基於圖像處理的離心感應壓鑄機工作過程自動監測方法
2023-04-28 00:54:16 1
基於圖像處理的離心感應壓鑄機工作過程自動監測方法
【專利摘要】本發明屬於測量【技術領域】，涉及一種基於圖像處理的離心感應壓鑄機工作過程自動監測方法，特別涉及分析及測量控制技術中的一般控制或調節系統。本發明可以對熔融過程進行準確觀察，使細緻觀測熔融過程的各個細節成為可能，若熔融過程出現問題，能夠進行及時調整，保證熔融質量和熔融一致性。可以不斷完善熔融過程，由於對熔融過程進行了圖像採集，那麼根據圖像可以對熔融過程的問題進行分析，使合金熔融過程不斷進行完善，提高熔制水平和質量，從而保證合金再制質量。該方法能夠對合金熔制過程進行相應的技術處理，由自動化控制代替了人工控制，避免了人為因素的影響。該裝置對於觀測控制系統具有重要的推廣應用價值和實用價值。
【專利說明】基於圖像處理的離心感應壓鑄機工作過程自動監測方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於測量【技術領域】，涉及一種基於圖像處理的離心感應壓鑄機工作過程自動監測方法，特別涉及分析及測量控制技術中的一般控制或調節系統。
【背景技術】
[0002]離心感應壓鑄機是對合金材料進行熔化後再重新壓鑄成型的設備，由於合金材料牌號複雜繁瑣，而且形狀各異，當採用離心感應壓鑄機對合金材料進行熔化時採用的功率必然不同，熔化時間也各不相同。若要保證合金材料熔化時材料中各元素含量基本保持不變，使用性能不能發生大的改變，必須嚴格控制熔化過程的各種參數包括控制熔化功率和熔化時間。目前離心感應壓鑄機對合金材料的熔化情況是通過人工觀測到的實際熔化情況來確定的，由於合金熔化程度上觀測差異以及人為的個體的差異，往往使熔制過程控制的一致性的掌握上產生較大偏差，嚴重影響了合金熔制質量。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提出一種在熔制過程控制的一致性好、操作簡單的基於圖像處理的離心感應壓鑄機工作過程自動監測方法。本發明的技術解決方案是:
[0004](一)製備監測裝置
[0005]I)監測裝置結構和連接方式
[0006]監測裝置包括圖像採集模塊、圖像處理模塊、操作控制模塊，圖像採集模塊為攝像頭，攝像頭通過圖像處理模塊與操作控制模塊輸入端相接，操作控制模塊輸出端與離心感應壓鑄機上的控制器相接；圖像處理模塊包括圖像預處理、圖像特徵分析、合金熔融狀態判斷、控制指令輸出四部分，圖像預處理部分包括圖像去噪、圖像均衡、有效區域提取、有效區域範圍歸一化，圖像特徵分析部分包括圖像特徵提取，計算圖像歸一化有效區域中的HIS顏色特徵，並根據合金圖像特徵與合金熔融過程關係模型，分析判定合金熔融狀態，若判定合金材料處於中間熔化狀態時，HSI圖像均為單峰，給出繼續加熱指令，重新採集圖像、繼續分析合金熔融狀態；若判定合金材料達到目標熔融狀態時，HIS直方圖像均出現雙峰，延遲5秒後，給出定型控制指令至操作控制模塊；操作控制模塊控制離心感應壓鑄機的控制器，15秒鐘後完成合金材料定型,操作停止；
[0007]2)建立合金圖像特徵與熔融過程關係模型
[0008]在合金材料熔化的物理過程中，熔化開始時，圖像中合金材料呈暗紅色；隨著溫度升高，融化過程中，合金材料顏色逐漸呈黃色，且亮度逐漸增加；當完全熔化時，合金材料呈現亮黃色，合金材料熔化過程中，圖像顏色部分由點及面，向外部逐漸延伸擴大，當熔化部分閉合成實心圓面時，合金材料熔化完成；
