張娟娟 沈小渝

(1. 四川財(cái)經(jīng)職業(yè)學(xué)院，四川 成都 610101；2. 電子科技大學(xué)成都學(xué)院，四川 成都 611731)

在實(shí)踐中，規(guī)模化發(fā)展的食品工業(yè)需要更多更長(zhǎng)的加工流水線，這些流水線不可避免地存在平臺(tái)對(duì)接問題。而機(jī)械加工對(duì)接過程中受工作臺(tái)扭擺易產(chǎn)生誤差[1]，致使監(jiān)控對(duì)接過程的信號(hào)傳感器受到影響，大大降低了機(jī)械加工對(duì)接的精確度，導(dǎo)致機(jī)械加工控制效果差[2]。楊亮亮等[3]提出了將迭代學(xué)習(xí)控制方法從時(shí)域辨識(shí)拓展到正交矢量基函數(shù)空間領(lǐng)域，提高了控制系統(tǒng)的位置跟蹤精度和響應(yīng)性能，但對(duì)控制系統(tǒng)控制參數(shù)的把握較復(fù)雜且準(zhǔn)確度不高。朱莊生等[4]提出了單目視覺檢校方法，分析了合作靶標(biāo)精度對(duì)單目視覺姿態(tài)測(cè)量精度的影響，利用合作靶標(biāo)實(shí)現(xiàn)了視覺高精度姿態(tài)測(cè)量；基于正交矢量和動(dòng)態(tài)濾波的聯(lián)合標(biāo)定法等實(shí)現(xiàn)了具備高精度姿態(tài)精度的單目視覺檢校系統(tǒng)，但耗時(shí)較長(zhǎng)，不利于實(shí)際應(yīng)用。

基于上述問題，試驗(yàn)擬設(shè)計(jì)基于三維投影矩陣構(gòu)建生產(chǎn)流水線對(duì)接系統(tǒng)平臺(tái)，在機(jī)械加工對(duì)接過程中按照三維立體視覺原理，提取對(duì)接圖像特征點(diǎn)，針對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行三維投影矩陣計(jì)算，通過投影矩陣校對(duì)提高機(jī)械加工對(duì)接的精確度，改善機(jī)械加工控制效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械加工工作臺(tái)由于自身扭擺易產(chǎn)生誤差[5]，而三維投影矩陣在機(jī)械加工對(duì)接研究中效果顯著[6]，因此設(shè)計(jì)基于三維投影矩陣的機(jī)械加工系統(tǒng)平臺(tái)，將三軸測(cè)量與三維控制規(guī)劃到控制系統(tǒng)中，得到機(jī)械加工控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1中，系統(tǒng)對(duì)X、Y1、Y2展開控制，抑制由于工作臺(tái)擺動(dòng)產(chǎn)生的誤差。使用精密工件臺(tái)、微動(dòng)臺(tái)的組合結(jié)構(gòu)作為機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用微動(dòng)臺(tái)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，使定位系統(tǒng)取得高精準(zhǔn)定位度與點(diǎn)動(dòng)靈敏度[7]，且控制更為便捷。

圖1 食品生產(chǎn)流水線對(duì)接系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

由圖1可知，系統(tǒng)由兩個(gè)8098單片機(jī)電路、激光器控制模塊、測(cè)量單元、微動(dòng)臺(tái)精準(zhǔn)定位單元及三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等組成。機(jī)械加工控制系統(tǒng)的工作臺(tái)精密工作特性要求X-Y工件臺(tái)實(shí)現(xiàn)高速精準(zhǔn)定位，且滿足兩個(gè)方向在同一時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)定位等特點(diǎn)[8]。因此，在X、Y兩個(gè)方向上各加一片8098單片機(jī)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的單獨(dú)控制，并使X、Y兩個(gè)方向可以在同一時(shí)間運(yùn)動(dòng)。由于X、Y能夠獨(dú)立控制，所以X、Y運(yùn)動(dòng)互不影響，使得工件臺(tái)在工作過程中一直處于實(shí)時(shí)有效的閉環(huán)控制下，確保工件臺(tái)工作效率高，且具備較高控制實(shí)時(shí)性[9]。兩個(gè)方向的單片機(jī)工作相對(duì)獨(dú)立，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的軟件、硬件基本相互兼容。系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是調(diào)試方法簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，且后期維護(hù)便捷性強(qiáng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

