一種滾球法測(cè)橡膠粘度的視覺矯正算法研究*

王憲倫，姜鵬鵬(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266042)

0 引 言

在輪胎工業(yè)中，要求輪胎在動(dòng)態(tài)、高溫、潮濕老化后，保持良好的粘合力，同時(shí)也經(jīng)常需要將幾種膠層粘接以獲得更好的輪胎性能。橡膠粘彈特性影響著膠料的加工性能、硫化膠的物理性能以及橡膠制品的使用性能[1-3]。目前，雖然有粘度分析儀，但由于其測(cè)量精度不高、滯后大、設(shè)備昂貴、維護(hù)性差,在實(shí)際生產(chǎn)中，大多數(shù)輪胎企業(yè)還是采用傳統(tǒng)的測(cè)量方法。該方法通過人工采樣，將兩片膠料表面在一定的壓力下擠壓一定時(shí)間，撤銷該擠壓力后，測(cè)量將兩片膠料拉開需要的力大小。該方法測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)、效率較低，測(cè)量結(jié)果存在較大偏差，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)，橡膠產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)程度低。

為了解決以上方法存在的問題，本研究提出利用滾球測(cè)橡膠粘度的視覺矯正算法，以通過該算法使測(cè)得的粘度值更接近真實(shí)值，從而利用測(cè)得的高精度橡膠粘性量來指導(dǎo)生產(chǎn)，提高輪胎的質(zhì)量和加工效率。

1 滾球法測(cè)橡膠粘度概述

滾球法測(cè)量系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)、高速攝像機(jī)、激光線性發(fā)生器、滾球、自制粘度測(cè)量平臺(tái)、待測(cè)膠料等組成。滾球法測(cè)量系統(tǒng)借助滾球的運(yùn)動(dòng)，通過上位機(jī)軟件與高速攝像機(jī)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的采集、處理與分析，結(jié)合本研究提出的測(cè)量粘度算法來得到高精度的粘性量。滾球以一定的速度在橡膠表面上滾動(dòng)，由于受膠料的粘滯作用(不計(jì)空氣阻力)而做減速運(yùn)動(dòng)。通過激光線性發(fā)生器發(fā)射的線激光對(duì)滾球進(jìn)行照射[4]，由于部分激光線被滾球擋住，在投影面上激光線發(fā)生直線分段。筆者通過對(duì)攝像機(jī)采集滾球運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行分析處理得到橡膠的粘性量。

自制粘度測(cè)量平臺(tái)如圖1所示。

圖1 粘度測(cè)量平臺(tái)

2 粘度測(cè)量算法

本研究通過視覺系統(tǒng)獲取圖像數(shù)據(jù)，找到滾球運(yùn)動(dòng)到水平膠料上的第一幀圖像，并以此開始處理之后的圖像數(shù)據(jù)。通過圖像預(yù)處理[5-6]，得到滾球遮擋的激光投影的間斷位置，通過粘度測(cè)量算法得到滾球中心位置，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到加速度值，輸出膠料的粘性量。

粘度測(cè)量算法流程如圖2所示。

圖2 粘度測(cè)量算法流程圖

3 視覺矯正算法的提出

粘度測(cè)量算法關(guān)鍵在于如何精確地確定每一時(shí)刻滾球中心點(diǎn)的位置坐標(biāo)。這就需要對(duì)本裝置的投影原理從其本質(zhì)上進(jìn)行分析與矯正。平臺(tái)中的激光線性發(fā)生器是通過透鏡將輸入的激光光束轉(zhuǎn)換為能量均勻分布的直線，在對(duì)滾球進(jìn)行投影過程中，圖像發(fā)生畸變[7-9]。

為解決上述問題，本研究提出以下矯正算法：在滾球法測(cè)試之前首先將水平激光線性發(fā)生器旋轉(zhuǎn)90°，使其發(fā)射豎直線，記錄該線的線寬中心在圖像中的寬度方向像素位置B，并算出實(shí)際距離與像素距離的比例r，測(cè)量激光發(fā)生器到投影面的距離h1，滾球中心到投影面的距離h2。滾球中心O在投影面上的位置為x2，而滾球中心的實(shí)際位置點(diǎn)應(yīng)為P，直接對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行利用得到的結(jié)果會(huì)有很大誤差。因此，對(duì)滾球運(yùn)動(dòng)分4種狀態(tài)分析，通過矯正來求取P的位置。已知r，h1，h2，通過圖像可以得到X1，X3，B點(diǎn)寬度方向的像素坐標(biāo)值x1，x3，b，并設(shè)P點(diǎn)寬度方向的像素坐標(biāo)值p。

當(dāng)x1

圖3 狀態(tài)一滾球投影示意圖

(1)

LBx3=r(b-x3)

(2)

(3)

則：

LBx2=h1tanφ3

(4)

由△ox2P～△Ax2B得：

(5)

(6)

當(dāng)x1LBx3時(shí)，該狀態(tài)的滾球投影示意圖如圖4所示。

圖4 狀態(tài)二滾球投影示意圖

(7)

LBx3=r(x3-b)

(8)

(9)

則：

LBx2=h1tanφ3

(10)

由△ox2P～△Ax2B得：

(11)

(12)

同理可求得，當(dāng)x1

(13)

