CN101249721B - 一种基于图像识别技术的挤出吹塑制品壁厚在线控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于图像识别技术的挤出吹塑制品壁厚在线控制系统，包括型坯壁厚在线检测模块、工控处理模块、模口间隙控制模块，所述型坯壁厚在线检测模块与工控处理模块相连接，所述工控处理模块与模口间隙控制模块相连接。一种挤出吹塑制品壁厚在线控制方法，包括下述步骤：通过调试获得目标型坯壁厚分布；在线获取型坯壁厚分布信息；采用模糊迭代学习控制算法在线修正机头模口间隙曲线，使最终制品壁厚分布符合要求。本发明稳定、操作简单、实现容易、成本较低，具有实时测量反馈调节控制，提高产品性能和降低材料消耗，保证产品性能的优点，可方便地应用于对现有的吹塑设备进行技术改造，显著提高吹塑产品的性能和合格率。

Description

一种基于图像识别技术的挤出吹塑制品壁厚在线控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及塑料挤出吹塑制品壁厚控制技术，特别涉及一种基于图像识别技术的挤出吹塑制品壁厚在线控制系统及其方法。

背景技术

塑料吹塑制品壁厚过大会导致制品超重和不必要的材料浪费，并降低生产效率；壁厚过小则会导致制品力学性能不能满足设计的要求。目前，工业生产中采用在挤出吹塑机上安装型坯壁厚程序控制器的方法来实现对吹塑制品壁厚的控制。型坯壁厚程序控制器通过电液伺服系统使机头芯棒或口模上下移动以改变机头模口间隙大小，从而获得所需的型坯壁厚分布，使吹塑制品壁厚分布满足要求。然而，在实际的吹塑过程中不可避免地存在着各种内部参数变化和外部干扰，如电源电压、熔体温度、液压系统等的变化引起机头间隙的波动，导致制品实际壁厚与目标壁厚存在较大的偏差，结果造成产品废品率较高、质量不稳定的现象。因此，需要对吹塑制品壁厚进行在线控制，使得吹塑制品壁厚满足要求。

挤出吹塑过程一般包括三个阶段，即型坯成型、型坯吹胀以及制品的冷却固化。型坯成型作为整个过程的第一个阶段，有着十分重要的意义。这一阶段中型坯的尺寸直接决定最终制品的尺寸和性能。因此，在挤出吹塑过程中，如果成型的型坯壁厚分布与成型制品所要求的型坯壁厚分布一致，则能够保证所得制品的壁厚分布满足要求。因此，对于挤出吹塑制品壁厚分布壁厚在线控制来说，可以通过控制型坯壁厚分布来间接控制制品的壁厚分布。

可利用图像识别技术在线获取型坯壁厚分布，具体是：采用摄像机拍摄型坯的外部轮廓，同时用划线器以一定时间间隔在型坯上做标记，通过图像分析可以确定型坯的直径分布，再借助一些简单假设，计算出型坯的壁厚分布。这种方法理论简单，实验装置简易。但目前该技术仅用于测量型坯壁厚分布及直径分布，并未见实时利用图像识别获取的型坯壁厚分布信息进行反馈控制(即对机头模口间隙进行控制)的技术公开。

发明内容

本发明的目的在于克服现有吹塑制品壁厚控制技术的缺点，提供一种能对制品壁厚进行在线控制，保证产品质量，使生产稳定、产品合格率高的基于图像识别技术的挤出吹塑制品壁厚在线控制系统。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述系统实现的挤出吹塑制品壁厚在线控制方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种基于图像识别技术的挤出吹塑制品壁厚在线控制系统，包括型坯壁厚在线检测模块、工控处理模块、模口间隙控制模块，所述型坯壁厚在线检测模块与工控处理模块相连接，所述工控处理模块与模口间隙控制模块相连接。

所述型坯壁厚在线检测模块包括：转速测量装置、划线器、摄像机、图像采集卡、光电传感器，所述摄像机与图像采集卡相连接，所述图像采集卡、转速测量装置、划线器、光电传感器与工控处理模块相连接，所述工控处理模块装有图像分析软件。

