CN116465969B - 基于图像处理分析型砂粉用量对铸造质量影响的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及图像数据处理技术领域，尤其是基于图像处理分析型砂粉用量对铸造质量影响的方法，包括如下步骤：S1：得到N组尺寸相同的管道铸件毛坯；S2：获取铸件超声三维成像图；S3：将管道铸件毛坯高频加热；S4：得到管道三维铸造模型；S5：判断铸造质量是否合格；S6：重复步骤S2‑步骤S5，依次获取模型的铸造缺陷分布情况；S7：统计得到在保证管道铸件毛坯合格情况下的砂粉用量范围。本方法对型砂粉在铸造工艺中其不同用量对铸造件铸造质量影响的分析，利用型砂粉体积用量作为单一变量，铸造多组管道铸件毛坯有效地对比分析得到型砂粉体积用量对铸造质量的影响。
Description
技术领域
本发明涉及图像数据处理技术领域，尤其是基于图像处理分析型砂粉用量对铸造质量影响的方法。
背景技术
型砂粉是在金属的铸造加工时常用的一种辅助材料，其为铸造中用来造型的材料，在铸造过程中起到重要作用。
普通的型砂粉一般由铸造用原砂、型砂粘结剂和辅加物等造型材料按一定的比例混合而成，传统的型砂中一般都加入了一定量的煤粉，煤粉中一般都会含有一定量的S。例如在专利公开号为CN104226889B的专利文献中就公开了一种铸造除尘灰再生型砂及其制备工艺，由其型砂成分组成就可以看出其内部存在旧砂、除尘灰、新砂和熟石灰等，其中除尘灰内部就包含煤粉等原料。
由于传统型砂粉受热后会产生一种胶质体，胶质体的膨胀可部分的堵塞砂型表面沙粒间的间隙，使铁液不易渗出。而在型砂铸造工艺中添加适量的型砂粉可以提高铸件的铸造质量，型砂添加过少就会导致铸件容易出现粘砂、砂眼、气孔等铸造缺陷。
另外，传统型砂粉在铸造工艺过程中煤粉在加热后容易产生有毒气体且具有刺激性气味，若添加量过大会存在渗入铸造件金属液内部的风险，对于一些后期需要用于食品类的铸造件来说也会存在有害物质含量检测不合格的问题。
因此，在铸造的过程中需要知晓铸件在添加型砂粉时的合理用量，以达到既能够保证铸造质量满足要求又能够补不影响铸造产品的正常使用质量检测的目的。
为此，本发明针对现有的型砂粉不同用量对型砂铸造件质量影响的问题进行了研究，特此提出了一种基于图像处理分析铸件获得数据并完成数据分析来得出型砂粉体积用量对铸件质量影响的方法，用以更好地解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明为解决上述技术问题之一，所采用的技术方案是：基于图像处理分析型砂粉用量对铸造质量影响的方法，包括如下步骤：
S1：相同环境下量取N组不同体积用量的型砂粉，并分别制成具有不同面砂厚度值的面砂，在各组面砂的外围依次实现填充砂造型，分别制备得到N组砂型模型，在相同工艺条件下依次向各组砂型模型内浇注铸造液并得到N组尺寸相同的管道铸件毛坯；
S2：通过三维超声扫描获取当前的一个管道铸件毛坯的铸件超声三维成像图；
S3：将当前的管道铸件毛坯置于密闭容器内并利用非接触式高频加热的方式加热30S-60S，停止加热后将密闭容器内部气体导出收集至集气瓶内待用；
S4：将获取的铸件超声三维成像图的全部参数信息录入三维建模软件，重建得到与扫描得到的铸件超声三维成像图参数相同的管道三维铸造模型；其中，管道三维铸造模型内部包含对应的真实管道铸件毛坯的全部的尺寸参数信息；
S5：分析计算得到当前管道三维铸造模型的铸造缺陷分布情况并判断其铸造质量是否合格；
S6：重复步骤S2-步骤S5，并依次获取其余各个管道铸件毛坯对应的管道三维铸造模型的铸造缺陷分布情况及铸造质量是否合格；
S7：将各所得的管道三维铸造模型的铸造缺陷分布情况与其铸造所用的不同型砂粉体积用量制得的面砂厚度值建立对应关系，统计得到在保证管道铸件毛坯合格情况下的砂粉用量范围。
在上述任一方案中优选的是，步骤S5中，分析计算得到当前管道三维铸造模型的铸造缺陷分布情况并判断其铸造质量是否合格的具体步骤如下：
获取当前管道三维铸造模型对应的模拟精加工有效管道三维模型；
获取模拟精加工有效管道三维模型的有效内表面平面展开图像、有效外表面平面展开图像，并获取各图像表面的工作面质量情况；
获取模拟精加工有效管道三维模型的内部铸造缺陷分布情况；
根据获得的工作面铸造缺陷分布情况、内部铸造缺陷分布情况分析得出作为工作面的管道内表面、管道外表面的铸造缺陷占比是否合格，整个模拟精加工有效管道三维模型的内部铸造缺陷占比是否合格，当管道外表面的铸造缺陷占比、内部铸造缺陷占比均合格时则当前模拟精加工有效管道三维模型的铸造质量初步合格，否则不合格。
在上述任一方案中优选的是，获取当前管道三维铸造模型对应的模拟精加工有效管道三维模型的具体步骤如下：
获取管道铸件毛坯对应精加工后的标准铸造管件的参数尺寸；
在当前的管道三维铸造模型的中心外围同轴创建管状拉伸特征，管状拉伸特征的内径与标准铸造管件的外径尺寸相同，拉伸长度大于管道三维铸造模型的长度，拉伸完成后选择特征切除，得到外径尺寸与标准铸造管件的外径相同的外切管道三维铸造模型；
