自动浇注机上的机器视觉系统

钱红兵，苏中德

（1.无锡应达工业有限公司，江苏无锡214028；2.应达工业（上海）有限公司，上海201203）

自动浇注机上的机器视觉系统

钱红兵1，苏中德2

（1.无锡应达工业有限公司，江苏无锡214028；2.应达工业（上海）有限公司，上海201203）

“中国制造2025”的重点是发展智能制造，促使制造业数字化、网络化和智能化。企业所装备的设备具备自动化和智能化的特性是建设数字化铸造厂的前提条件。半自动浇注机的控制系统是开环控制，不能对生产过程中状态参数的变化做出及时调整。带机器视觉功能的全自动浇注机，闭环自适应控制，能根据浇注过程状态的变化，自动调整浇铸参数。机器视觉技术包括目标物图像的采集、图像的处理、指令的发出。VISIPOUR控制系统利用了机器视觉技术中成熟的算法，配备VISIPOUR的浇注机，具有高生产率、高铸件质量、节约金属液和外部通讯的特点。

自动浇注机；机器视觉；VISIPOUR控制系统

发源于上世纪末的信息技术革命，进入本世纪以来，得到迅猛发展，全球科技创新呈现出新的发展趋势，世界主要国家都在寻找科技创新的突破口，抢占未来经济科技发展的先机。德国发布了“工业4.0”战略，成为整个国家的发展蓝图。这一轮技术革命，对我国的产业发展既是挑战也是机遇，面对科技创新发展的新态势，我国提出“中国制造2025”，加快从制造大国向制造强国的跨越。

“中国制造2025”的主线是工业化和信息化的融合，重点发展智能制造，促使制造业数字化、网络化和智能化。首先，“三化”可以从根本上提高产品功能、性能，从而提高产品的市场竞争力；其次，“三化”可全面提升企业的设计、制造和管理水平，大幅度提高制造效益、降低产品成本和资源消耗，同时可以从容面对瞬息万变的市场，快速响应市场的变化[1]。

铸造是制造业的基础行业，内燃机中铸件的重量占总重的70%～90%；机床、拖拉机等通用机械中铸件的重量占65%～80%；矿冶、能源、军工等工业中，铸件占很大的比重和占重要的作用[2]。但到目前为止，绝大多数铸造企业仍然大量装备落后的设备，沿袭传统的手工生产方式，与建设数字化、网络化和智能化的铸造工厂的目标相比，有相当大的差距。

建设数字化铸造厂的前提条件之一，那就是企业所装备的设备必须具备自动化和智能化的特性。显而易见，铸造企业全部配备手工操作设备，这些设备既不能接受外界的信息指令执行自动操作，也不能向外传递信息，没有了建设数字化工厂的物质基础。随着技术的进步，铸造企业的造型、制芯、落砂等工序的设备能实行半自动化和自动化生产，但作为对铸件质量具有重大影响的铸型的浇铸工序，能够成功采用自动化生产的例子不普遍。

1 浇铸工艺的发展

1.1 人工浇注的局限性

传统的浇注是采用人工浇注的方法，基本的场景是由车间内的桥式起重机吊着浇包，人工控制浇包的移动，浇注速度完全由人工控制，人工浇注有如下缺陷：

（1）人工浇注的生产效率低下

人工浇注状态下每浇完一模，在开始浇注下一模以前，必须通过起重机移动浇包，定位到模型浇口的上方，这个过程的效率非常低下。以前整个社会的劳动生产率普遍偏低，矛盾不突出，但是在现代化的生产企业，要求很高的劳动生产率，如果其他工序均采用自动化的设备高效率地生产，浇注采用传统的工人浇注法，浇注工序就会成为制约整个企业效率提高的瓶颈（图1）.

