无模拉拔过程变形起始和结束位置在线机器视觉检测方法

摘要

本发明是一种针对无模拉拔成形过程在线确定变形起始和结束位置的机器视觉测量方法，包括以下步骤：1）利用机器视觉系统在线采集无模拉拔加工过程变形区及其邻近区域工件轮廓曲线；2）将前一时刻的工件轮廓曲线沿拉拔移动移动方向平移，与现在时刻工件轮廓曲线进行对比，从前向后搜索，不重合的起始点即为变形结束位置；3）将前一时刻的工件轮廓曲线沿进料移动方向平移，与现在时刻工件轮廓曲线进行对比，从后向前搜索，不重合的起始点即为变形起始位置。本发明实现了无模拉拔成形过程变形区位置的在线精确识别，利用简单矩阵操作完成工件轮廓曲线平移与对比，有效的提高了测量效率。

说明书

技术领域

本发明属于测量技术领域，特别涉及一种无模拉拔成形过程变形起始和结束位置机器视觉测量方法。

背景技术

无模拉拔成形技术是一种对工件局部进行加热和冷却，同时在工件轴向施加拉力，使其在高温软化区域发生减径的拉拔技术。由于无模拉拔是一个无模具的柔性成形过程，容易出现工件拉不动、拉断或外形呈现竹节状等缺陷，而采用在线闭环控制有利于解决无模拉拔成形中存在的这些问题。研究发现，在工艺参数精确控制的条件下，处于无约束状态的变形区形状与尺寸的波动，是无模拉拔成形产品尺寸产生波动的本质原因[You Y, Kazuo K. Dieless wire drawing method: Japanese Patent, 06-190432. 1996]。因此，对工件变形起始和结束位置的准确识别、变形区形状尺寸的精确测量是实现对无模拉拔成形进行在线闭环控制的前提。但是，由于无模拉拔成形中工件变形区具有边移动边变形的特点，导致对其进行在线测量难度较大。

机器视觉以其非接触性、较高精度及易于在线使用等优点，在工业自动化领域得到了广泛应用，特别是，与激光测径仪等传统单点测量手段相比，更易实现工件的二维尺寸在线测量。

在机器视觉中，对单帧图像进行处理，可以完成工件静态尺寸的精确测量；利用背景差分法[王秀芬, 王汇源, 王松. 基于背景差分法和显著性图的海底目标检测方法. 山东大学学报, 2011, 41(1): 12-16]、帧间差分法[A Neri, S Colonnese, G Russo, P Talone. Automatic moving object and background separation. Signal Processing, 1998, 66: 219-232]、光流法[J L Barron, D J Fleet, S S Beauchemin. Performance of optical flow techniques. International Journal of Computer Vision, 1994, 12(1): 42-77]等多帧图像测量方法，则可以实现移动目标的在线追踪和测量。但是，对于在移动的同时发生变形的目标，上述方法均不能实现其变形形状尺寸的精确测量。

加装信标[王庆有, 于涓汇, 郭青, 张盛彬. 利用线阵CCD非接触测量材料变形量的方法. 光电工程, 2002, 29(4): 20-23]和散斑法[陈华. 基于数字散斑相关方法的视觉变形测量技术研究. 哈尔滨工业大学博士学位论文, 2008.9]在材料变形量测量领域已经有一定的应用，但是在无模拉拔过程中，被拉拔工件在高温下发生较大变形量（断面收缩率可达60%）的塑性变形，因此信标往往容易失效、脱落等。由于工件表面温度从熔点的80%左右连续变化到接近室温，表面氧化等引起表面形貌的改变都将导致散斑法的失效。综合而言，现有的测量技术无法实现无模拉拔变形区位置的在线识别。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无模拉拔成形过程变形起始和结束位置机器视觉测量方法，即采用一种工件帧间轮廓错位对比方法，将前一帧工件轮廓曲线按照实际的位移矢量移动，与当前帧进行对比，实现了无模拉拔变形区位置的精确在线识别。

为了方便描述本发明的内容，所使用的术语定义如下：

像素当量：                                               ，单位：mm/p，指单位像素对应被测工件的实际尺寸，可表征机器视觉系统的放大倍数。

