CN101539406B - 高温端和低温端并存工件的形状尺寸在线测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于工件形状尺寸在线检测技术领域，特别涉及一种高温端和低温端并存工件的形状尺寸在线测量方法及装置。由漫射背光源、面阵CCD摄像机、图像采集设备、图像处理设备、上位机组成；被测工件位于漫射背光源和面阵CCD摄像机之间，面阵CCD摄像机光轴垂直于漫射背光源；在漫射背光源照射下，工件低温部分形成暗区，产生反差，形成可检测的图像边缘；工件高温部分亮度高于漫射背光源背景，产生反差，形成可检测的图像边缘；面阵CCD摄像机将采集的工件图像实时传送至图像采集设备，经过图像处理设备完成对图像的处理，最终只将变形区内轴向各位置的直径值传送至上位机。本发明能完成高温端和低温端并存工件形状尺寸的精确在线测量，测量精度高，测量速度快，测量装置简单，硬件组成易于采购。

Description

高温端和低温端并存工件的形状尺寸在线测量方法及装置
技术领域
本发明属于工件形状尺寸在线检测技术领域，特别涉及一种高温端和低温端并存工件的形状尺寸在线测量方法及装置，尤其适用于无模拉拔变形区形状尺寸的在线测量。
背景技术
在金属热加工或热处理过程中，温度场分布往往都是不均匀的，常常存在高温端和低温端并存的现象，如无模拉拔成形过程中变形区温度场的分布就是如此。无模拉拔是一种不采用模具而进行金属成形加工的方法，通过对工件两端施加一定张力并同时对线材的局部进行加热和冷却，使张力所引起的变形集中在变形抗力小的局部高温区，从而获得恒截面或变截面产品。无模拉拔成形工艺具有无摩擦、拉拔力小、单一道次能获得较大的断面收缩率等优点，适合于传统有模拉拔难以成形的金属材料的加工。但该工艺存在着成形过程稳定性较差，制品易产生竹节状缺陷等问题。
对变形区形状尺寸进行在线闭环控制是实现无模拉拔产品尺寸和过程稳定性控制的有效方法。欲对变形区形状尺寸进行在线闭环控制，首先必须对其进行在线测量。传统方法采用激光测径仪对工件直径进行测量。von Eynatten K等人的研究中采用激光测径仪对成形后线材直径进行在线测量[von Eynatten K，Reissner J N.Dieless drawing for flexible processing ofmicrostructure and mechanical properties[C].Proceedings of the 34th International MATADORConference：Formerly the International Machine，Springer，2004：187-192]。Yasu You等人利用激光测径仪对变形区一个特定位置的直径进行测量，并通过在线调整拉拔速度对该位置工件直径进行在线闭环控制，一定程度上提高了成形产品的尺寸精度[Yasu You，KuriharKazuo.Dieless wire drawing method[P].JP08-052511，1996-02-27]。然而，虽然激光测径仪具有测量精度高，能实现实时在线检测等优点，但是该方法在任意时刻只能对工件轴向上一个固定位置进行测量，无法同时对无模拉拔变形区整体形状尺寸进行测量；增加激光测径仪的数量能增加测量点的个数，但是这不仅大大地增加了设备成本，而且由于激光测径仪体积较大，安装空间往往决定了无法在变形区范围内安装多台激光测径仪。