图1 人工浇铸图

（2）产品质量不稳定

浇注温度和浇注速度是浇注过程中决定铸件质量的两个关键因素，人工浇注受人为因素的影响比较大，同样的生产条件，具有不同技能的浇注工可能生产出质量有很大不同的产品，即使是同一人，因为精神状态和生理状态的不同，产品质量也可能有非常大的差异。

（3）劳动强度大

人工浇注时，操作工必须近距离靠近浇包，处于高温环境下，工作环境差；浇注过程中，眼睛必须紧盯着铸型，大脑不停地思考判断，手还要时刻做出调节动作，体力消耗非常大，不符合提供劳动效率的同时降低劳动强度的要求。

1.2 半自动浇注机

半自动浇注机可以代替操作工的大部分体力劳动，控制方式有三种：（1）根据重量传感器；（2）根据时间；（3）学习和模仿人工浇注的过程。以上三种控制方式的设计理念是一致的，都基于一个假设：每次浇注的情况完全一样，是不会变化的。在国外一般将这些浇注机统称为预测式浇注机。

半自动浇注机的控制模式是开环控制系统，设备工作之前预先设置运行参数，不能对运行过程中发生的偏差做及时的调整。例如：如果氧化渣挡住了一部分浇嘴，浇注速度大大减少，这时候如果采用时间控制浇注机或示教式浇注机，当到达预先设定的结束浇注的条件时，浇注机会自动停止浇注，可是实际上这个时刻浇注尚未完成。

实现全自动浇注存在浇注机与造型线控制匹配问题，某自动浇注线上的浇注机可以实现定位浇注和移动浇注，所谓的移动浇注就是铸型不动，浇注机移动到铸型的上方进行浇注的方式，应该说随线运行的浇注方式可以极大提高生产效率，但实际运行过程中经常发生浇包和浇口偏离，既浪费了铁水，又需要工人清理砂箱表面残留的铁液[3]。

1.3 自动浇注机

针对半自动浇注机的缺点，发展了采用闭环自适应控制系统全自动浇注机，能根据浇注过程中状态的变化，自动调整浇铸参数。发展全自动浇注机的关键是能够连续和稳定地采集浇注状态参数，经综合分析判断后输出调节信号，使设备能够对变化了的状态做出适时的准确的响应。

近年发展起来的机器视觉技术，能非常好地适应上述的需求。自动浇注机采用机器视觉技术，摄像机直接扫描浇口杯的金属液面，根据浇口杯金属液面的高低，自动调整浇注速度，始终保持浇口杯液面充满，液面高度往往可以随时随意调整和设定，确保浇注质量达到最佳浇注的效果。

2 机器视觉系统

2.1 浇注工序的控制原理

人工浇注一个铸型时，典型的操作是：眼睛看着浇口杯，手动操作浇包的倾转机构，往铸型的浇口浇注铁水；在浇注过程中，必须目不转睛地观察着铁水浇到浇口杯的状况，大脑接受来自眼睛所观察到的信息后，与脑中存储的由经验构成的信息相比对，判断铁水浇注速率和浇口杯中的液面高度是否恰当，如上述参数不合适，则大脑给手下达指令，调整浇包的倾转机构，当液面到达要求的高度时，即停止浇注。浇注工的手、眼睛和大脑一起构成了一个基本的自动控制意义上的闭环控制系统。

机器视觉控制就是再现浇注工的眼手协调的一种系统，该系统主要由视频摄像机、计算机和执行机构构成，有时还包括光源系统。浇注工的眼睛被摄像机所取代，大脑被计算机或控制器及复杂的软件包所取代，手则被伺服驱动机构所取代（图2）.