在当前的外切管道三维铸造模型的中心内腔处同轴创建柱状拉伸特征，柱状拉伸特征的外径与标准铸造管件的内径尺寸相同，拉伸长度大于管道三维铸造模型的长度，拉伸完成后选择特征切除，得到内径尺寸与标准铸造管件的内径相同的内切管道三维模型；
对当前的内切精加工管道三维模型两端面完成特征切削并得到与标准铸造管件的尺寸完全相同的模拟精加工有效管道三维模型。
在上述任一方案中优选的是，获取模拟精加工有效管道三维模型的内部铸造缺陷分布情况的具体步骤如下：
将模拟精加工有效管道三维模型内部的气孔缺陷、缩松、缩孔缺陷、裂纹缺陷统称为孔隙特征；
利用有限元分析配合三维笛卡尔网格的嵌入式离散裂缝网格剖分方法获取模拟精加工有效管道三维模型内部的孔隙位置分布情况，同时统计孔隙特征的孔隙总体积，并将孔隙总体积与模拟精加工有效管道三维模型的整体体积占比得到孔隙占比率；
根据获取模拟精加工有效管道三维模型内部的各个孔隙特征的体积情况将其按照体积大小降序排列，获取体积排序前M位的孔隙特征并分别得到M个孔隙特征的长、宽、高方向上的尺寸；
判断当前各个孔隙特征对应的真实铸造缺陷类型，同时分析各个真实铸造缺陷的长、宽、高尺寸是否达到报废要求、孔隙占比率是否达到报废要求，若均未达到报废要求，则当前取模拟精加工有效管道三维模型合格，即对应的管道铸件毛坯的铸造强度合格；否则不合格。
在上述任一方案中优选的是，其中，M为≥3的自然数。
在上述任一方案中优选的是，获取模拟精加工有效管道三维模型的有效内表面平面展开图像、有效外表面平面展开图像，并获取各图像表面的工作面质量情况的具体步骤如下：
依次将有效内表面平面展开图像、有效外表面平面展开图像分别置于图像处理软件内部；
将有效内表面平面展开图像、有效外表面平面展开图像分别单独进行二值化处理；
利用平滑函数与图像卷积平滑噪声，然后再对卷积结果运用微商方法提取边界点集，消除虚假边界点；
运用一阶微商算子或二阶微商算子，根据各像点处的微商幅值判定其是否为边界点；
利用Canny算子同时采用双阈值算法实现边缘点检测和连接边缘，分别得到有效内表面平面展开图像内部的、有效外表面平面展开图像内部的各代表着孔类、裂缝类铸造缺陷的特征区域的边缘特征；
根据各边缘特征建立面积求和函数，得到孔类、裂缝类铸造缺陷在有效内表面平面展开图像中的占比、整体数量及分布位置；
得到孔类、裂缝类铸造缺陷在有效外表面平面展开图像中的占比、整体数量及分布位置；
根据上述结果及设定的当前管件加工要求的表面粗糙度，对比判断有效内表面平面展开图像、有效外表面平面展开图像的表面缺陷是否在误差允许的范围内，若均在误差允许的范围内则工作面表面质量合格，即对应的管道铸件毛坯的工作面精度合格，否则不合格。
在上述任一方案中优选的是，将各收集到的集气瓶内部的气体进行内部成分检测，根据检测结果得到对应集气瓶内部的气体中有害物质含量值，同时将各有害物质含量值依次与对应组的型砂粉体积用量建立对应关系；逐一分析当前有害物质含量值是否符合要求，若当前有害物质含量值小于设定的有害物质含量上限值，则当前含量符合要求，同时认定与当前有害物质含量值相对应的型砂粉体积用量情况下，制备得到的当前的管道铸件毛坯在有害物质排放量方面合格，否则不合格。
在上述任一方案中优选的是，当检测到对应的管道铸件毛坯的铸造强度、对应的管道铸件毛坯的工作面精度、受热后的有害物质排放量均为合格时，则判断当前对应的管道铸件毛坯的铸造质量合格，否则不合格。
在上述任一方案中优选的是，将各所得的管道三维铸造模型的铸造缺陷分布情况与其铸造所用的不同型砂粉体积用量制得的面砂厚度值建立对应关系，统计得到在保证管道铸件毛坯合格情况下的砂粉用量范围的具体步骤包括：
记录型砂粉在不同体积用量的情况下得到对应的各个面砂的面砂厚度值；
获取对应面砂厚度值条件下铸造所得的管道铸件毛坯的铸造强度是否合格、工作面精度是否合格、受热后的有害物质排放量是否合格的具体情况；
将上述所得数据及铸造强度、工作面精度、受热后的有害物质排放量的合格情况依次填入对应关系的统计表格；
当铸造强度、工作面精度、受热后的有害物质排放量均为合格时，则判定当前对应的管道铸件毛坯合格；
根据统计表格的记载情况，分析得到在保证管道铸件毛坯合格情况下对应的面砂厚度值范围、型砂粉体积用量范围。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本方法主要是针对现有型砂粉在铸造工艺中其不同用量制备不同厚度的面砂后对食品类的铸造件铸造质量影响的分析，考虑到型砂粉制成的不同厚度的面砂在铸造中直接接触金属液，因此型砂粉材质制成的不同厚度的面砂会对铸造液体的透气性散热性以及相互渗透作用产生不同的影响，因此会对铸造件造成影响，故本方法利用型砂粉体积用量作为单一变量，铸造得到多组管道铸件毛坯可以有效地对比分析得到型砂粉体积用量对铸造质量的影响。
2、本发明中的以管道铸造件作为试验毛坯件，能够更好地通过对其整体内部铸造缺陷分析、内外工作面铸造缺陷及精度分析较为客观的得到其铸造质量，整体利用数据建模、获取产生图像并对图像数据进行处理分析得到与真实铸造毛坯件一致的模型结构，通过模型的数据化分析可以更高效地分析得到铸造质量检测结果；通过多组的结果分析能够有效地得到在型砂粉体积用量变化情况下，相同类型的铸造件的铸造质量合格与否的变化，对真实铸造工艺中选择合适的型砂粉体积用量范围、保证铸造质量的合格率具有指导意义。
