冶金厂换轨装置的设计.pdf

352023,61(8)总第7 0 8 期机械制造研究发冶金厂换轨装置的设计易飞商锦萍1.湖北亿纬动力有限公司湖北荆门4480002.武汉生物工程学院武汉430415摘要：为了提高不同钢坏在冶金厂入库流程中的工作效率，基于机器视觉技术，对冶金厂换轨装置进行了设计。设计制作换轨装置的硬件部分，主要包括结构框架、行走系统、定位系统。根据需求，选取树莓派作为控制电路开发板，完成控制电路设计。建立钢坏识别分类模型，利用OpenCV软件中的训练程序，对钢坏数据集进行训练和测试，结果显示平均准确率高达99.2 5%。所设计的冶金厂换轨装置可以高效地实现对钢坏种类的识别，实现钢坏的智能分类入库。关键词：冶金厂换轨装置设计中图分类号：TF086文献标志码：A文章编号：10 0 0-4 9 9 8(2 0 2 3)0 8-0 0 3 5-0 4Abstract:In order to improve the work efficiency of different billets in the warehousing process ofmetallurgical plant,the rail changing device of metallurgical plant was designed based on machine visiontechnology.The hardware part of the rail changing device was designed and manufactured,and it is mainlyincluding structural frame,traveling system and positioning system.According to the requirements,theRaspberry Pi was selected as the control circuit development board to complete the design of control circuit.The billet recognition classification model was established,and the billet dataset was trained and tested byusing the training program in OpenCV software,and the average accuracy is as high as 99.25%.The designedrail changing device of metallurgical plant can efficiently identify the type of billet and realize the intelligentclassification and storage of billet.Keywords:Metallurgical PlantRail ChangingDeviceDesign设计背景冶金厂材料库没有完全实现智能化管理，库区的转运车将热处理工序后的圆钢和方钢分批次通过轨道运输至仓库人库。传统的人库分类方式是利用人工方法来对运输至库房的钢坏进行分类，在批量分类的模式下，人工分类方式实时性较差，工作效率低，分栋差错率高，并且随着工业自动化程度的提高，人类视觉显然不能适应快节奏、高强度的工业生产。为了提高钢坏的人库效率，降低人工成本，提出一种不同类型钢坏的自动分类方法具有必要性。近年来，机器视觉技术已在产品检验、包装印刷、航天航空、智慧交通等领域获得了越来越广泛的运用。为解决入库钢坏分类效率低且分栋差错率高的问题，笔者设计了一种基于机器视觉的冶金厂换轨装置。利用OpenCV软件机器视觉库训练程序来训练钢坏数据集，得到钢坏识别模型，并将模块安装至树莓派开发板上，从而实现整套冶金厂换轨装置。2总体结构冶金厂换轨装置主要由结构框架、行走系统、定位系统组成，总体设计如图1所示。冶金厂换轨装置用于冶金厂热处理后钢坏材料的分类人库，是应用于自动化仓储转运系统中的核心设备，具有反应速度快、效率高、安全等优势。3主要部件3.1结构框架结构框架是冶金厂换轨装置的主体支承构件。结构框架上布置了各工作机构、动力装置、行走系统、定位系统、电气控制系统。结构框架为整体全钢的框架，外形构造如图2 所示。横梁、定位板、面板、筋板、底板、立柱焊接在一起，作为主要承载部件。结构框架由型材制作，均采用Q345结构钢，具有较高的刚度和强度。362023,61(8)总第7 0 8 期机械制造发链轮止动块线轨地轨安装板轨道1压板轨道2滚子链摄像头安装孔定位孔接近开关结构框架定位电机安装座定位减速电机感应片行走减速电机八图1冶金厂换轨装置总体设计八图2结构框架外形构造3.2行走系统行走系统由行走减速电机、滚子链、链条张紧座、链轮、地轨等部件组成。行走系统工作原理为：行走减速电机通过驱动轴带动滚子链在线轨上做直线运动，滚子链结合张紧弹簧和链条张紧座，通过螺栓与地轨安装板连接，地轨安装板与滚子链做直线运动。行走系统设置有接近开关和感应片，当感应片接近开关的感应面时，可使开关动作，停止电机运转，用于控制面板轨道的水平行走位置。行走系统如图3 所示。3.3定位系统定位系统由定位减速电机、飞轮、连杆、销钉、铜套等部件组成。定位系统工作原理为：定位电机连接驱动轴带动飞轮旋转，飞轮、连杆、销钉组成曲柄滑块机构，使销钉做竖直升降运动。定位系统同样设置有接近开关和感应片，当感应片接近开关的感应面时，可使开关动作，停止电机运转，用于控制销钉竖直升降的位A图3行走系统置，实现对轨道的固定。