以上兩種狀態(tài)的滾球投影示意圖如圖(5，6)所示。

圖5 狀態(tài)三滾球投影示意圖

圖6 狀態(tài)四滾球投影示意圖

由于滾球在橡膠料表面的運(yùn)動(dòng)近似為勻減速運(yùn)動(dòng)，高速攝像機(jī)采集圖像的時(shí)間間隔可由t=1/f得到，其中，f為攝像機(jī)的幀速率，滾球的質(zhì)量m已知，由勻加速Δs=at2即可得到加速度a。

因此，需求得每?jī)蓮垐D像的滾球中心的實(shí)際位置點(diǎn)P的差值Δp，則加速度a=Δpr/t2。重復(fù)上述方法，將有效圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到多個(gè)加速度值，求其平均值作為加速度的值。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

通過電磁鐵通斷電來完成滾球吸合與釋放，通過高速攝像機(jī)采集滾球運(yùn)動(dòng)圖像數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行上述分析方法，即可得到加速度值，進(jìn)而求得膠料的粘度。

粘度測(cè)量平臺(tái)實(shí)物如圖7所示。

圖7 粘度測(cè)量平臺(tái)實(shí)物

本研究取同一橡膠片樣品分成兩部分，進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，第一組實(shí)驗(yàn)取其中一塊膠料放到粘度測(cè)量平臺(tái)上，將滾球在較高位置釋放，到達(dá)膠料表面時(shí)具有較高的初速度，滾球最終落到測(cè)量裝置的滾球收集槽中，進(jìn)行8次測(cè)試并記錄數(shù)據(jù)結(jié)果；第二組取另一塊膠料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)電磁鐵的位置，使?jié)L球從較低的位置釋放，由于到達(dá)膠料表面的初速度較小，滾球可能未到達(dá)收集槽中，同樣進(jìn)行8次測(cè)試，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果對(duì)比圖如圖8所示。

圖8 結(jié)果對(duì)比圖

從圖8中可以看出：每組數(shù)據(jù)都有較小范圍波動(dòng)，第一組數(shù)據(jù)結(jié)果比第二組數(shù)據(jù)總體稍大，從不同高度釋放滾球會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生微小的影響。由于機(jī)械安裝誤差，激光發(fā)生器發(fā)射的直線激光能量分布不均，以及膠片本身粘度的不均勻性，并且滾球每次滾動(dòng)所走的路徑并非完全重合，導(dǎo)致了同組數(shù)據(jù)有較小波動(dòng)；從高處釋放滾球，當(dāng)滾球到達(dá)水平面時(shí)得到較高的初速度，其中速度越大，滾球所受到風(fēng)的阻力就越大，因此第一組滾球的加速度較第二組大，得到的粘性力也較第二組稍大，但影響相對(duì)較弱可以作為測(cè)量結(jié)果的參考值，在工業(yè)測(cè)試中故可將其忽略。因此在實(shí)際測(cè)試中，可以適當(dāng)調(diào)整滾球釋放的高度進(jìn)而得到粘性量。

5 結(jié)束語

由于使用激光線性發(fā)生器進(jìn)行投影導(dǎo)致的圖像畸變進(jìn)行矯正，該視覺矯正算法采用了分段處理的方法，根據(jù)滾球運(yùn)動(dòng)位置的不同進(jìn)行分析與公式推導(dǎo)，得到滾球中心在運(yùn)動(dòng)中的真實(shí)位置。筆者建立的模型中不存在近似求解的問題，消除了因近似求解而導(dǎo)致的誤差；同時(shí)該矯正模型不受滾球距投影面距離的遠(yuǎn)近影響，解決了因滾球距離投影面的距離差異導(dǎo)致的測(cè)試數(shù)據(jù)誤差變化較大的問題，從而保證了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性以及提高了算法的適應(yīng)性。

該粘度測(cè)量平臺(tái)操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度較高，且測(cè)試周期短、測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定，成本較低，因此該平臺(tái)可應(yīng)用在各類橡膠生產(chǎn)制造業(yè)，進(jìn)一步提高輪胎的質(zhì)量。

[1] 薩日娜.高性能纖維的表面修飾新方法及其橡膠復(fù)合材料的界面設(shè)計(jì)與粘合性能研究[D].北京:北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,2015.

[2] 李 斌,杜華太,張洪民,等.芳綸與橡膠界面粘合技術(shù)的研究進(jìn)展[J].橡膠工業(yè),2012,59(12):757-761.

[3] 傅國(guó)娟,馬明強(qiáng),史新妍.疲勞次數(shù)對(duì)鋼絲簾線/橡膠粘合性能的影響[J].橡膠工業(yè),2016,63(4):206-210.

[4] 劉 彬,許立銘,劉宏勝,等.Laserline激光發(fā)生器在KUKA機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2016,50(S1):14-18.

[5] LIU Wei, XIN Ma, LI Xiao, et al. High-precision pose measurement method in wind tunnels based on laser-aided vision technology[J].ChineseJournalofAeronautics,2015,28(4):1121-1130.

[6] ALEX Z. Learning open CV-computer vision with the open CV library[J].IEEERoboticsandAutomationMagazine,2009,16(3):100.

[7] 王 健,陳文藝,王 波,等.投影圖像畸變的一種校正方法[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào),2011,16(1):65-69.

[8] 姚 路,陳昌志,周 橋,等.基于投影模型和圖像融合的拼接畸變消除算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2016,33(7):217-221.

[9] 余 鑫，胡方德，吳 軍.基于Chebyshev插值算法的實(shí)時(shí)魚眼圖像校正[J].兵工自動(dòng)化，2016，35(7)：55-56，65.