高衛(wèi)東,趙 韡,潘浩宇,柴子凡

(1.中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,山西 太原 030051)(2.先進(jìn)制造技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030051)

磨料水射流是一種非傳統(tǒng)加工技術(shù),在金屬、陶瓷等材料的切割及表面處理方面有著廣泛的應(yīng)用[1]。與傳統(tǒng)加工方式相比,磨料水射流具有切割效率高、切削應(yīng)力小、材料無(wú)熱變形及熱影響區(qū)等優(yōu)勢(shì),但存在切削斷面有拖尾余紋等問(wèn)題[2～4]。目前對(duì)水射流加工表面質(zhì)量評(píng)價(jià)的主要參數(shù)為表面粗糙度、加工條痕長(zhǎng)度和偏轉(zhuǎn)角度。陳曉晨等[5]通過(guò)模擬水射流沖蝕材料過(guò)程并結(jié)合實(shí)驗(yàn)切削斷面測(cè)得粗糙度的變化發(fā)現(xiàn),材料沖蝕形成的拖尾角越大粗糙度也隨之越大,二者呈正相關(guān);Akkurt[6]以黃銅為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),高速射流束的偏轉(zhuǎn)造成能量損失,邊壁前端的幾何曲線可由二階拋物線函數(shù)來(lái)表示;郝宇聰?shù)萚7]對(duì)磨料水射流加工過(guò)程進(jìn)行可視化實(shí)驗(yàn),對(duì)射流束的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行測(cè)量,用二次多項(xiàng)式擬合出偏轉(zhuǎn)曲線,再通過(guò)測(cè)量粗糙度確定加工表面質(zhì)量;Brandst?tter等[8]通過(guò)測(cè)量代表性條紋痕跡位移評(píng)估切割表面質(zhì)量,得到切割過(guò)程中材料加工表面的質(zhì)量信息。前人的大量研究表明,磨料水射流加工斷面特征與斷面質(zhì)量有直接關(guān)系。

隨著圖像處理及聲發(fā)射等技術(shù)的不斷改進(jìn)與優(yōu)化,促進(jìn)磨料水射流切削斷面特征識(shí)別、測(cè)量等技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。Lebar等[9]使用紅外熱像儀對(duì)加工過(guò)程中的切割區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),觀察其溫度變化來(lái)完成在線加工質(zhì)量監(jiān)測(cè);Per?el等[10]利用振動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)切割過(guò)程中的振動(dòng)輻射,通過(guò)分析振動(dòng)信號(hào)的頻譜和振幅變化,監(jiān)測(cè)切割過(guò)程中的質(zhì)量情況;Valícˇek等[11]研究了磨料水射流加工表面粗糙度與噪聲的關(guān)系,將噪聲作為傳播切割過(guò)程信息的載體,提出了一種在線測(cè)量聲壓級(jí)反饋與系統(tǒng)調(diào)節(jié)加工參數(shù)的方法。

綜上所述,水射流加工表面的宏觀特征是判斷其表面質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,但由于傳統(tǒng)方法受限于檢測(cè)環(huán)境,因此存在實(shí)時(shí)性差、識(shí)別精度低的問(wèn)題。本文以6061鋁為研究對(duì)象,針對(duì)磨料水射流加工斷面特征的識(shí)別與分析,提出了基于Halcon的機(jī)器視覺(jué)識(shí)別方法,能夠有效對(duì)加工斷面條痕區(qū)域圖像進(jìn)行較準(zhǔn)確地提取,提高了斷面特征參數(shù)的測(cè)量效率。

1 磨料水射流加工斷面條痕圖像處理

為實(shí)現(xiàn)磨料水射流加工表面特征參數(shù)提取,構(gòu)建特征識(shí)別算法,其流程如圖1所示。首先對(duì)磨料水射流加工斷面圖像進(jìn)行灰度化處理,使其更有效地表達(dá)斷面圖像信息;其次通過(guò)雙邊濾波更好地保存斷面圖像邊緣信息,通過(guò)特征閾值完成斷面目標(biāo)與整體圖像的閾值分割,以此獲得加工斷面的特征區(qū)域,通過(guò)連通區(qū)域分割完成對(duì)相鄰條痕的分割;最后對(duì)分割的加工條痕進(jìn)行特征坐標(biāo)提取,并通過(guò)坐標(biāo)間的數(shù)學(xué)關(guān)系轉(zhuǎn)化為斷面特征參數(shù),實(shí)現(xiàn)由圖像到斷面宏觀特征參數(shù)的轉(zhuǎn)換。

