基于改進遺傳算法的鍍層氧化膜厚度測量研究

蔣廣敏，戴 利，代 欣

(1.滕州市中等職業(yè)教育中心學(xué)校，山東 棗莊 277500；2.棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東 棗莊 277500)

金屬的電鍍工藝應(yīng)用范圍廣，在機電、化工等各領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用[1].在一些高精度工藝要求與產(chǎn)品質(zhì)檢過程中需要對氧化膜厚度進行測量，因此，對氧化膜厚度測量的精確性成為衡量電鍍工藝的關(guān)鍵，該研究備受相關(guān)學(xué)者關(guān)注，在相關(guān)測量方法上也取得了一定的研究成果[2-4].文獻[5]中提出一種基于微分電位法的鍍層氧化膜厚度測量方法，該方法通過微分電位獲取電鍍中電解終點坐標(biāo)，依據(jù)法拉第電解定律，利用鍍錫量求出鍍層氧化膜的厚度.但是該方法忽略了外界環(huán)境所帶來的干擾，測量精度較低；文獻[6]報道了一種較為流行的基于圖像處理的鍍層氧化膜厚度測量方法，通過安裝監(jiān)測終端的攝像機對鍍層氧化膜圖像進行采集和處理，得到氧化膜子邊界輪廓，進而獲取鍍層氧化膜厚度.但是由于鍍層氧化膜較薄，采集過程不易實現(xiàn)，得到的測試結(jié)果不準(zhǔn)確；文獻[7]提出一種基于改進Canny算子的鍍層氧化膜厚度圖像測量方法.通過最優(yōu)閾值灰度分割法獲取閾值，將該閾值看作是Canny算子的高閾值，依據(jù)高低閾值的對應(yīng)關(guān)系獲取低閾值，當(dāng)前Canny算子可自動獲取鍍層氧化膜輪廓，從而測量出氧化膜厚度.但該方法實現(xiàn)過程過于復(fù)雜，不適用于實際應(yīng)用.

筆者將改進的遺傳算法應(yīng)用于鍍層氧化膜厚度的測量中，分析鍍層氧化膜的測量過程，構(gòu)建鍍層氧化膜厚度數(shù)學(xué)模型，求出氧化膜厚度的最優(yōu)解，完成鍍層氧化膜厚度的測量.

1 鍍層氧化膜厚度測量的原理及弊端分析

鍍層氧化膜的厚度依賴于電解系統(tǒng)的控制精度，對于給定的電解系統(tǒng)，針對不同的電解材料，在一定的電解作用下氧化膜的厚度和產(chǎn)生速率是不同的[8].電鍍氧化膜厚度的測量過程是發(fā)生在電解反應(yīng)停止后，金屬顆粒在電解作用下會形成一定厚度的氧化膜，將鍍層和內(nèi)層氧化膜之間的距離用R1進行描述，鍍層中心和外層氧化膜之間的距離用R2進行描述，則鍍層氧化膜的厚度值即為R1與R2之間的差值，它們之前形成的差值即為電鍍氧化膜厚度值.通過測厚儀直接測量氧化膜厚度方法不易實現(xiàn).氧化膜電解的生成過程，氧化膜厚度相對于初始位置，主要包括兩部分，向內(nèi)生長層，以及向外生長層.考慮使用兩個位移視覺傳感器求氧化膜的厚度.一個測量氧化膜外表面的變化量，另一個測量內(nèi)表面的變化量.

依據(jù)鍍層氧化膜的生成特性，選用視覺傳感器對氧化膜外表面進行測量，選用同樣的視覺傳感器對氧化膜內(nèi)表面進行測量，從而完成鍍層氧化膜厚度的差值計算測量.鍍層氧化膜厚度測量示意圖，如圖1所示.

圖1 鍍層氧化膜厚度測量示意圖

綜上所述，選取視覺位移傳感器測量氧化膜的厚度.用視覺傳感器測量氧化的內(nèi)表面時，因為視覺傳感器的被測對象只能是金屬材料，對氧化膜的圖像采集不敏感.因此，這種方法存在較大的誤差，弊端較為明顯，需要改進.

2 基于遺傳算法的鍍層氧化膜厚度測量方法優(yōu)化

通過上述分析可知，智能視覺圖像測量鍍層厚度存在較大的問題，需要改進[9].改進的鍍膜厚度測量過程主要通過三個階段來實現(xiàn)，初始階段、電解階段、動態(tài)磨損階段，最后完成鍍層氧化膜的厚度測量.