所述摄像机安装在挤出机头的下方，其镜头与型坯中间点在同一水平面上，并与机头中心线垂直，与中心线的距离为40～50cm，所述摄像机与图像采集卡相连接。

所述划线器安装在挤出机头的下方2～3cm的位置，划线器可以沿着水平方向调节位置，划线器与水平方向调节组件相连，所述划线器还通过RS232串口与工控机相连接，通过工控机可以控制墨迹的频率。

所述转速测量装置通过RS232串口与工控机相连接，用于检测型坯挤出过程螺杆的转速，从而可以获得准确的挤出流量。所述转速测量装置可选用上海擎科仪表电子有限公司生产的型号为MFT的多功能转速频率测量仪。

所述光电传感器安装在机头下方，其光路与机头中心线相交并与之垂直，其具体的安装高度由所需型坯长度决定；所述光电传感器还通过RS232串口与工控机相连接，用于检测型坯长度，当型坯到达一定长度是，光电传感器将发出信号给工控处理模块，进行后续的吹塑加工并进行型坯成型的图像采集。

所述工控处理模块包括工控机、可编程控制器、输出端口、多串口扩展卡，所述可编程控制器通过输出端口与工控机相连接，所述工控机还通过输出端口与其它外接设备(如：显示器)相连接；所述工控机装有图像分析软件。

所述模口间隙控制模块包括型坯壁厚控制板、伺服阀和液压系统，所述型坯壁厚控制板与伺服阀相连接，所述伺服阀与液压系统相连接。

一种利用上述系统实现的挤出吹塑制品壁厚在线控制方法，包括下述步骤：

(1)根据具体吹塑制品的壁厚分布要求，通过反复调试获得所需的机头模口间隙曲线，使最终壁厚符合目标壁厚要求，然后启动型坯壁厚在线检测模块，通过图像识别技术在线获取型坯的壁厚分布数据，该型坯壁厚分布数据将作为吹塑的目标型坯壁厚分布。

(2)将步骤(1)中所得的机头模口间隙曲线作为初始值输入到工控处理模块，并由工控处理模块调节模口间隙控制模块，对机头模口间隙进行控制，进行吹塑操作。

(3)在吹塑过程中，型坯壁厚在线检测模块自动获得挤出型坯的壁厚数据，然后将所获的型坯壁厚信息反馈到工控处理模块进行存储。

(4)分析检测的型坯壁厚分布曲线与步骤(1)中所得的目标型坯壁厚分布曲线的差异程度，并启动模糊迭代学习控制算法获得修正后的机头模口间隙曲线，把修正后的机头模口间隙曲线输入到工控处理模块和模口间隙控制模块，调节机头模口间隙进行下一次的吹塑操作，直到挤出型坯壁厚满足要求。

所述步骤(1)具体可为：对一有特定壁厚要求的吹塑制品，根据其壁厚分布数据，通过反复调试使最终壁厚符合目标壁厚要求，获得符合目标壁厚要求的吹塑制品后，为了得到此时的型坯壁厚分布数据，壁厚控制系统启动型坯壁厚在线检测模块，转速测量装置开始测量螺杆转速，并将转速通过RS232串口传输到工控机，当挤出型坯到达光电传感器所在位置时，启动摄像机摄像系统，并通过图像采集卡将图像实时传输给工控机，分析软件将对采集回来的图像进行识别，得到型坯的外径，内径，及型坯的壁厚分布等数据。

所述步骤(3)具体可为：挤出开始时，转速测量装置就开始测量螺杆转速，并将转速通过RS232串口传输到工控机，工控处理模块将记录不同时间的螺杆转速，同时启动划线器，根据一定时间间隔进行划线，当挤出型坯到达光电传感器所在位置时，启动摄像机摄像系统，并通过图像采集卡将图像实时传输给工控机，利用图像处理的方法可以得到型坯的外径，再根据质量守恒定律就可以算出型坯的内径和壁厚分布。

所述步骤(4)中，所谓模糊迭代学习控制算法是在迭代学习控制的基础上，增加一个模糊控制环节。建立模糊控制规则的主要方法如下：如果壁厚误差是正的，并且有增大的趋势，那么壁厚变化为负大；如果壁厚误差是正，并且有减小的趋势，那么壁厚变化为负小；如果壁厚误差为负，并且有增大的趋势，那么壁厚变化为正大；如果壁厚误差是负，并且有减小的趋势，那么壁厚变化为正小。

