李旭鵬，錢(qián) 波，李 強(qiáng)

（北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144）

0 引言

柔性冷彎成型技術(shù)是一種生產(chǎn)橫截面可以按照一定規(guī)律變化產(chǎn)品的冷彎成形新技術(shù)。與傳統(tǒng)的冷彎成型加工的等截面型材不同，由于柔性冷彎成型的型材截面沿縱向是變化的，因而具有更合理的力學(xué)性能。如應(yīng)用于汽車(chē)零部件的成型加工中，在不減弱使用性能的情況下，柔性冷彎產(chǎn)品可以節(jié)省材料大約25%～40%，帶來(lái)整車(chē)質(zhì)量的顯著降低。因此，與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合的柔性冷彎成型技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。由于柔性冷彎成型特點(diǎn)，即每個(gè)成型道次需要多臺(tái)伺服電機(jī)協(xié)同運(yùn)動(dòng)，并且較大的成型軋制力降低成型機(jī)與伺服電機(jī)對(duì)軋輥控制的精度，因此，本文提出一種將機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用到柔性冷彎成型過(guò)程中的檢測(cè)反饋方法，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，提高柔性冷彎成型過(guò)程中的控制精度。

1 基于機(jī)器視覺(jué)柔性冷彎成型檢測(cè)系統(tǒng)

所謂機(jī)器視覺(jué)就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)最早應(yīng)用于國(guó)防和半導(dǎo)體工業(yè)，它是將數(shù)字圖像處理和數(shù)字圖像分析、圖像識(shí)別結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)的跟蹤、檢測(cè)和控制。

本檢測(cè)裝置由線激光發(fā)生器、CCD圖像傳感器、圖像采集卡、控制系統(tǒng)及柔性冷彎成型機(jī)等組成。其安裝位置如圖1所示。

圖1 線激光與CCD圖像傳感器安裝位置示意圖

如圖1中，線激光發(fā)生器放置在成型板材嚙出軋輥后的正上方，在成型板材上形成一條明亮光帶，該光帶即該道次成型后的板材截面形狀。在與成型板材上的明亮光帶成45°角且與一字激光同一水平高度的位置放置了CCD圖像傳感器，對(duì)板材上的明亮光帶進(jìn)行周期性的圖像采集。為了得到更好信噪比的圖片，在成型板材的四周采用遮光板隔離無(wú)用光。

CCD圖像傳感器將攝取的有明亮光帶成型板材的圖像經(jīng)圖像采集卡傳輸?shù)焦I(yè)控制計(jì)算機(jī)中，在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中利用Visual C++編程對(duì)采集的圖像進(jìn)行比例還原、二值化、細(xì)化和曲線擬合等處理，提取出明亮光帶，即實(shí)際成型板材的截面輪廓曲線。與控制系統(tǒng)中的已有的理論截面輪廓相比較得出差值，將差值反饋控制系統(tǒng)，對(duì)下一道次的伺服電機(jī)進(jìn)行控制。

2 系統(tǒng)標(biāo)定圖像還原

所謂圖像還原是指成型板材的截面尺寸值與成型板材上明亮光帶在圖像上對(duì)應(yīng)像素坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由柔性冷彎成型工藝可知，成型板材的截面輪廓中的寬度值既是下一道次軋輥所需運(yùn)動(dòng)的位置，所以只需測(cè)出成型板材的成型處的寬度值的確定長(zhǎng)度即可計(jì)算出下一道次軋輥的位移值。

CCD圖像傳感器采集的圖像經(jīng)采集卡傳輸入工控機(jī)后，便成為一幅像素?cái)?shù)位704×576的位圖，由位圖的圖像特性可知，圖像上的每個(gè)像素在屏幕上都有一個(gè)位置坐標(biāo)值，如圖2(b)所示。

圖2 成型板材明亮光帶與圖像像素值的轉(zhuǎn)換

在柔性冷彎成型加工前，在成型板材的位置放置長(zhǎng)度標(biāo)尺，其長(zhǎng)度要長(zhǎng)于CCD圖像傳感器采集圖像的最大寬度，這樣根據(jù)采集圖像的像素及圖像中標(biāo)尺的刻度，即可得到水平長(zhǎng)度與像素之間的比例關(guān)系。由于CCD圖像傳感器鏡頭畸變且與明亮光帶在空間成45°角的關(guān)系，采集的圖像縱坐標(biāo)會(huì)發(fā)生空間位置轉(zhuǎn)換，由于位圖是像素的組合，可以看成是值為0～255的數(shù)組組成，根據(jù)CCD圖像傳感器與光線的距離及角度，可以對(duì)采集的位圖進(jìn)行矩陣轉(zhuǎn)換，還原出真實(shí)縱坐標(biāo)。但由于柔性冷彎成型特性軋輥沿板材運(yùn)動(dòng)的橫向運(yùn)動(dòng)，所以不考慮該因素，只需采集圖像中各點(diǎn)橫坐標(biāo)值即可。

