王 穎， 張玉存(燕山大學(xué)， 河北 秦皇島 066004)

1 引 言

伴隨著裝備制造業(yè)的不斷發(fā)展，大型鍛件的需求規(guī)模將不斷擴(kuò)大。在鍛件的生產(chǎn)過程中，鍛件尺寸的測量十分重要。目前，大鍛件測量仍采用人工接觸式測量方法，不僅條件惡劣，誤差大，而且為減少廢品，不得不加大加工余量，造成成本不必要的提升。因此，改進(jìn)大型鍛件的測量系統(tǒng)對提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本具有非常重要的意義。

近年來，各國學(xué)者對鍛件尺寸測量進(jìn)行了大量的研究。Bokhabrine Y[1～3]研制一種地面激光雷達(dá)測量系統(tǒng)，通過獲取鍛件不同點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行點(diǎn)云拼接，達(dá)到測量鍛件尺寸的目的;岡本陽等人[4]采用雙目立體視覺方法測量大型殼體容器鍛件的內(nèi)徑和外徑，該方法已經(jīng)應(yīng)用于石油容器鍛造過程的在線測量;意大利布雷西亞大學(xué)和MERMEC公司[5]共同研發(fā)了基于3D相移激光掃描的CLOUDSCAN系統(tǒng)，該系統(tǒng)用點(diǎn)云生成鍛件三維結(jié)構(gòu);付獻(xiàn)斌，張玉存等人[6,7]提出一種光學(xué)非接觸測量方法，通過激光掃描技術(shù)實現(xiàn)了圓筒形鍛件內(nèi)徑和外徑的測量;李群等人[8]提出一種異形熱態(tài)鍛件幾何尺寸測量方法，通過提取鍛件表面輪廓調(diào)制的激光條紋二維信息實現(xiàn)了異形鍛件尺寸測量;胡春海等人[9]建立一種雙CCD模型，利用雙CCD的視差原理對鍛件進(jìn)行三維重建從而實現(xiàn)鍛件的測量;劉衛(wèi)亮[10]提出一種結(jié)構(gòu)光三維鍛件測量方法，利用白光投射到鍛件表面，通過CCD相機(jī)拍攝光線偏移的結(jié)構(gòu)光圖像，還原鍛件的三維形貌?；谶@些研究的成果，作者從另一角度出發(fā)，運(yùn)用圖像識別和伺服系統(tǒng)相結(jié)合的方法，設(shè)計了一種基于綠激光圖像識別的熱態(tài)大型鍛件長度尺寸測量系統(tǒng)。

2 熱態(tài)鍛件尺寸測量系統(tǒng)

鍛件尺寸測量系統(tǒng)主要由綠激光器、CCD相機(jī)、導(dǎo)軌和伺服系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。激光器和CCD相機(jī)被固定在可沿導(dǎo)軌移動的平臺上，平臺的移動方向與鍛件軸線保持嚴(yán)格平行。導(dǎo)軌上裝有光柵尺，它與計算機(jī)和伺服電機(jī)形成閉環(huán)伺服系統(tǒng)。隨著激光線和CCD的移動，激光線在鍛件不同位置的圖像被實時獲取。同時，系統(tǒng)也會得到激光線的位置信息。當(dāng)系統(tǒng)將檢測到激光線移動到鍛件一側(cè)邊緣時，將記錄下激光線此時的位置信息。同理，當(dāng)激光線移動到鍛件另一側(cè)邊緣時，會得到相應(yīng)的位置信息。這兩個信息就是所需的鍛件尺寸信息。

圖1 鍛件尺寸測量系統(tǒng)

3 測量原理

為了測量鍛件的長度尺寸，需要對得到的綠激光掃描鍛件的動態(tài)圖像進(jìn)行分析。CCD拍攝的彩色動態(tài)圖像是像素坐標(biāo)x、y和時間t的函數(shù)f(x,y,t)：

f(x,y,t)=[r(x,y,t),g(x,y,t),b(x,y,t)]

(1)

式中：r(x,y,t)、g(x,y,t)、b(x,y,t)分別是圖像像素坐標(biāo)(x,y)處在時間t的紅色、綠色、藍(lán)色灰度值。

當(dāng)圖像中(x,y)點(diǎn)像素灰度值隨時間發(fā)生變化時，可以用該點(diǎn)像素灰度值對時間的導(dǎo)數(shù)來描述這種變化的劇烈程度。即：

