專利名稱：拉伸鋁合金板表面裂紋立體視覺在線檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種板材應力、裂紋幾何尺寸檢測技術，特別涉及一種基于計算機視覺的拉伸鋁板表面裂紋在線檢測方法。
背景技術：
在板帶材拉伸加工中，待加工板材質量缺陷、夾持條件、拉伸工藝參數等因素，都會造成板帶材表面裂紋。其不僅決定著成品的質量，還可能導致嚴重的斷帶事故，損壞拉伸設備，并威脅生產人員的人身安全，因此需要實時的嚴格監(jiān)控表面裂紋的發(fā)展情況，及時調整工藝參數，保障生產的順利進行。目前表面裂紋的檢測主要分為主動、被動兩種方法。主動檢測法是人為給系統(tǒng)外界激勵，通過測量系統(tǒng)響應進行系統(tǒng)狀態(tài)的分析，目前具有代表的技術有聲發(fā)射裂紋檢測技術、振動模態(tài)檢測技術、利用裂紋電磁特性的檢測技術；被動檢測法是利用系統(tǒng)自身信號進行系統(tǒng)狀態(tài)的分析，主要通過可見光、紅外圖像進行檢測。由于在生產條件下，加工設備自身的振動、電磁干擾等會通過多種途徑耦合進主動檢測系統(tǒng)的激勵信號和數據采集信號中，能夠顯著降低裂紋測量精度，且可能無法對小型裂紋進行檢測；而被動檢測技術目前主要通過使用諸如小波分析、神經網絡等圖像處理識別方法檢測裂紋，更偏重于解決某區(qū)域內裂紋的“有”、“無”問題，而無法給出裂紋的幾何尺寸信息，而此恰恰為調整拉伸工藝參數的關鍵依據。例如多數金屬板材的斷裂表現為塑性斷裂，即裂紋長度小于失穩(wěn)擴展臨界值時，處于可控的穩(wěn)態(tài)擴展階段，及時調整拉伸參數可避免裂紋在加工完成前達到失穩(wěn)擴展的臨界長度，進而避免斷帶事故的發(fā)生，提高成品率。對裂紋幾何尺寸的測量，可利用立體視覺原理有效的解決。其基本原理是采用雙 CCD相機構成立體視覺系統(tǒng)，由被測點在兩相機所成圖像上的坐標，可以解出此點的空間位置坐標。通過測量裂紋上任意點的空間坐標，即可獲得其長度信息；通過利用拍攝圖像的時間信息，可以進一步獲取裂紋的擴展速度信息。但要進行立體視覺的測量需要首先對相機參數進行標定，即獲取相機的內部參數(焦距、像素間物理距離等信息)和在某坐標系中的位置參數(包括旋轉參數矩陣和平移向量)。雖目前已有多種相機定標算法，但仍需針對實際的生產條件，發(fā)開簡便、準確的定標算法，并實現定標過程的自動化，同時通過改進CCD 相機的硬件，提高相機抗振動等干擾的能力，提高可靠性。因此，急需一種能預測拉伸鋁合金板表面斷帶事故的發(fā)生并能適時調整拉伸工藝參數的在線檢測方法。

發(fā)明內容
有鑒于此，為了解決上述問題，本發(fā)明提出利用視覺原理來測量拉伸鋁合金板表面裂紋的在線檢測方法。本發(fā)明的目的是提出一種拉伸鋁合金板表面裂紋立體視覺在線檢測方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現的
本發(fā)明提供的拉伸鋁合金板表面裂紋立體視覺在線檢測方法，包括以下步驟Sl 設置視覺測量裝置并自動定標和獲取該視覺測量裝置中的相機內部參數；S2 通過視覺測量裝置采集圖像；S3 通過采集圖像判斷是否已建立檢測點，如果是，則轉入步驟S5進行；S4 如果否，則根據表面紋理自動建立檢測點；S5 通過板材表面紋理信息自動識別、確定檢測點，測量各檢測點當前位置坐標；S6:根據各檢測點初始、當前位置坐標，計算各檢測點在板材拉抻變形過程中隨表面材料移動的距離，并將測得的各檢測點的位移傳入區(qū)域應力測量模塊計算區(qū)域應力分布；S7:檢測區(qū)域裂紋，根據區(qū)域應力分布確定出現裂紋的區(qū)域，并對已出現的裂紋進行危險性評估S8 判斷是否完成拉伸，如果否，則確定并調整拉伸工藝參數，并返回步驟S2 ；S9 如果是，則結束在線檢測。