CN115647343A - 一种液态金属充型能力评价方法及测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液态金属充型能力测试装置及评价方法，该装置由工业相机、浇口杯、螺旋形流动试样砂型、电动推杆和石墨塞杆组成，工业相机架设在由石墨坩埚和加热套组成的浇口杯的斜上方，浇口位于浇口杯底部中心靠近内壁位置，浇口上端连接由电动推杆控制的石墨塞杆。由工业相机获取浇口杯中的浇注视频并将其传输至计算机，通过图像处理程序提取浇注过程液态金属液位高度特征信息并建立液位高度和充型长度函数关系，完成充型能力的检测和评价，解决了现有测试方法结果只有流动长度单一参数的问题，可以获得液态金属充型全过程的瞬时流长和瞬时流速，为研究合金流动性提供更好的测试手段和评价方法。本发明适用于测试液态金属充型能力。
Description
技术领域
本发明属于液态金属充型能力测定领域，具体涉及一种液态金属充型能力评价方法及测试装置。
背景技术
液态金属充型能力决定铸件质量，良好的充型能力有助于液态金属充满型腔获得内部致密的优质铸件。现阶段充型能力检测方法主要包括水模拟法、螺旋式样法、真空填充法、电测法、计算机可视化法、数值模拟法等。最广泛运用的就是螺旋式样法，即将熔融金属液手动倒入螺旋式样模具中，待金属凝固后打碎砂箱后进行人工数点，根据金属在试样中流过的长度来判断其充型能力的好坏，该方法只反映最终的充型长度，无法显示更多的充型特性。本发明能够实时获取浇注过程中充型速度和浇注温度，并能控制测定环境的一致化，减少环境误差提高测试精度。
发明内容
本发明能够实时获取浇注过程中充型速度、充型长度和浇注温度，涉及一种液态金属充型能力评价方法及测试装置。
一种液态金属充型能力测试装置，其特征在于：它包括工业相机（1）、螺旋测试型腔（5-2）、石墨坩埚（4-1）、石墨塞杆（3-2）、电动推杆（3）、加热套（4-1）、温度检测仪表（2）、上砂箱（5-1）、下砂箱（5-2）和计算机（6）。石墨坩埚（3-2）和加热套（4-1）共同组成浇口杯，加热套（4-1）起到保温功能；工业相机（1）放在浇口杯斜上方，用于采集浇口杯中的液位高度；两箱结构砂箱由上箱直浇道（5）和下箱螺旋测试型腔（5-2）组成；浇口杯放置在上砂箱（5-1）上端，浇口（4-3）对准上砂箱直浇道；温度检测仪表（2）中的热电偶（2-1）固定在浇口杯内液态金属中，检测温度通过仪表显示；工业相机（1）有线方式和计算机（6）相连，用于浇注视频传输；浇口（4-3）在浇口杯底部中心偏内壁一侧，且与直浇道（5）和螺旋型腔（5-2）在同一中轴线；浇口（4-3）上方有电动推杆（3）控制的石墨塞杆（3-1）；
基于一种液态金属充型能力测试装置，它的充型能力评价方法包括以下步骤：
S1、自标定方法完成工业相机标定，获得相机内参，量取工业相机相对浇口杯所物物理坐标；
S2、按钮控制石墨塞杆下降使塞杆下端顶住浇口，手动将金属液倒入浇口杯中，达到温度校测仪表预测温度时，按钮控制石墨塞杆上升同时工业相机获取浇注视频并保存；
S3、计算机通过图像处理将视频转成图像，提取图像处理后的液位边缘特征，记录每一帧图像液位像素坐标；
S4、构建物理坐标和像素坐标数学模型，基于该数学模型标定计算液位实时高度并换算出螺旋型腔内金属液充型长度，同时计算金属液实时流速和实时流长，检测界面实时显示各项充型数据；
上述评价方法中的数学模型标定计算具体公式如下：
b=(L2+L3/2)*f/u （1）
L=a（L1-b/h） （2）
式中：浇口杯液位高度L，相机的像元尺寸u，相机焦距f，像素高度h，相机距离地面的高度L1，相机光轴线和浇口杯中轴线的水平距离L2，浇口杯直径L3；式中单位都为（mm）；
相机光轴严格垂直地面时，a的值取1，b值通过（1）式计算；当相机光轴不垂直地面时可以通过方程组（3）来确定a，b的值：
式中：La为液位初始高度，Lb为液位终止高度，ha为像素初始高度，hb为像素终止高度；
具体换算方法是建立充型长度和浇口杯内金属液位高度差函数关系：L充型=（AL液位-B-C）/D，其中A、B、C、D为与装置结构参数相关的常数，如浇口杯横截面积A，直浇道输入金属液容量B，浇口窝输入金属液容量C，螺旋型腔横截面积D；
实时充型速度计算方法为：
式中：Lx1为前一帧图像实时流长，Lx2为后一帧图像实时流长，t为两帧图像时间间隔。
与现有技术相对，本发明的优点和积极效果在于：
本发明将图像处理技术应用到对浇口杯液位高度提取与处理，能够实时观测浇注过程中的浇注温度、实时充型速度、实时充型流长和最终流长，解决现有方法测试结果只有流动长度单一参数的问题，能自动浇注并实现快速非接触式准确检测，其测量精度显著提高。
附图说明
图1 装置结构示意图；
图2 充型能力检测界面图；
图3 评价方法流程图。
具体实施方式
