張命令，羅 宏

（重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054）

帶鋼是現(xiàn)代化建設(shè)中必不可少的原材料，其質(zhì)量好壞直接關(guān)乎我國汽車制造、航空航天、機(jī)械電子等領(lǐng)域的發(fā)展與進(jìn)步。通過檢測帶鋼表面缺陷可以評定其帶鋼質(zhì)量。如何快速準(zhǔn)確檢測帶鋼表面缺陷進(jìn)而提高帶鋼質(zhì)量與生產(chǎn)效率，是當(dāng)前我國技術(shù)進(jìn)步發(fā)展的需求，也是相關(guān)鋼鐵企業(yè)保持長盛不衰的關(guān)鍵所在。為此，迫切需要一種高自動化、高精度、高效率的檢測系統(tǒng)來完成這一要求。

目前，帶鋼表面缺陷檢測系統(tǒng)主要采用傳統(tǒng)檢測方法、自動檢測方法、基于PC視覺圖像處理的檢測方法等幾種方法進(jìn)行的二次開發(fā)[1]。傳統(tǒng)的表面缺陷檢測方法分為人工視覺法和頻閃光檢測法2種[2]。在20世紀(jì)中期，歐、美等西方發(fā)達(dá)國家的一些鋼鐵生產(chǎn)知名企業(yè)，依據(jù)人眼視覺檢測方法發(fā)明了頻閃光檢測法[3]、紅外檢測法[4]，以及通過測量漏磁通密度自動檢測帶鋼表面缺陷的系統(tǒng)[5]。雖然這幾種方法在一定程度上替代了人眼檢測，但尚存在檢測可靠性差，智能化程度不高，成本較高，過程復(fù)雜，等問題，仍未解決帶鋼表面缺陷種類及粗糙度等問題，最終未能得到廣泛應(yīng)用。

在此，提出采用三軸十字滑臺帶鋼表面檢測控制系統(tǒng)，不僅大大提高生產(chǎn)效率和自動化程度，而且精度也很高，甚至能檢測出人眼無法觀測的微小缺陷。該檢測方法具有效率高、誤差小、成本低等優(yōu)點，優(yōu)于一般的傳統(tǒng)檢測方法，因此具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和工程實際意義[6]。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計思路

1.1 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)思路

通過步進(jìn)電機(jī)控制十字滑臺運動，進(jìn)而帶動安裝在十字滑臺上的攝像機(jī)運動；攝像機(jī)在帶鋼表面上方按照預(yù)設(shè)的運動軌跡，采集待檢測帶鋼整個表面圖像信息，將采集到的圖像數(shù)據(jù)統(tǒng)一交由數(shù)字處理器DSP進(jìn)行下一步操作；DSP通過圖像處理，然后將獲取到的特征信息與事先建立的帶鋼表面缺陷標(biāo)準(zhǔn)信息庫進(jìn)行對比分析，進(jìn)而確定帶鋼表面是否存在缺陷，如有則對該缺陷進(jìn)行識別和進(jìn)一步處理。

據(jù)此，將帶鋼表面檢測系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)分為3個部分，如圖1所示。第一部分為基于十字滑臺的帶鋼表面圖像采集模塊，對帶鋼表面全區(qū)域進(jìn)行拍照采集獲取帶鋼表面圖像信息；第二部分，DSP對采集的圖像信息進(jìn)行初步處理分析，通過圖像識別帶鋼表面是否存在缺陷以及檢測到的缺陷類型；第三部分，對數(shù)字處理器處理得到結(jié)果保存，上位機(jī)對得到的帶鋼表面缺陷圖像及數(shù)據(jù)進(jìn)儲存管理。

圖1 帶鋼表面缺陷檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of steel strip surface defect detection system