進一步所述步驟Sl中視覺測量裝置自動定標過程具體包括以下步驟Sll 將視覺測量裝置放于定標數據輸出液晶顯示屏前；S12 所述液晶顯示屏輸出用于焦距調節(jié)的圖像，所述視覺測量裝置中的C⑶相機根據調焦圖像自動完成對焦；S13 輸出按定標算法處理的定標圖像，并通過視覺測量裝置對每副定標圖像進行采集和處理；S14:通過采集的系列圖像計算C⑶相機的內部參數，并傳進視覺測量裝置中保存。進一步所述區(qū)域應力測量采用以下方法來計算S61 聯接相鄰多個檢測點，劃分整個監(jiān)測區(qū)域并形成有限個非重疊子區(qū)域，將每個子區(qū)域作為網格并構成位移插值函數；S62 根據位移插值函數，用網格頂點位移構建網格區(qū)域內的應變方程；S63:由視覺測量裝置測得各網格頂點位移值，并根據網格頂點位移建立的應變方程，獲得網格內的應變分布。進一步所述裂紋檢測模塊中的裂紋評估通過以下方法來進行計算S71 確定裂紋擴展時的臨界平衡；S72 確定裂紋穩(wěn)定擴展力曲線；S73 根據裂紋擴展時的臨界平衡和裂紋穩(wěn)定擴展力曲線評估當前裂紋危險程度。進一步所述裂紋評估流程通過以下方法來進行S731 獲取加工板材力學參數和幾何尺寸信息，計算板材中發(fā)生失穩(wěn)裂紋的極限長度Bmax，采用以下公式來計算裂紋失穩(wěn)擴展的判別閾值a' max = α · aamax,其中，α為安全系數α e (01], a' max作為裂紋失穩(wěn)擴展的判別閾值；S732 獲取加工板材力學參數和幾何尺寸信息，并建立曲線方程R(Aa)；S733 檢測區(qū)域內是否有裂紋產生；如果裂紋出現，則確定裂紋長度a ；S734 根據裂紋長度a與a' _的關系，進行裂紋危險等級評估；
S735 根據裂紋危險等級，采取相應的對策處理；S736 返回S72循環(huán)執(zhí)行直到完成拉伸操作。進一步所述步驟S734裂紋危險等級評估，包括以下具體步驟S7341:如果a彡a' _時，則當前裂紋為最危險的程度，定為1級；S7342:如果a<a' max時，則獲取當前拉伸應力δ、當前板材拉伸率和設定拉伸率數據，并計算由此階段至拉伸完成階段必需的最小拉伸應力S min ；S7343 根據最小拉伸應力δ min判斷當前裂紋是否能在完成拉伸前發(fā)展到失穩(wěn)擴展長度，如果能，則定為2級；表如果不能，則定位3級；如果未監(jiān)測到裂紋時，定為4級；進一步所述步驟S735采取相應的對策處理，具體步驟如下S7351 如果為1級緊急停止拉伸；S7352 如果為2級發(fā)出預警，調用拉伸工藝參數模塊，確定當前情況下可能的最大拉伸量及相關拉伸工藝參數，重點監(jiān)測裂紋；S7353 如果為3級重點監(jiān)測裂紋發(fā)展情況，調用拉伸工藝參數確定模塊計算新拉伸參數；S7354 如果為4級系統(tǒng)未監(jiān)測到裂紋，但保持監(jiān)測。進一步所述拉伸工藝參數確定是根據通過下述方法來設定最優(yōu)化指標，進而確定出相應的拉伸應力加載曲線，并同時不使裂紋產生進一步的擴展S81 選取裂紋動態(tài)起始擴展判據；S82 確定使裂紋保持穩(wěn)定的外應力曲線族δ (t)；S83 設定最優(yōu)化指標，采用最快加工時間、裂紋不擴展時板材最大拉伸量；S84:在外應力曲線族δ (t)中確定使設定最優(yōu)化指標的應力加載曲線δ。