生产管理知识_注塑生产残留物检测系统的研究论文

浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：甸荆哗 日期：肼了月广日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书煳 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权浙江理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密囤。 学位论文作者签名：镧朱竿 日期：驯2 ，年弓月厂日 年解密后使用本版权书。 指导教师签名：加珥 日期：知I z 年；月罗日3 浙江理工大学硕士学位论文 摘要 随着信息技术和自动控制技术的快速发展，将两者技术结合起来应用到传统手工业和 制造加工业中，已成为一个重要的研究课题。在传统的注塑行业中，由原来的纯手工压膜 和脱模逐步地发展成使用机械手压膜和脱模，但由于在塑料制品脱模的过程中，会出现脱 模不够彻底的现象。例如，有注塑件残留，异物进入等，故需要人工干预，导致机械手的 作用得不到充分的发挥，因此寻找一种有效的检测方法将成为了本文研究的重点。 本文研究目的是利用嵌入式机器视觉技术快速的检测出注塑生产中的残留物，用自动 检测技术来代替人工的看护，实现对塑料制品脱模过程的监控，提高了注塑的自动化程度， 降低了设备的损耗。本系统采用了基于T Q 2 4 4 0 嵌入式硬件平台，并结合嵌入式图像处理 的算法实现一个高度自动化的智能检测系统。主要研究工作如下： 1 、根据检测系统的需求，选取T Q 2 4 4 0 作为系统的硬件平台，分析并比较了几种嵌入 式操作系统的优缺点，选取了嵌入式L i n u x 系统作为平台的操作系统。并据此提出了系统 的总体设计方案。 2 、研究了对采集的图像进行预处理的方法，选取适合本系统的图像预处理技术，分 析了图像在平滑处理过程的不足，提出了改进方法，使得预处理后的图像更有利用后续工 作的顺利开展。分析了影响本系统的环境因素，如，光照、模具的形状等，经过多次重复 性试验，选取了较为准确的图像阈值。 3 、重点分析并研究了检测系统的图像处理的相关算法，并结合本系统的实际情况， 采用了图像的差影算法作为基本算法，并对现有的差影算法作了一些改进，从而提高了系 统的检测效率，使检测结果更为准确。 4 、分析了系统的硬件平台并辅以相应的外围设备以及图像采集设备O V 9 6 5 0 模块，研 究了B o o t l o a d e r 程序的移植、嵌入式L i n u x 系统的移植以及文件系统的构建，编写了本系 统的摄像头模块的驱动程序。 5 、设计开发出本检测系统的应用软件，通过交叉编译工具编译并下载到硬件平台， 结合机械部分进行了设备联合调试工作。最后在现有的注塑机上进行试验，并对本系统采 集到的数据进行了分析。 本文的创新点在于将嵌入式机器视觉技术应用在注塑行业的注塑制品残留物检测中， 并利用图像预处理技术和改进型的差影算法动态地检测注塑制品残留物，考虑到注塑现场 的环境因素，部分的使用光补偿的方法。这种方法能够更高效的、快速的提高检测率。另 I 浙江理工人学硕士学位论文 外，本检测系统利用了现有注塑机的特点，不需任何大的改动，可以直接安装到现有的设 备上进行检测工作，通过实验的测试和分析，并联合实验采集到的图像数据的分析表明， 本系统的性能基本达N - f 设计初期的预定目标，对整个注塑行业的发展具有一定的推动作 用。 关键字：注塑机；嵌入式机器视觉；残留物；差影法；0 V 9 6 5 0 H 浙江理工大学硕士学位论文 R e s e a r c ho nP l a s t i cJ e t t i n gM o l d i n gM a c h i n eR e s i d u eD e t e c t i o n S y s t e mB a s e do nE m b e d d e dM a c h i n e V i s i o n A b s t r a c t A st h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y , c o m b i n i n gt h et w ot e c h n i q u e sa n da p p l y i n gt h e mt ot r a d i t i o n a lh a n d i c r a f t s ，m a n u f a c t u r i n ga n d p r o c e s s i n gi n d u s t r i e s h a sb e c o m ea l l i