在销钉与下框架的接合处设计铜套，可以更方便地进行维修与更换。定位系统如图4 所示。八图4定位系统4控制电路根据冶金厂换轨装置的设计要求，开发板应具有图像接收单元，可以接人摄像机，获得从镜头收集的图像；应具有图像处理单元，可处理采集的图像，并对其进行类型辩识。开发板包含电动机控制单元，连接行372023,61(8)总第7 0 8 期机械制造研究发走电机与定位电机，用于根据图像处理单元所识别的种类驱动行走电机和定位电机，使轨道1与轨道2 实现切换，将载有钢坏的转运车分类驶人正确轨道。选择树莓派作为开发板。树莓派是一款搭载Linux核心的单片式微型计算机，使用范围广泛，通过灵活多变的特点实现强大的智能需求。树莓派采用6 4 位频率为1.5GHz的四核中央处理器，搭载VideoCoreVI型中央处理器，具备摄像机串行接口，符合冶金厂换轨装置对开发板的需求。通过树莓派连接电机驱动器，控制行走电机和定位电机，实现对冶金厂换轨装置的控制。冶金厂换轨装置控制电路如图5所示。U1GPIOSO29GPIOS731GPIOA/GPIO_GCLKU2GPIO6OGPIO6GPIO17IGPIO_GENOOGPIO171632GPIO120GPIO12GPIO18/GPIO_GEN1GPIO18332GPIO13OGPIO13GPIO2TIGPIO_GEN2GPIO27IN1VSSVSOUT13GPIO16O36GPIO18GPIO22/GPIO_GEN315GPIO22IN2OUT26GPIO19O35GPIO1916GPIO23/GPIO_GEN4GPIO2318EN1GPIO20O38GPIO20GPIO24/GPIO_GENS22GPIO24GPIO26O37GPIO26GPIO25/GPIO_GEN640GPIO210GPIO2110EN219ONOGPIO1O/MOSOMOSIIN3OUT311TXDO8GPIO14/TXDOGPIO9/MISOOMISO15INAOUT41410RXDOGPIO15/RXDOGPIO11/CLKOCLKGPIOB/SPLCEO8cSSDAO3GPIO2/SDA1GPIO7ISPLCET26-OGPIO7电机驱动器SCLC5GPIO3/SCL1树莓派图5控制电路树莓派对摄像机采集的钢坏图像加以鉴别，确定为圆钢或方钢，并形成相应的脉冲宽度调制信号，驱动电机做出相应动作。当鉴别为圆钢时，驱动行走电机正时针旋转，带动轨道1接人轨道，同时驱动定位电机旋转，带动销钉竖直运动，实现对轨道的定位，使载有圆钢的转运车驶人轨道1，进入圆钢材料库。当识别为方钢时，驱动行走电机逆时针旋转，带动轨道2 接人轨道，同时驱动定位电机旋转，带动销钉竖直运动，实现对轨道的定位，使载有方钢的转运车驶入轨道2，进人方钢材料库。5钢识别分类模型数据集主要来自于网络图片和工厂现场拍照，共有2 0 0 0 张各种角度的钢坏图片，构成正样本数据库。结合设计的钢坏分类硬件系统，将钢坏分为两大类，即圆钢和方钢。在数据集中，训练样本占比为6 0%，即1200张，验证样本占比为2 0%，即4 0 0 张，测试样本占比为2 0%，即4 0 0 张。利用OpenCV3.4.0机器视觉库中的训练程序完成级联分类器的训练，训练步骤如下：（1）准备正样本素材，截取含有检测对象的图片作为正样本，同时做好灰度化和尺寸归一化处理；（2）准备负样本素材，将不包括测量对象的图像视为负样本，用于减小检测误差；（3）将正负样本图像名称后缀设置为.txt；（4）使用opencv_createsample.exe程序生成样本描述文件；（5）使用opencv_traincascade.exe程序进行训练，得到级联分类器。对钢坏进行检测试验，运行环境为视窗10 操作系统下的Visual Studio2017和OpenCV3.4.0。新建一个Python应用程序，安装OpenCV-Python，编辑钢坏检测代码，将识别出的圆钢用蓝色矩形框示出，将识别出的方钢用绿色矩形框示出。钢坏检测代码如图6 所示，钢坏识别效果如图7 所示。fromPIL importImage,ImageDraw,ImageFontimportcv2importnumpyasnpimporttime由于直接用opencv显示中文会乱码，所以先将图片格式转化为PIL库的格式，用PIL的方法写入中文def change_cv2_draw(image,strs,local,sizes,colour):cv2ing=cv2.cvtCoLor(image,cV2.COLOR_BGR2RGB)pilimg=Image.fromarray(cv2ing)draw=ImageDraw.Draw(piLing)font=ImagoFont.truetype(sIMYou.TTF,sizes,encoding=utf-g)#SIHYOU.TTFdraw.text(Local,strs,colour,fontafont)image cv2.cvtColor(np.array(piLing),cv2.COLOR_RGB2BSR)returnimagedef mycLassifier(src,classifier,strs,colors,minsize,maxSize):gray=cv2.cvtCoLor(sre,cV2.COLOR_BGR2GRAY)obj=classifier.detectHultiscale(gray,scaleFactor=1.15,minNeighbors=5)for(x,y,w,h)inobj:cv2.rectangLe（s r c,(x,y），（x+，y+w），c o l o r