1.2 檢測系統(tǒng)整體方案設(shè)計

滑臺由2個直線導(dǎo)軌滑臺組合而成，每個直線導(dǎo)軌滑臺通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠帶動螺母座控制滑臺進(jìn)行直線運動，可實現(xiàn)X，Y方向的直線進(jìn)給。三軸十字滑臺是在X-Y兩自由度十字滑臺的基礎(chǔ)上，通過安裝1個電動缸實現(xiàn)平臺的Z軸移動。整個滑臺測試系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 三軸十字滑臺整體系統(tǒng)方案Fig.2 Triaxial cross slide overall system scheme

計算機(jī)輸出控制信號，通過運動控制卡驅(qū)動X，Y，Z這3個方向的步進(jìn)電機(jī)。X-Y雙向十字滑臺的運動由X向和Y向步進(jìn)電動機(jī)來控制，它在Z軸方向上的運動通過步進(jìn)電動缸的運轉(zhuǎn)實現(xiàn)。電機(jī)控制滑臺各個機(jī)械結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)運動，以達(dá)到精確控制系統(tǒng)運動速度與位置。當(dāng)三軸十字滑臺停到預(yù)定地點后，編碼器會輸出信號給計算機(jī)，計算機(jī)捕捉信號后，驅(qū)動攝像頭抓拍帶鋼表面形貌的圖片。攝像頭抓拍完成后向計算機(jī)輸出反饋信號，計算機(jī)捕捉反饋信號后繼續(xù)驅(qū)動三軸十字滑臺向下一個目標(biāo)點運動。

1.3 檢測系統(tǒng)實現(xiàn)過程

檢測帶鋼樣板的尺寸為2000 mm×2000 mm。由于帶鋼面積較大，若采用攝像頭一次性抓拍帶鋼表面的形貌，則很難觀測帶鋼表面出現(xiàn)的具體缺陷。為此，提出了通過三軸十字滑臺帶動攝像頭，對帶鋼表面不同位置處進(jìn)行多次抓拍的方法，以完成帶鋼表面缺陷的檢測。如圖3所示，將帶鋼表面劃分成4×4個方格，對其依次編號，利用三軸十字滑臺帶動攝像頭沿虛線所示掃描路徑依次運動，抓拍相應(yīng)區(qū)帶鋼表面的形貌圖片。

圖3 攝像頭掃描路徑Fig.3 Camera scan path

檢測前，需將攝像頭恢復(fù)到初始位置，即利用X-Y十字滑臺將攝像頭恢復(fù)到區(qū)域1的中心位置處。檢測開始后，攝像頭首先抓拍區(qū)域1帶鋼表面形貌的圖片，拍攝完成后，計算機(jī)驅(qū)動X-Y十字滑臺將攝像頭移動到區(qū)域2進(jìn)行抓拍。通過計算機(jī)的控制，依次沿虛線路徑完成帶鋼表面的檢測。拍攝完成后，計算機(jī)對16張圖片進(jìn)行排列處理，分析帶鋼表面具體位置出現(xiàn)的問題，同時，計算機(jī)控制X-Y軸十字滑臺將攝像頭恢復(fù)到初始位置。

2 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 導(dǎo)軌副的設(shè)計

由待測帶鋼尺寸及攝像頭掃描路徑可知，該檢測系統(tǒng)中攝像頭的有效移動位移為1500 mm，考慮到局部放大的限制，將攝像頭的有效移動位移設(shè)定為2000 mm，即絲杠的有效工作長度為2000 mm。由此電動滑臺的總長度為2300 mm。

此外，對于電動滑臺1而言，它主要承受連接件與攝像頭的重量，故設(shè)定兩者的總重量為50 N。對于電動滑臺2，主要承受底部十字滑臺及相關(guān)部件的重量，則設(shè)定其總承重量為350 N。

直線滾動導(dǎo)軌副的表面摩擦系數(shù)較小，連接牢固不易滑動爬行，而且其傳動效率也相對較高。因此，導(dǎo)軌副選用了直線滾動導(dǎo)軌副，其具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。該直線導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為0.15，計算出導(dǎo)軌產(chǎn)生的最大摩擦力為

圖4 直線滾動導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)Fig.4 Linear rolling guide rail sub-structure