图2 自动浇铸图

2.2 机器视觉系统介绍[4]

机器视觉系统就是利用机器代替人眼来作各种测量，通过计算机做判断，驱动执行机构完成各种调节操作。它是计算机学科的一个重要分支，它综合了光学、机械、电子、计算机软硬件等方面的技术，涉及到计算机、图像处理、模式识别、人工智能、信号处理、光机电一体化等多个领域。

视觉系统简单来说就可以用三个既独立又相互联系的模块来概括：目标物图像的采集、图像的处理、指令的发出（图3）。

2.2.1 图像的获取

图像的获取实际上是将被测物体的可视化图像和内在特征转换成能被计算机处理的一系列数据，主要由三部分组成：照明、图像聚焦形成、图像确定和形成摄像机输出信号。

2.2.2 图像处理技术

机器视觉系统中，视觉信息的处理技术主要依赖于图像处理方法，经过处理后，输出图像的质量得到相当程度的改善，既改善了图像的视觉效果，又便于计算机对图像进行分析、处理和识别。

2.2.3 输出或显示

处理器对图像进行处理、分析、识别，获得测量结果或逻辑控制值，再转变成控制信号输出到控制单元，调整设备以及流水线的动作和状态误差，使之符合预设的要求。

图3 机器视觉原理图

2.3 机器视觉技术的关键

2.3.1 定位铸模位置

全自动浇注生产线，首先需要做的是要能找到铸模目标物。铸模出现在拍摄视场中时，要能精确知道目标物在哪里，即使造型线的运行相当精确，也不能保证铸模每次都完全出现在同一位置的，这就需要用到定位功能。

2.3.2 标定

浇注过程中，需要高精度测量浇口的液位，为此需要做以下三个标定：（1）光学畸变标定；（2）投影畸变的标定，也就是因为安装位置误差引起的图像畸变校正；（3）物像空间的标定，也就是具体算出每个像素对应物空间的尺寸。目前通用的标定算法都是基于平面的标定，然而待测量的浇口不是平面的，需要作一些特种算法来处理。

2.3.3 环境的适应性

摄像是整个工业视觉控制系统的“眼睛”，是控制系统的启端，然而浇注现场的工作环境相当恶劣，表现为高温、浓烟尘的环境，摄像系统应能在烟雾缭绕的环境中快速准确识别铸型；同时摄像系统必须在上述的环境中长期稳定工作。

3 应达浇注机的机器视觉控制系统

3.1 系统的构成

（1）高性能的视频摄像机，能从被测量的浇口金属液表面上聚焦一小部分散射的光束，如同一个图像被聚焦到人眼眼底的视网膜上那样，传出的图象信息易于被操作系统和专用的控制软件所接受；

（2）计算机系统，预装了操作系统等通用软件，同时预装了Inductother m拥有知识产权的机器视觉控制系统VISIPOUR，专门为应达公司的浇注机开发，可以精确定位铸模和浇口；

（3）塞杆执行机构，应达全自动浇注机包括一套塞棒系统，可以通过气动自动控制，也可以通过操纵杆手动控制，塞棒由高精度的伺服电机控制；

（4）操作台，操作者可通过操作台进行远程控制，选择或设定理想的浇注曲线和其它浇注参数。

3.2 视觉控制系统VISIPOUR的特点

Inductother m利用从事铸造行业几十年所积累的铸造经验，为自动浇注专门开发的机器视觉控制系统VISIPOUR，用于浇注机控制系统有非常好的适应性。

（1）VISIPOUR控制系统利用了机器视觉技术中成熟的算法，利用计算机控制，能够真正实现对铸模和浇口的精确定位。

（2）利用金属和模具的高对比度，在浓密烟雾的环境中，也表现出卓越的控制性能。

（3）闭环控制的VISIPOUR，配备高效的由伺服电机驱动的塞棒系统，可与最新一代高速造型生产线相匹配。

（4）控制系统能够对浇注过程中出现的实际情况做出快速反应，并根据浇口的变化进行调整。

（5）控制系统基于Linux的LX操作系统，提供友好、简便的操作界面，提供浇注工艺管理功能，一个类型的铸件对应一种工艺，操作人员可以按生产计划来更换浇注的铸件类型；提供生产管理功能，记录生产数据；实时地监控设备，实时提供信息、警告和故障报警。

3.3 配备VISIPOUR的浇注机

3.3.1 高生产率

配备VISIPOUR的浇注机拥有快速定位铸模的能力，而且可以对变化了的实际情况做出快速反应，快节奏地生产，根据整个生产线的实际需要，浇注机生产节奏可调，能够与造型机的生产节奏完美匹配，快节奏浇注，每小时浇注超过400铸型。