3、本发明中还考虑到铸造件的特殊用途情况下，铸造件内部渗入有害物质的热挥发性的问题，同时能够依靠本方法得出不同型砂粉体积用量时有害物质对铸造件的渗透程度的分析。
4、本发明中利用图像数据、模型参数的产生及图像数据、模型数据的处理能够客观真实的得到铸件有效特征内部的整体铸造缺陷分布来分析得到其整体铸造强度，通过内外表面的孔类、裂缝类的缺陷分布、工作面精度的统计，从而可以有效地判断得到整体铸件的铸造质量合格情况，分析量化更加客观、全面。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部件一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部件并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明的流程示意图。
图2为本发明中获取模拟精加工有效管道三维模型的内部铸造缺陷分布情况的具体步骤的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。本发明具体结构如图1-图2中所示。
实施例1：基于图像处理分析型砂粉用量对铸造质量影响的方法，包括如下步骤：
S1：相同环境下量取N组不同体积用量的型砂粉，并分别制成具有不同面砂厚度值的面砂，在各组面砂的外围依次实现填充砂造型，分别制备得到N组砂型模型，在相同工艺条件下依次向各组砂型模型内浇注铸造液并得到N组尺寸相同的管道铸件毛坯；
其中，N为≥10的自然数；在此控制各组砂型的面砂厚度不同，其余填充砂厚度相同，保持面砂厚度作为单一变量，能够有效地分析得到不同型砂粉体积用量制备得到的面砂对铸件质量的影响。
在此采用两端贯通设置的管道结构的管道铸件毛坯作为试验件，可以便于更好地进行铸件的内表面、外表面及端面的有效地分析，提高后续进行图像处理的效率；其中，在此选用的管道铸件毛坯精加工后的管道其内表面和外表面均作为工作面且对加工铸造精度存在要求。
S2：通过三维超声扫描获取当前的一个管道铸件毛坯的铸件超声三维成像图；
利用高频三维超声扫描对钢材或铝材材质的管道铸件毛坯内部结构进行探测可以得到真实有效的金属内部结构部分图，同时在进行扫描时直接采用现有技术中的金属结构实时全聚焦3D超声成像分析系统设备完成铸件超声三维成像图采集，采集后的铸件超声三维成像图内部包含能够反映当前真实管道铸件毛坯内部结构信息的参数，便于后续直接通过金属结构实时全聚焦3D超声成像分析系统设备将信息导入至对应的软件建模系统内，提高数据传输的效率与准确性。
S3：将当前的管道铸件毛坯置于密闭容器内并利用非接触式高频加热的方式加热30S-60S，停止加热后将密闭容器内部气体导出收集至集气瓶内待用；
将管道铸件毛坯送入密闭容器内部进行高温加热的目的是使其在高温受热的情况下来使其表面或内部的易挥发的有害物质向外溢出并散发到密闭的空气环境内部，通过收集密闭容器内部的掺杂了有害物质的空气来将有害物质进行收集，便于后期直接分析判断加热后当前铸件的有害物质散发速率，便于根据检测结果判断当前的铸造件所使用的型砂粉中的易分解物质渗入到铸件内部的情况。
S4：将获取的铸件超声三维成像图的全部参数信息录入三维建模软件，重建得到与扫描得到的铸件超声三维成像图参数相同的管道三维铸造模型；其中，管道三维铸造模型内部包含对应的真实管道铸件毛坯的全部的尺寸参数信息；
利用上述的金属结构实时全聚焦3D超声成像分析系统设备获得的铸件超声三维成像图可以获得整个铸件超声三维成像图的参数信息，直接将参数信息导入到建模软件内部后可以重建得到可编辑的管道三维铸造模型，在后期进行管道三维铸造模型特征分析时可以更好地保证分析的效率与参数化处理的准确性，同时又可以真实有效的反映当前对应的管道铸件毛坯内部真实铸造情况。
S5：分析计算得到当前管道三维铸造模型的铸造缺陷分布情况并判断其铸造质量是否合格；
S6：重复步骤S2-步骤S5，并依次获取其余各个管道铸件毛坯对应的管道三维铸造模型的铸造缺陷分布情况及铸造质量是否合格；
S7：将各所得的管道三维铸造模型的铸造缺陷分布情况与其铸造所用的不同型砂粉体积用量制得的面砂厚度值建立对应关系，统计得到在保证管道铸件毛坯合格情况下的砂粉用量范围。
在上述任一方案中优选的是，步骤S5中，分析计算得到当前管道三维铸造模型的铸造缺陷分布情况并判断其铸造质量是否合格的具体步骤如下：
获取当前管道三维铸造模型对应的模拟精加工有效管道三维模型；
获取模拟精加工有效管道三维模型的有效内表面平面展开图像、有效外表面平面展开图像，并获取各图像表面的工作面质量情况；
获取模拟精加工有效管道三维模型的内部铸造缺陷分布情况；