m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c I nt h et r a d i t i o n a li n j e c t i o n m o l d i n gi n d u s t r y , t h eo r i g i n a lh a n dl a m i n a t e da n ds t r i p p i n gm o l dg r a d u a l l yd e v e l o p e di n t o m e c h a n i c a ll a m i n a t e da n ds t r i p p i n gm o l d B u ti nt h ep r o c e s so fp l a s t i cp r o d u c t s s t r i p p i n g ，t h e r e w i l la p p e a rs t r i p p i n gw h i c hi sn o tc o m p l e t e de n o u g h , s l i g h t l yr e s i d u a l ，o rf o r e i g nm a t t e r , i t r e q u i r e sm a n u a li n t e r v e n t i o n ，w h i c hr e s u l t si nt h a tr o b o tC a nn o tf u l l yp l a yt h er o l e ，s ot h ef o c u s o ft h i ss t u d yi st of i n da ne f f e c t i v ew a yt os o l v et h ep r o b l e m T h ep u r p o s eo ft h i ss t u d yi st h eu s eo fe m b e d d e dm a c h i n ev i s i o nt e c h n o l o g yt o r a p i d l y d e t e c tt h er e s i d u e sd u r i n gt h ei n j e c t i o nm o l d i n gp r o d u c t i o n T h ea u t o m a t i cd e t e c t i o nt e c h n o l o g y r e p l a c e sm a n u a lc a r e ，a c h i e v e st h ep l a s t i cs t r i p p i n gp r o c e s sm o n i t o r i n g ，i n c r e a s e st h ea u t o m a t i o n o fi n j e c t i o n ，a n dr e d u c e st h el o s so fe q u i p m e n t T h es y s t e mu s e sa ne m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r m b a s e do nT Q 2 4 4 0 ，a n di sc o m b i n e d 晰t he m b e d d e di m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m st oa c h i e v ea h i g h l ya u t o m a t e di n t e l l i g e n td e t e c t i o ns y s t e m T h i sm a jo rr e s e a r c hw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 A c c o r d i n gt ot h ed e t e c t i o ns y s t e mr e q u i r e m e n t s ，h a r d w a r ep l a t f o r ms e l e c t e dT Q 2 4 4 0 A n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs e v e r a le m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m s ，t h ee m b e d d e dL i n u xs y s t e mi ss e l e c