2.1 鍍層氧化膜厚度測量的初始階段

鍍層氧化膜厚度測量的初始階段又稱為整形階段.該階段未發(fā)生電解反應(yīng)，因此沒有氧化膜生成，主要是在為氧化膜厚度測量進行準(zhǔn)備[10]，將兩視覺傳感器放置于初始位置對鍍層氧化膜進行初始測量.設(shè)R0為未進行電解時砂輪的半徑；d0為視覺傳感器的初始位置值；X0為渦流傳感器的初始位置值.則鍍層氧化膜厚度測量的初始階段如圖2所示.

圖2 鍍層氧化膜厚度測量初始階段示意圖

2.2 鍍層氧化膜厚度測量的電解階段

鍍層氧化膜厚度測量的電解階段是厚度測量的發(fā)生階段.在電解階段中，視覺傳感器測量狀態(tài)將出現(xiàn)變化.設(shè)d0為視覺傳感器測量的初始位置，因為鍍層在電解反應(yīng)下產(chǎn)生氧化膜，所以其外徑將增加向外長出Δ.設(shè)X0為右側(cè)傳感器測量的初始位置，發(fā)生電解反應(yīng)后，傳感器測量距離量用X'進行描述.則構(gòu)建的電解階段該鍍層氧化膜厚度測量模型如下：

Yd=(R0+Δ)-(R0+X0-X')=X'-X0+Δ

(1)

在電解階段主要用于使金屬處于化學(xué)反應(yīng)中，在電解反應(yīng)下產(chǎn)生氧化膜，金屬顆粒在氧化膜的包裹中會得到一定的突出量.在鍍層氧化膜厚度逐漸增加達到絕緣的情況下，電解反應(yīng)停止，鍍層氧化膜厚度處于平衡狀態(tài).

2.3 鍍層氧化膜厚度測量的動態(tài)磨損階段處理

圖像處理的鍍層氧化膜厚度測量動態(tài)磨損階段，也是最終完成階段.根據(jù)電解階段的氧化膜厚度模型可得出，動態(tài)磨損階段的氧化膜厚度模型如下：

Y=(R0-Δ)-(R0+X0-X')=X'-X0-Δ

(2)

以初始位置為基準(zhǔn)，這時視覺傳感器測量位置相對起始位置d0發(fā)生了前移，在其運行一段時間后，鍍層在使用過程中會發(fā)生正常的磨損，鍍層將變薄也就是直徑將減小.圖像處理的鍍層氧化膜厚度的優(yōu)劣主要取決于氧化質(zhì)量，氧化質(zhì)量主要和氧化膜的厚度有關(guān).通過電解階段得到的鍍層氧化膜厚度值為理想值與動態(tài)磨損階段的氧化膜厚度值進行對比.鍍層氧化膜厚度將在外界環(huán)境的作用下逐漸減少，使新的金屬顆粒顯露出來，電解作用又加速鍍層氧化膜的生成，使氧化膜厚度越來越大.因為電鍍的過程屬于循序漸進的過程，所以鍍層氧化膜的測量結(jié)果以第二階段的結(jié)果作為最終結(jié)果.經(jīng)過初始階段、電解階段、動態(tài)磨損階段三個階段就完成了鍍層氧化膜厚度測量.

3 鍍層氧化膜厚度測量遺傳算法的改進設(shè)計

3.1 基于遺傳算法的鍍層氧化膜測量厚度模型

鍍層氧化膜厚度測量過程中，首先要構(gòu)建基于遺傳算法的鍍層氧化膜厚度測量模型.根據(jù)圖像處理的鍍層氧化膜厚度測量的電解階段、動態(tài)磨損階段可知，氧化膜厚度主要和Δ，X0，X'有關(guān)，其中X0為定值，所以氧化膜厚度取決于Δ和X.合理的Δ，X'值就是能夠使鍍層抗腐蝕性η達到最佳的值，將其結(jié)合在一起，看作是變量X，其中A為常數(shù).得到基于遺傳算法的鍍層氧化膜測量厚度模型(3)和(4)如下所示：

(3)

Δ=X-X0

(4)

根據(jù)鍍層氧化膜測量厚度模型(3)和(4)，對遺傳算法模型進行改進.

