金属零件直接成形熔积层轮廓识别与缺陷分析_丁尧禹.pdf

金厲零件直接成形熔积层轮廓识别与缺陷分析———————金属零件直接成形熔积层轮麻识别与缺陷分析丁尧禹张海鸥王桂兰华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室 ， 武汉华中科技大学材料成形与模具技术国 家重点实验室 ， 武汉摘 要 ： 为提高金属零件熔积直接成形的形状尺寸精度和性能质量的可控性 需要实时监测熔积层宽度和识别缺陷及其形状特征 基于数字图像 ， 开发了动态二次生长算法提取真实的熔积层边缘 为解决提取的边缘不连续问题 开发了过滤边缘突变元素的衔接算法 最后，采用基于最大熵的图像分割方法提取缺陷区域，并求取了缺陷区域的位置和形状特征 为缺陷修复提供依据 实验结果表明 ， 该方法能够准确对熔积层宽度进行可靠监测 ，并对缺陷区域进行准确定位和形状描述关键词 ： 熔积成形 动态区域生长 边缘衔接 最大熵 缺陷形状：：，：引 亩 度、送料速度、 保护气流量、冷却条件等因素影响 ， 难金属零件直接快速制造是一种超常态成形过程， 以精确设定与控制熔积层宽度， 熔积层也常会出现孔具有移动边界、 时空多变、热力学量复杂等非线性特 洞、驼峰、咬边等缺陷 因此金属零件熔积成形技术征 受熔积行走轨迹与速度、电流与电压、熔积枪高实用化的瓶颈在于形状精度与冶金质量的控制 。

基金项 目 ： 国家 自 然科学基金项（ 作者简介： 丁尧禹 年生， 硕士研究生 研究方向为数字图像处理 、 自动化控制 张海鸥 年生 ，教授， 博士生导师 研究方向为数字化成形 ， 快速成形 等王桂兰 年生 ，女 ，教授，博士生导师 研究方向 为机器人数字化成形 、热加工 、金属基复合材料零件与模具的快速制造等 机电一体化、‘- ,■：为解决以上瓶颈 ，基于熔积层边缘、缺陷区域实时跟 出现局部收敛停止 在每生长 个像素点后播撒已生踪定位的 自适应切片轨迹规划和熔积动态修复调控 长线条最大值及最小值为灰度值的两个新种子 ；若新成为金属零件三维熔积快速制造的核心技术， 利用机 种子有新的生长土壤， 即灰度值处在某一段曲线灰度器视觉对熔积层形貌、熔宽及缺陷区域进行可视化实值之间 ，则开始在新的生长区生长 算法流程见图 时监测 可提高零件的形状尺寸精度和成形效率，保选种区间生长算法 单边）证三维熔积快速成形零件的力学性能⑴ ； 但由于熔积 ： ：—；： 尸 ；受强烈的弧光影响 加之熔积层与基板灰暗度的交融难辨 ，采集到的图像会出现基板、过渡区 、焊道侧边、焊道反光区等多个明暗带 传统边缘提取算法 ’ 会提取出多条边缘线 ，但却无法区分出真实的熔积层边 °缘 进而使得熔积层宽度计算以及缺陷区域的寻找区 ， 厶—间变得不可靠。

本文基于电荷親合图像传感器垂直采集的灰度图像 ，提出主动启发方式捕获初始种子点 ， 用二次区域生长 …算法提取稳定的熔积层边缘，继而在已提取的熔积层边缘内对缺陷区域进行定位和形状分析，实现熔积过 ：程中的熔积层实时监测图 选种区间打 的生长算法流程熔积层轮廍识别算法 算例测试基于区域生长的图像分割对图 所示熔积层灰度图进行边缘识别 在算法描述 的横向扫描曲线的选种区间由低到高等差选取种子点的选取和一致性判别准则的确立是实现个种子点 ， ， ， 以 区域生长的关键 本文将随机在过渡区 （ 选种区）选 为初始阈值分别进行线条生长 个种子点依据上述择种子点， 以过此点的横向扫描线为对象来确定全局 算法均收敛且提取出如图 所示相同的区间线条生长种子点以及一致性判别参数 为降低种子点， 该算法能成功将选种区间、捕获的随机性对全局区域生长的影响 需要建立提取出来能表征选种区域灰度大小且不受种子随机性干扰的根据一致性判别条件式（ 及生长准则式（ 得特征值 本文对过捕获点的横向扫描曲线 进行一 如图 所示分割结果维生长 ，提取出选种区间认， 分别取选种区间像素的￡灰度均值 及标准差 为全局种子点及一致性判别参数。