t e da sap l a t f o r mo p e r a t i n gs y s t e m T h es y s t e m S o v e r a l ld e s i g ni sb a s e do nt h a t 2 S t u d y i n go fi m a g e sp r e p r o c e s s i n gm e t h o d ，o n eb e f i t t i n gi m a g ep r e p r o c e s s i n gt e c h n i q u e s i ss e l e c t e df o rt h es y s t e m A n a l y z i n gt h ed e f i c i e n c i e si nt h ep r o c e s so fs m o o t h i n g ，t h ei m p r o v e d m e t h o di sp r o p o s e d ，w h i c hm a k e sm o r eu s eo ft h ep r e t r e a t m e n ti m a g ef o rt h ef o l l o w i n gw o r k n a m i n gs m o o t h l y A n a l y s i so ft h ee n v i r o n m e n t a lw h i c hi m p a c t st h es y s t e m ，s u c ha sl i g h t ，s h a p e o ft h em o l do ro t h e rf a c t o r s ，a l le x a c ti m a g et h r e s h o l di sp r e s e n t e dt h r o u g ht r i a l 3 F o c u s i n go na n a l y z i n ga n ds t u d y i n gt h ei m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m so ft h ed e t e c t i o n s y s t e m ，a n dc o m b i n i n gw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h es y s t e m ，t h ep o o rs h a d o wa l g o r i t h mo ft h e I I I 浙江理工大学硕士学位论文 i m a g ei ss e l e c t e da st h eb a s i ca l g o r i t h m T h ee x i s t i n gp o o rs h a d o wa l g o r i t h mh a sb e e ni m p r o v e d t oi m p r o v ed e t e c t i o ne f f i c i e n c yo ft h es y s t e m ，a n dm a k et h et e s tr e s u l t sm o r ea c c u r a t e 4 A n a l y s i so ft h es y s t e m S h a r d w a r ep l a t f o r m sp e r i p h e r a l ss u p p o r t e db ya p p r o p r i a t e e q u i p m e n ta n di m a g ea c q u i s i t i o nd e v i c e sO V 9 6 5 0m o d u l e ，a n a l y z i n gB o o t l o a d e rp o r t i n g ，t h e m i g r a t i o no ft h ee m b e d d e dL i n u xs y s t e ma n dt h er e b u i l d i n go ft h ef i l es y s t e m ，t h ed r i v e ro ft h e s y s t e m Sc a m e r am o d u l ei sp r o g r a m m e d 5 T h es y s t e m Sa p p l i c a t i o ns o f t w a r ei sd e s i g n e da n dd o w n l o a d e dt ot h eh a r d w a