基于綠激光圖像識(shí)別的熱態(tài)大型鍛件長(zhǎng)度尺寸測(cè)量

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(guò)程中，鍛件尺寸的測(cè)量十分重要。目前，大鍛件測(cè)量仍采用人工接觸式測(cè)量方法，不僅條件惡劣，誤差大，而且為減少?gòu)U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(cè)量系統(tǒng)對(duì)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(lái)，各國(guó)學(xué)者對(duì)鍛件尺寸測(cè)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(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)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(cè)量鍛件尺寸的目的;岡本陽(yáng)等人[4]采用雙目立體視覺方法測(cè)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(guò)程的在線測(cè)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(cè)量方法，通過(guò)激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了圓筒形鍛件內(nèi)徑和外徑的測(cè)量;李群等人[8]提出一種異形熱態(tài)鍛件幾何尺寸測(cè)量方法，通過(guò)提取鍛件表面輪廓調(diào)制的激光條紋二維信息實(shí)現(xiàn)了異形鍛件尺寸測(cè)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(duì)鍛件進(jìn)行三維重建從而實(shí)現(xiàn)鍛件的測(cè)量;劉衛(wèi)亮[10]提出一種結(jié)構(gòu)光三維鍛件測(cè)量方法，利用白光投射到鍛件表面，通過(guò)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(shí)別和伺服系統(tǒng)相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了一種基于綠激光圖像識(shí)別的熱態(tài)大型鍛件長(zhǎng)度尺寸測(cè)量系統(tǒng)。

2 熱態(tài)鍛件尺寸測(cè)量系統(tǒng)

鍛件尺寸測(cè)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(dòng)的平臺(tái)上，平臺(tái)的移動(dòng)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(jì)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(dòng)，激光線在鍛件不同位置的圖像被實(shí)時(shí)獲取。同時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)得到激光線的位置信息。當(dāng)系統(tǒng)將檢測(cè)到激光線移動(dòng)到鍛件一側(cè)邊緣時(shí)，將記錄下激光線此時(shí)的位置信息。同理，當(dāng)激光線移動(dòng)到鍛件另一側(cè)邊緣時(shí)，會(huì)得到相應(yīng)的位置信息。這兩個(gè)信息就是所需的鍛件尺寸信息。

圖1 鍛件尺寸測(cè)量系統(tǒng)

3 測(cè)量原理

為了測(cè)量鍛件的長(zhǎng)度尺寸，需要對(duì)得到的綠激光掃描鍛件的動(dòng)態(tài)圖像進(jìn)行分析。CCD拍攝的彩色動(dòng)態(tài)圖像是像素坐標(biāo)x、y和時(shí)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(shí)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(shí)間發(fā)生變化時(shí)，可以用該點(diǎn)像素灰度值對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)來(lái)描述這種變化的劇烈程度。即：

(2)

設(shè)在某一時(shí)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(duì)時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)為：

(4)

此向量達(dá)到極值的時(shí)刻對(duì)應(yīng)著動(dòng)態(tài)圖像在第Y列出現(xiàn)豎直邊緣的時(shí)刻。而一階導(dǎo)數(shù)的極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)二階導(dǎo)數(shù)的過(guò)零點(diǎn)。對(duì)式(4)再次求導(dǎo)，得：

(5)

對(duì)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(shì)，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(shì)。其中，i為像素坐標(biāo)第i行。當(dāng)F值與前一時(shí)刻相比，符號(hào)發(fā)生改變時(shí)，說(shuō)明該時(shí)刻?Fm/?t達(dá)到了極值，即圖像第Y列在該時(shí)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(shí)，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(shí)，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(huì)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(cè)鍛件邊緣提供了依據(jù)。由于激光器和CCD相機(jī)相對(duì)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(guò)激光線所在列像素灰度的變化來(lái)確定激光線移動(dòng)到鍛件邊緣的時(shí)刻。

由于本系統(tǒng)中激光線是綠色的，因此只對(duì)綠色分量Gm進(jìn)行計(jì)算。式(7)可簡(jiǎn)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(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確，可用3列像素灰度的平均值來(lái)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(cè)量過(guò)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(huì)干擾系統(tǒng)對(duì)綠激光的識(shí)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(shí)刻和下一時(shí)刻。