(2)

設(shè)在某一時刻Tm位于像素坐標(biāo)第Y列的像素點(diǎn)構(gòu)成列向量Fm:

Fm=[f(1,Y,Tm),f(2,Y,Tm),…,f(n,Y,Tm)]T

(3)

式中：m=1,2,3,…;x=1,2,3,…,n。

Fm對時間t的導(dǎo)數(shù)為：

(4)

此向量達(dá)到極值的時刻對應(yīng)著動態(tài)圖像在第Y列出現(xiàn)豎直邊緣的時刻。而一階導(dǎo)數(shù)的極值點(diǎn)對應(yīng)二階導(dǎo)數(shù)的過零點(diǎn)。對式(4)再次求導(dǎo)，得：

(5)

對式(5)做離散化，得到式(5)的二階差分形式為：

(Fm+1-Fm)-(Fm-Fm-1)=Fm+1-2Fm+Fm-1=

[f(1,Y,Tm+1)-2f(1,Y,Tm)+f(1,Y,Tm-1),

f(2,Y,Tm+1)-2f(2,Y,Tm)+f(2,Y,Tm-1),…,

f(n,Y,Tm+1)-2f(n,Y,Tm)+f(n,Y,Tm-1)]T

(6)

將式(6)寫成矩陣的形式為：

Fm+1-2Fm+Fm-1=

(7)

式(7)中列向量Fm+1-2Fm+Fm-1可反映出此列各像素的變化趨勢，取此向量各元素的均值，即：

f(i,Y,Tm-1)]

(8)

式(8)反映了整列像素值的變化趨勢。其中，i為像素坐標(biāo)第i行。當(dāng)F值與前一時刻相比，符號發(fā)生改變時，說明該時刻?Fm/?t達(dá)到了極值，即圖像第Y列在該時刻出現(xiàn)豎直邊緣。

本系統(tǒng)中，當(dāng)激光線未投射到鍛件表面時，其在CCD所成圖像中為一條直線。而當(dāng)激光線投射到鍛件表面時，由于CCD相機(jī)主光軸與激光線不在同一平面上，故在CCD的成圖中，鍛件上的激光線與背景中的激光線會不在同一直線上，如圖2所示。

激光線投射到鍛件前后的這種變化為檢測鍛件邊緣提供了依據(jù)。由于激光器和CCD相機(jī)相對靜止，所以CCD所成的圖像中，背景區(qū)域的激光線在圖像中的位置是固定不變的。故可以通過激光線所在列像素灰度的變化來確定激光線移動到鍛件邊緣的時刻。

由于本系統(tǒng)中激光線是綠色的，因此只對綠色分量Gm進(jìn)行計算。式(7)可簡化為：

圖2 鍛件上的激光線與背景中激光線

(9)

由于激光線在圖像中有一定寬度，為使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確，可用3列像素灰度的平均值來代替1列像素灰度，即令

g(x,y+1,t)]

(10)

令i∈[a,b]，式(8)可改為

2g1(i,Y,Tm)+g1(i,Y,Tm-1)]

(11)

在鍛件右側(cè)邊緣測量過程中，由于鍛件表面溫度較高，亮度較大，易使CCD感光元件達(dá)到飽和，這會干擾系統(tǒng)對綠激光的識別。

將綠激光線和鍛件區(qū)分開，用綠色分量與紅色分量灰度值的差代替單一綠色分量的灰度值，式(9)變?yōu)椋?/p>

Gm+1-2Gm+Gm-1=

(12)

用g(x,y,t)-r(x,y,t)替換g(x,y,t)代入式(10)中得：

h(xi,Y,Tm)=

[g(i,Y,Tm)-r(i,Y,Tm)]+

(13)

用h(i,Y,Tm)代替g1(i,Y,Tm)，式(11)變?yōu)椋?/p>

2h(i,Y,Tm)+h(i,Y,Tm-1)]

(14)

式中：a,b分別為鍛件區(qū)域像素行坐標(biāo)的上下限；Tm-1和Tm+1分別為前一時刻和下一時刻。

當(dāng)檢測鍛件右側(cè)邊緣時，將每幀圖像的a,b和Y代入式(14)，求出H值。而當(dāng)檢測鍛件左側(cè)邊緣時，將每幀圖像的a,b和Y代入式(12)，求出G值。通過H值和G值的變化來確定激光線是否移動到鍛件邊緣。