α)， δ0ω即為最優(yōu)化拉伸應力加載參數。本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明利用計算機視覺技術，實現了對拉伸板表面裂紋產生、 發(fā)展情況的在線監(jiān)測，通過測得的裂紋長度信息，根據材料力學參數及斷裂理論，評估、預測裂紋對拉伸加工的影響，并通過適時調整拉伸工藝參數預防斷帶事故的發(fā)生，還具有以下優(yōu)點(1)采用雙CCD相機的視覺測量裝置及其配套的相機參數標定算法，實現板材表面裂紋幾何尺寸的實時測量。裝置中2臺CCD相機相對位置固定，相機參數標定僅需進行一次，保證裝置的可靠性和易用性。(2)利用視覺系統(tǒng)對板材局部區(qū)域應力水平進行評測，通過板材監(jiān)測區(qū)域表面的紋理特征，能自動標識出若干檢測點，在板材拉伸時，可以通過視覺系統(tǒng)實時測量各檢測點位移情況，并根據應力-位移方程估計區(qū)域內應力水平，再根據斷裂理論預測裂紋出現時間及區(qū)域，評估當前拉伸參數下斷帶發(fā)生幾率。(3)根據監(jiān)測區(qū)域應力水平、裂紋長度可以確定最佳拉伸工藝參數，將裂紋長度控制在失穩(wěn)臨界擴展長度以內，這樣就可以通過降低材料內部應力水平、應力加載速率等方法可能使裂紋處于穩(wěn)定狀態(tài)或緩慢擴展狀態(tài)；而當裂紋長度接近失穩(wěn)擴展臨界值時，可及時作出預警，以此避免斷帶事故的發(fā)生。本發(fā)明的其它優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其它優(yōu)點可以通過下面的說明書，權利要求書，以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。


為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，其中圖1是雙CXD相機的視覺測量裝置原理示意圖；圖2是相機自動定標原理圖；圖3是對區(qū)域應力水平、裂紋幾何信息的測量檢測原理圖；圖4是用于測量板材區(qū)域應力水平的算法原理圖；圖5是本系統(tǒng)的工作流程圖。
具體實施例方式以下將結合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述；應當理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。圖1是雙CXD相機的視覺測量裝置原理示意圖，圖2是相機自動定標原理圖，圖3 是對區(qū)域應力水平、裂紋幾何信息的測量監(jiān)測原理圖，圖4是用于評測板材局部區(qū)域應力水平的算法原理圖，如圖所示本發(fā)明提供的拉伸鋁合金板表面裂紋視覺在線檢測系統(tǒng)，包括視覺測量裝置、區(qū)域應力測量模塊、裂紋檢測模塊、拉伸工藝參數確定模塊和控制模塊；視覺測量裝置，用于通過視覺測量裝置實時測量板材表面若干檢測點的位移信息，檢測點由視覺測量裝置獲取的拉伸板表面紋理圖像自動識別、確定；區(qū)域應力測量模塊，用于處理由視覺測量裝置獲取的板材表面各檢測點位移信息，以獲取板材監(jiān)測區(qū)域應力分布；裂紋檢測模塊，用于利用視覺測量裝置、區(qū)域應力測量模塊獲取的檢測點位移和區(qū)域應力分布信息，預測、監(jiān)控裂紋的產生、擴展；拉伸工藝參數確定模塊，用于根據監(jiān)測區(qū)域應力水平、裂紋信息確定拉伸工藝參數；控制模塊，用于存儲當前加工板材力學、尺寸信息；管理拉伸工藝參數并控制拉伸設備。