根据获得的工作面铸造缺陷分布情况、内部铸造缺陷分布情况分析得出作为工作面的管道内表面、管道外表面的铸造缺陷占比是否合格，整个模拟精加工有效管道三维模型的内部铸造缺陷占比是否合格，当管道外表面的铸造缺陷占比、内部铸造缺陷占比均合格时则当前模拟精加工有效管道三维模型的铸造质量初步合格，否则不合格。
在此对工作面的管道内表面、管道外表面的铸造缺陷占比进行分析来达到综合判断整个管道三维铸造模型的铸造情况的目的，同时当两者均为合格状态时才能作为整个管道三维铸造模型的铸造情况合格的判断指标，整体指标判断更加严格。
在上述任一方案中优选的是，获取当前管道三维铸造模型对应的模拟精加工有效管道三维模型的具体步骤如下：
获取管道铸件毛坯对应精加工后的标准铸造管件的参数尺寸；
在当前的管道三维铸造模型的中心外围同轴创建管状拉伸特征，管状拉伸特征的内径与标准铸造管件的外径尺寸相同，拉伸长度大于管道三维铸造模型的长度，拉伸完成后选择特征切除，得到外径尺寸与标准铸造管件的外径相同的外切管道三维铸造模型；
在当前的外切管道三维铸造模型的中心内腔处同轴创建柱状拉伸特征，柱状拉伸特征的外径与标准铸造管件的内径尺寸相同，拉伸长度大于管道三维铸造模型的长度，拉伸完成后选择特征切除，得到内径尺寸与标准铸造管件的内径相同的内切管道三维模型；
对当前的内切精加工管道三维模型两端面完成特征切削并得到与标准铸造管件的尺寸完全相同的模拟精加工有效管道三维模型。
在该步骤中利用建模软件实现先后对管道铸件毛坯对应的管道三维铸造模型实现内表面、外表面的机加工模型的模拟，以达到去除表层的多余加工余量的目的，通过外部特征切除、内部特征切除后可以得到真实模拟了精加工处理后的模拟精加工有效管道三维模型，使其尺寸能够与理论上获得的标准铸造管件尺寸完全相同，便于更加准确的进行后续的铸造缺陷的分布情况及分布量的分析、获取，保证获取到真实工作尺寸状态下的标准铸造管件的铸造强度并以此来判断其能否满足工作工况对其强度和工作面精度提出的使用要求。
在上述任一方案中优选的是，获取模拟精加工有效管道三维模型的内部铸造缺陷分布情况的具体步骤如下：
将模拟精加工有效管道三维模型内部的气孔缺陷、缩松、缩孔缺陷、裂纹缺陷统称为孔隙特征；
气孔缺陷、缩松、缩孔缺陷、裂纹缺陷统作为主要影响铸造件铸造质量及整体强度的铸造缺陷，将其整体划归为孔隙特征可以便于统一捕捉获取，便于整体上分析模拟精加工有效管道三维模型内部缺陷的分布情况及分布数量对整个模拟精加工有效管道三维模型的强度造成的影响；
利用有限元分析配合三维笛卡尔网格的嵌入式离散裂缝网格剖分方法获取模拟精加工有效管道三维模型内部的孔隙位置分布情况，同时统计孔隙特征的孔隙总体积，并将孔隙总体积与模拟精加工有效管道三维模型的整体体积占比得到孔隙占比率，在计算孔隙占比率直接采用目前现有的三维软件实现内部三维数据处理即可。
例如，利用Dragonfly三维软件实现处理三维数据、利用Avizo6.2三维可视化软件实现可视化内部孔隙占比率分析计算、利用creo4.0三维软件实现处理三维数据、UG三维软件计算模型内部孔隙体积等均可实现在不同精度上的孔隙占比率的计算，同时可以实现对单独某个孔隙特征的尺寸分析计算，此处不再赘述。
采用体积分析的方法可以快速的分析得到整个模拟精加工有效管道三维模型内部的孔隙类缺陷的占比，同时有限元分析配合三维笛卡尔网格的嵌入式离散裂缝网格剖分方法可以获取各个裂缝、孔隙的分布相对位置和各自的尺寸，从而在考虑整体孔隙占比的基础上再结合局部孔隙布局分布情况可以更好地分析孔隙类的缺陷对整个模拟精加工有效管道三维模型的机械强度的影响，当孔隙分布较为密集且占比较大时会造成铸造件强度的大幅度降低，因此在判断时根据本领域技术人员对铸造件的材质、尺寸、使用工况载荷进行分析，依据现有技术中的理论数据得出对应结论即可。
根据获取模拟精加工有效管道三维模型内部的各个孔隙特征的体积情况将其按照体积大小降序排列，获取体积排序前M位的孔隙特征并分别得到M个孔隙特征的长、宽、高方向上的尺寸；
判断当前各个孔隙特征对应的真实铸造缺陷类型，同时分析各个真实铸造缺陷的长、宽、高尺寸是否达到报废要求、孔隙占比率是否达到报废要求，若均未达到报废要求，则当前取模拟精加工有效管道三维模型合格，即对应的管道铸件毛坯的铸造强度合格；否则不合格。
实施例2：与实施例1相比，本实施例还包括如下步骤：进行模拟精加工有效管道三维模型内部的裂缝类孔隙特征分析时，任意裂缝面的大小和位置，均可由裂缝面中心点位置坐标A（x0，y0，z0），裂缝面边界约束条件及裂缝面法向量n唯一确定，裂缝面法向量决定了裂缝面的方位角和倾角，对应的裂缝面方程可表示为：
l(x-x0)+ m(y-y0)+ n(z-z0)=0；
式中：l为裂缝面法向量的横坐标，x为裂缝面上任一点的横坐标，x0为裂缝面中心点的横坐标；m为裂缝面法向量的纵坐标，y为裂缝面上任一点的纵坐标， y0为裂缝面中心点的纵坐标；n为裂缝面法向量的竖坐标，z为裂缝面上任一点的竖坐标，z0为裂缝面中心点的竖坐标。
应用向量形式，则裂缝面方程可表示为：n(P-A)=0；
式中：n为裂缝面法向量；P为裂缝面上任一点；A为裂缝面中心点。
