CN102519622B - 气门电镦成形工件温度和形状动态测量装置的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种气门电镦成形工件温度和形状动态测量装置及方法。其中测量装置包括有滤光片（1）、工业镜头（2）、工业摄像机（3）、图像采集卡（4）、微计算机（5），工业镜头（2）安装在工业摄像机（3）上，滤光片（1）安装在工业镜头（2）上，工业摄像机（3）通过数据线连接图像采集卡（4），图像采集卡（4）安装在微计算机（5）上，工业摄像机（3）还可通过1394接口、USB接口或以太网接口直接连接微计算机（5）。本发明的气门电镦成形工件温度和形状动态测量装置设计合理，方便实用。本发明气门电镦成形工件温度和形状动态测量装置的测试方法测量精度高，反应速度快，操作简单方便。
Description
技术领域
本发明是一种气门电镦成形工件温度和形状动态测量装置的测试方法，属于气门电镦成形工件温度和形状动态测量装置的测试方法的改造技术。
背景技术
电镦成形是对金属棒料工件进行连续局部的直接通电，在电阻热的作用下使工件局部温度升高，同时在棒料工件的轴向施加镦粗压力，从而使工件局部产生塑性变形实现逐步聚料的一种成形加工工艺方法，它是目前生产发动机气门的一个关键成形工艺。在电镦成形中，工件温度是一个关键的工艺参数，对工件成形过程和最终产品质量都将产生决定性作用，但工件温度只能通过调整加热电流和镦粗压力来间接控制。因此，准确且实时地测量工件温度是电镦成形加工过程中的重要环节，但由于在气门电镦成形过程中工件在较短的时间内产生极大的塑性变形，使得动态测量工件温度和形状变得极为困难。研究合理和可行的工件温度测量方法对气门电镦成形加工工艺具有重要意义。
一般金属材料成形加工过程中的温度测量主要有接触式和非接触式两种方式。接触式测温方式中目前主要采用热电偶进行温度测量，热电偶测温简单、可靠，测量精度也较高，但因需要测温元件与被测金属间进行充分的热交换，经过一定的时间后才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时也难以应用到成形加工中工件形状尺寸实时变化的温度测量，所以目前主要应用于加热炉内静态的温度测量。非接触式测温方式中主要采用红外测温的形式，即通过高温金属红外辐射原理来测量温度，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快。目前国内外广泛采用的红外测温仪，主要分为点式或线扫描式，都不能实时获得变形工件整个区域的温度分布，也不能同时获取工件的形状尺寸的变化，而且价格昂贵，不便于在气门电镦等金属高温成形加工中实际应用。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种测量精度高，反应速度快，操作简单方便的气门电镦成形工件温度和形状动态测量装置的测试方法。
本发明的技术方案是： 本发明的气门电镦成形工件温度和形状动态测量装置的测试方法，所述气门电镦成形工件温度和形状动态测量装置，包括有滤光片、工业镜头、工业摄像机、图像采集卡、微计算机，工业镜头安装在工业摄像机上，滤光片安装在工业镜头上，工业摄像机的信号输出端与微计算机连接；气门电镦成形工件温度和形状动态测量装置的测试方法包括如下过程：
1）上述温度测量时，高温工件发出热辐射，透过滤光片进入工业镜头；
2）工业摄像机获得透过工业镜头的近红外光，并转化为图像数据；
3）微计算机通过图像采集卡获得工业摄像机摄取的图像数据，或通过1394接口、USB接口或以太网接口直接获得工业摄像机摄取的图像数据，经过图像处理，最终得到工件的温度分布和外形尺寸；
上述微计算机在其温度和形状动态测量系统上进行基准温度标定，具体流程为：
11）针对具体测量工件大小和温度高低，设定工业镜头的光圈为0.8－20和设定工业摄像机快门的曝光时间为0.001－1秒，确定工件与工业镜头的测量距离为300－2000mm；
12）将已成形的确定材料气门工件加热到500℃－1300℃的高温，并使工件温度均匀分布，在此采用温度测量装置测量工件的温度；