機(jī)械加工控制系統(tǒng)中的三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)采用一種對(duì)脈沖信號(hào)控制的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)通過調(diào)整脈沖頻率來調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)需要3個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行3個(gè)維度的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)方式相同，圖2為其中一維的運(yùn)動(dòng)控制模塊電路圖。由圖2可知，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的DIR口和CP口分別與步進(jìn)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)I/O端口相連，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與脈沖。驅(qū)動(dòng)器A、B各自連接對(duì)應(yīng)的電機(jī)繞組，S1、S2為限位電路接口引腳，能各自連接單片機(jī)的I/O端口，達(dá)到機(jī)床限位控制的目的。

1. 電機(jī)繞組 2. 獨(dú)立驅(qū)動(dòng) 3. 獨(dú)立驅(qū)動(dòng) A. 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 B. 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 S1、S2. 限位電路接口引腳

圖2 三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制模塊電路圖

Figure 2 Circuit diagram of control module for 3D motion platform

2.2 激光器控制模塊設(shè)計(jì)

激光器控制模塊是三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的組成部分，該模塊通過控制激光器開關(guān)和控制激光器的輸出功率實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的激光控制，獲取機(jī)械對(duì)接的三維投影[10]。新研發(fā)的激光電源在前期激光電源設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，合并兩個(gè)輸入端口為一個(gè)脈沖輸入接口，調(diào)節(jié)激光器的開關(guān)和輸出功率。采用ATmega128的兩個(gè)I/O端口對(duì)激光器進(jìn)行控制。激光器控制模塊中PG0控制激光器開關(guān)，通過調(diào)節(jié)輸出高、低電瓶實(shí)現(xiàn)激光器開關(guān)控制。激光器控制模塊的PG1通過改變輸出頻率脈沖實(shí)現(xiàn)激光器功率的控制。

2.3 測(cè)量單元

機(jī)械加工控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)一定程度上由測(cè)量系統(tǒng)的精準(zhǔn)度決定[11]。測(cè)量單元是機(jī)械加工控制系統(tǒng)的重要組成部分，要求測(cè)量單元需具備測(cè)量精準(zhǔn)度高、反應(yīng)靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)量單元通過多普勒頻差測(cè)量位移技術(shù)，采用交流前置放大器替換常規(guī)直流放大器，實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)度動(dòng)態(tài)測(cè)量，獲取精準(zhǔn)實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)配備的自動(dòng)補(bǔ)償器補(bǔ)償波長(zhǎng)變化。

2.4 微動(dòng)臺(tái)精準(zhǔn)定位單元

微動(dòng)臺(tái)精準(zhǔn)定位單元依據(jù)系統(tǒng)測(cè)量單元的測(cè)量值，采用三維投影矩陣對(duì)接校對(duì)算法進(jìn)行精準(zhǔn)定位。圖3為微動(dòng)臺(tái)精準(zhǔn)定位電路原理圖。微位移性能指標(biāo)包括：量程145 μm；頻響范圍0～4 kHz；推力3 000 N；拉力600 N；剛度16 N·μm；位移分辨率>0.01 μm。圖3中，驅(qū)動(dòng)器放大器為一個(gè)線性放大器，具備分辨率高與穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，電壓輸出為0～1 200 V。

圖3 微動(dòng)臺(tái)精準(zhǔn)定位電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 基于立體視覺校對(duì)的對(duì)接圖像特征點(diǎn)提取

