采用了FPGA微處理器和數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)的鋼卷尺自動(dòng)切零系統(tǒng)

鋼卷尺是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫牧烤?，在鋼卷尺的生產(chǎn)過程中，鋼卷尺印刷完成后卷成一盤上千米長的尺帶盤，需對(duì)其進(jìn)行切零。鋼卷尺的切零質(zhì)量直接影響著尺帶的整體質(zhì)量以及生產(chǎn)中產(chǎn)生廢品的概率。目前我國許多鋼卷尺生產(chǎn)企業(yè)的鋼卷尺切零仍停留在半自動(dòng)切階段，由電機(jī)完成送帶，人工進(jìn)行尺帶的瞄準(zhǔn)和切帶，存在人為因素多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低等弊端。

1．1 系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)工作原理如圖1所示。系統(tǒng)通過K1700B控制器，定長快速精確(±2mm)送帶，中心控制器實(shí)時(shí)對(duì)CCD采集的圖像進(jìn)行處理并輸出位置和瞄準(zhǔn)信號(hào)?？焖偎蛶瓿珊?，數(shù)控裝置接收位置信號(hào)后，根據(jù)收到的位置信號(hào)控制送帶方向，進(jìn)行慢速精確瞄準(zhǔn)，數(shù)控系統(tǒng)收到來自中心控制器的瞄準(zhǔn)信號(hào)后，停止電機(jī)送帶，自動(dòng)沖切尺帶，最后由出帶機(jī)構(gòu)完成自動(dòng)出帶。

圖1 鋼卷尺自動(dòng)切零機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖

1．2 零位動(dòng)態(tài)識(shí)別一自動(dòng)瞄準(zhǔn)原理

鋼卷尺自動(dòng)切零的關(guān)鍵是瞄準(zhǔn)刻度線的位置識(shí)別與自動(dòng)瞄準(zhǔn)，是通過中心控制器來實(shí)現(xiàn)的。通過對(duì)FPGA的編程實(shí)現(xiàn)在監(jiān)視器上發(fā)生兩條靜態(tài)視頻分劃豎線。和一條動(dòng)態(tài)視頻橫線舊，(豎線的左右位置以及橫線的左右、上下、長短都可通過按鍵調(diào)節(jié))。兩條視頻豎線作為瞄準(zhǔn)基準(zhǔn)線，通常企業(yè)選擇18cm刻度線作為瞄準(zhǔn)刻度線，切帶位置和瞄準(zhǔn)基準(zhǔn)位置間距就為18cm。在鋼卷尺的刻度線紋中，厘米刻度線比毫米刻度線長，利用這個(gè)特點(diǎn)可通過視頻橫線來選擇瞄準(zhǔn)對(duì)象。

瞄準(zhǔn)刻度線的動(dòng)態(tài)識(shí)別是通過動(dòng)態(tài)掃描選中需要瞄準(zhǔn)的刻度線，然后確定瞄準(zhǔn)刻度線關(guān)于基準(zhǔn)點(diǎn)的方位(基準(zhǔn)點(diǎn)的左邊還是右邊)。為了防止在實(shí)際工作中鋼卷尺在快速輸運(yùn)過程中產(chǎn)生上下竄動(dòng)而引起誤識(shí)別，系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)來確定瞄準(zhǔn)刻度線。其原理如下，待調(diào)節(jié)好兩豎線的間距(約為瞄準(zhǔn)刻度線寬度的80％)和橫線的長度、位置后(橫線長度不超過10ram，均布于豎線兩側(cè))，在視頻橫線所覆蓋的區(qū)域上，一旦有一根以上或沒有刻度線時(shí)，視頻橫線就自動(dòng)往下掃描(掃描區(qū)域設(shè)置為40行，掃描到最底端后，橫線回到起始位置從新往下掃描)，直到橫線所覆蓋的區(qū)域上只有一根刻度線為止。在快速送帶精度保證下，瞄準(zhǔn)刻度線始終位于瞄準(zhǔn)基準(zhǔn)線±2mm范圍之內(nèi)，所以視頻橫線最多而且必定只選擇瞄準(zhǔn)刻度線作為瞄準(zhǔn)對(duì)象。選中瞄準(zhǔn)對(duì)象后系統(tǒng)進(jìn)行位置識(shí)別，以左豎線與橫線的交點(diǎn)為基準(zhǔn)判斷瞄準(zhǔn)對(duì)象位置，分辨出瞄準(zhǔn)刻度線位于基準(zhǔn)點(diǎn)的哪一邊，根據(jù)位置識(shí)別的結(jié)果，數(shù)控系統(tǒng)決定尺帶做瞄準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)的方向，控制送帶電機(jī)進(jìn)而控制水平運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)帶動(dòng)尺帶往相應(yīng)的方向運(yùn)動(dòng)。瞄準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行瞄準(zhǔn)工作，當(dāng)瞄準(zhǔn)刻度線即18cm刻度線與兩視頻豎線重合時(shí)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)發(fā)出瞄準(zhǔn)信號(hào)，數(shù)控系統(tǒng)控制送帶電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)鋼卷尺切零位系統(tǒng)的自動(dòng)瞄準(zhǔn)。