13）在500℃－1300℃范围内，每20℃～50℃记录工件的温度，同时用工业摄像机获取此时工件图像，并通过温度和形状动态测量系统进行图像识别，最终得到确定材料工件每一记录温度下对应图像的颜色值；
14）针对不同工件材料，在不同光圈、不同曝光时间、不同测量距离等参数条件下，通过标定测试，建立500℃－1300℃范围内每隔20℃～50℃的温度与图像颜色值之间的对应关系，并建立基准温度标定数据库。
上述步骤12）中的温度测量装置采用热电偶或红外测温仪。
上述微计算机在其温度和形状动态测量系统上进行基准形状尺寸标定，具体流程为：
21）针对具体测量工件形状大小，设定工业镜头的光圈为0.8－20和工业摄像机快门的曝光时间为0.001－1秒，确定工件与工业镜头（2）间的测量距离为300－2000mm；
22）制作形状尺寸测定的黑白网格标定板，网格大小有5×5mm、10×10mm、20×20mm、50×50mm以及100×100mm几种形式；
23）将标定板安放于工业镜头前，板面垂直于工业镜头轴线，板面与工业镜头的距离设定为工件与工业镜头的测量距离为300－2000mm，用工业摄像机获取标定板的图像，并通过温度和形状动态测量系统进行图像识别，最终得到每一测定距离下标定板图像像素点间距与实际间距之间的比例关系；
24）针对在不同光圈、不同曝光时间、不同测量距离等参数条件下，通过标定测试建立图像像素点间距与实际间距之间的关系，并建立基准形状尺寸标定数据库。
上述微计算机在其温度和形状动态测量系统上进行工件温度测量和形状尺寸测量的方法如下：
31）针对具体测量工件大小和温度高低，设定与基准温度标定数据库中对应的工业镜头的光圈和摄像机快门的曝光时间，以及工件与工业镜头的测量距离；
32）在气门工件电镦成形过程中，通过工业摄像机摄像获取工件的图像，运用温度和形状动态测量系统进行图像识别，获得工件图像各像素点的颜色值；
33）根据基准温度标定数据库中温度与颜色值之间的对应关系，通过分段线性插值计算工件图像各像素点的颜色值对应的温度，最终获得工件的温度分布；因工件与周围环境的显著差别，工件对应的像素点颜色值与周围环境对应像素点的颜色值也存在显著差别，通过现有的边缘检测算法，获得工件图像边界；根据基准形状尺寸标定数据库中像素点间距与实际间距之间的比例关系，可以计算出气门电镦工件的外形尺寸；
34）在气门工件电镦成形过程中不同时间点，通过工业摄像机摄像获取工件的动态图像，运用温度和形状动态测量系统进行图像识别，按照步骤32)到步骤33）可以获得最终获得工件的动态温度分布和气门电镦工件外形尺寸的变化。
本发明针对气门电镦成形等金属高温塑性变形的工艺特点，研发了一种基于数字图像技术的气门电镦成形加工专用温度场测量系统，系统由工业摄像机和微计算机组成，通过工业摄像机进行图像采集；应用计算机进行图像处理，实现工件温度动态的非接触式测量，测量精度高，反应速度快，且能获得工件区域的温度分布以及工件外形轮廓形状尺寸的变化，有利于对工件成形过程及成形温度进行实时的测量和控制。本发明将对电镦成形加工以及一般金属高温成形加工工艺过程的工件温度和形状测量控制都具有现实意义，同时也将丰富和发展非接触式的温度测量方法。本发明是一种方便实用的气门电镦成形工件温度和形状动态测量装置的测试方法。
附图说明
图1为本发明的原理图。
具体实施方式
实施例：
本发明的原理图如图1所示，本发明的气门电镦成形工件温度和形状动态测量装置，包括有滤光片1、工业镜头2、工业摄像机3、图像采集卡4、微计算机5，工业镜头2安装在工业摄像机3上，滤光片1安装在工业镜头2上，工业摄像机3的信号输出端与微计算机5连接。
上述工业摄像机3的信号输出端通过数据线与图像采集卡4连接，图像采集卡4安装在微计算机5上，或工业摄像机3的信号输出端通过1394接口、USB接口或以太网接口直接连接微计算机5。
上述工业摄像机3为彩色CCD工业摄像机。
上述滤光片1为能透过760nm至1000nm波段的任意波长的近红外光而过滤掉其它波长光线的滤光片。
本发明的气门电镦成形工件温度和形状动态测量装置的测试方法，包括如下过程：