管理包括獲取、共享和修改工藝參數。視覺測量裝置1包括2臺CXD相機((XD數碼相機12和CXD數碼相機11 、電源及控制信號和數據I/O接口 5，所述CCD相機設置有自動標定模塊，所述自動標定模塊用于自動計算CCD相機參數以進行板材表面檢測點位移的測量。自動標定模塊、區(qū)域應力測量模塊、裂紋檢測模塊、拉伸工藝參數確定模塊和控制模塊均通過上位機6來計算和控制，其中相機定標用圖像用來相機定標用圖像7進行，在板材表面設置監(jiān)測區(qū)域8，該監(jiān)測區(qū)域8 選取三個監(jiān)測點作為A監(jiān)測點、B監(jiān)測點和C監(jiān)測點，然后通過區(qū)域應力測量模塊來檢測板材表面監(jiān)測區(qū)域8中的監(jiān)測點10位移信息，以獲取板材監(jiān)測區(qū)域應力分布，同時獲取檢測板材表面是否有裂紋9。所述視覺測量裝置還包括照明光源4，所述照明光源4用于為CXD 相機拍攝視頻圖像所需要的光源。圖5為本發(fā)明基本工作流程，具體步驟方法為
Sl 設置視覺測量裝置并自動定標和獲取該視覺測量裝置中的相機內部參數；由透鏡成像原理可得如下的CXD相機成像方程
權利要求
1.拉伸鋁合金板表面裂紋立體視覺在線檢測方法，其特征在于包括以下步驟51設置視覺測量裝置并自動定標和獲取該視覺測量裝置中的相機內部參數；52通過視覺測量裝置采集圖像；53通過采集圖像判斷是否已建立檢測點，如果是，則轉入步驟S5進行；54如果否，則根據表面紋理自動建立檢測點；55通過板材表面紋理信息自動識別、確定檢測點，測量各檢測點當前位置坐標；56根據各檢測點初始、當前位置坐標，計算各檢測點在板材拉抻變形過程中隨表面材料移動的距離，并將測得的各檢測點的位移傳入區(qū)域應力測量模塊計算區(qū)域應力分布；S7:檢測區(qū)域裂紋，根據區(qū)域應力分布確定出現裂紋的區(qū)域，并對已出現的裂紋進行危險性評估S8 判斷是否完成拉伸，如果否，則確定并調整拉伸工藝參數，并返回步驟S2 ；S9:如果是，則結束在線檢測。
2.根據權利要求1所述的拉伸鋁合金板表面裂紋立體視覺在線檢測方法，其特征在于所述步驟Sl中視覺測量裝置自動定標過程具體包括以下步驟511將視覺測量裝置放于定標數據輸出液晶顯示屏前；512所述液晶顯示屏輸出用于焦距調節(jié)的圖像，所述視覺測量裝置中的CCD相機根據調焦圖像自動完成對焦；513輸出按定標算法處理的定標圖像，并通過視覺測量裝置對每副定標圖像進行采集和處理；S14:通過采集的系列圖像計算CCD相機的內部參數，并傳進視覺測量裝置中保存。
3.根據權利要求1所述的拉伸鋁合金板表面裂紋立體視覺在線檢測方法，其特征在于所述區(qū)域應力測量采用以下方法來計算561聯接相鄰多個檢測點，劃分整個監(jiān)測區(qū)域并形成有限個非重疊子區(qū)域，將每個子區(qū)域作為網格并構成位移插值函數；562根據位移插值函數，用網格頂點位移構建網格區(qū)域內的應變方程；S63:由視覺測量裝置測得各網格頂點位移值，并根據網格頂點位移建立的應變方程， 獲得網格內的應變分布。
4.根據權利要求1所述的拉伸鋁合金板表面裂紋立體視覺在線檢測方法，其特征在于所述裂紋檢測模塊中的裂紋評估通過以下方法來進行計算571確定裂紋擴展時的臨界平衡；572確定裂紋穩(wěn)定擴展力曲線；573根據裂紋擴展時的臨界平衡和裂紋穩(wěn)定擴展力曲線評估當前裂紋危險程度。
