CN103624234B - 基于图像处理的离心感应压铸机工作过程自动监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于测量技术领域，涉及一种基于图像处理的离心感应压铸机工作过程自动监测方法，特别涉及分析及测量控制技术中的一般控制或调节系统。本发明可以对熔融过程进行准确观察，使细致观测熔融过程的各个细节成为可能，若熔融过程出现问题，能够进行及时调整，保证熔融质量和熔融一致性。可以不断完善熔融过程，由于对熔融过程进行了图像采集，那么根据图像可以对熔融过程的问题进行分析，使合金熔融过程不断进行完善，提高熔制水平和质量，从而保证合金再制质量。该方法能够对合金熔制过程进行相应的技术处理，由自动化控制代替了人工控制，避免了人为因素的影响。该装置对于观测控制系统具有重要的推广应用价值和实用价值。
Description
技术领域
本发明属于测量技术领域，涉及一种基于图像处理的离心感应压铸机工作过程自动监测方法，特别涉及分析及测量控制技术中的一般控制或调节系统。
背景技术
离心感应压铸机是对合金材料进行熔化后再重新压铸成型的设备，由于合金材料牌号复杂繁琐，而且形状各异，当采用离心感应压铸机对合金材料进行熔化时采用的功率必然不同，熔化时间也各不相同。若要保证合金材料熔化时材料中各元素含量基本保持不变，使用性能不能发生大的改变，必须严格控制熔化过程的各种参数包括控制熔化功率和熔化时间。目前离心感应压铸机对合金材料的熔化情况是通过人工观测到的实际熔化情况来确定的，由于合金熔化程度上观测差异以及人为的个体的差异，往往使熔制过程控制的一致性的掌握上产生较大偏差，严重影响了合金熔制质量。
发明内容
本发明的目的是提出一种在熔制过程控制的一致性好、操作简单的基于图像处理的离心感应压铸机工作过程自动监测方法。本发明的技术解决方案是：
(一)制备监测装置
1)监测装置结构和连接方式
监测装置包括图像采集模块、图像处理模块、操作控制模块，图像采集模块为摄像头，摄像头通过图像处理模块与操作控制模块输入端相接，操作控制模块输出端与离心感应压铸机上的控制器相接；图像处理模块包括图像预处理、图像特征分析、合金熔融状态判断、控制指令输出四部分，图像预处理部分包括图像去噪、图像均衡、有效区域提取、有效区域范围归一化，图像特征分析部分包括图像特征提取，计算图像归一化有效区域中的HIS颜色特征，并根据合金图像特征与合金熔融过程关系模型，分析判定合金熔融状态，若判定合金材料处于中间熔化状态时，HSI图像均为单峰，给出继续加热指令，重新采集图像、继续分析合金熔融状态；若判定合金材料达到目标熔融状态时，HIS直方图像均出现双峰，延迟5秒后，给出定型控制指令至操作控制模块；操作控制模块控制离心感应压铸机的控制器，15秒钟后完成合金材料定型，操作停止；
2)建立合金图像特征与熔融过程关系模型
在合金材料熔化的物理过程中，熔化开始时，图像中合金材料呈暗红色；随着温度升高，融化过程中，合金材料颜色逐渐呈黄色，且亮度逐渐增加；当完全熔化时，合金材料呈现亮黄色，合金材料熔化过程中，图像颜色部分由点及面，向外部逐渐延伸扩大，当熔化部分闭合成实心圆面时，合金材料熔化完成；
(二)监测离心感应压铸机的工作过程
1)将试样放入离心感应压铸机，根据所放试样的材料，调整离心感应压铸机功率值，以5升/分的流速给离心感应压铸机通入氩气，打开离心感应压铸机的电源；
2)将监测装置的摄像头对正离心感应压铸机的状态观测窗；
3)将盛放试样的坩埚提升至离心感应压铸机的感应线圈中加热，通过监测装置中的摄像头获取试样熔化过程的图像，并将图像数据输入至图像处理模块中进行图像处理；
4)图像处理模块将试样的融化完成状况传输至操作控制模块中，操作控制模块向离心感应压铸机的控制器发出成型指令，在延时15秒后，使离心感应压铸机断电，完成试样的熔融后再定型过程。