基于面阵CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)图像测量方法能对被测对象的二维形状尺寸进行测量，已被广泛应用于工件几何尺寸的在线检测及高精度、高速度的测量技术领域。刘安章等人采用CCD采集被测工件图像，并利用图像处理技术、像素细分技术，实现了对工件的自动瞄准，自动测量[刘安章，刘泊，高西宽.基于CCD测量的万能工具显微镜[J].哈尔滨理工大学学报，2008，13(5)：47～49，53]。杨平等人公开了一种静态刀具图像的精密测量方法，该方法实现了刀具几何参数的精确测量[杨平，侯学智，赵云松，等.一种静态刀具图像的精密测量方法[P].CN1680072A，2005-10-12]。虽然基于面阵CCD图像测量的方法已经有了很多成功的例子，但是目前所有报道中被测对象各部分温度都是均匀(或基本均匀)的。然而无模拉拔变形区内，变形起始位置工件温度较高(有的高达工件熔点Tm的0.95倍)，而变形区结束位置温度则接近室温。变形区范围内工件的高温端和低温端共存现象为图像测量带来许多困难：光圈大小、曝光时间等参数设置无法同时适合高温区域和低温区域。目前尚未见利用图像处理方法对高温端和低温端并存工件进行形状尺寸在线测量的报道。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种能实现高温端和低温端并存工件的形状尺寸在线测量方法，尤其适用于无模拉拔变形区形状尺寸的在线测量。采用此方法能实现无模拉拔变形区形状尺寸的在线精确测量，为无模拉拔变形区形状尺寸在线闭环控制提供必要条件。
一种高温端和低温端并存工件的形状尺寸在线测量装置，由漫射背光源1、面阵CCD摄像机3、图像采集设备4、图像处理设备5、上位机6组成。被测工件2位于漫射背光源1和面阵CCD摄像机3之间，面阵CCD摄像机3光轴垂直于漫射背光源(见图1)。
在漫射背光源照射下，工件(变形区)低温部分形成暗区，产生反差，形成可检测的图像边缘。工件(变形区)高温部分亮度高于漫射背光源背景，产生反差，形成可检测的图像边缘(见图2)。面阵CCD摄像机将采集的工件图像实时传送至图像采集设备，经过图像处理设备完成对图像的处理，最终只将变形区内轴向各位置的直径值传送至上位机，将图像处理设备与上位机的通讯量降低到最小，以减少数据传输时间，同时减少上位机的运算量，为变形区形状尺寸控制提供更多的运算资源，以提高系统整体的运行速度。
如上所述图像处理具体步骤如下(见图3)：
1、由于CCD的长宽比不一定与工件变形区的长宽比一致，因此CCD采集的信息中，存在无用部分图像(称为余白，见图2)。首先识别变形区最大边界，然后去除该最大边界以外区域图像(见图4)，以减小后续处理的数据量，提高效率；
2、在暗→明→暗之间设定边界阀值，按“暗→明→暗”的方式检测工件直径，得到工件高温部分直径以及各测量点位置的轴向位置坐标；
3、按“明→暗→明”的方式检测工件直径，得到工件低温部分直径以及各测量点位置的轴向位置坐标；
4、剔除图像中工件表面的毛刺；
5、将高温和低温部分工件直径按照对应的轴向距离合成；
6、采用计算机图形当中常用的B样条曲线(即平滑曲线)连接高温部分和低温部分工件轮廓后，得到完整的变形区形状(见图5)。由于变形区范围内温度沿轴向连续变化，因此拍摄的图像中相应的灰度值也连续变化。在轴向某一位置处，工件对应灰度值与漫射背光源灰度值差值小于设定边界阀值，步骤2和步骤3均会判断认为该处不存在边界，因此需要采用平滑曲线将高温部分和低温部分工件轮廓进行连接。
本发明的优点在于：
1、能完成工件形状尺寸非接触在线测量，尤其能完成高温端和低温端并存工件形状尺寸的精确在线测量，例如无模拉拔变形区形状尺寸的在线测量；
2、测量精度高，可达1μm；
3、测量速度快，完成一帧图像测量，即一次测量周期小于100ms；
4、测量装置简单，硬件组成易于采购。
附图说明
图1为无模拉拔变形区形状尺寸面阵CCD测量装置组成图。
图2为CCD采集的一帧图像。
图3为图像处理步骤示意图。
图4为去除图2中余白部分后剩下的图像。
图5为某时刻测量的各轴向位置上的变形区直径。
具体实施方式
下面结合附图介绍本发明具体实施方式的一个例子。