r ep l a t f o r m t h r o u g hc r o s s - c o m p i l e rt 0 0 1 C o m b i n i n g 、析t ht h em e c h a n i c a lp a r t t h ej o i n tc o m m i s s i o n i n go ft h e e q u i p m e n ti st e s t e d F i n a l l y , t h et e s t sc o m eo nt h ee x i s t i n gi n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ea n dt h e c o l l e c t e dd a t ao ft h es y s t e mw e r ea n a l y z e d T h ei n n o v a t i o no ft h i sp a p e ri st h a tt h ee m b e d d e dm a c h i n ev i s i o nt e c h n o l o g yi su s e di nt h e p r o d u c tr e s i d u et e s t i n go fi n j e c t i o nm o l d i n gi n d u s t r y , a n dt h a td e t e c t i n gi n j e c t i o np r o d u c tr e s i d u e i sw i t ht h eu s eo fi m a g ep r e - p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dt h ei m p r o v e dp o o rs h a d o wa l g o r i t h m C o n s i d e r i n go fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r st ot h ei n j e c t i o ns i t e ，s o m eo ft h ec o m p e n s a t i o nu s et h el i g h t c o m p e n s a t i o nm e t h o d ，w h i c hc a nb em o r ee f f e c t i v ea n df a s tt oi m p r o v ed e t e c t i o nr a t e s I n a d d i t i o n ，t h ed e t e c t i o ns y s t e mu s i n gt h ee x i s t i n gf e a t u r e so fi n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ，w i t h o u t a n ym a j o rc h a n g e s ，C a nb ei n s t a l l e dd i r e c t l yi n t oe x i s t i n ge q u i p m e n tt od od e t e c t i n g T h r o u g h e x p e r i m e n t a lt e s t i n ga n da n a l y s i s ，a n da s s o c i a t i n gw i t ht h ea n a l y s i sr e s u l t so fc o l l e c t e di m a g e d a t as h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mb a s i c a l l yr e a c h e st h ei n i t i a lt a r g e t I th a sac e r t a i n r o l ei nt h ee n t i r ei n j e c t i o nm o l d i n gi n d u s t r y K e y w o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ，e m b e d d e dm a c h i n ev i s i o n , r e s i d u e s ，p o o rs h a d o w m e t h o d s ，O V 9 6 5 0 I V 浙江理工大学硕士学位论文 目录 摘要I A b s t r a c t I I I 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景l 1 2 国内外研究现状l 1 3 课题的研究目的和意义。