3.2 遺傳算法模型的改進設(shè)計

根據(jù)遺傳算法鍍層氧化膜測量厚度模型，來設(shè)計改進的遺傳算法模型.首先，確定種群規(guī)模、概率和進化代數(shù)，選取種群初始規(guī)模數(shù)n=60，交叉概率Pc=0.7，變異概率Pm=0.04，最大進化代數(shù)t=100.進行種群初始化，使(X0,Y0)的尋優(yōu)范圍處于整個最優(yōu)解可行域中，在可行域中，隨機獲取n個個體，也就是可能解，構(gòu)建初始種群模型(5)

P(Δ)={(X0,X')}

(5)

根據(jù)初始種群模型和鍍層氧化膜厚度模型，獲得適應(yīng)度的模型(6)

δ(Δ)=η{(X0,X')}

(6)

其中，δ是適應(yīng)度值，根據(jù)適應(yīng)度模型和初始種群模型，得到關(guān)系模型(7)

(7)

P(t)=

(8)

綜上所述，根據(jù)改進后的鍍層氧化膜厚度模型對種群是否達到最大進化代數(shù)進行檢驗.若達到最大進化代數(shù)，則與當(dāng)前種群中適應(yīng)度最大的個體相應(yīng)的測量厚度Y就是全局最優(yōu)解，這個最優(yōu)解，即為所求的鍍層氧化膜厚度值.

4 實驗結(jié)果分析

為了驗證改進遺傳算法的有效性，本實驗將傳統(tǒng)圖像處理算法作為對比對象，從測量精度、受外界條件的影響情況及效率三個方面進行實驗分析.

4.1 測量精度實驗

分別采用改進遺傳算法和圖像處理算法，選擇10個不同鍍層氧化膜厚度進行測量，得到的結(jié)果如表1所示.

表1 兩種算法鍍層氧化膜厚度測量結(jié)果

為了更加直觀的對比本文算法和圖像處理算法的測量精度，依據(jù)表1中的數(shù)據(jù)對兩種方法測量鍍層氧化膜厚度與實際厚度的曲線圖進行繪制，得到的結(jié)果如圖3所示.

圖3 實際厚度和兩種算法測量厚度的比較曲線圖

分析表1和圖3可知，和圖像處理算法相比，采用改進遺傳算法的測量結(jié)果和實際結(jié)果更加接近，相對誤差一直低于圖像處理算法.實驗檢驗說明，改進算法更能取得符合實際應(yīng)用的精度，得到的測量結(jié)果更加可靠有效，能夠達到實際精度要求，驗證了改進算法的有效性.

4.2 外界干擾實驗

在存在外界環(huán)境干擾的情況下，分別采用本文方法和圖像處理算法的鍍層氧化膜厚度測量結(jié)果如表2.

分析表2可以看出，當(dāng)存在外界環(huán)境干擾時，改進算法和圖像處理算法的相對誤差均在一定程度上高于表1所描述的測量結(jié)果，但筆者算法相對誤差增加的幅度遠遠低于圖像處理算法.實驗結(jié)果進一步說明了，改進的算法受外界環(huán)境的影響程度較小，測量性能較佳.

表2 在外界環(huán)境干擾下兩種算法測量結(jié)果比較

4.3 測量時間實驗

分別采用本文算法和圖像處理算法對鍍層氧化膜厚度進行測量，對兩種算法的測量時間進行比較，得到的結(jié)果用圖4進行描述.

圖4 兩種算法的測量時間比較圖

分析圖4可以看出，采用本文算法所需的時間一直低于圖像處理算法.實驗又一次說明了，改進算法不僅測量精度高，而且測量效率也遠遠優(yōu)于圖像處理算法，最終說明，改進算法的有效性和可靠性.

5 小結(jié)

針對傳統(tǒng)方法測試結(jié)果不準(zhǔn)確、測試精度下降、抗干擾性差等問題，提出改進遺傳算法在鍍層氧化膜厚度的測量中的應(yīng)用.根據(jù)鍍層氧化膜厚度的測量原理，結(jié)合傳統(tǒng)的圖像處理鍍層氧化膜厚度測量方法，構(gòu)建遺傳算法模型，根據(jù)遺傳算法模型，對遺傳算法進行改進.通過改進的遺傳算法模型來求解鍍層氧化膜厚度的最優(yōu)值，求出氧化膜厚度.實現(xiàn)改進算法對鍍層氧化膜厚度的測量.實驗結(jié)果表明，改進的算法不僅能夠提高測量精度，而且也提高了測量效率，且不易受外界環(huán)境的干擾.