法向量n可由裂缝面的倾角α及方位角β表征，其中倾角α为裂缝面与x-y平面所成夹角，方位角β为裂缝所在平面与x-y平面交线与x轴正方向所成夹角。裂缝面法向量n的坐标计算方法为：l=sinαsinβ、m= -sinαcosβ、n=-cosα；
式中：α为裂缝面倾角；β为裂缝面方位角。
裂缝面方程可表示为：sinαsinβ(x-x0)- sinαcosβ(y-y0)- cosα(z-z0)=0；
任意平面可进一步由该平面上的一点A(x0，y0，z0)及平面上两个线性无关的基向量表征，即：P=A+au+bv；
式中：u为裂缝面上的基向量；v为裂缝面上与u正交的基向量；a为基向量u对应的系数；b为基向量v对应的系数。
在已知平面法向量n时，u和v可利用平面法向量与坐标向量的叉积求取。裂缝边界形状可由长轴半径、短轴半径及相应的边界形状方程表征，计算得到对应的孔隙特征的长、宽、高方向上的尺寸。
通过裂缝类孔隙特征分析计算可以更好地针对模型内部的单个的裂缝或孔类的缺陷孔隙特征进行尺寸的测量计算，从而保证所得尺寸数据的准确性，保证在后续力学分析时能够获取前期准确的数据支撑，保证分析结果的相对准确性。
在上述任一方案中优选的是，其中，M为≥3的自然数。
选择合适数量的较大尺寸的孔隙缺陷进行尺寸分析可以从较大程度上反映缺陷对铸件整体结构强度的影响程度，另外，还需要考虑整体缺陷的数量及缺陷的总体占比来综合判断铸造缺陷对铸件机械强度的影响。
在上述任一方案中优选的是，获取模拟精加工有效管道三维模型的有效内表面平面展开图像、有效外表面平面展开图像，并获取各图像表面的工作面质量情况的具体步骤如下：
依次将有效内表面平面展开图像、有效外表面平面展开图像分别置于图像处理软件内部；
将有效内表面平面展开图像、有效外表面平面展开图像分别单独进行二值化处理；
利用平滑函数与图像卷积平滑噪声，然后再对卷积结果运用微商方法提取边界点集，消除虚假边界点；
运用一阶微商算子或二阶微商算子，根据各像点处的微商幅值判定其是否为边界点；
利用Canny算子同时采用双阈值算法实现边缘点检测和连接边缘，分别得到有效内表面平面展开图像内部的、有效外表面平面展开图像内部的各代表着孔类、裂缝类铸造缺陷的特征区域的边缘特征；
根据各边缘特征建立面积求和函数，得到孔类、裂缝类铸造缺陷在有效内表面平面展开图像中的占比、整体数量及分布位置；
得到孔类、裂缝类铸造缺陷在有效外表面平面展开图像中的占比、整体数量及分布位置；
根据上述结果及设定的当前管件加工要求的表面粗糙度，对比判断有效内表面平面展开图像、有效外表面平面展开图像的表面缺陷是否在误差允许的范围内，若均在误差允许的范围内则工作面表面质量合格，即对应的管道铸件毛坯的工作面精度合格，否则不合格。
在对平面图像中的代表孔隙类、裂缝类缺陷的封闭区域边缘特征进行边缘分析时，先采用平滑函数与图像卷积平滑噪声实现了对图像中的虚假边界点的筛除，有效地降低虚假边界点对边缘检测带来的误导性的影响，同时依靠了一阶微商算子或二阶微商算子，配合Canny算子同时采用双阈值算法实现对边缘检测的整体精度化处理，整体获取边缘较为准确，能够为后期对表面上的各个缺陷区域的面积计算机总占比的计算提供准确的保证，提高计算结果的精度。
在上述任一方案中优选的是，将各收集到的集气瓶内部的气体进行内部成分检测，根据检测结果得到对应集气瓶内部的气体中有害物质含量值，同时将各有害物质含量值依次与对应组的型砂粉体积用量建立对应关系；逐一分析当前有害物质含量值是否符合要求，若当前有害物质含量值小于设定的有害物质含量上限值，则当前含量符合要求，同时认定与当前有害物质含量值相对应的型砂粉体积用量情况下，制备得到的当前的管道铸件毛坯在有害物质排放量方面合格，否则不合格。
在上述任一方案中优选的是，当检测到对应的管道铸件毛坯的铸造强度、对应的管道铸件毛坯的工作面精度、受热后的有害物质排放量均为合格时，则判断当前对应的管道铸件毛坯的铸造质量合格，否则不合格。
在上述任一方案中优选的是，将各所得的管道三维铸造模型的铸造缺陷分布情况与其铸造所用的不同型砂粉体积用量制得的面砂厚度值建立对应关系，统计得到在保证管道铸件毛坯合格情况下的砂粉用量范围的具体步骤包括：
记录型砂粉在不同体积用量的情况下得到对应的各个面砂的面砂厚度值；
获取对应面砂厚度值条件下铸造所得的管道铸件毛坯的铸造强度是否合格、工作面精度是否合格、受热后的有害物质排放量是否合格的具体情况；
将上述所得数据及铸造强度、工作面精度、受热后的有害物质排放量的合格情况依次填入对应关系的统计表格；
当铸造强度、工作面精度、受热后的有害物质排放量均为合格时，则判定当前对应的管道铸件毛坯合格；
根据统计表格的记载情况，分析得到在保证管道铸件毛坯合格情况下对应的面砂厚度值范围、型砂粉体积用量范围。
本发明中在判断铸造强度是否合格、工作面精度是否合格的判断逻辑如下：在判断管道铸件毛坯的铸造强度是否合格时，并不需要直接对其强度进行测试，而是直接在三维可视化软件（例如：Avizo6.2三维可视化软件）的模型内部利用其软件内置的有限元分析功能，通过分析其内部各个真实铸造缺陷的长、宽、高尺寸是否达到报废要求、孔隙占比率是否达到报废要求的铸造行业参数指标，来判定整个管道铸件毛坯的铸造强度是否合格，且只要判断出是否合格即可，不需要知晓具体的铸造强度值。