2.2 絲杠螺母副的設(shè)計

絲杠螺母副將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為直線運動。設(shè)計要求絲杠螺母副的定位精度為0.05 mm，并且滿足0.01 mm的脈沖當(dāng)量。在此條件下，滑動絲杠副無法滿足設(shè)計要求。

滾珠絲杠螺母副傳動效率也相對較高且精度有保證，同時其動態(tài)響應(yīng)迅速運行過程中比較平穩(wěn)，不會存在較大振動，且其使用壽命長，使用方便。本次設(shè)計選用滾珠螺母絲杠副，可以極大提高帶鋼表面缺陷檢測系統(tǒng)開發(fā)效率。

2.2.1 動載荷計算

根據(jù)機(jī)電一體化相關(guān)資料[7]，滾珠絲杠副的載荷Fc為

式中：KF為滾珠絲杠副的載荷系數(shù)，KF=1.2；KH為硬度系數(shù)，KH=1.0；KA為精度系數(shù)，精度等級為D級，KA=1.0；Fm為平均工作載荷，F(xiàn)m=350 N。 則由式（2）可得滾珠絲杠副的載荷Fc=420 N。滾珠絲杠副的額定動載荷 Ca′為

式中：n為絲杠的平均轉(zhuǎn)速，選取n=100 r/min，絲杠最大轉(zhuǎn)速可達(dá)1000 r/min；Lh′為絲杠副的使用壽命，Lh′=15000 h。通過式（3）可得滾珠絲杠副的額定動載荷Ca′=1881 N，再據(jù)此選取滾珠絲杠副，選取其型號為FC1-2004-2.5。

2.2.2 穩(wěn)定性檢驗

由于一端軸向固定的長絲桿在長時間工作過程中可能發(fā)生失穩(wěn)，因此需要對設(shè)計的滾珠絲杠副進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗。絲杠副型號FC1-2004-2.5，其公稱直徑為 20 mm，導(dǎo)程為 4 mm，螺旋角為 3°38′，滾珠直徑為2.381 mm。則絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的臨界載荷Fcr為

式中：E為絲杠材料的彈性模量，鋼材E=206 GPa；Ia為絲杠危險截面的軸慣性矩，根據(jù)相關(guān)公式計算，所用型號絲杠的軸慣性矩Ia=4.633×10-9m4；μ為絲杠的長度系數(shù)，μ=0.677；l為絲杠的有效工作長度，l=2000 mm。則由式（4）計算得到絲杠的臨界載荷Fcr=5293 N。絲杠的安全系數(shù)S[8]為

結(jié)果表明，絲杠是安全的，不會發(fā)生失穩(wěn)。此外，長絲杠在高速轉(zhuǎn)動時容易發(fā)生共振，還需要對其臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行驗證。絲杠的臨界轉(zhuǎn)速ncr為

式中：fc為絲杠的臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，fc=3.927。由式（6）求得 ncr=1505 r/min，nmax=1500 r/min， 故 ncr＞nmax，絲杠在工作過程中不會發(fā)生共振。

2.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇

步進(jìn)電機(jī)的步距角[9]為

式中：α為步進(jìn)電機(jī)的步距角，°；δ為步進(jìn)電機(jī)脈沖當(dāng)量，δ=0.005；p 為滾珠絲杠的導(dǎo)程，p=4 mm；i為電機(jī)傳動系統(tǒng)的傳動比，i=2.7＞1，因此要求減速器采用1級傳動。其齒輪齒數(shù)為Z1=20，Z2=54，模數(shù)m=2，齒輪寬設(shè)定為36 mm。

先計算步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，據(jù)此再選擇相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)。對于所采用的傳動系統(tǒng)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量Jd為

式中：JZ1為減速箱中齒輪1的轉(zhuǎn)動慣量；JZ2為減速箱中齒輪2的轉(zhuǎn)動慣量：Js為絲杠的轉(zhuǎn)動慣量；m為絲杠的負(fù)重。進(jìn)一步簡化運算，將三者視為圓柱體。圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量J為