所述的图像处理模块在合金熔融过程中的状态判断依据是合金图像特征与熔融过程中的变化关系模型，确定合金的目标熔融状态。
所述的图像处理模块中合金熔融过程的状态判断关系模型是根据HSI颜色特征的直方图设定阈值，分别为H＝0.1、S＝0.7、I＝0.5和目标熔融形状为实心圆面积不小于8500像素值，当HSI颜色阈值达到要求和合金目标熔融状态区域面积达到设定值时，表示达到目标熔融状态，熔化完成。
本发明具有显著的优点和有益效果，本发明实现了从人工控制到全自动化控制的飞跃，避免了由于个体差异带来的质量问题，该方法具有广泛的使用价值和良好的经济效益。设计了一种基于图像处理地熔化过程自动控制方法，通过安装于观测窗前的摄像头获取合金材料熔化状态信息，然后分析熔化状态，判断离心感应压铸机参数设置的合理性，将观测到的影像通过图像自动处理方法，自动控制合金熔化的过程，完成从熔化到成型的合金再制的自动化控制，解决了人工控制不一致性等等的诸多弊端，使离心压铸机的使用更安全、可靠，而且使用成本更低。
本发明具有如下特点：
1)可以对熔融过程进行准确观察，使细致观测熔融过程的各个细节成为可能，若熔融过程出现问题，可以进行及时调整，保证熔融质量和熔融一致性。。
2)可以不断完善熔融过程，由于对熔融过程进行了图像采集，那么根据图像可以对熔融过程的问题进行分析，使合金熔融过程不断进行完善，提高熔制水平和质量，从而保证合金再制质量。
3)该方法能够对合金熔制过程进行相应的技术处理，由自动化控制代替了人工控制，避免了人为因素的影响。
4)该装置对于观测控制系统具有重要的推广应用价值和实用价值。
附图说明
图1是本发明监测装置结构框图；
图2是本发明合金材料熔化状态的图像建模流程图；
图3是本发明合金熔化原始图像(a)及其有效区域提取(b)；
图4是本发明合金熔化图像有效区域HSI空间状态的色调H、饱和度S和强度I的示意图；
图5是本发明HSI空间中间状态直方图，其中：H为色调，S为饱和度，I为强度；
图6是本发明HSI空间目标状态直方图，其中：H为色调，S为饱和度，I为强度；
图7是本发明合金材料目标熔融状态示意图；
图8是本发明监测离心感应压铸机的工作过程流程图
具体实施方式
(一)制备监测装置
1)监测装置结构和连接方式
监测装置包括图像采集模块、图像处理模块、操作控制模块，图像采集模块为摄像头，摄像头通过图像处理模块与操作控制模块输入端相接，操作控制模块输出端与离心感应压铸机上的控制器相接；图像处理模块包括图像预处理、图像特征分析、合金熔融状态判断、控制指令输出四部分，图像预处理部分包括图像去噪、图像均衡、有效区域提取、有效区域范围归一化，图像特征分析部分包括图像特征提取，计算图像归一化有效区域中的HIS颜色特征，并根据合金图像特征与合金熔融过程关系模型，分析判定合金熔融状态，若判定合金材料处于未完全熔化状态(即中间熔化状态)时，给出继续加热指令，重新采集图像、继续分析合金熔融状态；若判定合金材料达到目标熔融状态时，延迟5秒后，给出定型控制指令至操作控制模块；操作控制模块控制离心感应压铸机的控制器，15秒钟后完成合金材料定型，操作停止。监测装置结构框图如图1所示。
2)建立合金图像特征与熔融过程关系模型
在合金材料熔化的物理过程中，熔化开始时，图像中合金材料呈暗红色；随着温度升高，融化过程中，合金材料颜色逐渐呈黄色，且亮度逐渐增加；当完全熔化时，合金材料呈现亮黄色。合金材料熔化过程中，图像颜色部分由点及面，向外部逐渐延伸扩大。当熔化部分闭合成实心圆面时，合金材料熔化完成(目标熔融状态)。
合金图像特征与熔融状态建模过程如图2所示。首先，采集图像数据，不同熔化状态对应的图像中合金的颜色和形状大小不同，所以用颜色和形状作为状态描述的两个主要特征。物体在熔化过程中吸收热量，温度升高，色调逐渐变为暗红色点状，当熔化完成，颜色变为亮黄色的实心圆面。
