火工品装配视觉识别系统可行性研究.pdf

CFHI2024年 第2期（总218期）CFHI TECHNOLOGY计算机控制及应用弹药生产是国防建设的重要环节，直接影响着国家的国防实力。随着现代科技的发展，自动化技术在弹药生产中的重要性越来越明显。如今，许多现代化企业已经广泛采用自动化生产方式，产品质量大大提高。另外，某些专门机器结构合理化、安全化等问题，也是企业需要关注和解决的问题。像螺纹零件等关键组件的装配精度和稳定性对整个产品的性能有至关重要的影响1。本文通过某螺旋装配自动化生产线中的接螺装配专机，发现现有专机仅靠机械和机器人固定程序实现接螺定位存在安全隐患。一方面，随着时间推移，机械结构必然磨损老化。而螺纹零件作为弹药组成的关键部分，其装配精度和可靠性对确保弹药整体性能有不可替代的作用，必须以先进的检测和监控系统确保在整个寿命周期中都能保持最优性能。因此，在追求生产过程自动化的同时，还要兼顾长期稳定性和可维护性。另一方面，机器人长时间工作，其工作精度可能会下降。因此，需要借助尖端检测和控制系统，进行精确管理和密切监控。1整体基本流程笔者重新设计专机并加入视觉识别系统（见图12）。1.沈阳理工大学机械工程学院硕士研究生，辽宁沈阳110159；2.沈阳理工大学机械工程学院教授，辽宁沈阳11015910.3969/j.issn.1673-3355.2024.02.017火工品装配视觉识别系统可行性研究李恩辉1，闫家超2摘要：通过对某螺旋装配自动化生产线工艺分析，在接螺装配机中加入视觉系统，经过图像处理计算出接螺与弹体的位置，通过局域网将计算结果传至机械手，实现接螺与弹体装配的精准定位。关键词：视觉识别系统；精准定位；数据传输中图分类号：TP391.4文献标识码：B文章编号：1673-3355（2024）02-0017-03Research on Feasibility of Visual Recognition System for Assembly of Initiating Explosive DeviceLi Enhui,Yan JiachaoAbstract:This paper analyzes the automated production line of a certain spiral assembly mechanism,and adopts visualrecognition system in the process of screw fitting ring assembly work,calculates position of the screw fitting ring andprojectile body by image processing,transmits the calculation results to the manipulator through local area network,so as torealize precise positioning of the screw fitting ring and the projectile body.Key words:Visual recognition system;precise positioning;data transmission1视觉识别机构；2接螺；3拧紧机构；4接螺预置托板；5夹紧机构；6弹体图1引入视觉识别系统后的专机结构图572024年 第2期（总218期）CFHI计算机控制及应用一重技术结合现场实际情况，首先对所有设备进行初始化，包括机械手和相机分别置于初始位置、程序初始化、信号初始化等；之后，机械手将接螺抓取到弹口上方，气缸接收到位信号伸出，相机采集及处理图像，计算接螺位置与弹口的差值；最后将计算结果传至机械手，机械手移动相应距离，保证接螺位置与弹口的误差在合理范围内，移动完成后气缸缩回，不影响后续工作。2程序设计2.1准备工作本次研究中使用弹体模型（见图3）。