1）上述温度测量时，高温工件发出热辐射，透过滤光片1进入工业镜头2；
2）工业摄像机3获得透过工业镜头2的近红外光，并转化为图像数据；
3）微计算机5通过图像采集卡4获得工业摄像机3摄取的图像数据，或通过1394接口、USB接口或以太网接口直接获得工业摄像机3摄取的图像数据，经过图像处理，最终得到工件的温度分布和外形尺寸。
上述微计算机5在其温度和形状动态测量系统上进行基准温度标定，具体流程为：
11）针对具体测量工件大小和温度高低，设定工业镜头2的光圈为0.8－20和设定工业摄像机3快门的曝光时间为0.001－1秒，确定工件与工业镜头2的测量距离为300－2000mm；
12）将已成形的确定材料气门工件加热到500℃－1300℃的高温，并使工件温度均匀分布，在此采用温度测量装置测量工件的温度；
13）在500℃－1300℃范围内，每20℃～50℃记录工件的温度，同时用工业摄像机3获取此时工件图像，并通过温度和形状动态测量系统进行图像识别，最终得到确定材料工件每一记录温度下对应图像的颜色值；
14）针对不同工件材料，在不同光圈、不同曝光时间、不同测量距离等参数条件下，通过标定测试，建立500℃－1300℃范围内每隔20℃～50℃的温度与图像颜色值之间的对应关系，并建立基准温度标定数据库。
上述步骤12）中的温度测量装置采用热电偶或红外测温仪。
上述微计算机5在其温度和形状动态测量系统上进行基准形状尺寸标定，具体流程为：
21）针对具体测量工件形状大小，设定工业镜头2的光圈为0.8－20和工业摄像机3快门的曝光时间为0.001－1秒，确定工件与工业镜头（2）间的测量距离为300－2000mm；
22）制作形状尺寸测定的黑白网格标定板，网格大小有5×5mm、10×10mm、20×20mm、50×50mm以及100×100mm几种形式；
23）将标定板安放于工业镜头2前，板面垂直于工业镜头轴线，板面与工业镜头的距离设定为工件与工业镜头的测量距离为300－2000mm，用工业摄像机3获取标定板的图像，并通过温度和形状动态测量系统进行图像识别，最终得到每一测定距离下标定板图像像素点间距与实际间距之间的比例关系；
24）针对在不同光圈、不同曝光时间、不同测量距离等参数条件下，通过标定测试建立图像像素点间距与实际间距之间的关系，并建立基准形状尺寸标定数据库。
上述微计算机5在其温度和形状动态测量系统上进行工件温度测量和形状尺寸测量的方法如下：
31）针对具体测量工件大小和温度高低，设定与基准温度标定数据库中对应的工业镜头2的光圈和摄像机快门的曝光时间，以及工件与工业镜头2的测量距离；
32）在气门工件电镦成形过程中，通过工业摄像机3摄像获取工件的图像，运用温度和形状动态测量系统进行图像识别，获得工件图像各像素点的颜色值；
33）根据基准温度标定数据库中温度与颜色值之间的对应关系，通过分段线性插值计算工件图像各像素点的颜色值对应的温度，最终获得工件的温度分布；因工件与周围环境的显著差别，工件对应的像素点颜色值与周围环境对应像素点的颜色值也存在显著差别，通过现有的边缘检测算法，获得工件图像边界；根据基准形状尺寸标定数据库中像素点间距与实际间距之间的比例关系，可以计算出气门电镦工件的外形尺寸；
34）在气门工件电镦成形过程中不同时间点，通过工业摄像机3摄像获取工件的动态图像，运用温度和形状动态测量系统进行图像识别，按照步骤32)到步骤33）可以获得最终获得工件的动态温度分布和气门电镦工件外形尺寸的变化。
Claims (4)
1.一种气门电镦成形工件温度和形状动态测量装置的测试方法，所述气门电镦成形工件温度和形状动态测量装置包括有滤光片（1）、工业镜头（2）、工业摄像机（3）、图像采集卡（4）、微计算机（5），工业镜头（2）安装在工业摄像机（3）上，滤光片（1）安装在工业镜头（2）上，工业摄像机（3）的信号输出端与微计算机（5）连接，气门电镦成形工件温度和形状动态测量装置的测试方法包括如下过程：
1）上述温度测量时，高温气门电镦成形工件发出热辐射，透过滤光片（1）进入工业镜头（2）；
2）工业摄像机（3）获得透过工业镜头（2）的近红外光，并转化为图像数据；