圖1 特征識(shí)別算法流程圖

1.1 灰度級(jí)形態(tài)學(xué)降噪

磨料水射流加工過(guò)程示意圖如圖2所示,射流加工過(guò)程中高速射流帶動(dòng)磨粒對(duì)加工表面進(jìn)行磨削及沖擊。將磨料水射流加工斷面圖片轉(zhuǎn)為灰度圖后圖像中存在大量的金屬反光點(diǎn),影響斷面條痕特征的識(shí)別,因此需要進(jìn)行灰度級(jí)形態(tài)學(xué)處理。

圖2 磨料水射流加工示意圖

灰度級(jí)形態(tài)學(xué)是將形態(tài)學(xué)操作擴(kuò)展至灰度圖像上,可以處理包含豐富灰度級(jí)別的圖像。在膨脹、腐蝕、閉運(yùn)算、開(kāi)運(yùn)算4種操作中,開(kāi)運(yùn)算先完成灰度圖的腐蝕,再對(duì)腐蝕后的圖像進(jìn)行膨脹。在對(duì)灰度圖像進(jìn)行腐蝕操作時(shí),首先逐像素比較結(jié)構(gòu)元素與圖像局部區(qū)域的灰度,選擇區(qū)域內(nèi)的灰度最小值作為該像素的灰度輸出值;其次進(jìn)行膨脹操作,通過(guò)逐像素比較結(jié)構(gòu)元素與圖像局部區(qū)域的灰度,并選擇灰度最大值作為像素的灰度輸出值。因此,經(jīng)過(guò)開(kāi)運(yùn)算可以消除小的亮噪點(diǎn),保留主要的亮部結(jié)構(gòu),能夠較好地消除圖像噪聲并保留圖像邊緣,實(shí)現(xiàn)圖像信息準(zhǔn)確分析與處理。

為了更加清晰地看到處理前后圖片的變化,選取圖像中某一區(qū)域并三倍放大,如圖3所示。圖3(a)為灰度級(jí)形態(tài)學(xué)處理前斷面圖像,其表面較亮噪點(diǎn)較多,影響圖像的整體灰度分布;圖3(b)為經(jīng)過(guò)處理的表面放大圖,對(duì)比發(fā)現(xiàn),處理后的加工斷面圖像的較亮噪點(diǎn)明顯減少,對(duì)圖像中灰度邊緣的影響也較小。因此,經(jīng)過(guò)灰度形態(tài)學(xué)處理得到的圖像更加便于后續(xù)加工斷面條痕的識(shí)別與分割。

圖3 灰度形態(tài)學(xué)處理前后對(duì)比圖

1.2 雙邊濾波

經(jīng)過(guò)灰度級(jí)形態(tài)學(xué)處理后的圖像中加工條紋與金屬斷面之間的區(qū)分不足,需要進(jìn)一步對(duì)加工斷面圖像進(jìn)行處理。為了更好地得到圖像邊緣信息,采用雙邊濾波進(jìn)行處理。雙邊濾波能較好地保留圖像邊緣信息,并且降低圖像的噪聲。與傳統(tǒng)高斯濾波只考慮像素點(diǎn)之間的歐氏距離相比,雙邊濾波同時(shí)以像素的空間距離和范圍域中的輻射差異為權(quán)重計(jì)算中心像素?？臻g權(quán)系數(shù)因子σs控制像素空間距離,當(dāng)空間距離增大時(shí),產(chǎn)生影響的像素量增多,使得變化后的圖像愈加模糊,圖像的損失較大。為降低空間距離的影響,灰度權(quán)系數(shù)因子σr能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)灰度值的補(bǔ)償,從而降低因距離產(chǎn)生的影響。雙邊濾波計(jì)算公式如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式(3)中Gσ(x)為高斯函數(shù),其中x為未知數(shù),σ決定高斯函數(shù)分布寬度;式(4)、式(5)分別為各點(diǎn)空間鄰近度函數(shù)和灰度鄰近度函數(shù)。

