基于機器視覺的錠坯輪廓在線檢測系統(tǒng)研究

梁振振，馬萬太，鐘霖，鄧曉雷

(南京航空航天大學(xué) 機電學(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，在高性能合金材料領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。噴射過程穩(wěn)定性是噴射成形工業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)。

噴射過程中，工藝參數(shù)的波動會直觀反映在錠坯沉積表面形態(tài)的波動，如錠坯輪廓、錠坯直徑、噴射高度的變化，而這些變化會導(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[2]。研究噴射成形過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)，同時為實現(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)境下進行的，沉積坯的輪廓尺寸檢測必須采用非接觸式的測量方法，主要有激光測量法和機器視覺法[4]。激光測量法采用激光測距儀通過測量距離的方法間接地檢測沉積錠坯的直徑、噴射高度信息。但該方法是單點測量，僅能檢測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。機器視覺法在尺寸測量、缺陷檢測的應(yīng)用較為廣泛。采集的信息范圍廣，對沉積錠坯的特征提取更加多元化[5]。

本文基于機器視覺技術(shù)研究開發(fā)錠坯輪廓在線檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對噴射成形過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)過噴嘴時，被高壓惰性氣體(氮氣)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、生長形成圓柱錠坯。錠坯沉積生長的同時，收集器由電機/絲杠帶動旋轉(zhuǎn)并下拉。噴射過程中，沉積室為高粉塵環(huán)境。

圖1(b)所示為工業(yè)相機安裝示意圖。相機水平安裝，在圖像采集前，由萬向水平儀進行校準(zhǔn)。相機位置高于沉積坯表面約30mm，因此相機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)噴射工藝對錠坯輪廓的檢測要求，結(jié)合被測對象的環(huán)境背景，設(shè)計的噴射成形輪廓在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要包括工業(yè)相機、相機鏡頭、光源及其布置、PLC、編碼器、圖像處理模塊、人機交互模塊等部分，系統(tǒng)可以通過以太網(wǎng)同時監(jiān)控多條生產(chǎn)線。

圖2 沉積錠坯尺寸檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

2 圖像處理算法

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

2.1 圖像增強

熔體霧化是噴射成形過程之一，在噴射沉積中約有30%的過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)備本身也會給圖像帶來噪聲。在對沉積錠坯圖像處理之前，必須對圖像進行相應(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，采用高斯濾波進一步進行圖像的預(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的低段區(qū)域，圖像較暗、對比度低，不利于圖像進行閾值分割。

圖3 ROI圖像及其灰度分布

本文采用最大線性增強方法對圖像進行增強處理。最大線性增強主要通過線性拉伸來寬展灰度的分布范圍，從而增強圖像對比度。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別和最大灰度級別。圖像增強效果如圖4所示。可以看出：圖像對比度得到了明顯增強，灰度級范圍從處理前的[7,88]擴展到了整個灰度級[0,255]。

圖4 最大線性增強后的圖像及其灰度分布

2.2 邊緣提取

由于錠坯尺寸檢測系統(tǒng)的對象是錠坯的增長過程，進行閾值分割時，閾值的大小可能會發(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，處理目標(biāo)邊緣之外，還存在許多其他無關(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個變量的范圍進行篩選。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

在沉積錠坯輪廓處理的基礎(chǔ)上，進一步進行輪廓特征檢測，檢測內(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，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 尺寸檢測原理

過中心O且與直線O1O2垂直的直線l1與橢圓交于P3、P4兩點，線段P3P4即為橢圓的長徑，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任意一點的縱坐標(biāo)。

3 系統(tǒng)測試

對系統(tǒng)檢測精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性進行了測試。本文實驗對象為某公司SFZD500生產(chǎn)線。噴射對象生產(chǎn)直徑為500mm，高度為1200mm的7055鋁合金沉積錠坯。1個錠坯的噴射時間約50min。

1) 在噴射過程中每隔3min(檢測間隔60mm，下拉速度為20mm/min)采集1次錠坯圖像，進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)位置測量錠坯直徑。20組測試結(jié)果表明，錠坯直徑檢測精度達(dá)到1mm，算法平均運行時間為0.83s。

2) 進行整個沉積錠坯生產(chǎn)過程的系統(tǒng)測試，采集圖像并處理，記錄錠坯直徑測量結(jié)果，圖像采集周期為1s。在整個檢測過程中，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，符合沉積錠坯實際生產(chǎn)情況。

4 結(jié)語

本文基于機器視覺技術(shù)研究開發(fā)了噴射成形沉積錠坯輪廓在線檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對噴射成形生產(chǎn)過程中的錠坯輪廓及其形狀特征參數(shù)的實時、在線檢測和處理。在SFZD500噴射成形生產(chǎn)線上對開發(fā)的系統(tǒng)進行了檢測精度測試和系統(tǒng)穩(wěn)定性測試。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)檢測精度達(dá)到1mm，算法平均運行時間為0.83s，可滿足噴射工藝要求。系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定運行。