機(jī)械加工控制系統(tǒng)平臺(tái)的加工對(duì)象對(duì)接是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)加工的關(guān)鍵[12-13]，系統(tǒng)基于立體視覺校對(duì)提取對(duì)接圖像的特征點(diǎn)。依照?qǐng)D像識(shí)別原理選擇兩個(gè)性能較優(yōu)的對(duì)接裝置實(shí)施對(duì)接，按照三維立體視覺原理提取對(duì)象圖像特征點(diǎn)后，依據(jù)該特征點(diǎn)對(duì)機(jī)械加工平臺(tái)的三維對(duì)接圖像進(jìn)行校驗(yàn)[14]，提取圖像特征點(diǎn)過程如下。

機(jī)械加工校驗(yàn)對(duì)接時(shí)，選取應(yīng)符合相似度要求的對(duì)接圖像，從該圖像中采集對(duì)接區(qū)域的特征點(diǎn)，針對(duì)對(duì)接區(qū)域?qū)嵤┯行У娜S區(qū)域定位，樣本圖像采集原理如圖4所示。

圖4 樣本圖像采集原理

由圖4可知，機(jī)械加工對(duì)接圖像像素點(diǎn)用g表示，通過圖像采集設(shè)備Q1采集機(jī)械對(duì)接平臺(tái)圖像對(duì)接點(diǎn)g1，Q1、Q2兩個(gè)圖像采集設(shè)備需同時(shí)采集對(duì)接平臺(tái)其他對(duì)接點(diǎn)圖像，G為與此圖像相應(yīng)的實(shí)際對(duì)接平臺(tái)特征點(diǎn)，根據(jù)特征點(diǎn)空間位置關(guān)系，完成機(jī)械加工對(duì)接的三維圖像空間特征點(diǎn)定位。

在設(shè)備對(duì)接過程的樣本圖像中隨機(jī)選擇一點(diǎn)G，G在圖像采集設(shè)備Q1、Q2上的特征點(diǎn)分別為g1、g2，其對(duì)應(yīng)的投影矩陣分別為h1、h2，得式(1)、(2)。

(1)

(2)

式中：

(ψ1,θ1,1)、(ψ2,θ2,1)——圖像采集設(shè)備采集的對(duì)接三維圖像特征點(diǎn)坐標(biāo)；

(Z,A,B,I)——標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系中上述特征點(diǎn)的坐標(biāo)。

各特征點(diǎn)的變換處理通過式(3)實(shí)現(xiàn)。

(3)

按上述方法提取對(duì)接圖像特征點(diǎn)，完成機(jī)械加工控制對(duì)接。

3.2 三維投影矩陣對(duì)接校對(duì)算法設(shè)計(jì)

3.2.1 三維投影矩陣的定義及計(jì)算 依據(jù)提取的特征點(diǎn)對(duì)機(jī)械加工平臺(tái)的三維對(duì)接圖像進(jìn)行校驗(yàn)，根據(jù)3.1中提取的特征點(diǎn)構(gòu)建幾何矩陣，如式(4)。

(4)

將式(4)視為機(jī)械加工設(shè)備對(duì)接圖像特征，展開幾何矩陣計(jì)算。由于計(jì)算量龐大，無法應(yīng)用到圖像校對(duì)中，故將式(4)進(jìn)行轉(zhuǎn)變：

(5)

式中：

(6)

在i∈{0,1,…}上取得Ti(a,b)，即任意一個(gè)階矩，完成機(jī)械加工對(duì)接信息f(a,b,c)的還原。

(7)

(8)

(9)

式中：

minf(X)——目標(biāo)函數(shù)最小值。

X=Δa,Δb,Δzc,Sa,Sb,Sc,θa,θb,θc——待優(yōu)化參數(shù)，表示a,b與c方向上對(duì)接機(jī)械的位置移動(dòng)、收縮放大與旋轉(zhuǎn)角度。