s,2）#面框，（x,y）为识别物体左上角点src=change_cv2_draw（s r c,s t r s，(x,y-2 0），2 8,c o lo r s）#显示中文returnsrc#读取图片文件若cap=cv2.VideoCapture（o），赠为获取摄像头画面cap=cv2.imread(0e1.jpg)yg=cv2.Cascadeclassifier(vg.xmt)特圆钢的训练数据fg=cv2.Cascadeclassifier(fg.xml)韩方钢的谢练数据whilaTrue:-,frame=cap.read()frame=mycLassifier(framo,yg,四m-,(,e,255),(40,48),(68,6e)frane=mycLassifier(frame,fg,方w,(o,255,8),(48,48),(78,7e)cv2.imshow(frame,frame)cv2.waitKey(3e)八图6钢坏检测代码圆钢方钢图7钢坏识别效果使用含有目标钢坏的4 0 0 张图像作为测试集，来检测系统性能。跟踪程序执行过程，共检测到3 97 个目标，检测错误0 个，无法识别3 个。从检测试验结果可以看出，因为使用了大量样本进行训练，系统识别的精度很高，平均准确率达到99.2 5%，对圆钢和方钢有很好的识别效果。6结束语笔者针对冶金厂钢坏材料人库进行了智能化设382023,61(8)总第7 0 8 期机械制造M尔东）编辑A上接第3 4 页）岚）（编辑研究发计，得到冶金厂换轨装置。首先完成冶金厂换轨装置的结构设计，包括结构框架、行走系统、定位系统。根据使用需求，选择树莓派作为开发板，设计控制电路。利用OpenCV软件机器视觉库训练程序完成钢坏分类器的训练，通过检测试验验证钢坏识别的准确性。检测试验结果表明，笔者基于机器视觉设计的治金厂换轨装置，对钢坏分类准确率达到99.2 5%，对钢坏人库线上的自动分具有较高实用性，参考文献1徐裴裴.自动化时代J.通用机械，2 0 15（11）：6.2任越，杨俊杰，曹洪军，等.农村生活垃圾全自动全组分分类处理技术与应用J.农业工程学报，2 0 19,3 5（4）：248-254.3赵冬娥，吴瑞，赵宝国，等.高光谱成像的垃圾分类识别研究J.光谱学与光谱分析，2 0 19,3 9（3）：92 1-92 6.4WANG H B,TIAN Q,HU Z H,et al.Image FeatureDetection Based on OpenCV J.Journal of Research inScience and Engineering,2020,2(7):16-18.5GUO W C,LI W Q,YANG B,et al.A Novel Noninvasiveand Cost-effective Handheld Detector on Soluble SolidsContent of Fruits J.Journal of Food Engineering,2019,6结束语笔者对某型号电子设备升级换代后的吊装强度进行评估。针对吊环螺栓，使用理论计算方法校核强度，可以减小有限元分析工作量。通过使用有限元仿真方法，应用ANSYSWorkbench中的静力学模块，建立简化模型，发现结构薄弱点，提出针对性优化方案，并验证优化方案的效果。优化方案中所采用的柜体加强方法不仅对本项目有效，而且对类似结构的产品也具有作用，提供了一种优化思路。参考文献1刘鸿文.简明材料力学M.3版.北京：高等教育出版社，2016.2周炬，苏金英ANSYSWorkbench有限元分析实例详解上海电气控股集团有限公司主管、主办装备机械季刊邮发代号4-9 2 5上海电气技术季刊邮发代号4-92 4257:1-9.6BEASON R D,RIESCH R,KORICHEVA J.AURITA:AnAffordable,Autonomous Recording Device for AcousticMonitoring of Audible and Ultrasonic Frequencies J.Bioacoustics,2019,28(4):381-396.7LAI X Z,YANG T,WANG Z T,et al.IoT Implementation ofKalman Filter to Improve Accuracy of Air Quality Monitoringand Prediction J/0L.Applied Sciences,2019,9(9),https:/doi.org/10.3390/app9091831.8翁志远，程颖.直流电机驱动器在机床控制中的应用J.科技信息，2 0 12（3 0）：12 9.9景露霞.基于OpenCV的前方车辆识别与车距检测系统的设计与研究D.西安：长安大学,2 0 19.10刘志鹏.基于深度学习的目标检测算法研究D.无锡：江南大学,2 0 2 1.收稿时间：2 0 2 3-0 3作者简介：易飞（198 7 一），男，工程师，主要研究方向为机械设计制造及机器视觉应用。（静力学）M.北京：人民邮电出版社，2 0 17.3谢元丕，冯刚.ANSYS三维实体单元与板壳单元的组合建模研究J.机械设计，2 0 0 9,2 6（4）：5-7.4于士甲，张鹏，李彦斌，等.基于动态子模型法的结构动响应预示方法J.东南大学学报（自然科学版），2 0 17，4 7(2):325 330.5王鑫，戚其松.有限元分析中应力奇异问题的处理J.机械工程与自动化,2 0 14（3）：6 1-6 3.收椅时间：2 0 2 3作者简介：荣晶（198 9一），男，工程师，主要研究方向为电气电子产品机械结构设计。欢迎来稿欢迎订阅