图像预处理过程如图3所示，其中，图3(a)为原始图像，为了消除干扰提取图像中合金材料有效区域如图3(b)所示。对合金材料的有效区域图像用HSI颜色空间表示，如图4所示，其中，H为色调、S为饱和度、I为强度。统计不同熔融过程的H图像、S图像、I图像的直方图，得到熔融中间过程直方图如图5所示，HSI图像均为单峰。直至熔融过程达到目标状态，HIS直方图像均出现双峰，如图6所示，表示达到目标熔融状态，此时，统计结果显示高温时HSI阈值为双峰峰谷对应值，分别为0.1、0.7、0.5。然后，通过阈值分割计算熔融区域面积，根据统计结果合金材料区域面积不小于数值8500像素数，并呈闭合实心圆形形状，如图7所示，表示熔化完成。
(二)监测离心感应压铸机的工作过程
监测过程如图8所示，分为4步：
1)将试样放入离心感应压铸机，根据所放试样的材料，调整离心感应压铸机功率值，以5升/分的流速给离心感应压铸机通入氩气，打开离心感应压铸机的电源；
2)将监测装置的摄像头对正离心感应压铸机的状态观测窗；
3)将盛放试样的坩埚提升至离心感应压铸机的感应线圈中加热，通过监测装置中的摄像头获取试样熔化过程的图像，并将图像数据输入至图像处理模块中进行图像处理；
4)图像处理模块将试样的融化完成状况传输至操作控制模块中，操作控制模块向离心感应压铸机的控制器发出成型指令，在延时15秒后，使离心感应压铸机断电，完成试样的熔融后再定型过程。
图像采集和处理控制
图像采集、处理、操作控制由三部分组成，包括图像采集模块、图像处理模块、操作控制模块。各模块的作用如下：
(1)图像采集模块：为了获得合金熔化的图像细节，在观测镜后面装上一个摄像头，实时采集图像，并及时传输给图像处理部分，实现图像的获取。
(2)图像处理模块：图像处理模块实时分析采集到的图像，根据图像的颜色、形状，判断合金熔化状态。合金熔化状态分为三种:较少的局部暗红状态、部分局部发黄状态、全部发黄状态。
(3)离心感应压铸机操作控制模块：根据图像处理模块的分析结果，操作离心感应压铸机电源，使离心感应压铸机温度变化符合合金熔化规律。离心感应压铸机工作状态操作包括：开始加温状态、离心定型状态、结束停止状态。一定时间后，图像处理与操作控制系统发出结束指令，设备即停止运行，从而实现全自动控制。
系统硬件结构包括图像采集模块，图像采集处理模块(例如TMS320D642)，电源控制模块三部分。图像采集模块用来采集离心感应压铸机窗口中观察到的合金材料熔融图像，为保证采集状态能够反映熔融过程的合金变化以及足够的图像处理时间，采集时间为30ms/帧；图像采集处理分析模块用于实时分析采集图像反映的合金熔融状态，为保证分析结果的准确性，图像处理算法将合金熔融的图像用HSI颜色特征表示，建立特征集合与合金熔融状态关系模型，根据该模型图像处理模块给出控制指令；电源控制模块由功放与开关控制两部分组成，由于图像处理模块给出的控制命令是DSP_IO控制端口发出，最大控制电流为25mA，电压为3.3V,而作为开关控制器件的固态继电器控制端电流要求100mA，电压5V，因此，该模块第一部分采用三极管功放电路，使继电器控制功率满足要求，该模块第二部分是固态继电器，其输出端常开节点两端直接与电源两端两联，当控制端为高电平时，接通电源，为低电平时，断开电源，实现离心感应压铸机温度的控制，以保证合金熔融过程符合技术要求。
系统软件流程包括图像预处理、图像特征分析、合金熔融状态判断、离心感应压铸机控制指令输出四部分。图像预处理部分主要包括图像去噪、图像均衡、有效区域提取、有效区域像素值范围归一化，以保证后期分析过程的一致性；图像特征分析部分主要包括图像特征提取，计算图像归一化有效区域HSI特征特征，并根据这些特征与合金熔融状态的关系模型，分析合金熔融状态，如果熔融状态在熔融深入之前，则继续加热，重新采集图像、处理分析熔融状态，如此循环，直至熔融状态达到完成状态，延迟一定15秒时间，给出断开电源指令。合金熔融定型过程完成。
合金图像特征与熔融状态模型建立