该模型弹口与接螺最大直径40 mm。2.2提取图像信息在程序代码中，首先需要读取相机拍摄的图像（见图4），转换为灰度图，之后进行阈值处理、高斯滤波、边缘检测、闭运算，去除图像噪声，提取有用信息。实践证明，采用简单阈值处理并不能找到所需轮廓；采用自适应阈值处理，虽然得到的图像更加精细，但噪点太多，轮廓不清晰，无法用于后续处理；而采用Otsu二值化处理后得到的图像既能准确找到所需轮廓，又不会产生太多噪点，虽然空隙部分的轮廓也被识别，但并不会影响计算结果（见图5）。可以看出，选择恰当的图像阈值处理方法至关重要，需要根据具体应用需求确定。同样，滤波器、形态学操作和边缘检测方法也应基于精密分析的要求选择，以确保最终处理结果满足产品质量要求和性能标准。经过阈值处理的图像再经高斯滤波、边缘检测、闭运算处理后，得到最终图像，可以看出，最终得到的接螺与弹体轮廓非常明显，与实际大小接近，为后续计算奠定基础。2.3绘制轮廓在图像处理中，轮廓是由具有类似颜色或强度的连续点组成的一条曲线，是目标形状的边界线。而边缘是由数字图像中亮度变化明显的点构成的曲线。其次，轮廓检测是提取图像的轮廓，可能是边缘的一部分，最后的关注点是由轮廓构成的图像。而边缘检测是检测图像差异较大的地方，关注点是图像的边缘。最后得到的结果也不同。边缘检测一般会将图像中边界的像素点标记为1，区域部分为0，只有两种值。而轮廓检测能将整个轮廓上的像素点记录保留，取值结果比较多样化。绘制轮廓前必须先查找经过边缘检测处理的图像轮廓。这一步骤不仅能够验证重要信息是否被准确提取，同时也会收集后续绘制轮廓所需的关键数据。在OpenCV中可以采用cv2.findContours开始初始化等待信号否相机是否到位？图像处理图像采集是数据发送结束图2相机实现定位流程图图5采用Otsu二值化得到的图像图3接螺与弹体模型图4相机拍摄的图像58CFHI2024年 第2期（总218期）CFHI TECHNOLOGY计算机控制及应用()函数寻找图像轮廓，其语法格式为2：contours,hierarchy=cv2.findContours(image,mode,method)其中：Image是边缘检测后得到的图像，Mode为寻找轮廓的模式（见表1），Method为找到轮廓后的保存方式，一般使用两种：用 cv2.CHAIN_APPROX_NONE 可以保存找到轮廓中的所有点；而用 cv2.CHAIN_APPROX_SIMPLE 是去掉轮廓上的冗余点，压缩轮廓，仅保留端点，hierarchy是轮廓之间的结构关系。找到轮廓后便可以绘制轮廓。绘制轮廓可以在原图上显示，也可以在空白图像上显示。通常使用cv2.drawContours()函数，语法格式为：cv2.drawContours(image,contours,contoursIdx,color,thickness=None,lineType=None)其中的contours为需要绘制的轮廓，必须以列表形式传入，并且列表里的元素也必须是列表；contoursIdx为轮廓索引，当设置为-1时，会绘制出所有传入的contours；thickness为线宽。至此，寻找并绘制图像的轮廓。2.4计算差值在上述接螺与弹口轮廓中，弹体始终位于图像中心，轮廓位置不变。接螺由机械手控制，位置不固定，随着时间推移，虽然会产生一定误差，但始终出现在图像内。在图像中识别圆心非常困难，因为在俯视图中二者的外轮廓被系统识别为一个整体。若将像素点的坐标从连接处断开，再分别求圆心，可以考虑识别出的像素点坐标变化较小范围内的最小值，再将所有像素坐标分为两部分，进而运用三点定圆心法求出两个圆心，操作过程非常繁琐，并且当接螺中心接近弹口中心时，连接处的变化值越小，此时若分离坐标点，对数值设置的要求会非常高。为了将计算结果变得易于计算，需要改变思路：在俯视图中，无论接螺位置如何变化，两个圆的轮廓距离最远点的连线会始终经过两个圆心，经过数值计算发现最远端两点间的距离减去二者半径之和，得出的结果即为两个圆心之间的距离，再计算出该连线与X轴间的夹角，便可得出机械手需要移动的x值和y值。