[0009](二)監測離心感應壓鑄機的工作過程
[0010]I)將試樣放入離心感應壓鑄機，根據所放試樣的材料,調整離心感應壓鑄機功率值，以5L/分的流速給離心感應壓鑄機通入氬氣，打開離心感應壓鑄機的電源；[0011]2)將監測裝置的攝像頭對正離心感應壓鑄機的狀態觀測窗；
[0012]3)將盛放試樣的坩堝提升至離心感應壓鑄機的感應線圈中加熱，通過監測裝置中的攝像頭獲取試樣熔化過程的圖像，並將圖像數據輸入至圖像處理模塊中進行圖像處理；
[0013]4)圖像處理模塊將試樣的融化完成狀況傳輸至操作控制模塊中，操作控制模塊向離心感應壓鑄機的控制器發出成型指令，在延時15秒後，使離心感應壓鑄機斷電，完成試樣的熔融後再定型過程。
[0014]所述的圖像處理模塊在合金熔融過程中的狀態判斷依據是合金圖像特徵與熔融過程中的變化關係模型，確定合金的目標熔融狀態。
[0015]所述的圖像處理模塊中合金熔融過程的狀態判斷關係模型是根據HSI顏色特徵的直方圖設定閾值，分別為H=0.US=0.7、I=0.5和目標熔融形狀為實心圓面積不小於8500像素值，當HSI顏色閾值達到要求和合金目標熔融狀態區域面積達到設定值時，表示達到目標熔融狀態，熔化完成。
[0016]本發明具有顯著的優點和有益效果，本發明實現了從人工控制到全自動化控制的飛躍，避免了由於個體差異帶來的質量問題，該方法具有廣泛的使用價值和良好的經濟效益。設計了一種基於圖像處理地熔化過程自動控制方法，通過安裝於觀測窗前的攝像頭獲取合金材料熔化狀態信息，然後分析熔化狀態，判斷離心感應壓鑄機參數設置的合理性，將觀測到的影像通過圖像自動處理方法，自動控制合金熔化的過程，完成從熔化到成型的合金再制的自動化控制，解決了人工控制不一致性等等的諸多弊端，使離心壓鑄機的使用更安全、可靠，而且使用成本更低。
[0017]本發明具有如下特點:
[0018]I)可以對熔融過程進行準確觀察，使細緻觀測熔融過程的各個細節成為可能，若熔融過程出現問題，可以進行及時調整，保證熔融質量和熔融一致性。。
[0019]2)可以不斷完善熔融過程，由於對熔融過程進行了圖像採集，那麼根據圖像可以對熔融過程的問題進行分析，使合金熔融過程不斷進行完善，提高熔制水平和質量，從而保證合金再制質量。
[0020]3)該方法能夠對合金熔制過程進行相應的技術處理，由自動化控制代替了人工控制，避免了人為因素的影響。
[0021]4)該裝置對於觀測控制系統具有重要的推廣應用價值和實用價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明監測裝置結構框圖；
[0023]圖2是本發明合金材料熔化狀態的圖像建模流程圖；
[0024]圖3是本發明合金熔化原始圖像(a)及其有效區域提取(b)；
[0025]圖4是本發明合金熔化圖像有效區域HSI空間狀態的色調H、飽和度S和強度I的示意圖；
[0026]圖5是本發明HSI空間中間狀態直方圖，其中:H為色調，S為飽和度，I為強度；
[0027]圖6是本發明HSI空間目標狀態直方圖，其中:H為色調，S為飽和度，I為強度；
[0028]圖7是本發明合金材料目標熔融狀態示意圖；
[0029]圖8是本發明監測離心感應壓鑄機的工作過程流程圖【具體實施方式】
[0030](一)製備監測裝置