移动矢量：，单位：p，表示实际中移动速度为v（单位：mm·s^-1）的物体在图像中的移动像素距离和方向，其中Δt为帧间时间（单位：s）。本发明中涉及两种移动矢量：进料移动矢量和拉拔移动矢量，其中v_i（单位：mm·s^-1）和v_o（单位：mm·s^-1）分别为进料速度和拉拔速度。

本发明的无模拉拔成形过程变形起始和结束位置机器视觉测量方法，包括以下步骤：

1）利用机器视觉系统在线采集无模拉拔成形过程变形区及其邻近区域工件轮廓曲线；

2）将前一时刻的工件轮廓曲线沿拉拔移动矢量平移，与现在时刻工件轮廓曲线进行对比，从前向后搜索，不重合的起始点即为变形结束位置，见附图1中的AB位置；

3）将前一时刻的工件轮廓曲线沿进料移动矢量平移，与现在时刻工件轮廓曲线进行对比，从后向前搜索，不重合的起始点即为变形起始位置，见附图1中的CD位置。

在步骤2）中，通过矩阵操作实现前一时刻的工件轮廓曲线沿拉拔移动矢量平移与变形结束位置的确定，其具体为：令拉拔移动像素个数k_o为四舍五入取整的值；删除t-Δt时刻变形区轮廓数组M(t-Δt)中的前k_o个元素，即相当于将t-Δt时刻变形区轮廓沿拉拔矢量平移了，得到平移后的变形区轮廓数组M_o’(t-Δt)，将M_o’(t-Δt)与t时刻变形区轮廓数组M(t)中的元素，从前向后逐个对比，第一个不相等的元素位置即为变形结束位置。

在步骤3）中，通过矩阵操作实现前一时刻的工件轮廓曲线沿进料移动矢量平移与变形起始位置的确定，其具体为：令进料移动像素个数k_i为四舍五入取整的值；删除t-Δt时刻变形区轮廓数组M(t-Δt)中的前k_i个元素，即相当于将t-Δt时刻变形区轮廓沿进料位移矢量平移了，得到平移后的变形区轮廓数组M_i’(t-Δt)，删除t时刻变形区轮廓数组M(t)的后k_i个元素，使之与M_i’(t-Δt)元素个数相等，得到M’(t)，将M_i’(t-Δt)与M’(t)中的元素，从后向前逐个对比，第一个不相等的元素位置即为变形起始位置，以上方法可以获得较高的计算效率。

本发明实现了无模拉拔成形过程变形区位置的精确在线识别，具有以下优点：

1、能用于边移动边变形的目标变形起始和结束位置的在线测量。

2、以提取的工件轮廓曲线进行对比测量，能有效地消除背景信息的干扰。

3、利用简单矩阵操作完成工件轮廓曲线平移与帧间的对比，能有效地提高测量效率。

附图说明

图1 变形起始和结束位置检测方法原理示意图；

图2 无模拉拔成形过程相邻两帧镍钛形状记忆合金线材图像；

图3 镍钛形状记忆合金线材无模拉拔变形区位置识别过程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。

图1 变形起始和结束位置检测方法原理示意图；如图所示，无模拉拔成形过程在机器视觉系统摄像机固定的情况下，判断一个以速度v（单位：mm·s^-1）移动的物体在Δt时间内是否发生变形，只需将t-Δt时刻拍摄的照片沿物体移动方向平移个像素位置，与t时刻的照片重叠后进行对比，图像不重叠部分即发生了变形。

本发明实施例的无模拉拔对象为直径6 mm的镍钛形状记忆合金线材，进料速度为0.5 mm·s^-1，拉拔速度为0.91 mm·s^-1，帧间时间为1 s。无模拉拔成形过程在智能化无模拉拔设备[专利号：ZL 200610113610.8，授权公告日：2010-09-01]上进行，利用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[专利号：ZL 200910083616.9，授权公告日：2011-04-20]进行工件轮廓的在线测量。无模拉拔成形过程相邻两帧镍钛形状记忆合金线材图像如附图2所示，从图中可以看出，稳定成形过程相邻两帧图像基本无差别。应用本发明中的方法，进行轮廓提取，平移后的工件轮廓如附图3所示，由图可见，本发明的方法能够准确地识别变形起始和结束位置。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。