CN117737461A - 一种基于视觉液位检测的自动拉锭控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及真空电子束冷床炉熔炼控制，尤其涉及一种基于视觉液位检测的自动拉锭控制方法。其降低了人员的工作强度，实现了真空电子束冷床炉熔炼过程中无需人为干预的全程自动拉锭的控制需求。包括：采用工业相机获取液位画面；利用监控主机对液位画面分析处理；通过真空电子束冷床炉中央控制器计算出拉锭工艺各曲线段时间参数；拉锭伺服控制器控制伺服电机实现拉锭操作。
Description
技术领域
本发明涉及真空电子束冷床炉熔炼控制，尤其涉及一种基于视觉液位检测的自动拉锭控制方法。
背景技术
目前，钛、锆等稀有金属的冶炼加工技术越来越受到研究院所及生产企业的重视。真空电子束冷床炉等真空设备广泛应用于稀有金属无氧化加工制备中。随着国产电子枪及其高压电源技术的日益成熟，国产真空电子束冷床炉的需求量也越来越多。
机器视觉是与工业应用结合最为紧密的人工智能技术，通过对图像的智能分析，使工业装备具有了基本的识别和分析能力。随着工业数字化、智能化转型逐渐深入，智能制造的逐步推进，工业机器视觉逐渐形成规模化的产业，并随着人工智能技术在工业领域落地而逐渐深入到工业生产的各种场景之中。随着国产工业机器视觉行业的发展，目前市面上的工业相机等机器视觉产品广泛应用于生产领域，成为生产中不可缺少的一环。
现有真空电子束冷床炉广泛使用的拉锭控制方法为全手动控制拉锭、周期定长度半自动控制拉锭及曲线周期半自动控制拉锭，以上控制方法控制具有单向性，不具备自适应调节功能，当熔炼进料速度波动或电子枪熔炼电流波动等因素影响，导致熔炼速度不稳定时会导致结晶器内金属溶液液位高度不能保持在合理范围内，从而影响铸锭品质甚至发生危险损坏设备，需要操作人员时刻关注液位高度，适时进行人为干预，无法实现全自动拉锭控制。
发明内容
本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于视觉液位检测的自动拉锭控制方法。其克服了现有真空电子束冷床炉广泛使用的拉锭控制方法存在的缺陷，有效提高了工作效率，降低了人员的工作强度，实现了真空电子束冷床炉熔炼过程中无需人为干预的全程自动拉锭的控制需求。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，包括：
采用工业相机获取液位画面。
利用监控主机对液位画面分析处理。
通过真空电子束冷床炉中央控制器计算出拉锭工艺各曲线段时间参数。
拉锭伺服控制器控制伺服电机实现拉锭操作。
进一步地，所述采用工业相机获取液位画面包括：在真空电子束冷床炉前侧观察窗处安装工业相机，以实时获取熔炼过程中液位图像并将画面信息上传至监控主机。
进一步地，所述利用监控主机对液位画面分析处理包括：监控主机对液位图像进行分析处理，以计算当前液位高度。
更进一步地，所述对液位图像进行分析处理包括：
通过监控主机的机器视觉软件例如华睿科技公司的MVP软件，建立平面直角坐标系，对彩色液位画面进行彩色转灰度处理。
以冷床上沿作为水平X轴参考线。
以冷床上沿的中垂线作为垂直Y轴参考线。
以结晶器上沿与Y轴参考线交点的水平线作为液位上限高度线。
以结晶器内壁距结晶器上沿50～80mm处平行线与Y轴参考线交点的水平线作为液位下限高度线。
更进一步地，所述对液位图像进行分析处理还包括：
圆形结晶器检测当前液位弧线所在圆，选取液位弧线所在圆与Y轴参考线交点的Y坐标最小值作为液位高度特征点，液位高度特征点所在的水平线为当前液位高度线。
根据液位上限高度线、液位下限高度线、当前液位高度线计算当前液位高度。
方形结晶器直接选取液位线与Y轴参考线交点的Y坐标最小值作为液位高度特征点，液位高度特征点所在的水平线为当前液位高度线。
进一步地，所述通过真空电子束冷床炉中央控制器计算出拉锭工艺各曲线段时间参数包括：
真空电子束冷床炉中央控制器对液位高度信息进行数据滤波。
将滤波后的液位高度与目标液位高度进行比较。
计算出拉锭工艺曲线的上升时段1、下降时段、上升时段2，保持时段的四段时间参数，并将拉锭控制信号发送至拉锭伺服驱动器。
进一步地，所述拉锭伺服控制器控制伺服电机实现拉锭操作包括：拉锭伺服控制器根据真空电子束冷床炉中央控制器的拉锭控制信号对拉锭伺服电机进行速度与位置控制。
与现有技术相比本发明有益效果。
一、采用本发明的控制方法后提升了真空电子束冷床炉自动化控制程度，降低了现场操作人员的工作强度，熔炼拉锭过程更加稳定且均匀，进一步提升了铸锭质量。