：3 1 4 论文的总体结构与安排3 第二章残留物检测系统的整体设计5 2 1 嵌入式机器视觉简介5 2 2 注塑机的简介5 2 3 - 检测系统的总体设计方案6 2 3 1 检测系统的硬件总体设计8 2 3 2 检测系统的软件总体设计9 2 4 本章小结1 l 第三章平台图像处理算法的研究1 3 3 1 图像预处理技术1 3 3 1 1 位图图像灰度化1 3 3 1 2 图像直方图均衡化1 5 3 1 3 图像平滑处理。1 6 3 2 图像的差影算法1 7 3 3 图像分割的阈值选取1 8 3 4 本章小结1 9 第四章检测系统的硬件平台搭建2 0 4 1 主控电路模块2 0 4 1 1N A N DF L A S H 模块2 0 ，4 1 2S D R A M 模块2l 4 1 3 电源、复位和时钟模块2 2 4 2 图像采集模块二2 3 4 3 控制电路及其它外围电路模块2 4 4 3 1 控制电路模块。2 4 4 3 2 触摸屏与L C D 液晶屏电路模块。2 4 4 4 本章小结2 5 第五章检测系统软件平台的搭建2 6 5 1 引导加载程序U B o o t 的移植2 6 5 1 。lU B o o t 简介2 6 5 1 2U B o o t 的启动流程2 7 5 1 3U B o o t 的移植过程2 8 5 2 嵌入式L i n u x 内核移植3 0 5 2 1L i n u x 内核模块3 0 I 浙江理工大学硕士学位论文 5 2 3L i n u x 内核配置和编译3 1 5 3 构建嵌入式文件系统3 4 5 3 1Y A F F S 文件系统3 4 5 3 2 构建支持Y A F F S 文件系统3 5 5 4O V 9 6 5 0 驱动程序的移植3 6 5 4 1 驱动程序的工作模式3 6 5 4 2 驱动程序的设计3 7 5 5Q t E 应用程序的开发3 9 5 5 1 嵌入式G U I 系统的比较3 9 5 5 2Q t E 开发环境的建立3 9 5 5 3Q t 的移植4 1 5 5 4Q t E m b e d d e d 界面设计4 4 5 6 系统实验与结果分析j 4 6 5 7 本章小结4 6 第六章结论与展望：4 8 6 1 结论二4 8 6 2 存在的问题与展望。4 8 参考文献5 0 致谢5 4 攻读学位期间的研究成果。5 5 I I 浙江理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 随着工业自动化程度的快速发展，高度自动化设备是加工业的一项重要的衡量指标， 各种自动化生产和机器人生产已成为国内外学者研究的重点课题。注塑行业的注塑品生产 过程需要经过多道复杂的工序，每道工序都要求自动化完成。目前虽然注塑行业已经进入 了自动化生产阶段，但是由于在注塑制品脱模的阶段，需要人工现场看护，这样降低了机 器的自动化水平。虽然国内、外有很多高度自动化的注塑机已经能够自动检测脱模后自动 检测是否彻底，但是这些设备主要是面向大型企业的自动化生产线，且设备成本昂贵，缺 乏普遍性和实用性，使得很多中小企业望而却步。针对这种现状，本项目与浙江省部分注 塑生产企业合作，共同研究和开发注塑生产残留物检测系统。 目前，浙江省的注塑生产企业大部分都引进了自动化注塑机生产线，实现了加料、注 塑、压膜、脱模的全自动化操作，但重点是在注塑制品脱模的过程，采用机械手摘取脱模 制品，由于脱模不够彻底，故需要为每台注塑机配备一个现场看护人员，目的是为了检查 在脱模过程中注塑制品残留在模具上，以免在下一次压膜的过程中，损坏注塑模具。这样 不仅提高的企业的生产成本，也降低了机器的自动化程度。基于上述的企业难题，本文将 利用嵌入式机器视觉技术结合图像处理技术研究和开发出检测系统。因为目前在工业实际 应用中，绝大多数还是采用基于P C ( P e r s o n a lC o m p u t e r ) 机的机器视觉系统。但随着计算机 技术和微电子技术的迅速发展，嵌入式系统应用领域越来越广泛，特别是其具备低功耗、 低成本和高效率的特点得了到人们的重视，并且开发出的产品可靠性高、可维护性好、方 便不断完善和升级换代等。嵌入式机器视觉技术正是围绕嵌入式计算机设计开发的集图像 采集、图像处理、图像分析理解于一体的机器视觉模块化技术，它带有独立的操作系统及 处理能力，可以被嵌入其他设备实现非接触式的检测与测量【l 捌。 