基于機(jī)器視覺(jué)的錠坯輪廓在線檢測(cè)系統(tǒng)研究

梁振振，馬萬(wàn)太，鐘霖，鄧曉雷

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

噴射成形作為繼熔鑄和粉末冶金后出現(xiàn)的一種新型材料制備工藝，具有快速凝固和近終形技術(shù)特點(diǎn)，在高性能合金材料領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。噴射過(guò)程穩(wěn)定性是噴射成形工業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)。

噴射過(guò)程中，工藝參數(shù)的波動(dòng)會(huì)直觀反映在錠坯沉積表面形態(tài)的波動(dòng)，如錠坯輪廓、錠坯直徑、噴射高度的變化，而這些變化會(huì)導(dǎo)致霧化錐物質(zhì)狀態(tài)的改變，最終產(chǎn)生錠坯內(nèi)部組織的不穩(wěn)定和材料質(zhì)量波動(dòng)[2]。研究噴射成形過(guò)程中沉積錠坯的輪廓尺寸變化規(guī)律，可以為建立沉積錠坯與工藝參數(shù)關(guān)系模型提供依據(jù)，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)工藝閉環(huán)控制提供反饋[3]。

噴射成形工藝是在高溫、封閉、高粉塵的環(huán)境下進(jìn)行的，沉積坯的輪廓尺寸檢測(cè)必須采用非接觸式的測(cè)量方法，主要有激光測(cè)量法和機(jī)器視覺(jué)法[4]。激光測(cè)量法采用激光測(cè)距儀通過(guò)測(cè)量距離的方法間接地檢測(cè)沉積錠坯的直徑、噴射高度信息。但該方法是單點(diǎn)測(cè)量，僅能檢測(cè)某一固定位置的尺寸；生產(chǎn)環(huán)境中大量粉塵使光線發(fā)生漫反射，使其工作不穩(wěn)定。機(jī)器視覺(jué)法在尺寸測(cè)量、缺陷檢測(cè)的應(yīng)用較為廣泛。采集的信息范圍廣，對(duì)沉積錠坯的特征提取更加多元化[5]。

本文基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)錠坯輪廓在線檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴射成形過(guò)程錠坯輪廓及其形狀特征的在線采集和處理。

1 錠坯輪廓檢測(cè)系統(tǒng)總體方案

圖1(a)為雙噴嘴掃描斜噴式圓柱錠坯噴射成形裝置。熔體經(jīng)過(guò)噴嘴時(shí)，被高壓惰性氣體(氮?dú)?破碎成由細(xì)小合金液滴組成的霧化錐，并高速飛行至沉積表面，霧化錐在沉積表面不斷沉積、融合、鋪展、生長(zhǎng)形成圓柱錠坯。錠坯沉積生長(zhǎng)的同時(shí)，收集器由電機(jī)/絲杠帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)并下拉。噴射過(guò)程中，沉積室為高粉塵環(huán)境。

圖1(b)所示為工業(yè)相機(jī)安裝示意圖。相機(jī)水平安裝，在圖像采集前，由萬(wàn)向水平儀進(jìn)行校準(zhǔn)。相機(jī)位置高于沉積坯表面約30mm，因此相機(jī)拍攝的沉積錠坯表面為橢圓形。

圖1 噴射成形裝置及圖像采集方式

根據(jù)噴射工藝對(duì)錠坯輪廓的檢測(cè)要求，結(jié)合被測(cè)對(duì)象的環(huán)境背景，設(shè)計(jì)的噴射成形輪廓在線檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要包括工業(yè)相機(jī)、相機(jī)鏡頭、光源及其布置、PLC、編碼器、圖像處理模塊、人機(jī)交互模塊等部分，系統(tǒng)可以通過(guò)以太網(wǎng)同時(shí)監(jiān)控多條生產(chǎn)線。

圖2 沉積錠坯尺寸檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

相機(jī)及光源的拍攝動(dòng)作由PLC按照設(shè)定的圖像采集周期觸發(fā)控制，工業(yè)相機(jī)采集沉積錠坯的圖像數(shù)據(jù)；工業(yè)相機(jī)通過(guò)GigE通訊協(xié)議將圖像數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)；應(yīng)用程序根據(jù)圖像處理流程和算法對(duì)圖像進(jìn)行處理，提取圖像中沉積錠坯的輪廓和尺寸特征，并顯示和存儲(chǔ)；在收集基板下拉機(jī)構(gòu)的絲杠軸上安裝編碼器，采集和計(jì)算1個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)收集底板的下降位移，用于擬合和生成錠坯生長(zhǎng)過(guò)程。

2 圖像處理算法

應(yīng)用程序?qū)ο鄼C(jī)采集的圖像進(jìn)行算法處理，獲得錠坯輪廓、輪廓特征(直徑、噴射高度)，本文根據(jù)噴射成形工藝特點(diǎn)采用的處理算法主要包括：圖像增強(qiáng)、閾值分割、輪廓提取、尺寸測(cè)量。

2.1 圖像增強(qiáng)

熔體霧化是噴射成形過(guò)程之一，在噴射沉積中約有30%的過(guò)噴粉末沉積不到錠坯上，沉積室環(huán)境中存在大量的粉塵，是沉積錠坯圖像的主要噪聲源；此外，光照、外界環(huán)境或設(shè)備本身也會(huì)給圖像帶來(lái)噪聲。在對(duì)沉積錠坯圖像處理之前，必須對(duì)圖像進(jìn)行相應(yīng)處理。