最后采用Powell方法求解目標(biāo)函數(shù)的最小值，得到精準(zhǔn)的對(duì)接校對(duì)結(jié)果，從而改善機(jī)械加工平臺(tái)對(duì)接效果。

4 試驗(yàn)分析

4.1 系統(tǒng)控制效果分析

為驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基于三維投影矩陣的機(jī)械加工系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行如下試驗(yàn)分析。

試驗(yàn)以機(jī)械1、2為測(cè)試對(duì)象，給出a、b、c方向中兩個(gè)加工設(shè)備的映射變換關(guān)系的位置移動(dòng)、收縮放大與旋轉(zhuǎn)角度的實(shí)際數(shù)據(jù)，采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)、正交投影控制系統(tǒng)、單目視覺控制系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)食品機(jī)械加工設(shè)備進(jìn)行控制，測(cè)試3種系統(tǒng)下機(jī)械1、2位置移動(dòng)、收縮放大與旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)，與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 3種系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果方差分析

由表1可知，試驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制的機(jī)械1、2的位置移動(dòng)、收縮放大、旋轉(zhuǎn)角度的精度方差均小于正交投影控制系統(tǒng)和單目視覺控制系統(tǒng)，表明試驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)具備高精度的控制效果，滿足食品機(jī)械加工對(duì)接的需求。

4.2 系統(tǒng)控制效率與精度分析

由圖5可知，試驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械加工耗時(shí)18～23 min，正交投影控制系統(tǒng)加工耗時(shí)35～40 min，單目視覺控制系統(tǒng)加工耗時(shí)25～31 min，與同類型系統(tǒng)相比，試驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)節(jié)省了大量的加工時(shí)間，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械加工系統(tǒng)的高效率運(yùn)行。

由圖6可知，試驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的精確度最大可以無限接近于100%，最小精確度也在95%左右，表明試驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制精確度高于其他兩種系統(tǒng)，能夠確保機(jī)械加工的高精確度運(yùn)行。

圖5 3種系統(tǒng)耗時(shí)對(duì)比

4.3 不同條件下系統(tǒng)控制誤差分析

為驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制機(jī)械加工對(duì)接的普適性，以5 cm×5 cm、10 cm×10 cm尺寸的食品為對(duì)象，采用3種系統(tǒng)進(jìn)行食品加工對(duì)接試驗(yàn)，結(jié)果見表2、3。

由表2、3可知，加工不同尺寸食品時(shí)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械加工對(duì)接的相對(duì)誤差和對(duì)接時(shí)間均小于正交投影控制系統(tǒng)和單目視覺控制系統(tǒng)。針對(duì)5 cm×5 cm、10 cm×10 cm 尺寸的食品進(jìn)行對(duì)接，試驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)最大相對(duì)誤差值分別為1.50%，1.11%，單目視覺控制系統(tǒng)最大相對(duì)誤差值分別為3.85%，2.45%，正交投影控制系統(tǒng)最大相對(duì)誤差值分別為4.99%，3.65%，試驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的對(duì)接精準(zhǔn)度較高；同時(shí)，對(duì)接時(shí)間顯示，試驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需對(duì)接時(shí)間短、波動(dòng)性小，能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工的對(duì)接。

圖6 3種系統(tǒng)精確度對(duì)比

表2 5 cm×5 cm尺寸食品測(cè)試結(jié)果對(duì)比

表3 10 cm×10 cm尺寸食品測(cè)試結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

試驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用微動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的精準(zhǔn)定位，依據(jù)系統(tǒng)測(cè)量單元的測(cè)量值、采用三維投影矩陣對(duì)接校對(duì)算法進(jìn)行精準(zhǔn)定位，提升了機(jī)械加工控制系統(tǒng)的控制精確度。為進(jìn)一步改善機(jī)械加工的控制效果，可引入三維投影矩陣進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)接。