故本课题拟提出将嵌入式机器视觉技术运用于注塑生产中残留物检测中，通过高分辨 率摄像头采集现场信息，将信息传达到嵌入式系统中进行相应的处理，并做出相应的动作 ( 如停止机器的运转) ，尽可能防止模具受损，从而降低企业的生产成本，并为企业的自动 化发展提供了可靠条件，同时将给企业带来更大的收益。 1 2 国内外研究现状 近些年来，随着芯片制造工艺和微电子技术的不断更新和发展，嵌入式领域的应用越 来越普遍。在日常生活中，嵌入式产品已经是随处可见，小到M P 3 、M P 4 、手机和移动终 浙江理工大学硕士学位论文 端，大到智能机器人、巡航机器人等等。嵌入式技术的快速发展也带来了几次技术革命， 人们也开始不断追求精致且完美的电子产品或其他电子消耗品1 3 一。同样在其他各个领域， 嵌入式技术担当了很重要的角色，特别是近些年来，将嵌入式系统和机器视觉技术相结合 的嵌入式机器视觉成为了许多专家和学者研究的方向。 目前，在国外嵌入式机器视觉的研究非常的普遍。早在1 9 9 6 年由美国花费1 0 亿美金 研制的“索杰纳”火星车通过V x w o r k s 嵌入式机器视觉系统将火星上的图片发回到地面的 指挥中心，从而为科学的研究提供了素材。一些研究移动机器人的专家也试图利用W i n d o w s C E 操作系统的视觉系统应用到移动机器人寻迹和探测系统中。0 6 年日本富士通研究院 N a o y u k iS a w a s a k i 等1 5 J 专家开始研究基于嵌入式机器视觉的导航机器人，主要使用美国T I 公司的T M S 3 2 0 C 6 7 1 3 的D S P 芯片作为处理器在导航算法上的实验。0 7 年英国约克大学计 算机科学实验室H o n g y i n gM e n g 等【6 】几位学者基于S V M 的嵌入式机器视觉的人体动作识 别系统，并结合运动历史图像和分层运动历史直方图来对图像动作进行分类等研究工作。 同年，还有阿伯丁大学工程与物理科学学院M i g u e lS P r i e t oA R A l l e n t 7 】利用F P A G 和砧州 设计嵌入式机器视觉的模式识别和分类的综合系统，该系统主要用于路标的识别和检测， 并且取得了非常不错的效果。此外，嵌入式图像处理技术也已进入手机领域。0 8 年法国 D x O 实验室推出了3 个专为拍照手机应用而设计的新型嵌入式图像处理解决方案，且这些 解决方案是以硅I P 形式授权给硅厂商的，通过将最佳的数字光学技术与反锯齿去马赛克、 传感器与像素级噪音补偿以及D S C 级自动曝光与自动白平衡等业界最佳的图像处理技术 相结合而实现的，从而克服那些在清晰度较高、尺寸较小的相机模块中使用的日益缩小的 像素的局限性。还有N E C 公司也在其手机内部应用嵌入式图像处理技术。 相对于国外对嵌入式机器视觉的研究来说，国内在相关方面的研究工作也是比较热门 的，一般在高校、科研院所以及相关企业也投入了大量的人力和物力。例如，武汉理工大 学信息工程学院郑威【8 】研制开发的D S P 嵌入式视觉检测系统，并且该系统对玻璃在生产过 程中出现的缺陷进行实时的检测工作的相关研究得到了较好的效果。同样，江南大学的史 鹏飞 9 1 研究的基于D M 6 4 3 7 的嵌入式机器视觉系统，利用多任务处理机制对图像算法进行 处理，虽然检测精度高、检测速度快等特点，但成本偏高且不适合于低端用户。华北计算 机技术研究所研发设计了通用的嵌入式图像处理平台，该平台为图形图像在武器装备上的 应用提供了统一的接口和底层服务，平台中与图形处理相关的库也已经得到了良好的实 现，为其他研究者提供了良好的思路。还有哈尔滨工业大学机器人研究所研究了一种高性 能且低功耗的结构简单的嵌入式机器视觉平台，主要用于与机器人进行对接和引导工作， 2 浙江理工大学硕士学位论文 可以安装于微型自重构机器人的系统中。此外在安防领域，有很多企业也涉及到嵌入式机 器视觉系统，有浙江大华股份技术有限公司的D H S D 6 5 8 2 系列的安防监控产品的前端处 理都是采用嵌入式机器视觉技术将图像传送到服务器上进行对接，以实现对教育、交通、 银行和企业等领域的安全监管工作。 纵观嵌入式机器视觉的国内外发展现状，嵌入式产品已经得到了广泛应用和发展，同 时也带动着机器视觉技术的不断进步，而且应用的领域从军用到民用，农业到工业都处处 可见。且相关嵌入式视觉技术也得到了进一步的研究，也日趋成熟和稳定。 1 3 课题的研究目的和意义 本课题主要是针对浙江省注塑企业生产中部分注塑机注塑脱模已采取机械手而提出 的一种研究方案。其研究目的是拟在现有的注塑机上安置检测系统，实现对注塑生产中注 塑残留物或异物的检测与监控，从而提高了生产效率，减少模具受损，降低操作人员的工 作强度以及降低企业生产成本。 