噴射成形沉積室中粉塵屬于椒鹽噪聲，采用中值濾波去除噪聲；圖像中的外界環(huán)境其他設(shè)備屬于白噪聲，采用高斯濾波進(jìn)一步進(jìn)行圖像的預(yù)處理。其中，中值濾波器使用5×5模板，高斯濾波器模板為：

圖3(a)所示為經(jīng)過(guò)ROI(Region of Interest 感興趣區(qū)域)提取、去噪后的沉積錠坯灰度圖像，圖像深度為8位，圖像分辨率為548×340。圖3(b)為其灰度分布直方圖，可以看出：其灰度分布范圍為[7, 88]，灰度僅僅分布在灰度級(jí)的低段區(qū)域，圖像較暗、對(duì)比度低，不利于圖像進(jìn)行閾值分割。

圖3 ROI圖像及其灰度分布

本文采用最大線性增強(qiáng)方法對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理。最大線性增強(qiáng)主要通過(guò)線性拉伸來(lái)寬展灰度的分布范圍，從而增強(qiáng)圖像對(duì)比度。其線性關(guān)系式為：

(1)

式中：f(x,y)和g(x,y)分別為(x,y)位置處變換前和變換后的灰度值；a、b分別為原圖像的最小灰度級(jí)別和最大灰度級(jí)別。圖像增強(qiáng)效果如圖4所示。可以看出：圖像對(duì)比度得到了明顯增強(qiáng)，灰度級(jí)范圍從處理前的[7,88]擴(kuò)展到了整個(gè)灰度級(jí)[0,255]。

圖4 最大線性增強(qiáng)后的圖像及其灰度分布

2.2 邊緣提取

由于錠坯尺寸檢測(cè)系統(tǒng)的對(duì)象是錠坯的增長(zhǎng)過(guò)程，進(jìn)行閾值分割時(shí)，閾值的大小可能會(huì)發(fā)生變化。本文采用OSTU(最大類間方差法)自適應(yīng)獲取閾值，利用該閾值將灰度圖像分割為二值化圖像。獲取二值化圖像之后，使用findContours算法獲取所有連通域的邊緣。

圖5(a)所示為findContours算法處理結(jié)果。由圖可見(jiàn)，處理目標(biāo)邊緣之外，還存在許多其他無(wú)關(guān)邊緣，因此需要篩選出目標(biāo)邊緣。本文根據(jù)沉積錠坯圖像寬度、高度、寬高比3個(gè)變量的范圍進(jìn)行篩選。其中高度范圍為[95,340]，寬度范圍為[400,584]，高寬比范圍為[1.5,6]，將不在指定范圍之內(nèi)的邊緣剔除，篩選結(jié)果如圖5(b)所示。

圖5 邊緣提取

2.3 輪廓特征檢測(cè)

在沉積錠坯輪廓處理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行輪廓特征檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容包括：沉積錠坯直徑和噴射高度。提出了沉積錠坯直徑與高度檢測(cè)算法，其原理如圖6所示。其中直線O1O2為沉積錠坯的中心線(為收集基板的回轉(zhuǎn)中心，固定不變)，直線O1O2與橢圓交于P1、P2兩點(diǎn)，線段P1P2即為橢圓的短徑。取線段P1P2的中心O即為橢圓的中心，

圖6 尺寸檢測(cè)原理

過(guò)中心O且與直線O1O2垂直的直線l1與橢圓交于P3、P4兩點(diǎn)，線段P3P4即為橢圓的長(zhǎng)徑，也即沉積錠坯的直徑。直線l0為噴射成形裝置收集器初始位置，即加工沉積錠坯表面的初始位置。h0為沉積錠坯初始位置與噴嘴所在位置的垂直方向的距離。hi為所求噴射高度，表示錠坯表面的當(dāng)前位置與噴嘴之間的垂直距離，在圖像中即為P3或P4任意一點(diǎn)的縱坐標(biāo)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試。本文實(shí)驗(yàn)對(duì)象為某公司SFZD500生產(chǎn)線。噴射對(duì)象生產(chǎn)直徑為500mm，高度為1200mm的7055鋁合金沉積錠坯。1個(gè)錠坯的噴射時(shí)間約50min。

1) 在噴射過(guò)程中每隔3min(檢測(cè)間隔60mm，下拉速度為20mm/min)采集1次錠坯圖像，進(jìn)行圖像處理獲得錠坯直徑，共記錄20組數(shù)據(jù)。然后由人工在相應(yīng)位置測(cè)量錠坯直徑。20組測(cè)試結(jié)果表明，錠坯直徑檢測(cè)精度達(dá)到1mm，算法平均運(yùn)行時(shí)間為0.83s。

2) 進(jìn)行整個(gè)沉積錠坯生產(chǎn)過(guò)程的系統(tǒng)測(cè)試，采集圖像并處理，記錄錠坯直徑測(cè)量結(jié)果，圖像采集周期為1s。在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，符合沉積錠坯實(shí)際生產(chǎn)情況。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)了噴射成形沉積錠坯輪廓在線檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴射成形生產(chǎn)過(guò)程中的錠坯輪廓及其形狀特征參數(shù)的實(shí)時(shí)、在線檢測(cè)和處理。在SFZD500噴射成形生產(chǎn)線上對(duì)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行了檢測(cè)精度測(cè)試和系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)檢測(cè)精度達(dá)到1mm，算法平均運(yùn)行時(shí)間為0.83s，可滿足噴射工藝要求。系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。