3）微计算机（5）通过图像采集卡（4）获得工业摄像机（3）摄取的图像数据，或通过1394接口、USB接口或以太网接口直接获得工业摄像机（3）摄取的图像数据，经过图像处理，最终得到气门电镦成形工件的温度分布和外形尺寸；
其特征在于上述微计算机（5）在其温度和形状动态测量装置上进行基准温度标定，具体流程为：
11）针对具体测量气门电镦成形工件大小和温度高低，设定工业镜头（2）的光圈为0.8－20和设定工业摄像机（3）快门的曝光时间为0.001－1秒，确定气门电镦成形工件与工业镜头（2）的测量距离为300－2000mm；
12）将已成形的确定材料气门电镦成形工件加热到500℃－1300℃的高温，并使气门电镦成形工件温度均匀分布，在此采用温度测量装置测量气门电镦成形工件的温度；
13）在500℃－1300℃范围内，每20℃～50℃记录气门电镦成形工件的温度，同时用工业摄像机（3）获取此时气门电镦成形工件图像，并通过温度和形状动态测量装置进行图像识别，最终得到确定材料气门电镦成形工件每一记录温度下对应图像的颜色值；
14）针对不同气门电镦成形工件材料，在不同光圈、不同曝光时间、不同测量距离参数条件下，通过标定测试，建立500℃－1300℃范围内每隔20℃～50℃的温度与图像颜色值之间的对应关系，并建立基准温度标定数据库。
2.根据权利要求1所述的气门电镦成形工件温度和形状动态测量装置的测试方法，其特征在于上述步骤12）中的温度测量装置采用热电偶或红外测温仪。
3.根据权利要求1所述的气门电镦成形工件温度和形状动态测量装置的测试方法，其特征在于上述微计算机（5）在其温度和形状动态测量装置上进行基准形状尺寸标定，具体流程为：
21）针对具体测量气门电镦成形工件形状大小，设定工业镜头（2）的光圈为0.8－20和工业摄像机（3）快门的曝光时间为0.001－1秒，确定气门电镦成形工件与工业镜头（2）间的测量距离为300－2000mm；
22）制作形状尺寸测定的黑白网格标定板，网格大小有5×5mm、10×10mm、20×20mm、50×50mm以及100×100mm几种形式；
23）将标定板安放于工业镜头（2）前，板面垂直于工业镜头轴线，板面与工业镜头的距离设定为气门电镦成形工件与工业镜头的测量距离为300－2000mm，用工业摄像机（3）获取标定板的图像，并通过温度和形状动态测量装置进行图像识别，最终得到每一测定距离下标定板图像像素点间距与实际间距之间的比例关系；
24）针对在不同光圈、不同曝光时间、不同测量距离参数条件下，通过标定测试建立图像像素点间距与实际间距之间的关系，并建立基准形状尺寸标定数据库。
4.根据权利要求1所述的气门电镦成形工件温度和形状动态测量装置的测试方法，其特征在于上述微计算机（5）在其温度和形状动态测量装置上进行气门电镦成形工件温度测量和形状尺寸测量的方法如下：
31）针对具体测量气门电镦成形工件大小和温度高低，设定与基准温度标定数据库中对应的工业镜头（2）的光圈和摄像机快门的曝光时间，以及气门电镦成形工件与工业镜头（2）的测量距离；
32）在气门电镦成形工件电镦成形过程中，通过工业摄像机（3）摄像获取气门电镦成形工件的图像，运用温度和形状动态测量装置进行图像识别，获得气门电镦成形工件图像各像素点的颜色值；
33）根据基准温度标定数据库中温度与颜色值之间的对应关系，通过分段线性插值计算气门电镦成形工件图像各像素点的颜色值对应的温度，最终获得气门电镦成形工件的温度分布；因气门电镦成形工件与周围环境的显著差别，气门电镦成形工件对应的像素点颜色值与周围环境对应像素点的颜色值也存在显著差别，通过现有的边缘检测算法，获得气门电镦成形工件图像边界；根据基准形状尺寸标定数据库中像素点间距与实际间距之间的比例关系，能计算出气门电镦成形工件的外形尺寸；
34）在气门电镦成形工件电镦成形过程中不同时间点，通过工业摄像机（3）摄像获取气门电镦成形工件的动态图像，运用温度和形状动态测量装置进行图像识别，按照步骤32)到步骤33）能最终获得气门电镦成形工件的动态温度分布和气门电镦成形工件外形尺寸的变化。
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