因此，针对整个管道铸件毛坯的铸造强度数值无需数据检测，直接依靠三维可视化软件内置的有限元计算算法与对应业内铸造缺陷理论报废参考指标相比较，即可计算得到当前管道铸件毛坯铸造强度合格与否的结果。
同理，工作面精度的合格情况也是只对工作面精度是否合格进行了判定，在判定时将当前铸件毛坯的表面缺陷是否在当前的误差允许的范围内，若均在误差允许的范围内则工作面表面质量合格，即对应的管道铸件毛坯的工作面精度合格，否则不合格；同样，无需定量判定得到具体的工作面精度数值，只需要得到得出当前的工作面精度是合格或者是不合格即可。
实验例：面砂在造型时与铸造模样直接接触的一层型砂，具有较好的性能，通常以符合标准粒径要求的型砂粉配制而成；充填砂是在模样上覆盖面砂后，填充砂箱用的型砂，一般用100％旧砂稍加处理即可，故在此将面砂作为影响铸造质量的单一变量因素进行分析试验，此处的填充砂作为无关变量。
在相同环境下量取10组体积用量不同的型砂粉，并分别制成10组不同面砂厚度值（T）的面砂，其中10组选用的型砂粉性状及质量等均符合GB/T 2684 铸造用砂及混合料试验方法中的要求。
各组型砂粉均采用同批次产品（即同批次型砂粉的密度理论值相同），具体地型砂粉（面砂）参数要求：湿压0.50 MPa -1.50MPa、干拉≥30MPa、湿透气性≥200、水分含量3.0%-4.0%、面砂细度模数满足铸造要求，将试验铸件选择为管道铸件毛坯。
其中，面砂厚度值为T，实验例中的铸件毛坯选定为：外径（D）100mm、内径（d）50mm、高度（H）100mm的管道铸件毛坯作为铸造模样，管道铸件毛坯的实心芯砂与面砂采用同批次的型砂粉制备而成且作为不变量。
面砂体积用量的计算公式如下：
V=π(D/2+T)2H-π(D/2)2H=πH（DT+T2）≈314（T2+100T）。
根据上述公式计算得到不同面砂厚度值（T）情况下对应的型砂粉（面砂）体积用量。
10组中面砂厚度值（T）均满足铸造面砂厚度标准要求，依次设定为：30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、75mm。
对应的型砂粉（面砂）体积用量（V）的数值依次约为：12252、14844、17593、20499、23562、26782、30159、33694、37385、41233。
另外，根据上述各组型砂粉体积用量、面砂厚度值（T）对应的管道铸件毛坯的铸造强度是否合格、工作面精度是否合格、受热后的有害物质排放量是否合格的统计表格如
表1：
。
表1-不同面砂厚度值（型砂粉体积用量）条件下的管道铸件毛坯的合格情况统计表。
由表1中统计的结果可以看出，在对当前实验例中的管道铸件毛坯铸造时，当作为单一变量的面砂厚度值在40mm-50mm（即：当前铸件的面砂部位的型砂粉体积用量数值在17593-23562）之间时，铸造强度、工作面精度、受热后的有害物质排放量均为合格状态，对应的管道铸件毛坯为合格状态，在当前的面砂厚度值范围内铸造所得的管道铸件毛坯为合格品的概率最高，因此。在该类直管类铸造件铸造时，优先选择面砂厚度值（T）在40mm-50mm的范围内，以保证管道铸件毛坯的合格率，批量铸造时优先选择以此面砂厚度值（T）范围、型砂粉体积用量数值范围作为制备该类直管类铸造件的依据。
按照本发明中的方法类推，可以得到对应类型铸造件在铸造时的不同面砂厚度值范围、型砂粉体积用量数值范围对批量生产的铸造件的整体铸造质量的影响，并为当前铸造件选定最优的面砂厚度值范围、型砂粉体积用量数值范围。
本发明中，在判断铸造件的质量合格与否时，采用了单一变量原则，同时对由单一变量的变化带来的多因素数据同步分析，组合判断的方法，只有当管道铸件毛坯的铸造强度、工作面精度及受热后的有害物质排放量均合格时才判断当前的管道铸件毛坯对应的型砂粉体积用量才是有效的，同时由于建立了铸造强度、工作面精度、受热后的有害物质排放量与型砂粉体积用量、面砂厚度的逐次试验的统计表格对应关系，通过统计表格可以有效地分析判断出针对当前的管道铸件毛坯铸造时，型砂粉体积用量的合适区间范围，为后续铸造工艺中型砂粉的用量范围使用提供有效地指导意义。
本方法主要是针对现有型砂粉在铸造工艺中其不同用量制备不同厚度的面砂后对铸造件铸造质量影响的分析，考虑到型砂粉制成的不同厚度的面砂在铸造中直接接触金属液，因此型砂粉材质制成的不同厚度的面砂会对铸造液体的透气性散热性以及相互渗透作用产生不同的影响，因此会对铸造件造成影响，故本方法利用型砂粉体积用量作为单一变量，铸造得到多组管道铸件毛坯可以有效地对比分析得到型砂粉体积用量对铸造质量的影响。本发明中的以管道铸造件作为试验毛坯件，能够更好地通过对其整体内部铸造缺陷分析、内外工作面铸造缺陷及精度分析较为客观的得到其铸造质量合格情况下对应的面砂厚度值范围、型砂粉体积用量数值范围，整体利用三维可视化软件（例如：Avizo6.2三维可视化软件）数据建模、获取产生图像并对图像数据进行处理分析得到与真实铸造毛坯件一致的模型结构，通过模型的数据化分析可以更高效地分析得到铸造质量检测结果。