[0031 ] I)監測裝置結構和連接方式
[0032]監測裝置包括圖像採集模塊、圖像處理模塊、操作控制模塊，圖像採集模塊為攝像頭，攝像頭通過圖像處理模塊與操作控制模塊輸入端相接，操作控制模塊輸出端與離心感應壓鑄機上的控制器相接；圖像處理模塊包括圖像預處理、圖像特徵分析、合金熔融狀態判斷、控制指令輸出四部分，圖像預處理部分包括圖像去噪、圖像均衡、有效區域提取、有效區域範圍歸一化，圖像特徵分析部分包括圖像特徵提取，計算圖像歸一化有效區域中的HIS顏色特徵，並根據合金圖像特徵與合金熔融過程關係模型，分析判定合金熔融狀態，若判定合金材料處於未完全熔化狀態(即中間熔化狀態)時，給出繼續加熱指令，重新採集圖像、繼續分析合金熔融狀態；若判定合金材料達到目標熔融狀態時，延遲5秒後，給出定型控制指令至操作控制模塊；操作控制模塊控制離心感應壓鑄機的控制器，15秒鐘後完成合金材料定型，操作停止。監測裝置結構框圖如圖1所示。
[0033]2)建立合金圖像特徵與熔融過程關係模型
[0034]在合金材料熔化的物理過程中，熔化開始時，圖像中合金材料呈暗紅色；隨著溫度升高，融化過程中，合金材料顏色逐漸呈黃色，且亮度逐漸增加；當完全熔化時，合金材料呈現亮黃色。合金材料熔化過程中，圖像顏色部分由點及面，向外部逐漸延伸擴大。當熔化部分閉合成實心圓面時，合金材料熔化完成(目標熔融狀態)。
[0035]合金圖像特徵與熔融狀態建模過程如圖2所示。首先，採集圖像數據，不同熔化狀態對應的圖像中合金的顏色和形狀大小不同，所以用顏色和形狀作為狀態描述的兩個主要特徵。物體在熔化過程中吸收熱量，溫度升高，色調逐漸變為暗紅色點狀，當熔化完成，顏色變為亮黃色的實心圓面。
[0036]圖像預處理過程如圖3所示，其中，圖3(a)為原始圖像，為了消除幹擾提取圖像中合金材料有效區域如圖3(b)所示。對合金材料的有效區域圖像用HSI顏色空間表示，如圖4所示，其中，H為色調、S為飽和度、I為強度。統計不同熔融過程的H圖像、S圖像、I圖像的直方圖，得到熔融中間過程直方圖如圖5所示，HSI圖像均為單峰。直至熔融過程達到目標狀態，HIS直方圖像均出現雙峰,如圖6所示,表示達到目標熔融狀態,此時,統計結果顯示高溫時HSI閾值為雙峰峰谷對應值，分別為0.1,0.7,0.5。然後，通過閾值分割計算熔融區域面積，根據統計結果合金材料區域面積不小於數值8500像素數，並呈閉合實心圓形形狀，如圖7所示，表示熔化完成。
[0037](二)監測離心感應壓鑄機的工作過程
[0038]監測過程如圖8所示，分為4步:
[0039]I)將試樣放入離心感應壓鑄機，根據所放試樣的材料,調整離心感應壓鑄機功率值，以5L/分的流速給離心感應壓鑄機通入氬氣，打開離心感應壓鑄機的電源；
[0040]2)將監測裝置的攝像頭對正離心感應壓鑄機的狀態觀測窗；
[0041]3)將盛放試樣的坩堝提升至離心感應壓鑄機的感應線圈中加熱，通過監測裝置中的攝像頭獲取試樣熔化過程的圖像，並將圖像數據輸入至圖像處理模塊中進行圖像處理；
[0042]4)圖像處理模塊將試樣的融化完成狀況傳輸至操作控制模塊中，操作控制模塊向離心感應壓鑄機的控制器發出成型指令，在延時15秒後，使離心感應壓鑄機斷電，完成試樣的熔融後再定型過程。
[0043]圖像採集和處理控制
[0044]圖像採集、處理、操作控制由三部分組成，包括圖像採集模塊、圖像處理模塊、操作控制模塊。各模塊的作用如下:
[0045](I)圖像採集模塊:為了獲得合金熔化的圖像細節，在觀測鏡後面裝上一個攝像頭，實時採集圖像，並及時傳輸給圖像處理部分，實現圖像的獲取。
[0046](2)圖像處理模塊:圖像處理模塊實時分析採集到的圖像，根據圖像的顏色、形狀，判斷合金熔化狀態。合金熔化狀態分為三種:較少的局部暗紅狀態、部分局部發黃狀態、全部發黃狀態。
[0047](3)離心感應壓鑄機操作控制模塊:根據圖像處理模塊的分析結果，操作離心感應壓鑄機電源，使離心感應壓鑄機溫度變化符合合金熔化規律。離心感應壓鑄機工作狀態操作包括:開始加溫狀態、離心定型狀態、結束停止狀態。一定時間後，圖像處理與操作控制系統發出結束指令，設備即停止運行，從而實現全自動控制。
[0048]系統硬體結構包括圖像採集模塊，圖像採集處理模塊(例如TMS320D642)，電源控制模塊三部分。圖像採集模塊用來採集離心感應壓鑄機窗口中觀察到的合金材料熔融圖像，為保證採集狀態能夠反映熔融過程的合金變化以及足夠的圖像處理時間，採集時間為30ms/幀；圖像採集處理分析模塊用於實時分析採集圖像反映的合金熔融狀態，為保證分析結果的準確性，圖像處理算法將合金熔融的圖像用HSI顏色特徵表示，建立特徵集合與合金熔融狀態關係模型，根據該模型圖像處理模塊給出控制指令；電源控制模塊由功放與開關控制兩部分組成，由於圖像處理模塊給出的控制命令是DSP_10控制埠發出，最大控制電流為25mA，電壓為3.3V,而作為開關控制器件的固態繼電器控制端電流要求100mA，電壓5V，因此，該模塊第一部分採用三極體功放電路，使繼電器控制功率滿足要求，該模塊第二部分是固態繼電器，其輸出端常開節點兩端直接與電源兩端兩聯，當控制端為高電平時，接通電源，為低電平時，斷開電源，實現離心感應壓鑄機溫度的控制，以保證合金熔融過程符合技術要求。
[0049]系統軟體流程包括圖像預處理、圖像特徵分析、合金熔融狀態判斷、離心感應壓鑄機控制指令輸出四部分。圖像預處理部分主要包括圖像去噪、圖像均衡、有效區域提取、有效區域像素值範圍歸一化，以保證後期分析過程的一致性；圖像特徵分析部分主要包括圖像特徵提取，計算圖像歸一化有效區域HSI特徵特徵，並根據這些特徵與合金熔融狀態的關係模型，分析合金熔融狀態，如果熔融狀態在熔融深入之前，則繼續加熱，重新採集圖像、處理分析熔融狀態，如此循環，直至熔融狀態達到完成狀態，延遲一定15秒時間，給出斷開電源指令。合金熔融定型過程完成。
[0050]合金圖像特徵與熔融狀態模型建立
[0051]在物體熔化的物理過程中，熔化完成部分呈深紅色，正在熔化部分(以下簡稱高溫部分)呈明黃色，溫度較高，亮度較高。物體熔化從外部向內部逐漸延伸。當熔化部分閉合成實心圓時，標誌物體熔化完成(目標熔融狀態)。
[0052]因此，本發明合金材料熔化狀態的圖像建模流程圖如圖2所示。
[0053]首先，採集圖像數據，如圖2所示，不同熔化狀態對應的圖像中合金的顏色不同，所以用顏色作為狀態描述特徵。物體在熔化過程中吸收熱量，溫度升高，色調逐漸變為紅色，當熔化完成，色調變為亮黃色。因此，將圖像數據轉至HSI顏色空間。
[0054]將HSI圖像分為色調H、飽和度S、強度I三個顏色通道，如圖4所示。
[0055]根據統計結果設定高溫時HSI閾值，如圖6所示。然後，通過閾值分割，求出的高溫部分中心分割出近似的整個物體區域。