二、大大降低了操作人员干预程度，避免了操作人员因操作不当金属溶液液位过高导致金属溶液溢出发生危险损坏设备或金属溶液的液位过低导致铸锭质量出现严重问题等风险。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图1为本发明整体结构图；
图2为视觉液位检测图；
图3为圆形结晶器液位图；
图4为方形结晶器液位图；
图5为拉锭工艺曲线。
图中，1为工业相机；2为液位上限高度线；3为当前液位高度线；4为液位下限高度线；5为拉锭底托；6为拉锭丝杠；7为圆形结晶器；8为水平X轴参考线；9为垂直Y轴参考线；10为圆形液位；11为圆形液位弧线所在圆；12为方形结晶器；13为方形液位；14为拉锭工艺曲线上升时段1；15为拉锭工艺曲线下降时段；16为拉锭工艺曲线上升时段2；17为拉锭工艺曲线保持时段。
具体实施方式
如图1-5所示，具体实施例：包括工业相机进行液位图像获取；监控主机进行液位高度分析；真空电子束冷床炉中央控制器进行拉锭参数计算；拉锭伺服系统进行拉锭过程实施。
其中，一、液位图像获取，包括：工业相机安装在真空电子束冷床炉前侧熔炼观察窗上方，能够清晰且全面地观察熔炼过程中液位图像。工业相机通过网线连接监控主机，将液位画面信息实时上传至监控主机。
二、液位高度分析，包括：监控主机在机器视觉软件内建立平面直角坐标系，将彩色液位画面进行彩色转灰度处理，将处理后液位画面1：1投影在平面直角坐标系中，将整个熔炼过程中始终保持静止的冷床上沿作为水平X轴参考线，将水平X轴参考线的中垂线作为垂直Y轴参考线。将结晶器上沿与垂直Y轴参考线交点的水平线作为液位上限高度线，将结晶器内壁距结晶器上沿60mm处平行线与垂直Y轴参考线交点的水平线作为液位下限高度线。
对于圆形结晶器检测当前液位弧线所在圆，将液位弧线所在圆与垂直Y轴参考线交点的中Y坐标最小值的点作为液位高度特征点，液位高度特征点所在的水平线为当前液位高度线。
对于方形结晶器直接将液位线与Y轴参考线交点的Y坐标最小的点值作为液位高度特征点，液位高度特征点所在的水平线为当前液位高度线。
将液位下限高度线定为0，将液位上限高度线定为100，计算出当前液位高度数值。将液位高度信息发送至真空电子束冷床炉中央控制器，并显示实时液位监控画面。
三、拉锭参数计算，包括：真空电子束冷床炉中央控制器将当前液位高度信息进行一次数据滤波，将滤波后的液位高度与目标液位高度进行比较，实时计算并调节拉锭工艺曲线的上升时段1、下降时段、上升时段2，保持时段的四段时间参数，当液位高度高于100时真空电子束冷床炉中央控制器将切断熔炼电源、停止熔炼并发出报警信息，当液位高度低于0时真空电子束冷床炉中央控制器将切断拉锭控制系统电源、停止拉锭并发出报警信息，当液位高度位于0～100之间时真空电子束冷床炉中央控制器将根据自动拉锭速度设定值与拉锭工艺曲线参数值，将拉锭控制信息发送至拉锭伺服控制器。
四、拉锭过程实施，包括拉锭伺服控制器根据真空电子束冷床炉中央控制器的拉锭控制信息对拉锭伺服电机进行速度与位置控制，拉锭伺服电机直接连接拉锭丝杠，拉锭丝杠直接连接拉锭底托，拉锭底托的升降直接控制金属溶液液位高度，实现拉锭伺服控制器对拉锭过程的实施。
实施例1、真空电子束冷床炉进行熔炼工作前，工业相机1安装在真空电子束冷床炉前侧熔炼观察窗上方，工业相机接通电源开始实时采集熔炼过程液位画面并通过网线将画面信息上传至监控主机。
打开监控主机内的机器视觉软件，设置画面信息来源、进行彩色转灰度画面处理、检测冷床上沿为水平X轴参考线8、计算将冷床上沿中垂线为垂直Y轴参考线9、设置结晶器上沿位置水平线为液位上限高度线2，设置结晶器内壁距结晶器上沿60mm处平行线为液位下限高度线4。
结晶器为圆形结晶器7时，检测当前液位弧线所在圆11，将液位弧线所在圆11与垂直Y轴参考线9交点的Y坐标最小值的点作为液位高度特征点，液位高度特征点所在的水平线为当前液位高度线3。
结晶器为方形结晶器12时，直接将液位线13与垂直Y轴参考线9交点的Y坐标最小值的点作为液位高度特征点，液位高度特征点所在的水平线为当前液位高度线3。
根据液位上限高度线2为数值100、液位下限高度线4为数值0、当前液位高度线3计算当前液位高度(0～100之间数值)。
监控主机将液位高度信息发送至真空电子束冷床炉中央控制器，并连接显示器，显示实时液位监控画面。
真空电子束冷床炉中央控制器将液位高度进行4S的数据滤波处理，降低电子束轰击金属液面导致液位波动对后续拉锭控制产生的干扰，设定自动拉锭伺服速度为50mm/min固定值，设定自动拉锭曲线上升时段1为2S、下降时段为6S、上升时段2为2S，保持时段为10S,设定目标液位高度为80。