本课题研究的基于嵌入式机器视觉的注塑生产残留物检测系统，通过摄像头采集注塑 脱模现场的图像，并采集的信息发送到嵌入式系统中进行分析和处理，根据处理的结果， 做出相应的动作，等待处理后再恢复正常工作。要完成这一系列的操作，且机械手抓取塑 料件到下一压膜动作时间很短，故需要机器视觉系统具有高速的图像数据采集功能、足够 的存储空间和快速的处理能力。并且在采集图像数据时，可能受到现场光线等外在的因素 影响。由于生产环境限制和设备空间限制，只能采用体积小巧的嵌入式系统才满足应用要 求。故本文拟采用机器视觉系统来解决这一技术难题。如果采用传统的P C 机器视觉系统， 有如下不足之处：一是现场的工作环境复杂；二是安装相对较困难；三是P C 设备的成本 相对较高【1 0 , 1 1 1 。由于芯片技术和电子技术的迅速发展，电子产品的体积越来越小，且性能 较好，因此嵌入式产品得到了广泛的应用。利用嵌入式产品代替传统的P C 机，将很大程 度上减少企业生产成本并降低模具的损坏程度，延长其设备的使用寿命。 1 4 论文的总体结构与安排 本文将按如下方式组织各个章节： 第一章主要回顾了本课题研究的背景、嵌入式机器视觉的国内外发展现状，阐述了本 课题研究目的和意义，指出了本课题研究的难点和重点，提出了关键解决方案并详细地介 绍了本课题研究的主要内容和研究方法。 第二章主要介绍了系统的总体设计和功能模块，详细的阐述硬件平台的选取和搭建， 以及软件的开发，研究了嵌入式系统的移植等。 3 浙江理工大学硕士学位论文 第三章主要介绍了平台图像处理的算法；简单的介绍了嵌入式图像处理的方法，分析 了图像预处理技术，详细地阐述了本课题图像的检测算法以及相关算法的改进。 第四章主要介绍了检测系统的硬件平台如何搭建，分析了相关硬件的选取以及辅助电 路和检测模块的选取。 第五章主要介绍了检测系统的软件模块的搭建，详细的讲述了嵌入式的开发环境的搭 建、开发流程，引导系统、调试、交叉编译以及应用软件的开发与移植工作，并在嵌入式 平台上展示了移植效果。 第六章主要对全文进行总结以及在研究中存在的问题和未来工作的展望。 4 浙江理工大学硕士学位论文 第二章残留物检测系统的整体设计 2 1 嵌入式机器视觉简介 机器视觉既是工程领域，也是科学领域中的一个富有挑战性重要研究领域。机器视觉 是- - I 1 综合性的学科，它已经吸引了来自各个学科的研究者参加到对它的研究之中【1 2 13 1 。 其中包括计算机科学和工程、信号处理、物理学、应用数学和统计学，神经生理学和认知 科学等。经过近4 0 年的研究，机器视觉在深度和广度两方面都取得了很大的进展，积累 了丰富的学术研究成果，各种相关文献大量出现，己成为一门内容十分丰富的独立学科， 在应用研究方面也有了很广泛的应用。 嵌入式机器视觉主要用微型计算机来模拟人的视觉功能，但并不仅仅是人眼的简单延 伸，更重要的是具有人脑的一部分功能一从客观事物的图像中提取信息，进行处理并加以 理解，最终用于实际检测、测量和控制【1 4 1 。一个常见的嵌入式机器视觉系统，由被测物体、 光学成像系统、图像的采集系统、系统嵌入式处理系统、智能控制系统和光源等部分组成。 其组成框图如2 1 所示。 被 光 图 检 线像 图像采 测 成捕 集与数 嵌 物 像获 字化 入 系系 式 体 统统 处 理 ，、 智能化执行模块 l 平 ( 光源) 厶 丫 口 图2 1 嵌入式机器视觉系统组成 而现在机器视觉已成为一门不同于人工智能、图象处理、模式识别等相关领域的成熟 学科【1 5 1 。同样也随着计算机技术和微电子技术的迅猛发展，嵌入式机器视觉技术的应用也 越来越广泛，以其独特的低功耗、低成本和高性能等特点，已深入到了现实生活中的各个 角落。 2 2 注塑机的简介 注塑机又名注射成型机或注射机。它是将热塑性塑料或热固性料塑料利用成型模具制 成各种形状的塑料制品的主要成型设备【1 6 1 。分为立式、卧式、全电式。注塑机能加热塑料， 对熔融塑料施加高压，使其射出而充满模具型腔。工作原理与打针用的注射器相似，它是 浙江理工大学硕士学位论文 借助螺杆( 或柱塞) 的推力，将已塑化好的熔融状态( 即粘流态) 的塑料注射入闭合好的模腔 内，经固化定型后取得制品的工艺过程【1 7 1 。其作业工序框图和原理图如图2 2 所示。 ( a ) 工序框图 ( b ) 原理图 图2 2 注塑机的作业图与原理图 注塑机自本世纪3 0 年代问世以来，主机结构及传动原理变化不大，但其控制系统却 在不断得到更新和发展。国外已由手动操作的第一代产品发展成为基于微机闭环控制的第 五代产品，其自动化程度已经得到了很大提高。而我国直5 0 年代末才开始生产注塑机， 起步相对较晚。近年来，随着注塑机在行业中的比重不断加大，其出口量已超过造纸机， 成为我国轻工系统最大宗出口的机器设备【1 8 】。