漫射背光源1采用紧凑排列的高亮LED基板加上毛玻璃组成的背光源，面阵CCD摄像机3为Panasonic CAMERAANPVC1210，图像采集设备4为Panasonic PV500图像采集设备，图像处理设备5为Panasonic PV500图像处理装置，上位机6为美国国家仪器公司生产的NI PXI-1030，上位机中安装LabVIEW 8.5软件实现数据采集与处理。
被测工件2安装于无模拉拔设备中，进行无模拉拔变形。漫射背光源1和面阵CCD摄像机3分别置于工件2两侧，面阵CCD摄像机3光轴垂直于漫射背光源1和工件2的轴向(见图1)。在漫射背光源1照射下，变形区低温部分形成暗区，产生反差，形成可检测的图像边缘。变形区高温部分亮度高于漫射背光源背景，产生反差，形成可检测的图像边缘(见图2)。
面阵CCD摄像机3将采集的工件2图像实时传送至图像采集设备4，经图像处理设备5完成对图像的处理，最终只将变形区内轴向各位置的直径值传送至上位机6，将图像处理设备5与上位机6的通讯量降低到最小，以减少数据传输时间，同时减少上位机6的运算量，为变形区形状尺寸控制提供更多的运算资源，以提高系统整体的运行速度。
图像处理具体步骤如下(见图3)：
1、本实施方式采用的面阵CCD摄像机3为Panasonic CAMERAANPVC1210，其CCD长宽比为4∶3，而被测工件最大直径为6mm，变形区长度为16mm，其长宽比与CCD长宽比不同，因此CCD采集的信息中，存在无用部分图像(称为余白，见图2)。首先识别变形区最大边界，然后去除该最大边界以外的余白(见图4)，以减小后续处理数据量，提高效率；
2、设定边界灰度值突变阀值为10，按“暗→明→暗”的方式检测工件直径，得到工件高温部分直径以及各测量点位置的轴向位置坐标；
3、按“明→暗→明”的方式检测工件直径，得到工件低温部分直径以及各测量点位置的轴向位置坐标；
4、剔除图像中工件表面的毛刺；
5、将高温和低温部分工件直径按照对应的轴向距离合成；
6、由于变形区范围内，温度沿轴向连续，因此拍摄的图像中相应的灰度值也连续变化。以开始变形点轴向位置为原点，在轴向位置为4.25～4.52mm范围内，工件2对应灰度值与漫射背光源1灰度值差值小于设定边界阀值10，步骤2和3均会判断认为该处不存在边界，故无法识别出该部分边界。为此，采用B样条曲线连接高温部分和低温部分工件形状，以得到完整的变形区形状(见图5)。
本实施方式实例对变形区轴向各处直径的测量精度达到1μm，完成一次测量的时间为92ms。因此，本发明所述方法与装置能满足无模拉拔变形区形状尺寸的高精度、高速度测量要求，能满足变形区形状尺寸在线闭环控制的要求。

Claims (1)

1.一种高温端和低温端并存工件的形状尺寸在线测量装置，其特征是由漫射背光源(1)、面阵CCD摄像机(3)、图像采集设备(4)、图像处理设备(5)、上位机(6)组成；被测工件(2)位于漫射背光源(1)和面阵CCD摄像机(3)之间，面阵CCD摄像机(3)光轴垂直于漫射背光源；在漫射背光源照射下，工件低温部分形成暗区，产生反差，形成可检测的图像边缘；工件高温部分亮度高于漫射背光源背景，产生反差，形成可检测的图像边缘；面阵CCD摄像机将采集的工件图像实时传送至图像采集设备，经过图像处理设备完成对图像的处理，最终只将变形区内轴向各位置的直径值传送至上位机；测量过程中图像处理具体步骤如下：
1)在CCD采集的信息中，首先识别变形区最大边界，然后去除该最大边界以外区域图像；
2)在暗→明→暗之间设定边界阀值为10，按“暗→明→暗”的方式检测工件直径，得到工件高温部分直径以及各测量点位置的轴向位置坐标；
3)按“明→暗→明”的方式检测工件直径，得到工件低温部分直径以及各测量点位置的轴向位置坐标；
4)剔除图像中工件表面的毛刺；
5)将高温和低温部分工件直径按照对应的轴向距离合成；
6)采用计算机图形当中常用的B样条曲线连接高温部分和低温部分工件轮廓后，得到完整的变形区形状。
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