3 圖像處理

CCD圖像傳感器采集的成型板材圖像傳入計(jì)算機(jī)后，為了得到準(zhǔn)確的截面輪廓曲線寬度值，要對(duì)圖像進(jìn)行一系列處理，并最終記錄下重要的點(diǎn)以便將位圖擬合成矢量圖，為下一步工序做準(zhǔn)備。在系統(tǒng)中，所有這些圖像處理工作均采用Visual C++完成算法編程及軟件開(kāi)發(fā)。

3.1 圖像預(yù)處理

由于一字激光發(fā)生器與CCD圖像傳感器工作在四周有遮光板的情況下，遮蔽了無(wú)用光對(duì)系統(tǒng)的干擾，得到很好的信噪比圖像，為后續(xù)的圖像處理工作節(jié)省了大量時(shí)間，如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)線中的成型板材

有了高信噪比的圖片，接下來(lái)便是對(duì)圖片中的明亮光帶進(jìn)行提取。CCD圖像傳感器采集的是圖像為位圖格式，所以先對(duì)圖像二值化，在二值圖像中，像素只有0和1兩種取值，為后續(xù)圖像處理提供方便條件。根據(jù)圖像中的明亮度選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)拈撝担瑢?duì)圖像二值化處理，處理后的圖片如圖4所示。

圖4 二值化后的圖像

3.2 圖像的細(xì)化

由于最終需要輸出DXF文件，以方便與控制系統(tǒng)中該時(shí)刻的理論截面相比較，所以需要將位圖轉(zhuǎn)換成矢量圖。而二值化得到的二值圖像中輪廓線較粗，若用此圖作曲線擬合，精度會(huì)很低，所以需要對(duì)二值圖像中的曲線細(xì)化，進(jìn)一步精準(zhǔn)定位曲線位置，以便下一步的曲線擬合。

二值圖像的細(xì)化方法有多種，由于實(shí)時(shí)性要求比較高，所以選用Zhang快速并行算法[1]。該算法是判斷一個(gè)點(diǎn)該不該刪除時(shí)要根據(jù)它的八個(gè)相鄰點(diǎn)的情況來(lái)判斷。總結(jié)一下，有如下的判斷：1）內(nèi)部點(diǎn)不能刪除；2）孤立點(diǎn)不能刪除；3）直線端點(diǎn)不能刪除；4）如果P是邊界點(diǎn)，去掉P點(diǎn)后，如果連通分量不增加，則P點(diǎn)可以刪除。該算法的步驟如下。

假設(shè)一幅圖像中的一個(gè)3×3區(qū)域，對(duì)各點(diǎn)標(biāo)記名稱P1，P2…P9，其中P1位于中心，如表1所示。

表13 ×3區(qū)域

其中P1=1為黑點(diǎn)，如果同時(shí)滿足以下四個(gè)條件，則刪除P1點(diǎn)。

1）2 ≤ N (P1) ≤ 6 ；

2）S (P1) =1；

3）P2 ×P4 ×P6=0 ；

4）P4 ×P6 ×P8=0。

其中N (P1) 是 P1 的非零鄰點(diǎn)的個(gè)數(shù)，S (P1)是以P2,P3,...,P9為序時(shí)這些點(diǎn)的值從 0 到 1變化的次數(shù)。當(dāng)對(duì)所有邊界點(diǎn)都檢驗(yàn)完畢后 ,將所有標(biāo)記了的點(diǎn)除去。

圖5 細(xì)化后的圖像

同上一步，僅將前面條件3)改為P2×P4×P8=0 ；條件 4) 改為條件 P2×P6×P8=0。同樣當(dāng)對(duì)所有邊界點(diǎn)都檢驗(yàn)完畢后,將所有標(biāo)記了的點(diǎn)除去。

以上兩步操作構(gòu)成一次迭代。直至沒(méi)有點(diǎn)再滿足標(biāo)記條件 ,這時(shí)剩下的即為細(xì)化后的曲線，處理結(jié)果如圖5所示。

3.3 位圖矢量化

由于最終需要將位圖轉(zhuǎn)換成DXF格式的文件，所以先將細(xì)化后的二值位圖矢量化，并將重要點(diǎn)保存在數(shù)組中，為輸出DXF文件做準(zhǔn)備。