5.根據權利要求1所述的拉伸鋁合金板表面裂紋立體視覺在線檢測方法，其特征在于所述裂紋評估流程通過以下方法來進行5731獲取加工板材力學參數和幾何尺寸信息，計算板材中發(fā)生失穩(wěn)裂紋的極限長度 amax，采用以下公式來計算裂紋失穩(wěn)擴展的判別閾值ο ‘= Q · οc^ maxctIiiax，其中，α為安全系數α e (0 l]，a' max作為裂紋失穩(wěn)擴展的判別閾值；5732獲取加工板材力學參數和幾何尺寸信息，并建立曲線方程R(Aa)；5733檢測區(qū)域內是否有裂紋產生；如果裂紋出現，則確定裂紋長度a ；5734根據裂紋長度a與a' _的關系，進行裂紋危險等級評估；5735根據裂紋危險等級，采取相應的對策處理；5736返回S72循環(huán)執(zhí)行直到完成拉伸操作。
6.根據權利要求1所述的拉伸鋁合金板表面裂紋立體視覺在線檢測方法，其特征在于所述步驟S734裂紋危險等級評估，包括以下具體步驟S7341 如果a > a' max時，則當前裂紋為最危險的程度，定為1級；S7342:如果a<a' max時，則獲取當前拉伸應力δ、當前板材拉伸率和設定拉伸率數據，并計算由此階段至拉伸完成階段必需的最小拉伸應力Smin ；S7343 根據最小拉伸應力Smin判斷當前裂紋是否能在完成拉伸前發(fā)展到失穩(wěn)擴展長度，如果能，則定為2級；表如果不能，則定位3級；如果未監(jiān)測到裂紋時，定為4級。
7.根據權利要求1所述的拉伸鋁合金板表面裂紋立體視覺在線檢測方法，其特征在于所述步驟S735采取相應的對策處理，具體步驟如下57351如果為1級緊急停止拉伸；57352如果為2級發(fā)出預警，調用拉伸工藝參數模塊，確定當前情況下可能的最大拉伸量及相關拉伸工藝參數，重點監(jiān)測裂紋；57353如果為3級重點監(jiān)測裂紋發(fā)展情況，調用拉伸工藝參數確定模塊計算新拉伸參數；57354如果為4級系統(tǒng)未監(jiān)測到裂紋，但保持監(jiān)測。
8.根據權利要求1所述的拉伸鋁合金板表面裂紋立體視覺在線檢測方法，其特征在于所述拉伸工藝參數確定是根據通過下述方法來設定最優(yōu)化指標，進而確定出相應的拉伸應力加載曲線，并同時不使裂紋產生進一步的擴展581選取裂紋動態(tài)起始擴展判據；582確定使裂紋保持穩(wěn)定的外應力曲線族δ (t)；583設定最優(yōu)化指標，采用最快加工時間、裂紋不擴展時板材最大拉伸量；S84:在外應力曲線族δ (t)中確定使設定最優(yōu)化指標的應力加載曲線δ。α)，50(t) 即為最優(yōu)化拉伸應力加載參數。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種拉伸鋁合金板表面裂紋立體視覺在線檢測方法。該視覺測量方法采用2臺CCD相機，固聯于設備上以保持其相對位置參數不變，2臺相機參數的定標操作由配套的定標程序自動完成，相機的焦距參數由專門的精密機電系統(tǒng)控制及輸出，能夠實現小物體空間坐標信息的精密測量；在此基礎上，提出了基于表面紋理特征點(檢測點)位移量的區(qū)域應力和裂紋長度實時測量算法。所測得的應力水平、裂紋長度信息，結合裂紋擴展理論，能夠實現裂紋威脅評估及行為預測，并可確定最優(yōu)拉伸工藝參數，避免拉伸過程中斷帶事故的發(fā)生，保障設備及生產人員的安全，提高產品良品率，在板材加工領域有著廣泛的應用前景。
文檔編號G01N21/88GK102565072SQ20111045578
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月30日 優(yōu)先權日2011年12月30日
發(fā)明者丁華鋒, 朱才朝, 李大峰, 王德麾, 蔡奎 申請人:重慶大學