1．3 系統(tǒng)組成

鋼卷尺自動(dòng)切零系統(tǒng)由3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：進(jìn)帶系統(tǒng)、位置識(shí)別與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、切帶與出帶系統(tǒng)。其原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。進(jìn)帶系統(tǒng)通過進(jìn)帶電機(jī)和送帶電機(jī)實(shí)現(xiàn)快速送帶過程。為了使送帶過程平穩(wěn)，防止損壞尺帶，在兩個(gè)電機(jī)間設(shè)置了一調(diào)節(jié)輪。調(diào)節(jié)輪的另一端與調(diào)節(jié)電位器相連。當(dāng)送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速比進(jìn)帶電機(jī)快時(shí)，調(diào)節(jié)輪被向上提起從而改變了電位器的阻值，使變頻器輸出的時(shí)鐘脈沖頻率變高，進(jìn)帶電機(jī)的轉(zhuǎn)速也就越快，直到進(jìn)帶電機(jī)轉(zhuǎn)速和送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速相等時(shí)，變頻器輸出的時(shí)鐘脈沖頻率不變。反之，當(dāng)送帶電機(jī)降速時(shí)，進(jìn)帶電機(jī)也跟著降速，保證了進(jìn)帶和送帶的同步性。定位瞄準(zhǔn)系統(tǒng)主要由做水平瞄準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)和自動(dòng)瞄準(zhǔn)模塊組成，在上帶時(shí)，可通過調(diào)節(jié)手動(dòng)手柄來微調(diào)零位位置，使尺帶的“0”刻度線與沖切的刀具對(duì)齊。壓帶機(jī)構(gòu)前端與尺帶接觸的壓頭設(shè)計(jì)成與尺帶形狀吻合的弧形結(jié)構(gòu)，所用材料為尼龍，以防止壓壞尺帶。切帶與出帶系統(tǒng)由氣缸、沖床、出帶電機(jī)等組成。沖切氣缸控制沖床向下沖壓，切斷尺帶。出帶電機(jī)處于常轉(zhuǎn)狀態(tài)，完成切帶后，出帶氣缸控制出帶壓輪下壓，在出帶電機(jī)的帶動(dòng)下，將切好的尺帶自動(dòng)送出。

2 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由雙控制器及相應(yīng)的功能模塊組成，如圖2示，主要由基于FPGA的中心控制器、KT700B單軸數(shù)控系統(tǒng)、送帶和瞄準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)等組成。各個(gè)功能模塊間通過通信線進(jìn)行信號(hào)傳輸，在控制器的控制下協(xié)調(diào)工作。

圖2 控制系統(tǒng)接口圖

2．1 中心控制單元

中心控制單元的主要功能是對(duì)CCD采集的視頻信號(hào)進(jìn)行處理，輸出瞄準(zhǔn)刻度線的位置信號(hào)和瞄準(zhǔn)信號(hào)。圖3為中心控制單元的組成框圖，其中虛線內(nèi)表示FPGA要實(shí)現(xiàn)的功能。中心控制單元主要由二值化電路、同步分離電路、FPGA、疊加電路等組成。視頻信號(hào)輸入后經(jīng)同步分離電路分離出行同步信號(hào)和場同步信號(hào)，根據(jù)視頻分劃原理"。，通過對(duì)FPGA編程生成兩條靜態(tài)視頻豎線和一條動(dòng)態(tài)視頻橫線的控制信號(hào)，相與后控制疊加電路，即可實(shí)現(xiàn)顯示屏幕上簡單幾何圖形與視頻圖像的疊加。視頻信號(hào)二值化后，以橫線控制信號(hào)作為時(shí)鐘基準(zhǔn)，以視頻二值化信號(hào)和“0”電壓信號(hào)作為選擇對(duì)象，選出監(jiān)視器中橫線所覆蓋區(qū)域的圖像的二值化信號(hào)，輸入到瞄準(zhǔn)模塊和位置辨別模塊。瞄準(zhǔn)時(shí)以兩條豎線與橫線的交點(diǎn)作為瞄準(zhǔn)的時(shí)鐘基準(zhǔn)，視頻橫線選出的二值化信號(hào)作為瞄準(zhǔn)對(duì)象來實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)。位置辨別時(shí)以左豎線與橫線的交點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，以橫線選出的二值化圖像信號(hào)作為時(shí)鐘基準(zhǔn)，以左豎線與橫線的交點(diǎn)的延時(shí)信號(hào)作為判斷對(duì)象，辨別瞄準(zhǔn)刻度線在基準(zhǔn)點(diǎn)的哪一邊。最終，中心控制單元輸出瞄準(zhǔn)信號(hào)和位置信號(hào)給數(shù)控系統(tǒng)。同時(shí)為了有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行了光電隔離。