考虑到铸造件的特殊用途情况下，铸造件内部渗入有害物质的热挥发性的问题，同时能够依靠本方法得出不同型砂粉体积用量时有害物质对铸造件的渗透程度的分析；本发明整体上利用图像数据、模型参数的产生及图像数据、模型数据的处理能够客观真实的得到铸件有效特征内部的整体铸造缺陷分布来分析得到其整体铸造强度，通过内外表面的孔类、裂缝类的缺陷分布、工作面精度合格与否进行判断，从而可以有效地判断得到整体铸件的铸造质量，分析量化更加客观、全面。通过多组的结果分析能够有效地得到在型砂粉体积用量变化情况下，相同类型的铸造件的铸造质量合格与否的变化，对真实铸造工艺中选择合适的型砂粉体积用量、保证铸造质量合格率具有指导意义。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。
本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。
Claims (7)
1.基于图像处理分析型砂粉用量对铸造质量影响的方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：相同环境下量取N组不同体积用量的型砂粉，并分别制成具有不同面砂厚度值的面砂，在各组面砂的外围依次实现填充砂造型，分别制备得到N组砂型模型，在相同工艺条件下依次向各组砂型模型内浇注铸造液并得到N组尺寸相同的管道铸件毛坯；S2：通过三维超声扫描获取当前的一个管道铸件毛坯的铸件超声三维成像图；S3：将当前的管道铸件毛坯置于密闭容器内并利用非接触式高频加热的方式加热30S-60S，停止加热后将密闭容器内部气体导出收集至集气瓶内待用；S4：将获取的铸件超声三维成像图的全部参数信息录入三维建模软件，重建得到与扫描得到的铸件超声三维成像图参数相同的管道三维铸造模型；其中，管道三维铸造模型内部包含对应的真实管道铸件毛坯的全部的尺寸参数信息；S5：分析计算得到当前管道三维铸造模型的铸造缺陷分布情况并判断其铸造质量是否合格；S6：重复步骤S2-步骤S5，并依次获取其余各个管道铸件毛坯对应的管道三维铸造模型的铸造缺陷分布情况及铸造质量是否合格；S7：将各所得的管道三维铸造模型的铸造缺陷分布情况与其铸造所用的不同型砂粉体积用量制得的面砂厚度值建立对应关系，统计得到在保证管道铸件毛坯合格情况下的砂粉用量范围；
分析计算得到当前管道三维铸造模型的铸造缺陷分布情况并判断其铸造质量是否合格的具体步骤如下：获取当前管道三维铸造模型对应的模拟精加工有效管道三维模型；获取模拟精加工有效管道三维模型的有效内表面平面展开图像、有效外表面平面展开图像，并获取各图像表面的工作面质量情况；获取模拟精加工有效管道三维模型的内部铸造缺陷分布情况；根据获得的工作面铸造缺陷分布情况、内部铸造缺陷分布情况分析得出作为工作面的管道内表面、管道外表面的铸造缺陷占比是否合格，整个模拟精加工有效管道三维模型的内部铸造缺陷占比是否合格，当管道外表面的铸造缺陷占比、内部铸造缺陷占比均合格时则当前模拟精加工有效管道三维模型的铸造质量初步合格，否则不合格；
获取模拟精加工有效管道三维模型的内部铸造缺陷分布情况的具体步骤如下：将模拟精加工有效管道三维模型内部的气孔缺陷、缩松、缩孔缺陷、裂纹缺陷统称为孔隙特征；利用有限元分析配合三维笛卡尔网格的嵌入式离散裂缝网格剖分方法获取模拟精加工有效管道三维模型内部的孔隙位置分布情况，同时统计孔隙特征的孔隙总体积，并将孔隙总体积与模拟精加工有效管道三维模型的整体体积占比得到孔隙占比率；根据获取模拟精加工有效管道三维模型内部的各个孔隙特征的体积情况将其按照体积大小降序排列，获取体积排序前M位的孔隙特征并分别得到M个孔隙特征的长、宽、高方向上的尺寸；判断当前各个孔隙特征对应的真实铸造缺陷类型，同时分析各个真实铸造缺陷的长、宽、高尺寸是否达到报废要求、孔隙占比率是否达到报废要求，若均未达到报废要求，则当前取模拟精加工有效管道三维模型合格，即对应的管道铸件毛坯的铸造强度合格；否则不合格；
进行模拟精加工有效管道三维模型内部的裂缝类孔隙特征分析时，任意裂缝面的大小和位置，均可由裂缝面中心点位置坐标A（x0，y0，z0），裂缝面边界约束条件及裂缝面法向量n唯一确定，裂缝面法向量决定裂缝面的方位角和倾角，对应的裂缝面方程可表示为：l(x-x0)+ m(y-y0)+ n(z-z0)=0；式中：l为裂缝面法向量的横坐标，x为裂缝面上任一点的横坐标，x0为裂缝面中心点的横坐标；m为裂缝面法向量的纵坐标，y为裂缝面上任一点的纵坐标， y0为裂缝面中心点的纵坐标；n为裂缝面法向量的竖坐标，z为裂缝面上任一点的竖坐标，z0为裂缝面中心点的竖坐标；
应用向量形式，则裂缝面方程可表示为：n(P-A)=0；式中：n为裂缝面法向量；P为裂缝面上任一点；A为裂缝面中心点；
法向量n可由裂缝面的倾角α及方位角β表征，其中倾角α为裂缝面与x-y平面所成夹角，方位角β为裂缝所在平面与x-y平面交线与x轴正方向所成夹角；裂缝面法向量n的坐标计算方法为：l=sinαsinβ、m= -sinαcosβ、n=-cosα；式中：α为裂缝面倾角；β为裂缝面方位角；