本发明的作用原理是：在实际的吹塑生产过程中，不可避免地存在着各种内部参数变化和外部干扰，如电源电压、熔体温度、液压系统等的变化引起机头间隙的波动，使得型坯壁厚分布与目标值存在较大的偏差，从而导致制品壁厚与目标壁厚不一致。此时必须在实际生产过程中相应调节机头间隙以弥补因为干扰而出现的吹塑制品壁厚的变化。对制品壁厚进行在线控制，需要在线获取反映吹塑制品壁厚的过程参数，由于制品的壁厚分布主要由吹胀前型坯的壁厚分布决定，因此，可以通过控制型坯壁厚分布来间接控制所对应的制品壁厚分布。可利用图像识别技术在线获取型坯壁厚分布，具体是：用划线器以一定时间间隔进行划线，同时采用摄像机拍摄型坯的外部轮廓，通过图像分析可以确定型坯的直径分布，再根据质量守恒定律便可以算出型坯的内径和壁厚分布。从调节过程来看，控制变量(模口间隙变化曲线)与控制目标(型坯壁厚分布)之间呈高度非线性关系，是一种非线性、强耦合系统，因此，采用常规的控制方法效果不理想，本发明采用模糊迭代学习控制的算法，将迭代学习控制与模糊控制相结合，充分发挥两者的优点，加速了迭代学习的速度，有效地避免了传统迭代学习控制算法收敛速度慢的缺点。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)实时测量反馈调节控制，提高产品性能和降低材料消耗。本发明对吹塑过程进行在线控制可以克服因各种内部参数变化和外部干扰导致的制品壁厚偏差。通过对型坯壁厚进行在线检测，并结合智能化的控制算法，对机头模口间隙曲线实行反馈调节控制，使吹塑制品壁厚重新回到预定要求范围内。因此，利用本发明可以提高产品性能、降低材料消耗、减少废品率。

(2)利用本发明对型坯壁厚进行在线检测，可以保证产品性能稳定。在吹塑生产过程中，传统的质量控制方法是采用抽查法，即每生产一定量的制品选择一个或若干个制品进行壁厚检测。这种方法是基于概率论的抽样检查法，因此，不可避免地存在着漏检。本发明对型坯壁厚进行在线检测，可以实现对产品质量的100％的检验。在线检测的壁厚数据可以用于产品质量控制，以改善产品的质量、保证产品性能的一致性。

(3)本发明操作简单、实现容易、成本较低，可方便地应用于对现有的吹塑设备进行技术改造，显著提高吹塑产品的性能和合格率。

附图说明

图1是本发明基于图像识别技术的挤出吹塑制品壁厚在线控制系统的结构示意图。

图2是本发明方法的总控制程序流程框图。

图3是本发明型坯壁厚在线检测系统得到的一帧图片。

图4是本发明型坯边界和表面墨痕的检测结果。

图5是本发明方法中的模糊迭代学习控制的原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

图1示出了本发明的具体结构。由图1可见，本挤出吹塑制品壁厚控制系统包括机头1、伺服阀2、挤出机3、转速测量装置4、可编程控制器上位机5、可编程控制器下位机6、型坯壁厚控制板7、RS232通信卡8、显示器9、视频输出卡10、RS232串口扩展卡11、工控机12、图像采集卡13、划线器14、光电传感器15、摄像机16；所述摄像机16通过电缆与图像采集卡13相连接，所述图像采集卡13通过PCI总线插于工控机12的主板上，视频输出卡10通过VGA总线插于工控机12的主板上，视频输出卡10与显示器9相连接，转速测量装置4、划线器14和光电传感器15分别通过电缆与RS232串口扩展卡11的COM1、COM2和COM3相连接，可编程控制器上位机5与可编程控制器下位机6通过电缆相连接，型坯壁厚控制板7安装在可编程控制器下位机6上，伺服阀2与型坯壁厚控制板7相连接，工控机12通过RS232串口12及RS232通信卡8与可编程控制器下位机6相连接。

