根據(jù)澆口杯中金屬液面的高低，自動(dòng)調(diào)整澆注速度，以保證澆口杯中的金屬液面高度維持在設(shè)定高度，確保達(dá)到最佳澆注的效果。

3 機(jī)器視覺技術(shù)

3.1 機(jī)器視覺技術(shù)的原理

機(jī)器視覺技術(shù)采用CCD照相機(jī)將被檢測(cè)的目標(biāo)轉(zhuǎn)換為圖像信號(hào)，傳送至專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布、亮度和顏色等信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，圖像處理系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，如面積、數(shù)量、位置等。

3.2 機(jī)器視覺技術(shù)在液位檢測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用

在澆注現(xiàn)場(chǎng)安裝機(jī)器視覺照相機(jī)及固定光源，澆注過(guò)程中機(jī)器視覺控制器采集到如圖1中的圖像，通過(guò)圖像處理過(guò)濾掉干擾，得到圖2中的圖像，選定區(qū)域?qū)部诒瓋?nèi)的鐵液進(jìn)行測(cè)量,通過(guò)圖像的二值化處理得到圖3中的圖像，控制器計(jì)算區(qū)域內(nèi)白色圖像的面積，可得知鐵液在澆口杯中的實(shí)時(shí)面積，因澆口杯中鐵液液面面積與鐵液液面高度成比例關(guān)系，即可近似得到澆口杯中鐵液的液面高度。

圖1 視覺控制器采集到的圖像

圖2 處理過(guò)濾干擾得到的圖像

圖3 通過(guò)二值化處理得到的圖像

3.3 機(jī)器視覺技術(shù)的不足

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)器視覺對(duì)外部環(huán)境要求較高,光照及溫度的變化都會(huì)影響實(shí)際的測(cè)量結(jié)果,因此在使用機(jī)器視覺時(shí)應(yīng)配穩(wěn)定的外界光源及冷卻設(shè)備。

實(shí)際測(cè)量中,以鐵液液面面積求得鐵液液面高度的方式也會(huì)因一些外部因素而影響測(cè)量結(jié)果,如鐵液飛濺、鐵液溢流等。

4 線激光技術(shù)

4.1 線激光傳感器的組成和原理

線激光傳感器由三個(gè)主要部分組成：①光源,它具有一個(gè)激光二極管及一套將激光束聚焦到所測(cè)液體金屬表面的透鏡系統(tǒng)；②照相機(jī)，它從被測(cè)量的表面聚焦一部分散射的激光；③集成的處理器,它通過(guò)一定的算法得到需要的數(shù)據(jù)。

線激光測(cè)量采用光三角形測(cè)量原理。激光探測(cè)器得到圖像位置信號(hào)，信號(hào)處理電子線路將此信號(hào)轉(zhuǎn)換為到被測(cè)表面的距離，各種來(lái)自液體金屬的外界光源包括可視光和紅外光，可以通過(guò)光學(xué)上過(guò)濾，而不影響測(cè)量品質(zhì)。因此，這種系統(tǒng)能夠很好地適用于液態(tài)金屬液面位置的監(jiān)控。

4.2 線激光技術(shù)在液位檢測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用

當(dāng)砂型的澆口杯直接位于澆包出鐵口下方時(shí)，線激光發(fā)生裝置發(fā)射出一條橫切澆口杯的激光線如圖4所示。

激光圖像在照相機(jī)中顯示如圖5的圖像，即未澆注時(shí)澆口杯的輪廓。

澆注過(guò)程中激光圖像在照相機(jī)中顯示如圖6的圖像,即正在澆注時(shí)澆口杯及鐵液液面的輪廓,其中綠色區(qū)域2指示的是砂箱面，綠色區(qū)域1指示的是澆口杯中鐵液液面，通過(guò)集成的處理器，應(yīng)用三角測(cè)量法可得到澆注過(guò)程中傳感器至砂箱面和澆口杯鐵液液面的直線距離，再根據(jù)安裝角度，可計(jì)算出傳感器到砂箱面和澆口杯鐵液液面的垂直距離，而兩者垂直距離的差值即為澆口杯鐵液液面相對(duì)于砂箱面的高度。

圖4 橫切澆口杯的激光線

圖5 激光圖像在照相機(jī)中顯示的圖像

圖6 澆注過(guò)程中激光圖像在照相機(jī)中顯示的圖像

線激光技術(shù)探測(cè)面積大、信號(hào)強(qiáng)，因而為建立響應(yīng)提供了更多的信息。線激光控制技術(shù)反應(yīng)速度快，可以適用于較小澆口杯的情況，而且線激光傳感器檢測(cè)的就是澆口杯中實(shí)際的鐵液液位變化，可避免其他因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾。

5 結(jié)語(yǔ)

機(jī)器視覺技術(shù)及線激光技術(shù)在澆注機(jī)上的應(yīng)用，大大提高了澆注機(jī)在澆注過(guò)程中的自動(dòng)化程度，配合快速精準(zhǔn)響應(yīng)的伺服控制系統(tǒng)，其澆注速度及澆注品質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人工澆注。

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Liquid level detection in automatic caster

LV XiaoSong,TIAN Jing,GU LingLing
(Baoding well foundry machinery Co.,Ltd.，Baoding 071058,Hebei,China)

Automatic Caster is based on the machine vision technology an the line laser technology,scanning the gate surface of the metal.The surface of the pouring cup surface feedback to the controller to form a closedloop control system.The controller automatically adjusts the pouring speed according to the level of the metal surface in the sprue cup to ensure that the metal level in the sprue cup is maintained at the set height to ensure the best pouring effect.

automatic caster,liquid level detection,machine vision,line laser

TG232.7；

B；

1006-9658（2017）02-0066-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.02.022

2016-10-06

稿件編號(hào):1610-1544

呂小松（1985—），男， 工程師 . 主要從事電氣設(shè)計(jì)與調(diào)試工作.