式中：ρ為部件材料的密度；d為傳動件的等效直徑；l為傳動件的軸向長度。 根據(jù)式（8），（9）計算得到該傳動系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)動慣量為Jd=5.89×104kg/m2。

2.4 電動缸結(jié)構(gòu)設(shè)計

該帶鋼檢測系統(tǒng)的電動缸結(jié)構(gòu)如圖5所示。其主要由上、下連接板，導(dǎo)桿，步進(jìn)電機(jī)，絲杠傳動系統(tǒng)，等組成。上、下連接板分別與機(jī)架和十字滑臺相連接，通過步進(jìn)電機(jī)控制絲杠傳動系統(tǒng)帶動推桿上下運動。由于需要檢測帶鋼全區(qū)域表面缺陷狀況，十字滑臺需要運動到一些極限位置，這時將給電動缸推桿帶來較大的徑向力[10]，為此如圖所示設(shè)計了4個導(dǎo)柱，由它們分擔(dān)電動缸推桿承受的徑向力，極大提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

圖5 電動缸結(jié)構(gòu)Fig.5 Electric cylinder structure

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 檢測系統(tǒng)處理單元

在帶鋼表面缺陷檢測系統(tǒng)中，其控制系統(tǒng)通用的處理方式是基于PC的表面缺陷檢測處理系統(tǒng)。作為系統(tǒng)核心處理單元，主控計算機(jī)負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)及其他全部管理動作，需要綜合考慮系統(tǒng)與相機(jī)、編碼器、外部PLC及PC本身外設(shè)的連接與通信控制，同時提供各種可視化界面；當(dāng)檢測到帶鋼表面存在缺陷時，控制系統(tǒng)迅速對有瑕疵圖像進(jìn)行圖像處理，并結(jié)合圖像分析出該缺陷類型位置等信息，啟動聲光報警裝置，同時發(fā)出I/O控制指令，將無缺陷與有缺陷帶鋼區(qū)分控制。

典型的帶鋼表面缺陷檢測系統(tǒng)處理單元構(gòu)成如圖6所示，本系統(tǒng)使用攝像頭來并行對檢測表面的缺陷圖像進(jìn)行采集。

圖6 帶鋼表面缺陷檢測系統(tǒng)處理單元構(gòu)成Fig.6 strip surface defect detection system processing unit structure

3.2 PLC外圍接線

控制系統(tǒng)由PLC控制器、伺服放大器、伺服閥、步進(jìn)電機(jī)、攝像頭及A/D，D/A模塊等部分組成?？刂破鹘o出控制信號，經(jīng)伺服放大器放大后驅(qū)動伺服閥，控制步進(jìn)電機(jī)推動攝像頭跟隨十字滑臺移動，帶鋼表面缺陷信號經(jīng)攝像頭采集反饋回PC做圖像處理，進(jìn)而形成完整環(huán)控制系統(tǒng)。PLC是一種可以進(jìn)行數(shù)字運算的電子系統(tǒng)，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、邏輯運算、時間控制、順序控制等多種操作，可以通過數(shù)字信號或者模擬信號進(jìn)行輸入輸出，控制各種機(jī)械運動[11-13]。因此，采用PLC設(shè)計的控制系統(tǒng)，可以滿足帶鋼表面檢測系統(tǒng)對控制的需求，如圖7所示。

圖7 外圍電氣元件接線圖Fig.7 Wiring diagram of external electrical components

3.3 PLC程序設(shè)計

對于該系統(tǒng)，PLC程序設(shè)計的主要任務(wù)是根據(jù)接收到的外部開關(guān)信號（按鈕、繼電器）的輸入，判斷當(dāng)前帶鋼表面缺陷檢測系統(tǒng)所處狀態(tài)以及輸出信號去控制接觸器、繼電器、步進(jìn)電機(jī)等部件，以完成相應(yīng)的對三軸十字滑臺的控制任務(wù)，最終實現(xiàn)對帶鋼表面全區(qū)域進(jìn)行圖像采集。帶鋼表面缺陷檢測系統(tǒng)梯形圖如8所示。