本基于图像识别技术的挤出吹塑制品壁厚在线控制系统各部分选型如下：机头1可选用普通收敛型机头；伺服阀2可选用Moog公司的G631-3005A；挤出机3可选用张家港市同大机械有限公司生产的5升挤出吹塑机；转速测量装置4可选用上海擎科仪表电子有限公司生产的型号为MFT的多功能转速频率测量仪、可编程控制器上位机5、可编程控制器下位机6、型坯壁厚控制板7、RS232通信卡8可选用Barber-Colman公司的49N0-0G1AY-Y00-0-00带型坯壁厚控制板的控制器；显示器9可选PHILIPS公司的107P5；视频输出卡10ATI Radeon的HD2600XT；RS232串口扩展卡11可选用捷瑞公司生产的JaRa 1104；工控机12可选用ADVANTECH公司的AIMB-742工控机；图像采集卡13可选用CREATIVE公司生产的RT-300、划线器14可选用博山新特电机厂生产的型号为61K180RA-AF的调速电机并装上画笔；光电传感器15可选用欧姆龙的E3X-MA11；摄像机16可选用Unican生产的HV-2616。然后按上面说明书所述的连接关系进行安装连接，便能较好地实现本在线控制系统。

利用图1所示系统实现的挤出吹塑制品壁厚在线控制方法的操作步骤如图2所示，具体包括：

(1)对一有特定壁厚要求的吹塑制品，根据其壁厚分布数据，通过反复调试使最终壁厚符合目标壁厚要求，获得符合目标壁厚要求的吹塑制品后，启动型坯壁厚在线检测模块，划线器开始按照一定的时间间隔在型坯上划线，同时转速测量装置开始测量螺杆转速，并将转速通过RS232串口传输到工控机，当挤出型坯到达光电传感器所在位置时，启动摄像机摄像系统，并通过图像采集卡将图像实时传输给工控机(图3是型坯壁厚在线检测系统得到的一帧图片)，分析软件通过对型坯的实际尺寸与图像中像素个数比较，就能得出实际尺寸与像素的比例关系。根据相邻两个墨痕之间的像素差，就可以从检测结果中算出型坯的外径及每个墨痕的距离，(图4是型坯边界和表面墨痕的检测结果)，分析软件根据实时记录的螺杆转速与划线器的频率可以得到每个墨痕的重量，根据质量守恒定律可以得到型坯的内径及型坯的壁厚分布等数据。

(2)将步骤(1)中所得的机头模口间隙曲线作为初始值输入到工控处理模块，并由工控处理模块调节模口间隙控制模块，对机头模口间隙进行控制，进行吹塑操作。

(3)在吹塑过程中，型坯壁厚在线检测模块自动获得挤出型坯的壁厚数据，并将其反馈到工控处理模块。

(4)计算机根据输入信息对制品的壁厚进行分析记录，并计算出检测值与目标值的偏差量，将该偏差量与记录的制品壁厚曲线进行分析，并进行模糊迭代学习控制计算(具体流程见图5)，得出新的机头模口间隙曲线对吹塑过程进行控制，以实现吹塑过程的在线控制。控制量的输出是通过RS232串口11及RS232通信卡8与可编程控制器下位机6相连，然后传输到型坯壁厚控制板7，型坯壁厚控制板7根据输入的数据驱动伺服阀2，从而实现模口间隙的控制并进行下一次的吹塑操作，如此循环，直到所获的制品壁厚满足要求。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于图像识别技术的挤出吹塑制品壁厚在线控制系统，其特征在于：包括型坯壁厚在线检测模块、工控处理模块、模口间隙控制模块，所述型坯壁厚在线检测模块与工控处理模块相连接，所述工控处理模块与模口间隙控制模块相连接；所述型坯壁厚在线检测模块包括：转速测量装置、划线器、摄像机、图像采集卡、光电传感器，所述摄像机与图像采集卡相连接，所述图像采集卡、转速测量装置、划线器、光电传感器与工控处理模块相连接，所述工控处理模块装有图像分析软件。

2.根据权利要求1所述的基于图像识别技术的挤出吹塑制品壁厚在线控制系统，其特征在于：所述摄像机安装在挤出机头的下方，其镜头与型坯中间点在同一水平面上，并与机头中心线垂直，与中心线的距离为40～50cm，所述摄像机与图像采集卡相连接。