4 實 驗

4.1 實驗系統(tǒng)

為驗證所設(shè)計系統(tǒng)的可行性，構(gòu)建了一個實驗平臺，平臺由以下3部分組成：(1)工業(yè)CCD相機(jī)，型號為MV-VE078SM/SC，最大分辨率1 024×768，CCD成像靶面尺寸為4.65 μm×4.65 μm。鏡頭焦距為12 mm， 30幀/s。(2)線激光器，型號為MGL-III，輸出功率200 mW，波長532 nm，張角30°。(3)高精度導(dǎo)軌，型號為BGXS45BE，行進(jìn)誤差小于40 μm。

4.2 鍛件右、左側(cè)邊緣定位

用箱式電阻爐將長度為400 mm、直徑為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)鍛件加熱到1100 ℃后取出安放在鍛件架上，使鍛件軸線與激光線移動方向保持平行。然后在激光線從接近到遠(yuǎn)離鍛件右側(cè)邊緣的動態(tài)圖像中，按時間順序提取10幀圖像，如圖3所示。

同右側(cè)邊緣一樣，在鍛件從接近到遠(yuǎn)離左側(cè)邊緣的動態(tài)圖像中按時間順序提取10幀圖像，如圖4所示。

圖3 鍛件右側(cè)邊緣采樣圖像

圖4 鍛件左側(cè)邊緣圖像

圖3中，鍛件區(qū)域位于像素坐標(biāo)第120行和205行之間，即a=120，b=205。背景區(qū)域的激光線位于像素坐標(biāo)第451列，即Y=451。將這10幀圖像的a、b和Y分別代入式(14)中，得到對應(yīng)的H值見表1。

圖3(d)與圖3(c)相比，當(dāng)激光線投射到鍛件上時，在所成的圖像中，鍛件上的激光線與背景區(qū)域的激光線不在一條直線上。因此需要改變Y值。通過綠激光識別程序測得鍛件上綠激光線中心位于圖像像素坐標(biāo)第438列，即a=120，b=205，Y=438。將這10幀圖像的a,b，和Y分別代入式(15)：

2g1(i,Y,Tm)+g1(i,Y,Tm-1)]

(15)

得到對應(yīng)的G值見表1。

表1 鍛件右、左側(cè)邊緣H值和G值

由表1可知，圖3中第5幅圖像的H值與前一時刻相比，符號發(fā)生改變且變化程度較大。故第5幅圖像激光線所在的位置為鍛件右側(cè)邊緣的位置。圖4中第6幅圖像的G值與前一時刻相比，符號發(fā)生改變且變化程度較大，故第6幅圖像中激光線的位置作為鍛件左側(cè)邊緣的位置。

4.3 鍛件尺寸測量

鍛件左側(cè)和右側(cè)兩個邊緣的位置信息便是需要的鍛件的長度尺寸信息。應(yīng)用此系統(tǒng)對同一鍛件進(jìn)行10次測量，由于實驗工件尺寸相對較小，所以用小型卡鉗測量的尺寸作為真實值，真實值為410.57 mm，得到的結(jié)果見表2。

表2 鍛件測量結(jié)果 mm

從表2中可以看到，此系統(tǒng)的測量誤差小于 ±2 mm， 滿足測量精度要求。本實驗中，由于鍛件架并不是固定的，無法保證激光線移動方向與鍛件軸線嚴(yán)格平行，因此會對測量結(jié)果造成影響。但在實際生產(chǎn)過程中，導(dǎo)軌將固定在墻壁上，鍛件在測量時也是固定在鍛壓機(jī)上，因此這種影響會非常微小，可以忽略不計。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種將圖像識別和伺服控制相結(jié)合的大型熱態(tài)鍛件長度尺寸測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過綠激光定位鍛件邊緣的位置來實現(xiàn)對鍛件的長度尺寸的自動測量。實驗結(jié)果表明:該系統(tǒng)最大測量誤差小于±2 mm，可以滿足鍛件尺寸測量的需求。該系統(tǒng)應(yīng)用到實際生產(chǎn)中，很好地解決了大鍛件加工過程中幾何尺寸難以實時測量的問題，并可以提高鍛件的長度測量精度。該系統(tǒng)的應(yīng)用可以降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

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