丨 各 （其中 为整幅图像素点； 是人为设定的反映生长‘条件苛刻程度的量 ，本文通过反复尝试选取 °熔积层边缘提取及桥接其中 表示尸 点灰度值， 选种区间 由于实际熔积层边缘不平整 ，提取的熔积层边缘的求取如下 ： 以鼠标捕获点为种子点进行横向一维生 线并非连续，会使焊道宽度产生较大波动和突变 这长 依据灰度梯度建立生长准则 ， 即当灰度值连续陡 样的熔积层宽度信息是失真的，会影响上位机对熔积峭下降时停止生长 为充分利用已生长线条的波动 参数的决策 为此 ，本文设计如下算法过滤边缘波动信息来优化灰度阈值 在每生长 个像素点时重新计 元素 ：算已生长像素的标准差用于更新灰度阈值 为避免 （ 对二值图进行平行四边形检测 ， 中线两边与机电一体化金属零件直接成形熔积层轮廓识别与缺陷分析圓圓原始熔积层灰度图全局区域生长结果—图 处捕获初始种子点的二次区域生长结果‘ 圓—‘‘图桥接判断示意图图选种区间线条生长结果中线最接近的点视为可能的边界点 边缘提取 中线投影结果采用直线 变换提取出边缘中的直线元素标记每个直线元素的头尾点分别为头断点及尾断点 ，衔接时做两点判断 ：①将该直线元素的尾断点与其相邻直线元素头断点相连；若与图像横轴夹角 《 小 ， 则舍弃该直线元素 继而与下一个直线元素的头断点相连 ，进一步判 直线￡素 桥接结果断横轴夹角 ；图 熔积层边缘提取与过滤过程② 若该直线兀素与其相邻直线兀素夹角 较大， 则舍弃该直线元素， 继而与下一个直线元素做同 处， 十算宽度时需要被忽略。

样的比较缺陷定位及其形状特征分析若同时满足以上两点判断 ， 则采用数值微分 在确定熔积层区域后 ，采用基于最大熵的图像分法（ 算法）衔接断点 割方法将缺陷区提取出来 二维熵阈值分割方法基如图 左图中直线元素 与直线元素 不满 于二维直方图采用阈值对图像进行分割 二维直足判断 直线元素 被舍弃；右图中直线元素尾方图由图像像素的灰度值及该像素邻域的平均灰度断点与直线元素不满足判断 直线元素 被 值组成 对于熔积层正常表面而言， 其明暗变化连续舍弃 均匀 二维熵值变化微弱 ；当出现缺陷区域时 ， 由于灰本文将 、 的阈值设定为 即 度变化剧烈 熵值会发生较大变化 利用最大熵阈值法进行缺陷区域检测 ， 图像分割衔接结果如图所示 直线元素 、 、 由于不 的低阈值为 高阈值为 为进一步对缺陷区域满足判断要求而被舍弃 ， 这些地方即为突边及缺陷 的形状进行分析 ， 需要提取其边缘线 ，本文利用外梯机电一体化—、，“隨度函数提取缺陷边缘 采用 的结构元素对分割 表 熔积层宽度检测误差分析结果进行膨胀算法 ， 继而用膨胀后的图像减去源图 位置 像素宽度 计算宽度 实际宽度误差像，结果如图 所示图 缺陷区域定位效果图为对缺陷区域进行有效修复 ，需要对缺陷的位置及形状特征进行描述。

本文采用粒子测量法求取缺 图所示的 个熔积层缺陷区域 ， 其对应的位置及形陷区域质心 作为缺陷定位坐标点 ’ 以面积 作为是 状参数见表 否需要修复的判断依据 ， 以圆度和伸长率 作为 表 熔积层缺陷定位及形状误差分析选择修复方式的依据 当缺陷区域被判定为近圆状项目 目标点 目标点 目标点时采用点焊修复 ； 当缺陷区域被判定为呈长条状时 ’爆枪以最大 直径方向为行走轨迹进行修复质心腿厂’ ，实测点算法精度与实验评价 坐标 误差！用 扫描熔积层表面， 通过基于上述步骤开计算值发的图像处理算法对溶积层宽度和焊道缺陷进行监 面积 测量值测 ，计算熔积层宽度及缺陷的位置形状信息 将提取误差结果和实测值进行比较 ， 以验证上述算法形状 圆度 丨首先对 进行标定 当 拍摄距离为 《 参数 伸长率时， 求得起点脚 经图像处理得到熔积层边缘如图 所示直径 终点本实验误差主要来源于如下几个方面：几何模型引入误差 由于 摄像机视阈较小、视距较短本文未考虑镜头畸变对成像的影响 ， 由此引入了 摄像机的畸变误差标定误差 本文近似认为像素点对应的实际距离与物距呈正比 ， 而实际上像素点偏离光轴越图溶积层轮廊提取结果远，测量偏差越大。