裂缝面方程可表示为：sinαsinβ(x-x0)- sinαcosβ(y-y0)- cosα(z-z0)=0；
任意平面可进一步由该平面上的一点A(x0，y0，z0)及平面上两个线性无关的基向量表征，即：P=A+au+bv；式中：u为裂缝面上的基向量；v为裂缝面上与u正交的基向量；a为基向量u对应的系数；b为基向量v对应的系数；
在已知平面法向量n时，u和v可利用平面法向量与坐标向量的叉积求取；裂缝边界形状可由长轴半径、短轴半径及相应的边界形状方程表征，计算得到对应的孔隙特征的长、宽、高方向上的尺寸；
通过裂缝类孔隙特征分析计算可以更好地针对模型内部的单个的裂缝或孔类的缺陷孔隙特征进行尺寸的测量计算，保证所得尺寸数据的准确性，保证在后续力学分析时能够获取前期准确的数据支撑，保证分析结果的相对准确性。
2.根据权利要求1所述的基于图像处理分析型砂粉用量对铸造质量影响的方法，其特征在于：获取当前管道三维铸造模型对应的模拟精加工有效管道三维模型的具体步骤如下：
获取管道铸件毛坯对应精加工后的标准铸造管件的参数尺寸；
在当前的管道三维铸造模型的中心外围同轴创建管状拉伸特征，管状拉伸特征的内径与标准铸造管件的外径尺寸相同，拉伸长度大于管道三维铸造模型的长度，拉伸完成后选择特征切除，得到外径尺寸与标准铸造管件的外径相同的外切管道三维铸造模型；
在当前的外切管道三维铸造模型的中心内腔处同轴创建柱状拉伸特征，柱状拉伸特征的外径与标准铸造管件的内径尺寸相同，拉伸长度大于管道三维铸造模型的长度，拉伸完成后选择特征切除，得到内径尺寸与标准铸造管件的内径相同的内切管道三维模型；
对当前的内切精加工管道三维模型两端面完成特征切削并得到与标准铸造管件的尺寸完全相同的模拟精加工有效管道三维模型。
3.根据权利要求2所述的基于图像处理分析型砂粉用量对铸造质量影响的方法，其特征在于：其中，M为≥3的自然数。
4.根据权利要求3所述的基于图像处理分析型砂粉用量对铸造质量影响的方法，其特征在于：获取模拟精加工有效管道三维模型的有效内表面平面展开图像、有效外表面平面展开图像，并获取各图像表面的工作面质量情况的具体步骤如下：
依次将有效内表面平面展开图像、有效外表面平面展开图像分别置于图像处理软件内部；
将有效内表面平面展开图像、有效外表面平面展开图像分别单独进行二值化处理；
利用平滑函数与图像卷积平滑噪声，然后再对卷积结果运用微商方法提取边界点集，消除虚假边界点；
运用一阶微商算子或二阶微商算子，根据各像点处的微商幅值判定其是否为边界点；
利用Canny算子同时采用双阈值算法实现边缘点检测和连接边缘，分别得到有效内表面平面展开图像内部的、有效外表面平面展开图像内部的各代表着孔类、裂缝类铸造缺陷的特征区域的边缘特征；
根据各边缘特征建立面积求和函数，得到孔类、裂缝类铸造缺陷在有效内表面平面展开图像中的占比、整体数量及分布位置；
得到孔类、裂缝类铸造缺陷在有效外表面平面展开图像中的占比、整体数量及分布位置；
根据得到的结果及设定的当前管件加工要求的表面粗糙度，对比判断有效内表面平面展开图像、有效外表面平面展开图像的表面缺陷是否在误差允许的范围内，若均在误差允许的范围内则工作面表面质量合格，即对应的管道铸件毛坯的工作面精度合格，否则不合格。
5.根据权利要求4所述的基于图像处理分析型砂粉用量对铸造质量影响的方法，其特征在于：将各收集到的集气瓶内部的气体进行内部成分检测，根据检测结果得到对应集气瓶内部的气体中有害物质含量值，同时将各有害物质含量值依次与对应组的型砂粉体积用量建立对应关系；逐一分析当前有害物质含量值是否符合要求，若当前有害物质含量值小于设定的有害物质含量上限值，则当前含量符合要求，同时认定与当前有害物质含量值相对应的型砂粉体积用量情况下，制备得到的当前的管道铸件毛坯在有害物质排放量方面合格，否则不合格。
6.根据权利要求5所述的基于图像处理分析型砂粉用量对铸造质量影响的方法，其特征在于：当检测到对应的管道铸件毛坯的铸造强度、对应的管道铸件毛坯的工作面精度、受热后的有害物质排放量均为合格时，则判断当前对应的管道铸件毛坯的铸造质量合格，否则不合格。
7.根据权利要求6所述的基于图像处理分析型砂粉用量对铸造质量影响的方法，其特征在于：将各所得的管道三维铸造模型的铸造缺陷分布情况与其铸造所用的不同型砂粉体积用量制得的面砂厚度值建立对应关系，统计得到在保证管道铸件毛坯合格情况下的砂粉用量范围的具体步骤包括：
记录型砂粉在不同体积用量的情况下得到对应的各个面砂的面砂厚度值；
获取对应面砂厚度值条件下铸造所得的管道铸件毛坯的铸造强度是否合格、工作面精度是否合格、受热后的有害物质排放量是否合格的具体情况；
将得到的数据及铸造强度、工作面精度、受热后的有害物质排放量的合格情况依次填入对应关系的统计表格；
当铸造强度、工作面精度、受热后的有害物质排放量均为合格时，则判定当前对应的管道铸件毛坯合格；
根据统计表格的记载情况，分析得到在保证管道铸件毛坯合格情况下对应的面砂厚度值范围、型砂粉体积用量范围。
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