在物体熔化的物理过程中，熔化完成部分呈深红色，正在熔化部分(以下简称高温部分)呈明黄色，温度较高，亮度较高。物体熔化从外部向内部逐渐延伸。当熔化部分闭合成实心圆时，标志物体熔化完成(目标熔融状态)。
因此，本发明合金材料熔化状态的图像建模流程图如图2所示。
首先，采集图像数据，如图2所示，不同熔化状态对应的图像中合金的颜色不同，所以用颜色作为状态描述特征。物体在熔化过程中吸收热量，温度升高，色调逐渐变为红色，当熔化完成，色调变为亮黄色。因此，将图像数据转至HSI颜色空间。
将HSI图像分为色调H、饱和度S、强度I三个颜色通道，如图4所示。
根据统计结果设定高温时HSI阈值，如图6所示。然后，通过阈值分割，求出的高温部分中心分割出近似的整个物体区域。
由于越靠近目标状态，直方图双峰特性越明显，越容易将已融化部分和高温部分区分开来。设目标状态检测出的物体区域面积不小于8500像素值。高温部分呈闭合实心圆形得到分割结果，如图7所示，表示熔化完成。
基于图像信息的熔化过程的合金材料熔化状态的图像建模流程图如图2所示，图8为监测离心感应压铸机的工作过程流程图。
Claims (3)
1.一种基于图像处理的离心感应压铸机工作过程自动监测方法，其特征是，
(一)制备监测装置
1)监测装置结构和连接方式
监测装置包括图像采集模块、图像处理模块、操作控制模块，图像采集模块为摄像头，摄像头通过图像处理模块与操作控制模块输入端相接，操作控制模块输出端与离心感应压铸机上的控制器相接；图像处理模块包括图像预处理、图像特征分析、合金熔融状态判断、控制指令输出四部分，图像预处理部分包括图像去噪、图像均衡、有效区域提取、有效区域范围归一化，图像特征分析部分包括图像特征提取，计算图像归一化有效区域中的HIS颜色特征，并根据合金图像特征与合金熔融过程关系模型，分析判定合金熔融状态，若判定合金材料处于中间熔化状态时，HSI图像均为单峰，给出继续加热指令，重新采集图像、继续分析合金熔融状态；若判定合金材料达到目标熔融状态时，HIS直方图像均出现双峰，延迟5秒后，给出定型控制指令至操作控制模块；操作控制模块控制离心感应压铸机的控制器，15秒钟后完成合金材料定型，操作停止；
2)建立合金图像特征与熔融过程关系模型
在合金材料熔化的物理过程中，熔化开始时，图像中合金材料呈暗红色；随着温度升高，融化过程中，合金材料颜色逐渐呈黄色，且亮度逐渐增加；当完全熔化时，合金材料呈现亮黄色，合金材料熔化过程中，图像颜色部分由点及面，向外部逐渐延伸扩大，当熔化部分闭合成实心圆面时，合金材料熔化完成；
(二)监测离心感应压铸机的工作过程
1)将试样放入离心感应压铸机，根据所放试样的材料，调整离心感应压铸机功率值，以5升/分的流速给离心感应压铸机通入氩气，打开离心感应压铸机的电源；
2)将监测装置的摄像头对正离心感应压铸机的状态观测窗；
3)将盛放试样的坩埚提升至离心感应压铸机的感应线圈中加热，通过监测装置中的摄像头获取试样熔化过程的图像，并将图像数据输入至图像处理模块中进行图像处理；
4)图像处理模块将试样的融化完成状况传输至操作控制模块中，操作控制模块向离心感应压铸机的控制器发出成型指令，在延时15秒后，使离心感应压铸机断电，完成试样的熔融后再定型过程。
2.根据权利要求1所述的基于图像处理的离心感应压铸机工作过程自动监测方法，其特征是，所述的图像处理模块在合金熔融过程中的状态判断依据是合金图像特征与熔融过程中的变化关系模型，确定合金的目标熔融状态。
3.根据权利要求1所述的基于图像处理的离心感应压铸机工作过程自动监测方法，其特征是，所述的图像处理模块中合金熔融过程的状态判断关系模型是根据HSI颜色特征的直方图设定阈值，分别为H＝0.1、S＝0.7、I＝0.5和目标熔融形状为实心圆面积不小于8500像素值，当HSI颜色阈值达到要求和合金目标熔融状态区域面积达到设定值时，表示达到目标熔融状态，熔化完成。
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