3.3.2 高铸件质量

浇注速度和浇注时间的控制是浇注过程中保证铸件质量的关键因素之一，开始时慢浇，且不能直冲直浇口；中间按规定的速度快浇，以充满浇注系统；快充满时应慢浇，以防铁水漫出。理想状态下的最佳浇注，浇注设备能够准确地将铁水浇入铸型的浇口杯，在浇注过程中始终保持浇口杯液面充满，以防渣、气进入铸型，直至浇注结束[5]。

VISI POUR机器视觉控制系统能够根据监察到的浇注状况，调整浇包中金属液面的高度，配合自动调节的塞棒系统，能够实现按工艺规定的浇注速度浇注。如果浇口的浮渣过多，将提醒操作工清除浮渣，以保证铸件的质量。

3.3.3 节约金属液

VISIPOUR浇注机能够保持浇口杯充满，保证满杯浇注，内浇口压头恒定，能够保证浇注按照浇注系统设计的理想方式浇注，不用过多考虑因浇注过程波动而必须增加的浇口余量，可以采用较小的浇口杯，因而节约了铁水，提高工艺出品率。

精确的定位功能，即使浇口形状和位置有变化，铁水浇包的流口与铸型的浇口也能完美地对正，减少铁水的浪费。

精确的铁水流量控制，杜绝了铁水的外溢，准确的浇注末期闭口，减少浇注溶液的损失。

3.3.4 外部通讯

VISIPOUR控制系统留有与外部的数据接口，可与工厂的视频监控系统相连，进行远程监控；可以将本机的生产数据上传到控制中心，也可接受来自控制中心的指令，为建设智能化、数字化铸造厂提供了物质基础。

4 结语

浇注工序的生产特点是：重复性高、定位准确、危险性大、批量生产。配备VISIPOUR机器视觉控制系统的全自动浇注机，就成为人力的最佳替代方式。随着传感器技术、电脑技术和人工智能的发展，机器视觉技术日益向智能方向发展，将人工解放出来，实现浇注工序的完全自动化。

［1］周济．智能制造——“中国制造2025”的主攻方向［R］.北京：中国机械工程学会，2015.

［2］单忠德．机械装备工业节能减排制造技术［M］．北京：机械工业出版社，2014．

［3］任玉泉.HW S静压线浇注机自动浇注系统改造［J］.科技风，2012（18）：55.

［4］David. 机器视觉系统设计五大难点[EB/OL]．［2014-06-06］. http：//www.elecfans.com/kongzhijishu/jiqishijue/345065.html..

［5］曲卫涛．铸造工艺学［M］．西安：西北工业大学出版社，1994．

M achine Vision in Automatic Caster

QIAN Hong-bing1，SU Zhong-de2
（1.Wuxi Inductotherm Industrial Company,Wuxi 2140282，Chian；2.Inductotherm（Shanghai）Industrial Company,Shanghai201203，China）

The focus of“Made in China 2025”is the development of intelligentmanufacturing,pushing manufacturing works towards digital,network and intelligent.The precondition of the digitized foundry construction is that devices equipped by enterprises must have the characteristics of the automatic and intelligent.Control system in semi-automatic caster is the open loop control,cannot adjust parameters of the production process according manufacture situation.Automatic caster with the function of machine vision, which is closed loop adaptive control system,can automatically adjust the casting parameters according to the change of state of pouring process.Machine vision technology includes target image acquisition,image processing,and instructions.VISIPOUR control system uses themature algorithms inmachine vision technology.The caster equipped with VISIPOUR has the characteristics of high productivity,high casting quality andmetal liquid saving and external communication.

automatic caster，machine vision，VISIPOUR control system

TG23

A

1674-6694（2015）06-0007-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.06.003

2015-10-11

钱红兵（1976-），男，学士，工程师。