可以將細(xì)化后的二值位圖看成一個(gè)二維數(shù)組的形式，水平方向的每個(gè)像素即為該數(shù)組的橫坐標(biāo)，垂直方向的每個(gè)像素即為該數(shù)組的縱坐標(biāo)，而數(shù)組中的值則是由0或1構(gòu)成。黑點(diǎn)的值為1，對(duì)細(xì)化后的圖像進(jìn)行反色處理并以圖像左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，即得到了細(xì)線的坐標(biāo)位置，由于截面形狀比較簡(jiǎn)單，且在沿橫坐標(biāo)方向只有1個(gè)像素值為1的點(diǎn)。本文根據(jù)曲線大部分是由直線段組成，且由于在線檢測(cè)，對(duì)圖像矢量化的速度要求比較高，由此提出一種快速矢量化方法。

該方法先對(duì)位圖進(jìn)行逐行逐列掃描，找出圖像的像素值為1的左上點(diǎn)，設(shè)為P1點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為（x1 ,y1）。由于圖像中曲線是連續(xù)的像素點(diǎn)，以X軸為序找到像素值為1的下一點(diǎn)設(shè)為P2，其對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為（x2,y2）,且x2=x1+1（1為一個(gè)像素），以此類推可以找出一系列的像素值為1的點(diǎn)設(shè)為P3，P4，……，并記錄下各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值。

有了P1，P2，……，Pn這些離散的點(diǎn)，即可對(duì)位圖中細(xì)化的曲線進(jìn)行矢量化。設(shè)置參數(shù)Q1，Q2為擬合的中間變量。首先令Q1等于P1點(diǎn)的坐標(biāo)值，令Q2等于P3點(diǎn)的坐標(biāo)值，這樣可以確定一條矢量線段，該線段的起點(diǎn)、終點(diǎn)及斜率均已知，這時(shí)計(jì)算P2點(diǎn)到直線的距離D。

通的兩點(diǎn)Q1,Q2確定的直線方程為：

P2點(diǎn)到直線的距離D為：

設(shè)定一個(gè)閾值δ，根據(jù)成型板材要求的精度，及（2）式中論述的尺寸標(biāo)定像素與真實(shí)值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，設(shè)定閾值δ的大小。如果P2點(diǎn)到Q1與Q2直線的距離大于閾值δ，則將P1，P2點(diǎn)保存，令Q1=P3，Q2=P5，在計(jì)算P4到Q1與Q2確定的直線的距離，只需將公式（1）和（2）中的相應(yīng)坐標(biāo)值改變即可，依此類推，直到Pn點(diǎn)為止；如果P2點(diǎn)到Q1與Q2直線的距離小于閾值δ，則令Q2=P5，計(jì)算P3到Q1與Q2直線的距離，如果依然小于閾值δ，則繼續(xù)將Q2=P11，計(jì)算P6點(diǎn)到Q1與Q2直線的距離，依此類推，直到點(diǎn)Px+1到Q1與Q2=P2x+1直線時(shí)的距離大于閾值δ，則將P1點(diǎn)與Px點(diǎn)保存，令Q1=Px，Q2=Px+2作直線，計(jì)算點(diǎn)Px+1到直線的距離。依此類推，一直到Pn點(diǎn)，則曲線的矢量化完成，該方法適合直線段較多的曲線擬合。最后將所有保存的點(diǎn)連接成矢量線段，輸出DXF文件，與控制系統(tǒng)中的理論截面曲線相比較，進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用在柔性冷彎成型控制上是一項(xiàng)獨(dú)特的技術(shù)革新，它打破了測(cè)量板材速度及軋輥運(yùn)動(dòng)半閉環(huán)控制下一道次伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)的傳統(tǒng)方式，使檢測(cè)裝置遠(yuǎn)離機(jī)械振動(dòng)帶來(lái)的誤差，并且根據(jù)成型板材的截面形狀來(lái)控制下一道次的伺服電機(jī)，進(jìn)而控制軋輥的運(yùn)動(dòng)軌跡，從根本上提高了測(cè)量裝置的穩(wěn)定性和可靠性。

[1] 吳選忠.Zhang快速并行細(xì)化算法擴(kuò)展[J].福建工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2006(01).

[2] 劉衛(wèi)光, 李娟.幾種細(xì)化算法的比較研究[J].科技風(fēng),2010(6).

[3] 武杰, 趙轉(zhuǎn)萍.機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在幾何量測(cè)量中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代計(jì)量通訊, 2006(6).

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