依据这种思路编写程序。考虑到接螺可能位于弹体两侧，在计算前先确定距离最远的两个点P1和P2，比较两点到图像中心的距离，将距离较短点的坐标赋值给空白点P3，与另外一点参与后续计算。因此，在执行程序前，需要先设定图像中心作为坐标原点，X轴指向图像右侧，Y轴指向图像上方，保证计算结果为准确值而非绝对值，保证机械手能前后左右移动。2.5数据显示及传输算得差值后，将计算结果转换为实际值。利用小孔成像原理可以计算出，本文从像素单位到毫米单位之间的转换率约为0.035（见图6）。图中虚线的两端点为检测轮廓上距离最远的两个点，虚线为二者之间的距离，通过接螺和弹口的圆心。输出结果中，轮廓上最远距离即虚线长度，与实测值几乎相等。x值为正，表示机械手要向右移动14.81 mm的距离，y值为负，表示机械手要向下移动13.91 mm的距离。经过多次测试，最后计算结果能够根据接螺位置改变机械手的移动方向（见图7），误差始终在2 mm左右，可靠度很高。Python与机器人之间的数据传输有多种方式，本文根据现场实际，选用TCP/IP网络通信数据传输。将接螺移至弹体上方时，会输出自身的 I/O，待相机拍照并发送数据，得到结果代替程序中的坐标值，进而控制机械手完成后续动作。3结语本文通过在某自动化生产线接螺装配机构引入视觉识别系统，设计Python程序，最终实现接螺装配的精准定位功能。虽不能确定接螺与弹体垂直方向的位置，但证明可以在火工品装配过程中引入视觉识别系统实现装配自动（下转第74页）模式参数cv2.RETR_EXTERNALcv2.RETR_LISTcv2.RETR_CCOMPcv2.RETR_TREE说明只检测外轮廓检测的轮廓不建立等级关系建立两个等级轮廓：最外层和最内层建立一个等级树结构的轮廓表1寻找轮廓的模式图6输出结果示意图592024年 第2期（总218期）CFHI工程管理一重技术2制氢方式比较目前，天然气制氢仍是我国最主要的制氢来源，约占总制氢量的48%。醇类重整制氢约占总制氢量的30%，煤制氢约占制氢总量的18%，来自电解水的制氢量最低，仅约4%（见表2）。制氢方式天然气制氢煤制氢醇类电解水制氢优点产量高、技术成熟。产量高、成本最低。利用副产品。环保、纯度高。缺点排放温室气体排放温室气体和含硫气体。建设地点受限于原料供应。能耗大，成本高。能耗天然气价格2元/Nm3煤炭价格600元/t-电价0.1元/kWh成本1.35元/Nm31.1元/Nm31.21.5元/Nm310元/Nm3表2制氢工艺的优缺点、能耗和成本33结语综上所述，凭借较低的成本，化石燃料制氢与工业副产物制氢占据制氢产业主体地位，同时应用碳捕捉技术可有效控制碳排放，制氢相对清洁。随着化石燃料产量下降，可持续发展理念的深化，绿氢更有发展前景，但电解水制氢存在能耗高、效率低，工业化进展缓慢等问题，技术还需要提升。可以预见，未来氢能市场将形成以可再生能源为主体、煤制氢加碳捕获技术与生物质制氢为补充的多元化供氢格局。参考文献 1 张与时.探究轻油制氢技术在天然气制氢装置上的应用J.中国石油和化工标准与质量，2014,34（11）:21 2 闫志者.水煤浆气化制氢技术的SWOT分析及建议J.炼油技术与工程，2014，44（11）：21-23 3 中国氢能源及燃料电池产业白皮书评委会.中国氢能源及燃料电池产业白皮书R.2019.收稿日期：2024-02-28化。本文的方法也可为其他专机自动化提供参考。参考文献 1 曹东豪，弹壳车底齐口机床结构设计及动静态特性分析D.哈尔滨工业大学，2020.2 李珍，刘晓星，安百钢.基于OpenCV的图像信息处理系统的开发与应用J.信息系统工程，2023(4)：42-45.收稿日期：2023-12-04（a）（b）（c）图7多次测试的结果（上接第59页）封面图说：中国一重股份公司冶炼生产现场74