但能源危机的出现，劳动力缺乏的出现，加 之对产品质量要求越来越高，注塑机的节能高效、自动化程度高等性能已为用户所关注的 问题；同时，对于中大规模注塑工厂( 车间) ，甚至量少、品种多的小规模注塑车间，在保 证制品质量的前提下，如何利用成熟的自动化设备，提高产品精度，降低废品、次品率， 节约原材料和能源来降低成本，增强市场竞争也逐渐引起人们的高度重视【1 9 1 。所以，采用 先进的控制技术和管理手段改进现有的注塑机工业生产已成为必然的趋势。 2 3 检测系统的总体设计方案 目前应用最为广泛的图像检测系统方案中，采用的处理器有A R M 和D S P 两种，表2 1 总结了目前应用最为广泛的图像检测系统方案的优缺点： 6 浙江理工大学硕士学位论文 表2 1 应用最为广泛的图像检测系统方案的优缺点 由上表中比较可知，方案a 采用D S P + 图像采集芯片组合，尽管处理速度快，但是由 于在D S P 上无法运行操作系统，系统控制功能比较弱、扩展难度比较大。方案b 在D S P 的基础上增加了A R M 处理器，这样增加了系统的灵活性，能够实现硬件采集，软件实现 算法，同时能够通过A R M 处理器实现网络的传输。但是D S P 和A R M 的联合设计较为困 难，联调也不易，而且成本较高，不易于广泛推广使用。方案C 则采用了A R M 处理器和 图像采集芯片，由于A R M 芯片能运行嵌入式操作系统，并且提供丰富的外围接口，这样 可以方便的实现图像数据的处理，增加了系统的灵活性和扩展性。但是采集的图像的压缩 需要由软件来实现，这样给微处理器带来较大的压力，影响到整个系统的实时性 2 0 】。但由 于本图像检测系统不需要进行大量的图像数据的存储和处理，基本能满足系统实时性，故 可以很好的解决方案C 中遇到的难题。采用此方案，不仅能对图像进行实时的处理，而且 能够增加系统的灵活性，较易实现残留物的检测、存储等。经比较后，本课题采用的解决 方案正是A R M 和图像采集芯片的组合方案。 本文所设计的注塑残留物检测系统采用三星公司的微处理器$ 3 C 2 4 4 0 t 2 1 1 作为控制核 心，采用嵌入式L i n u x 操作系统，并辅以相应的外围电路作为硬件电路平台实现一个自动 化程度比较高的智能控制系统，该系统要求能在检测到模具中有注塑残留物或异物时的 0 5 s 内停止下一次注塑压膜动作。系统的总体框图如图2 3 所示。 一 图2 3 系统总体框图 鉴于图2 3 的设计思想，给出了系统软硬件需求如下： l 、检测系统的硬件需求：首先要建立嵌入式系统，选用A R M L i n u x 嵌入式工作平台。 选择基于A R M 9 的$ 3 C 2 4 4 0 微处理器为控制核心并辅以相应的外围工作电路；选取合适 7 浙江理工大学硕士学位论文 的图像传感器对注塑现场的图像进行采集；使用继电器和光耦等器件实现对机械部分的控 制；使用L C D 触摸屏来实现人机交互【2 2 1 。 2 、检测系统的软件需求：依据硬件平台移植U B o o t 引导加载程序：建立嵌入式L i n u x 操作平台，包括：嵌入式L i n u x 内核的配置与移植、驱动的开发、根文件系统的构建与移 植；检测算法的研究、检测系统的应用程序开发和用户图形界面G U I 的移植。为了便于移 植，本文应用程序用C C + + 语言来编写，在应用程序和操作系统提供的A P I 接口。 2 3 1 检测系统的硬件总体设计 1 、硬件平台的选择 处理器的选择是硬件平台的核心，它决定了整个系统的处理和控制能力。由于本系统 要对大量实时数据进行操作，而且控制的硬件设备比较多，任务繁杂，因此对于系统的实 时性和处理能力要求比较高。8 位的单片机显然不能胜任，而用于数字信号处理的D S P 虽 然运算能力强，但其不能支持嵌入式操作系统。所以，A R M 处理器便成为了本系统的理 想选择f 2 3 1 。 本设计采用三星公司的$ 3 C 2 4 4 0 微处理器作为控制核心，辅以相应的外围电路作为硬 件平台基础。$ 3 C 2 4 4 0 是三星公司生产的基于A R M 9 2 0 T 内核的1 6 3 2 位的R I S C 微处理器， 主频率可达5 3 3 M H z ，它为手持设备和低功耗、高性能的控制器提供了解决方案。$ 3 C 2 4 4 0 集成了丰富的片内外围接口电路，主要包括【2 3 】： ( 1 ) 支持S T N 和T F T 带有触摸屏的液晶显示屏的L C D 控制器，S D R A M 控制器。 ( 2 ) 3 个通道的U A R T ，4 个具有P W M 功能的计时器，8 通道的1 0 位A D C ，摄像头接 口，触摸接口，I I C 总线接口和I I