3.根据权利要求1所述的基于图像识别技术的挤出吹塑制品壁厚在线控制系统，其特征在于：所述划线器安装在挤出机头的下方4～5cm的位置，划线器通过RS232串口与工控机相连接；所述转速测量装置通过RS232串口与工控机相连接；所述光电传感器和反射器安装在机头下方，其光路与机头中心线相交并与之垂直，其具体的安装高度由所需型坯长度决定；所述光电传感器通过RS232串口与工控机相连接，用于检测型坯长度，当型坯到达一定长度时，光电传感器将发出信号给工控处理模块，进行后续的吹塑加工并进行型坯成型的图像采集。

4.根据权利要求1所述的基于图像识别技术的挤出吹塑制品壁厚在线控制系统，其特征在于：所述工控处理模块包括工控机、可编程控制器、输出端口、多串口扩展卡，所述可编程控制器通过输出端口与工控机相连接，所述工控机通过输出端口与外接设备相连接。

5.根据权利要求1所述的基于图像识别技术的挤出吹塑制品壁厚在线控制系统，其特征在于：所述模口间隙控制模块包括型坯壁厚控制板、伺服阀和液压系统，所述型坯壁厚控制板与伺服阀相连接，所述伺服阀与液压系统相连接。

6.一种利用权利要求1～5任一项所述系统实现的挤出吹塑制品壁厚在线控制方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)根据具体吹塑制品的壁厚分布要求，通过反复调试获得所需的机头模口间隙曲线，使最终壁厚符合目标壁厚要求，然后启动型坯壁厚在线检测模块，通过图像识别技术在线获取型坯的壁厚分布数据，该型坯壁厚分布数据将作为吹塑的目标型坯壁厚分布；

(2)将步骤(1)中所得的机头模口间隙曲线作为初始值输入到工控处理模块，并由工控处理模块调节模口间隙控制模块，对机头模口间隙进行控制，进行吹塑操作；

(3)在吹塑过程中，型坯壁厚在线检测模块自动获得挤出型坯的壁厚数据，然后将所获的型坯壁厚信息反馈到工控处理模块进行存储；

(4)分析检测的型坯壁厚分布曲线与步骤(1)中所得的目标型坯壁厚分布曲线的差异程度，并启动模糊迭代学习控制算法获得修正后的机头模口间隙曲线，把修正后的机头模口间隙曲线输入到工控处理模块和模口间隙控制模块，调节机头模口间隙进行下一次的吹塑操作，直到挤出型坯壁厚满足要求。

7.根据权利要求6所述的挤出吹塑制品壁厚在线控制方法，其特征在于：所述步骤(1)为：对一有特定壁厚要求的吹塑制品，根据其壁厚分布数据，通过反复调试使最终壁厚符合目标壁厚要求，获得符合目标壁厚要求的吹塑制品后，为了得到此时的型坯壁厚分布数据，壁厚控制系统启动型坯壁厚在线检测模块，转速测量装置开始测量螺杆转速，并将转速通过RS232串口传输到工控机，当挤出型坯到达光电传感器所在位置时，启动摄像机摄像系统，并通过图像采集卡将图像实时传输给工控机，分析软件将对采集回来的图像进行识别，得到型坯的外径，内径，及型坯的壁厚分布等数据；

8.根据权利要求6所述的挤出吹塑制品壁厚在线控制方法，其特征在于：所述步骤(3)为：挤出开始时，转速测量装置就开始测量螺杆转速，并将转速通过RS232串口传输到工控机，工控处理模块将记录不同时间的螺杆转速，同时启动划线器，根据一定时间间隔进行划线，当挤出型坯到达光电传感器所在位置时，启动摄像机摄像系统，并通过图像采集卡将图像实时传输给工控机，利用图像处理的方法可以得到型坯的外径，再根据质量守恒定律就可以算出型坯的内径和壁厚分布。

9.根据权利要求6所述的挤出吹塑制品壁厚在线控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中，所谓模糊迭代学习控制算法是在迭代学习控制的基础上，增加一个模糊控制环节。建立模糊控制规则的方法如下：如果壁厚误差是正的，并且有增大的趋势，那么壁厚变化为负大；如果壁厚误差是正，并且有减小的趋势，那么壁厚变化为负小；如果壁厚误差为负，并且有增大的趋势，那么壁厚变化为正大；如果壁厚误差是负，并且有减小的趋势，那么壁厚变化为正小。

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