[0056]由于越靠近目標狀態，直方圖雙峰特性越明顯，越容易將已融化部分和高溫部分區分開來。設目標狀態檢測出的物體區域面積不小於8500像素值。高溫部分呈閉合實心圓形得到分割結果，如圖7所示，表示熔化完成。
[0057]基於圖像信息的熔化過程的合金材料熔化狀態的圖像建模流程圖如圖2所示，圖8為監測離心感應壓鑄機的工作過程流程圖。
【權利要求】
1.一種基於圖像處理的離心感應壓鑄機工作過程自動監測方法，其特徵是， (一)製備監測裝置 1)監測裝置結構和連接方式 監測裝置包括圖像採集模塊、圖像處理模塊、操作控制模塊，圖像採集模塊為攝像頭，攝像頭通過圖像處理模塊與操作控制模塊輸入端相接，操作控制模塊輸出端與離心感應壓鑄機上的控制器相接；圖像處理模塊包括圖像預處理、圖像特徵分析、合金熔融狀態判斷、控制指令輸出四部分，圖像預處理部分包括圖像去噪、圖像均衡、有效區域提取、有效區域範圍歸一化，圖像特徵分析部分包括圖像特徵提取，計算圖像歸一化有效區域中的HIS顏色特徵，並根據合金圖像特徵與合金熔融過程關係模型，分析判定合金熔融狀態，若判定合金材料處於中間熔化狀態時，HSI圖像均為單峰，給出繼續加熱指令，重新採集圖像、繼續分析合金熔融狀態；若判定合金材料達到目標熔融狀態時，HIS直方圖像均出現雙峰，延遲5秒後，給出定型控制指令至操作控制模塊；操作控制模塊控制離心感應壓鑄機的控制器，15秒鐘後完成合金材料定型，操作停止； 2)建立合金圖像特徵與熔融過程關係模型 在合金材料熔化的物理過程中，熔化開始時，圖像中合金材料呈暗紅色；隨著溫度升高，融化過程中，合金材料顏色逐漸呈黃色，且亮度逐漸增加；當完全熔化時，合金材料呈現亮黃色，合金材料熔化過程中，圖像顏色部分由點及面，向外部逐漸延伸擴大，當熔化部分閉合成實心圓面時，合金材料熔化完成； (二)監測離心感應壓鑄機的工作過程 1)將試樣放入離心感應壓鑄機，根據所放試樣的材料，調整離心感應壓鑄機功率值，以5L/分的流速給離心感應壓鑄機通入氬氣，打開離心感應壓鑄機的電源； 2)將監測裝置的攝像頭對正離心感應壓鑄機的狀態觀測窗； 3)將盛放試樣的坩堝提升至離心感應壓鑄機的感應線圈中加熱，通過監測裝置中的攝像頭獲取試樣熔化過程的圖像，並將圖像數據輸入至圖像處理模塊中進行圖像處理； 4)圖像處理模塊將試樣的融化完成狀況傳輸至操作控制模塊中，操作控制模塊向離心感應壓鑄機的控制器發出成型指令，在延時15秒後，使離心感應壓鑄機斷電，完成試樣的熔融後再定型過程。
2.根據權利要求1所述的基於圖像處理的離心感應壓鑄機工作過程自動監測方法，其特徵是，所述的圖像處理模塊在合金熔融過程中的狀態判斷依據是合金圖像特徵與熔融過程中的變化關係模型，確定合金的目標熔融狀態。
3.根據權利要求1所述的基於圖像處理的離心感應壓鑄機工作過程自動監測方法，其特徵是，所述的圖像處理模塊中合金熔融過程的狀態判斷關係模型是根據HSI顏色特徵的直方圖設定閾值，分別為H=0.US=0.7、I=0.5和目標熔融形狀為實心圓面積不小於8500像素值，當HSI顏色閾值達到要求和合金目標熔融狀態區域面積達到設定值時，表示達到目標熔融狀態，熔化完成。
【文檔編號】B22D17/32GK103624234SQ201310511112
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年10月25日 優先權日:2013年10月25日
【發明者】介克, 鄭旭 申請人:北京航科發動機控制系統科技有限公司