圖3 基于FPGA的中心控制單元原理框圖

2．2 數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)采用的是上海開通公司生產(chǎn)的KT700B單軸數(shù)控系統(tǒng)，其主要功能是對(duì)電機(jī)和氣動(dòng)系統(tǒng)的控制。開始工作后，由數(shù)控系統(tǒng)控制壓輪下壓，送帶電機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng)。送帶完成后，開始接收中心控制單元的位置信號(hào)和瞄準(zhǔn)信號(hào)，控制進(jìn)帶電機(jī)進(jìn)行慢速精確瞄準(zhǔn)，收到瞄準(zhǔn)信號(hào)后，控制沖切汽缸完成切帶，最后控制出帶壓輪下壓完成出帶。

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件部分包括FPGA的程序以及數(shù)控器的程序。FPGA的主要功能是生成兩條靜態(tài)視頻豎線、一條動(dòng)態(tài)視頻橫線的控制信號(hào)以及產(chǎn)生瞄準(zhǔn)和位置信號(hào)。數(shù)控系統(tǒng)控制氣動(dòng)系統(tǒng)和送帶電機(jī)，實(shí)現(xiàn)壓帶、快速送帶、慢速送帶，出帶等操作。圖4為系統(tǒng)軟件的控制流程圖。

圖4 系統(tǒng)軟件流程框圖

4 系統(tǒng)精度分析

影響鋼卷尺自動(dòng)切零機(jī)切帶精度的因素主要有：鋼卷尺上帶調(diào)整誤差，零位動(dòng)態(tài)瞄準(zhǔn)誤差以及其他隨機(jī)誤差等。在上帶調(diào)整后，瞄準(zhǔn)基準(zhǔn)線與切帶位置距離的值和瞄準(zhǔn)刻度線示值的差值就是上帶調(diào)整誤差。上帶調(diào)整誤差的大小與操作工人操作熟練程度有關(guān)，一般

零位動(dòng)態(tài)瞄準(zhǔn)誤差是由于鋼卷尺的零位瞄準(zhǔn)是動(dòng)態(tài)瞄準(zhǔn)而產(chǎn)生的誤差。零位瞄準(zhǔn)電路的瞄準(zhǔn)掃描周期r為20ms，在零位瞄準(zhǔn)電路工作時(shí)，鋼卷尺在瞄準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的帶動(dòng)下，一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。系統(tǒng)使用的送帶伺服電機(jī)在慢速送帶時(shí)的線速度為1.5mm／s，即慢速送帶時(shí)鋼卷尺的速度為1.5mm／s，那么瞄準(zhǔn)誤差為：

除了上面所說的兩種誤差外，系統(tǒng)還存在著其他隨機(jī)誤差，根據(jù)工廠經(jīng)驗(yàn)，這些誤差綜合起來一般在0.05mm左右，因此自動(dòng)切零位系統(tǒng)總誤差小于0．08mm。

5 結(jié)束語

采用了以FPGA為核心的中心控制單元、KTT00B數(shù)控系統(tǒng)等，在進(jìn)行軟硬件模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了高性價(jià)比鋼卷尺自動(dòng)切零系統(tǒng)。它不僅大大降低了操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)速度，而且也提高了零位瞄準(zhǔn)時(shí)的精度。圖5為鋼卷尺自動(dòng)切零系統(tǒng)實(shí)物圖。該系統(tǒng)已應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，切帶精度優(yōu)于±0．08mm，切帶速度為2～3s／條，企業(yè)反響良好。