圖8 帶鋼表面缺陷檢測系統(tǒng)梯形圖Fig.8 Ladder diagram of steel strip surface defect detection system

4 系統(tǒng)的三維裝配設(shè)計與仿真驗證

4.1 系統(tǒng)總體三維裝配設(shè)計

帶鋼表面缺陷檢測系統(tǒng)總體裝配圖如圖9所示，系統(tǒng)由鋁合金框架、三軸十字滑臺、攝像頭、基座等組成。其基座主要用于固定整個檢測系統(tǒng)及承載待檢測帶鋼；鋁合金框架主要用于安裝三軸十字滑臺；三軸十字滑臺主要用于控制攝像頭運動軌跡；攝像頭用于帶鋼表面圖像采集。

圖9 檢測系統(tǒng)總體裝配圖Fig.9 Overall assembly diagram of the inspection system

檢測過程中將攝像圖安裝在十字滑臺下方，十字滑臺安裝于鋁合金機(jī)架上，機(jī)架整體安裝在基座上。將待檢測帶鋼樣本置于基座上，通過步進(jìn)電機(jī)控制十字滑臺上攝像頭運動軌跡，進(jìn)而實現(xiàn)對帶鋼表面全區(qū)域圖像采集，將采集到圖像數(shù)據(jù)送給數(shù)字處理器DSP進(jìn)行處理。DSP對采集到的圖像信息進(jìn)行圖像處理目標(biāo)識別，得到帶鋼表面缺陷信息，實現(xiàn)對帶鋼表面表面缺陷的檢測。

4.2 機(jī)架承載力計算與仿真驗證

結(jié)合待測帶鋼的尺寸及十字滑臺高度尺寸，所設(shè)計的機(jī)架尺寸為2600 mm×2600 mm×1500 mm，既滿足帶鋼檢測需求又盡可能地節(jié)約材料。機(jī)架采用50 mm×50 mm鋁型材，鋁型材間采用連接件進(jìn)行連接以保證機(jī)架力學(xué)性能。

利用有限元分析軟件對所設(shè)計的鋁合金框架進(jìn)行了靜態(tài)力學(xué)分析。仿真分析過程時，框架的底部設(shè)置為固定件，在框架中間的橫梁上施加500 N的豎向載荷，各零部件之間采用直接接觸的連接方式。仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 豎向載荷形變的仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of vertical load deformation

由圖可見，在500 N垂直向下的豎向載荷下，框架的橫向鋁型材的變形比豎向鋁型材的變形要嚴(yán)重得多，尤其是施加載荷的橫梁上，其形變較其他部分顯著?？蚣艿淖畲笮巫兾灰茷?.906×10-2mm，最大應(yīng)變?yōu)?.813×10-6mm。該結(jié)果表明，在500 N載荷下，框架的變形量很小，基本可以說明在十字滑臺運行過程中，框架是非常穩(wěn)定的，不會給十字滑臺的運行造成障礙。采用該方式搭建的框架可行。

4 結(jié)語

針對帶鋼表面缺陷檢測問題，結(jié)合帶鋼表面缺陷特點，設(shè)計了基于PLC的三軸十字滑臺型帶鋼表面缺陷檢測系統(tǒng)，根據(jù)具體的實際工程需求確定了帶鋼表面缺陷檢測系統(tǒng)整體方案。完成了系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計及三維裝配設(shè)計，并采用有限元軟件對系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行了計算與仿真，從而驗證了檢測控制系統(tǒng)的可行性及可靠性。通過理論分析和實驗驗證，采用該檢測系統(tǒng)能夠獲得良好的控制效果，不僅能夠降低生產(chǎn)成本，提高后期工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量，減少材料浪費，還能提高企業(yè)生產(chǎn)效率，在實際工業(yè)生產(chǎn)中具有一定的應(yīng)用價值。

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