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

4 實(shí) 驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性，構(gòu)建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)由以下3部分組成：(1)工業(yè)CCD相機(jī)，型號(hào)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(hào)為MGL-III，輸出功率200 mW，波長(zhǎng)532 nm，張角30°。(3)高精度導(dǎo)軌，型號(hào)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(zhǎng)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(dòng)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(dòng)態(tài)圖像中，按時(shí)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(dòng)態(tài)圖像中按時(shí)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(duì)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(shí)，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(guò)綠激光識(shí)別程序測(cè)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(duì)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(shí)刻相比，符號(hào)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(shí)刻相比，符號(hào)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(cè)量

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

表2 鍛件測(cè)量結(jié)果 mm

從表2中可以看到，此系統(tǒng)的測(cè)量誤差小于 ±2 mm， 滿足測(cè)量精度要求。本實(shí)驗(yàn)中，由于鍛件架并不是固定的，無(wú)法保證激光線移動(dòng)方向與鍛件軸線嚴(yán)格平行，因此會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，導(dǎo)軌將固定在墻壁上，鍛件在測(cè)量時(shí)也是固定在鍛壓機(jī)上，因此這種影響會(huì)非常微小，可以忽略不計(jì)。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種將圖像識(shí)別和伺服控制相結(jié)合的大型熱態(tài)鍛件長(zhǎng)度尺寸測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)綠激光定位鍛件邊緣的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鍛件的長(zhǎng)度尺寸的自動(dòng)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)最大測(cè)量誤差小于±2 mm，可以滿足鍛件尺寸測(cè)量的需求。該系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，很好地解決了大鍛件加工過(guò)程中幾何尺寸難以實(shí)時(shí)測(cè)量的問(wèn)題，并可以提高鍛件的長(zhǎng)度測(cè)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。

[參考文獻(xiàn)]

[1] Bokhabrine Y, Lew F C, Lew Y V,etal. 3D laser system for shell dimension measurement during forging[C]//International Forgemasters Meeting (IFM), Santander, Spain, 2008: 345-348.

[2] Bokhabrine Y, Lew F C, Lew Y V,etal. 3D reconstruction of hot metallic surfaces for industrial part characterization[J].ImageProcessing:MachineVisionApplications, 2009, 725101-725107.

[3] Bokhabrine Y, Lew F C, Lew Y V,etal. 3D characterization of hot metallic shells during industrial forging[J].MachineVisionandApplications, 2012, 23: 417-425.

[4] 岡本陽(yáng), 和佐泰宏, 香川恭徳. 熱間大型鍛鋼品の形狀計(jì)測(cè)裝置の開発[J]. 神戸製鋼技報(bào), 2007,57(3): 29-34.

[5] Gianfranco G, Pasquale A, Giorgio V,etal. 鍛造中尺寸的控制: 2D和3D激光測(cè)量系統(tǒng)[J]. 鍛造與沖壓, 2010, 2010(S): 68-73.

[6] Fu X B, Liu B, Zhang Y C. Measurement technology of the hot-state size for heavy shell ring forging[J].IntJofAdvManufTechnol, 2013, 65(1-4):543-548.

[7] 張玉存, 付獻(xiàn)斌, 齊艷德, 等. 大型筒節(jié)熱態(tài)鍛件外徑在線測(cè)量技術(shù)研究[J]. 計(jì)量學(xué)報(bào), 2011, 32(5): 427-431.

[8] 李群, 韓俊霞, 張玉存. 異形熱態(tài)鍛件幾何尺寸測(cè)量方法的研究[J]. 計(jì)量學(xué)報(bào), 2014, 35(2): 97-101.

[9] 胡春海, 劉斌, 鄭龍江. 基于雙CCD的鍛件尺寸測(cè)量的研究[J]. 紅外與激光工程, 2008, 37(S1):11-14.

[10] 劉衛(wèi)亮. 基于結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量的大鍛件圖像處理算法的研究[D]. 上海：東華大學(xué),2014.