液位高度液位高度小于0，真空电子束冷床炉中央控制器自动断开拉锭控制系统电源，强制拉锭机构保持静止；液位高度在0～65之间时真空电子束冷床炉中央控制器自动将自动拉锭速度设定为0mm/min并发出液位过低报警信息；液位高度在60～85之间时真空电子束冷床炉中央控制器自动将保持时段设定为60～2S；液位高度在85～95之间时真空电子束冷床炉中央控制器自动将下降时段设定为6～30S；液位高度在95～100之间时真空电子束冷床炉中央控制器自动发出液位过高报警信息；液位高度大于100时真空电子束冷床炉中央控制器自动断开熔炼电源、停止熔炼。
真空电子束冷床炉中央控制器根据自动拉锭速度和自动拉锭工艺曲线的上升时段1、下降时段、上升时段2，保持时段的四段时间参数将拉锭控制信息发送至拉锭伺服驱动器。
拉锭伺服控制器根据真空电子束冷床炉中央控制器的拉锭控制信息对拉锭伺服电机进行速度与位置控制。
拉锭伺服电机直接连接拉锭丝杠6，拉锭丝杠6直接连接拉锭底托5，拉锭底托5的升降直接控制金属溶液液位3，实现拉锭伺服控制器对拉锭过程的实施。
本发明监控主机内的机器视觉软件中对画面信息来源、彩色转灰度画面处理、水平X轴参考线8获取、垂直Y轴参考线9计算、液位上限高度线2设置，液位下限高度线4设置，检测液位高度线3获取、计算液位高度、与真空电子束冷床炉中央控制器的通信设置等参数只需设置1次，无需频繁调整。
本发明真空电子束冷床炉中央控制器内液位高度信息数据滤波、自动拉锭速度、目标液位高度、拉锭工艺曲线的四段时间等参数只需设置1次，无需频繁调整。
本发明通过视觉控制拉锭，即将相机的输出信号应用于拉锭控制系统，这种全新的拉锭控制方法，改善了生产流程，简化了生产操作，提高了系统的易用性。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；因而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (7)
1.一种基于视觉液位检测的自动拉锭控制方法，其特征在于：包括：
采用工业相机获取液位画面；
利用监控主机对液位画面分析处理；
通过真空电子束冷床炉中央控制器计算出拉锭工艺各曲线段时间参数；
拉锭伺服控制器控制伺服电机实现拉锭操作。
2.根据权利要求1所述的一种基于视觉液位检测的自动拉锭控制方法，其特征在于：所述采用工业相机获取液位画面包括：在真空电子束冷床炉前侧观察窗处安装工业相机，以实时获取熔炼过程中液位图像并将画面信息上传至监控主机。
3.根据权利要求1所述的一种基于视觉液位检测的自动拉锭控制方法，其特征在于：所述利用监控主机对液位画面分析处理包括：监控主机对液位图像进行分析处理，以计算当前液位高度。
4.根据权利要求3所述的一种基于视觉液位检测的自动拉锭控制方法，其特征在于：所述对液位图像进行分析处理包括：
通过监控主机的机器视觉软件建立平面直角坐标系，对彩色液位画面进行彩色转灰度处理；
以冷床上沿作为水平X轴参考线；
以冷床上沿的中垂线作为垂直Y轴参考线；
以结晶器上沿与Y轴参考线交点的水平线作为液位上限高度线；
以结晶器内壁距结晶器上沿50～80mm处平行线与Y轴参考线交点的水平线作为液位下限高度线。
5.根据权利要求4所述的一种基于视觉液位检测的自动拉锭控制方法，其特征在于：所述对液位图像进行分析处理还包括：
圆形结晶器检测当前液位弧线所在圆，选取液位弧线所在圆与Y轴参考线交点的Y坐标最小值作为液位高度特征点，液位高度特征点所在的水平线为当前液位高度线；
根据液位上限高度线、液位下限高度线、当前液位高度线计算当前液位高度；
方形结晶器直接选取液位线与Y轴参考线交点的Y坐标最小值作为液位高度特征点，液位高度特征点所在的水平线为当前液位高度线。
6.根据权利要求1所述的一种基于视觉液位检测的自动拉锭控制方法，其特征在于：所述通过真空电子束冷床炉中央控制器计算出拉锭工艺各曲线段时间参数包括：
真空电子束冷床炉中央控制器对液位高度信息进行数据滤波；
将滤波后的液位高度与目标液位高度进行比较；
计算出拉锭工艺曲线的上升时段1、下降时段、上升时段2，保持时段的四段时间参数，并将拉锭控制信号发送至拉锭伺服驱动器。
7.根据权利要求1所述的一种基于视觉液位检测的自动拉锭控制方法，其特征在于：所述拉锭伺服控制器控制伺服电机实现拉锭操作包括：拉锭伺服控制器根据真空电子束冷床炉中央控制器的拉锭控制信号对拉锭伺服电机进行速度与位置控制。
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