具体工作过程为：造型好用粘土砂制成的上砂箱和下砂箱，两箱用销钉固定好；按钮控制电动推杆下降，使石墨塞杆顶住浇口形成封闭状态；架设工业相机在浇口杯斜上方，自标定法获取相机内参同时量取相对浇口杯所需物理坐标；热电偶安装在靠近浇口杯内壁位置并连接温度检测仪表；手动将液态金属倒入浇口中，直至液位高度到达浇口杯内壁上端；浇注温度通过温度检测仪表实时显示，当达到预测温度时按钮控制电动推杆带动石墨塞杆上升，金属液经底部浇口流入螺旋型腔同时相机获取浇注视频并传输至计算机保存；计算机程序按帧分析将视频转成图像，通过图像处理提取液位边缘特征，记录每一帧液位的像素坐标；构建物理坐标和像素坐标的数学模型，利用该模型标定计算出液位高度并换算出螺旋型腔充型长度；整体充型数据由基于pyqt5创建的人机界面实时显示，充型数据包括实时液位高度、实时输出容量、充型时间、实时充型速度、实时充型长度和最终充型长度。
Claims (11)
1.一种液态金属充型能力测试装置，其特征在于：它包括工业相机（1）、温度检测仪表（2）、螺旋测试型腔（5-2）、石墨坩埚（4-1）、石墨塞杆（3-2）、电动推杆（3）、加热套（4-1）、上砂箱（5-1）、下砂箱（5-2）和计算机（6）。
2.石墨坩埚（3-2）和加热套（4-1）共同组成浇口杯，加热套（4-1）起到保温功能；工业相机（1）放在浇口杯斜上方，用于采集浇口杯中的液位高度；两箱结构砂箱由上箱直浇道（5）和下箱螺旋测试型腔（5-2）组成；浇口杯放置在上砂箱（5-1）上端，浇口（4-3）对准上砂箱直浇道；温度检测仪表（2）中的热电偶（2-1）固定在浇口杯内液态金属中，检测温度通过仪表显示；工业相机（1）有线方式和计算机（6）相连，用于浇注视频传输；浇口（4-3）在浇口杯底部中心偏内壁一侧，且与直浇道（5）和螺旋型腔（5-2）在同一中轴线；。
3.根据权利要求1所述的一种液态金属充型能力测试装置，其特征在于电动推杆和温度检测仪表并接，由一个按钮控制。
4.根据权利要求1所述的一种液态金属充型能力测试装置，其特征在于石墨塞杆（3-2）和电动推杆（3）由双头螺柱（3-1）相连，电动推杆（3）带动石墨塞杆（3-2）做升降运动，控制浇口杯中金属液流出。
5.根据权利要求1所述的一种液态金属充型能力测试装置，其特征在于温度检测仪表（2）中的热电偶（2-1）为k型热电偶，其检测温度范围为0-1000℃。
6.根据权利要求1所述的一种液态金属充型能力测试装置，其特征在于螺旋型腔（5-2）可以是单螺旋型腔和同心三螺旋型腔中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种液态金属充型能力测试装置，其特征在于检测的液态金属可以是液态金属颜色能和浇口杯内壁颜色明显区分的任意一种，即图像二值化处理后能提取的液位高度特征。
8.一种液态金属充型能力评价方法其特征在于，操作过程基于权利要求1测试装置，包括以下步骤：
S1、自标定方法完成工业相机标定，获得相机内参，量取工业相机相对浇口杯所需物理坐标；
S2、按钮控制石墨塞杆下降使塞杆下端顶住浇口，手动将金属液倒入浇口杯中，达到温度检测仪表预测温度时，按钮控制石墨塞杆上升同时工业相机获取浇注视频并保存；
S3、计算机通过图像处理将视频转成图像，提取图像处理后的液位边缘特征，记录每一帧图像液位像素坐标；
S4、构建物理坐标和像素坐标数学模型，基于该数学模型标定计算液位实时高度并换算出螺旋型腔内金属液充型长度，同时计算金属液实时流速和实时流长，检测界面实时显示各项充型数据。
9.根据权利要求7液态金属充型能力评价方法，其特征在于图像处理的具体方法和步骤如下：
S31、图像处理流程分为灰度处理，ROI特征区域选取，阈值分割，形态学处理；
S32、阈值分割采用OTSU阈值分割算法；
根据权利要求7液态金属充型能力评价方法，其特征在于数学模型计算的具体公式为：
b=(L2+L3/2)*f/u （1）
L=a（L1-b/h） （2）
式中：浇口杯液位高度L，相机的像元尺寸u，相机焦距f，像素高度h，相机距离地面的高度L1，相机光轴线和浇口杯中轴线的水平距离L2，浇口杯直径L3；相机光轴严格垂直地面时，a的值取1，b值通过（1）式计算；当相机光轴不垂直地面时可以通过方程组（3）来确定a，b的值：
其中：La为液位初始高度，Lb为液位终止高度，ha为像素初始高度，hb为像素终止高度，上式单位都为（mm）。
10.根据权利要求7液态金属充型能力评价方法，其特征在于具体换算方法：建立充型长度和浇口杯内金属液位高度差函数关系：L充型=（AL液位-B-C）/D，其中A、B、C、D为与装置结构参数相关的常数，如浇口杯横截面积A，直浇道输入金属液容量B，浇口窝输入金属液容量C，螺旋型腔横截面积D。
11.根据权利要求7一种液态金属充型能力评价方法，其特征在于实时充型速度计算方法为：
式中： Lx1为前一帧图像实时流长，Lx2为后一帧图像实时流长，t为两帧图像时间间隔。
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