雙邊濾波主要通過(guò)高斯核的卷積來(lái)完成,能夠較好地解決高斯濾波后圖像模糊問(wèn)題。影響計(jì)算后p點(diǎn)的灰度值的主要因素包含空間相鄰和灰度相似的像素。截取雙邊濾波前、后加工斷面圖像的部分條痕區(qū)域進(jìn)行對(duì)比,如圖4所示。由圖可以看出,濾波后的圖像加工條紋邊緣更加明顯。

圖4 雙邊濾波前后對(duì)比圖

1.3 Otsu閾值分割與形態(tài)學(xué)處理

對(duì)雙邊濾波后的圖像做進(jìn)一步處理,把加工條痕區(qū)域從斷面圖像中分離。為了更好地得到加工斷面的條痕區(qū)域并能較好地保存條痕區(qū)域信息,采用Otsu閾值分割完成圖像的分割。Otsu閾值分割可以自動(dòng)確定閾值且計(jì)算速度較快,分割結(jié)果如圖5所示。圖5(a)為加工斷面灰度化后的圖像,圖5(b)所示為經(jīng)過(guò)閾值分割并結(jié)合形態(tài)學(xué)操作完成條痕區(qū)域識(shí)別的結(jié)果,圖5(c)所示為將得到的區(qū)域覆蓋于原始圖像上進(jìn)行對(duì)比的結(jié)果。由圖可知,通過(guò)Otsu閾值分割得到的加工斷面條痕區(qū)域與實(shí)際的條痕形貌基本吻合,達(dá)到預(yù)期效果。

圖5 Otsu閾值分割與形態(tài)學(xué)處理結(jié)果圖

1.4 最小二乘法實(shí)現(xiàn)曲線擬合

磨料水射流加工斷面條痕可以通過(guò)二次曲線進(jìn)行擬合來(lái)完成對(duì)條痕特征的表征[6-7]。二次曲線擬合方法有多種,根據(jù)偏差平方和最小原則,本文使用最小二乘法(最小平方法)進(jìn)行二次曲線擬合。

圖6(a)所示為隨機(jī)選取的有一條劃痕的區(qū)域,圖6(b)所示為對(duì)加工條痕骨架主體各點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)的提取結(jié)果。因其加工條痕的偏轉(zhuǎn)可由二次曲線表示,故假定曲線方程為式(6),其中a、b、c均為未知量。設(shè)骨架各坐標(biāo)點(diǎn)的橫坐標(biāo)為x,縱坐標(biāo)為y,故各點(diǎn)坐標(biāo)分別為(x1,y1),…,(xn,yn)。將各點(diǎn)坐標(biāo)代入式(7),依據(jù)行列式的性質(zhì)即可求解出該二次曲線,如圖6(c)所示。

圖6 擬合過(guò)程及結(jié)果圖

y=ax2+bx+c

(6)

(7)

圖6所示為擬合過(guò)程及結(jié)果,由圖可知,對(duì)分離得到的單條劃痕使用最小二乘法擬合得到的函數(shù)曲線與水射流加工得到的斷面加工條痕的形貌吻合,故用擬合得到的曲線可以進(jìn)行后續(xù)的偏轉(zhuǎn)分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文特征識(shí)別算法的可行性,采用不同工藝參數(shù)下的圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。選取壓力為140 MPa,靶距為3 mm,噴頭移動(dòng)速度分別為30、40、50、60、70、80 mm/min的6組工藝參數(shù)進(jìn)行加工。圖7所示為本文實(shí)驗(yàn)的6組樣本圖像,包含了不同加工質(zhì)量的表面。