由于该熔积层方向与数字图 轴平行 根据熔 （ 外部光照环境变化 算法的进行依赖于图像积层像素宽度可求得熔积层实际宽度 取等距的明暗变化本文的实验环境并非严格的均匀稳定的光个位置对其宽度进行实际测量 ， 与算法提取结果比 环胃较 其数据如表 所示 结束语对如图 所示熔积层进行缺陷检测 ， 遍历起始 提出的二次区域生长方法能准确识别熔积层边点相对于宽度区间各向内偏移 个像素点， 检测到如 （ 下转第： 页）丨机电一体化电压无功综合控制装置的硬件设计或 位 变换，可用中断方式设置 的中断屏 以开关量的形式输出到外部控制电路 以控制变压器蔽寄存器，并开中断 ， 当转换完成时 ，程序跳入相应的 分接头的升 降和补偿电容器组的投 切 ，达到变电站中断服务程序中 ； 也可以采用 方式 ， 它不用 自动进行电压和无功综合调控的 目的 本设计输出干涉 其转换结果自动地移至指定的内存单元 可通 开关量包括用于控制主变分接头调节的开关量 （ 升过硬软件完成采样保持、多路开关和 转换等功 压、降压、急停） 和控制 组电容器投切的开关量能 ， 以实现对模拟量的采样 人机接口单元负担装置与运行人员和操作人员其他电路简介之间的信息交换工作。

友好的人机接口对于装置的单片机在测得变电站电压和无功后 参照变电站 使用和维护者是非常重要的 ，此单元包括指示灯、键当前运行情况 ， 综合考虑变电站当前的运行方式、运 盘、液晶显示和通信口等行参数、分接头位置和各组电容器投切历史及低电 结束语压侧母线电压水平、负载情况等诸多因素采用改进 本课题针对当前节省能源 、提髙供电质量和变电的九区图法控制策略 把获得的最优调控策略以数字 站自动化水平具有很大的经济效益和社会效益等现量的形式向外部控制电路输出去以控制变压器分接 实，设计了一种电压无功综合控制装置 该装置通过头的升 降和补偿电容器组的投 切 ，达到控制变电站检测电压无功 ，根据一定的控制策略对有载调压变压电压和无功的目的 器的分接头开关和电容器组进行自动控制 作为一所以 本系统中 除了有采样模块的输入和与上位 个完整的单片机控制系统 本设计具有较强的通用性机的通信有输入输出外，还有表征变压器分接头位 和可移植性 ，除了进行电压无功控制 ，本装置只需对置、补偿电容器组己投 切数的开关量的输入和表征调软件进行一定的修改 ，就可较好地移植到其他电力测控策略的开关量的输出 开关量取自相应设备的辅助 控系统中 ，如电压控制、无功控制、断路器控制等。

常开接点， 用于识别现场开关的状态，主要是各开关、‘刀闸的状态和各种控制、闭锁信号 以及变压器当前分接 参 考 文 献头位置信号 在本设计中 ，需要输入的开关量有 个低 霍锦强 型电压无功综合控制装置 电力压侧断路器、 个低压母线断路器、电容器组断路器和隔系统自动化离刀闸 、主变分接头档位信号、继电保护信号等梁晨 自动投切电容器装置技术的研究⑴ 电力电容在得到最优控制策略后 就应该把最优控制策略 ’上接第 页）缘 实时快速计算溶积层宽度 开发的基于微小直线〗元素的衔接算法能有效过滤掉熔积层边缘噪声 ， 同时熔积层宽度误差小于 这种算法作为一种抗干扰技术对于光电信号去噪也有启发意义 开发了定位飾鸦 ’ 邱立朋 ’龍满 ’等 金属零件溶积成形过程形缺陷区域及求職職赃細難，侧丨了贿策‘“略和实施快速修复提供了基础‘、 ：—参 考 文 献海侠 熊震宇 图像处理在机器人焊缝识别中的应用张海鸥 ， 王超 ，胡邦友， 等 金属零件直接快速制造技术 光电技术应用 ， ；及发展趋势 航空制造技术， 曹建农 图像分割的熵方法综述 模式识别与人工智能机电一体化力。