圖7 射流切削斷面圖

射流切削結(jié)果斷面如圖8所示。切削斷面可以分為3個(gè)區(qū)域,分別是光滑區(qū)、過(guò)渡區(qū)和余紋區(qū)。在磨蝕切割作用過(guò)程中,磨料水射流的能量充足,磨粒以相對(duì)較小的角度沖擊工件表面,從而形成相對(duì)光滑的切割表面,即光滑區(qū)。這種磨蝕切割作用使得工件表面能夠被有效地去除,并且在一定程度上降低了加工表面粗糙度。然而,隨著磨料水射流進(jìn)一步深入工件材料,后續(xù)穿透過(guò)程中磨粒的沖擊角度增大,造成加工斷面產(chǎn)生明顯的加工條痕,導(dǎo)致出現(xiàn)變形加工區(qū),即余紋區(qū)。在這兩個(gè)區(qū)域的中間還會(huì)出現(xiàn)一段過(guò)渡區(qū),其表現(xiàn)為各方面的特性均處于二者之間。過(guò)渡區(qū)形成的原因是磨料水射流切割過(guò)程中能量分布和沖擊角度的變化。在過(guò)渡區(qū)域,磨料的沖擊角度逐漸增加,同時(shí)切割逐漸過(guò)渡到后續(xù)穿透過(guò)程,導(dǎo)致加工表面從光滑區(qū)逐漸向余紋區(qū)過(guò)渡。光滑區(qū)、過(guò)渡區(qū)表面質(zhì)量較高,切削斷面宏觀特征不清晰。余紋區(qū)表面質(zhì)量較差,加工條紋特征明顯。此外,隨著噴頭移速的增大,余紋區(qū)的加工條痕偏轉(zhuǎn)角度隨之增大,加工面的表面質(zhì)量也隨之變差。

圖8 切削斷面分區(qū)圖

2.1 圖像處理結(jié)果

通過(guò)本文所提出的算法對(duì)加工斷面圖像進(jìn)行處理,得到結(jié)果如圖9所示。

圖9 斷面提取結(jié)果對(duì)比圖

圖9中第一列圖像為加工斷面初始圖像,第二列圖像為進(jìn)行區(qū)域分割后得到條痕區(qū)域,第三列圖像為將條痕區(qū)域覆蓋至圖像表面的對(duì)比圖。對(duì)比其表面加工條痕區(qū)域與識(shí)別得到的區(qū)域可知,本文算法提取的條痕形貌與加工表面條痕宏觀形貌基本吻合。在射流壓力與靶距不變,只改變噴頭移動(dòng)速度的情況下,加工斷面條痕偏轉(zhuǎn)角度增大,相同面積內(nèi)提取得到的加工區(qū)域條痕數(shù)量和條痕面積逐步增加,表面質(zhì)量也隨之變差。

2.2 加工斷面條痕擬合結(jié)果分析

對(duì)磨料水射流加工斷面得到的條痕區(qū)域進(jìn)行識(shí)別并通過(guò)最小二乘法對(duì)加工條痕進(jìn)行擬合,用擬合的二次曲線完成其偏轉(zhuǎn)角度測(cè)量,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。當(dāng)噴頭移動(dòng)速度為30 mm/min時(shí),加工條紋的偏轉(zhuǎn)角度為7.0°～7.5°,噴頭移動(dòng)速度每增加10 mm/min,條紋偏轉(zhuǎn)角度增幅為0.5°,當(dāng)噴頭移動(dòng)速度達(dá)到80 mm/min時(shí),斷面的加工條痕不規(guī)則偏轉(zhuǎn)增多,加工條紋偏轉(zhuǎn)角度明顯增大。

表1 噴頭移速偏轉(zhuǎn)角度關(guān)系

3 結(jié)束語(yǔ)

磨料水射流切削斷面的拖尾余紋是其獨(dú)有的典型特征,其幾何特征與加工表面的質(zhì)量有著直接關(guān)系。本文在不同工藝參數(shù)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),提取加工斷面條痕的形貌特征,對(duì)其完成二次曲線擬合,得到的曲線與加工條痕基本吻合,可作為加工質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本文提出的算法能完成不同工藝參數(shù)下切削斷面條痕特征的識(shí)別,且識(shí)別精度較高,對(duì)加工斷面條痕識(shí)別與測(cè)量具有參考意義。