专利名称：拉伸铝合金板表面裂纹立体视觉在线检测方法
技术领域：
本发明涉及一种板材应力、裂纹几何尺寸检测技术，特别涉及一种基于计算机视觉的拉伸铝板表面裂纹在线检测方法。
背景技术：
在板带材拉伸加工中，待加工板材质量缺陷、夹持条件、拉伸工艺参数等因素，都会造成板带材表面裂纹。其不仅决定着成品的质量，还可能导致严重的断带事故，损坏拉伸设备，并威胁生产人员的人身安全，因此需要实时的严格监控表面裂纹的发展情况，及时调整工艺参数，保障生产的顺利进行。目前表面裂纹的检测主要分为主动、被动两种方法。主动检测法是人为给系统外界激励，通过测量系统响应进行系统状态的分析，目前具有代表的技术有声发射裂纹检测技术、振动模态检测技术、利用裂纹电磁特性的检测技术；被动检测法是利用系统自身信号进行系统状态的分析，主要通过可见光、红外图像进行检测。由于在生产条件下，加工设备自身的振动、电磁干扰等会通过多种途径耦合进主动检测系统的激励信号和数据采集信号中，能够显著降低裂纹测量精度，且可能无法对小型裂纹进行检测；而被动检测技术目前主要通过使用诸如小波分析、神经网络等图像处理识别方法检测裂纹，更偏重于解决某区域内裂纹的“有”、“无”问题，而无法给出裂纹的几何尺寸信息，而此恰恰为调整拉伸工艺参数的关键依据。例如多数金属板材的断裂表现为塑性断裂，即裂纹长度小于失稳扩展临界值时，处于可控的稳态扩展阶段，及时调整拉伸参数可避免裂纹在加工完成前达到失稳扩展的临界长度，进而避免断带事故的发生，提高成品率。对裂纹几何尺寸的测量，可利用立体视觉原理有效的解决。其基本原理是采用双 CCD相机构成立体视觉系统，由被测点在两相机所成图像上的坐标，可以解出此点的空间位置坐标。通过测量裂纹上任意点的空间坐标，即可获得其长度信息；通过利用拍摄图像的时间信息，可以进一步获取裂纹的扩展速度信息。但要进行立体视觉的测量需要首先对相机参数进行标定，即获取相机的内部参数(焦距、像素间物理距离等信息)和在某坐标系中的位置参数(包括旋转参数矩阵和平移向量)。虽目前已有多种相机定标算法，但仍需针对实际的生产条件，发开简便、准确的定标算法，并实现定标过程的自动化，同时通过改进CCD 相机的硬件，提高相机抗振动等干扰的能力，提高可靠性。因此，急需一种能预测拉伸铝合金板表面断带事故的发生并能适时调整拉伸工艺参数的在线检测方法。
发明内容
有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提出利用视觉原理来测量拉伸铝合金板表面裂纹的在线检测方法。本发明的目的是提出一种拉伸铝合金板表面裂纹立体视觉在线检测方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的
本发明提供的拉伸铝合金板表面裂纹立体视觉在线检测方法，包括以下步骤Sl 设置视觉测量装置并自动定标和获取该视觉测量装置中的相机内部参数；S2 通过视觉测量装置采集图像；S3 通过采集图像判断是否已建立检测点，如果是，则转入步骤S5进行；S4 如果否，则根据表面纹理自动建立检测点；S5 通过板材表面纹理信息自动识别、确定检测点，测量各检测点当前位置坐标；S6:根据各检测点初始、当前位置坐标，计算各检测点在板材拉抻变形过程中随表面材料移动的距离，并将测得的各检测点的位移传入区域应力测量模块计算区域应力分布；S7:检测区域裂纹，根据区域应力分布确定出现裂纹的区域，并对已出现的裂纹进行危险性评估S8 判断是否完成拉伸，如果否，则确定并调整拉伸工艺参数，并返回步骤S2 ；S9 如果是，则结束在线检测。进一步所述步骤Sl中视觉测量装置自动定标过程具体包括以下步骤Sll 将视觉测量装置放于定标数据输出液晶显示屏前；S12 所述液晶显示屏输出用于焦距调节的图像，所述视觉测量装置中的C⑶相机根据调焦图像自动完成对焦；S13 输出按定标算法处理的定标图像，并通过视觉测量装置对每副定标图像进行采集和处理；S14:通过采集的系列图像计算C⑶相机的内部参数，并传进视觉测量装置中保存。进一步所述区域应力测量采用以下方法来计算S61 联接相邻多个检测点，划分整个监测区域并形成有限个非重叠子区域，将每个子区域作为网格并构成位移插值函数；S62 根据位移插值函数，用网格顶点位移构建网格区域内的应变方程；S63:由视觉测量装置测得各网格顶点位移值，并根据网格顶点位移建立的应变方程，获得网格内的应变分布。进一步所述裂纹检测模块中的裂纹评估通过以下方法来进行计算S71 确定裂纹扩展时的临界平衡；S72 确定裂纹稳定扩展力曲线；S73 根据裂纹扩展时的临界平衡和裂纹稳定扩展力曲线评估当前裂纹危险程度。进一步所述裂纹评估流程通过以下方法来进行S731 获取加工板材力学参数和几何尺寸信息，计算板材中发生失稳裂纹的极限长度Bmax，采用以下公式来计算裂纹失稳扩展的判别阈值a' max = α · aamax,其中，α为安全系数α e (01], a' max作为裂纹失稳扩展的判别阈值；S732 获取加工板材力学参数和几何尺寸信息，并建立曲线方程R(Aa)；S733 检测区域内是否有裂纹产生；如果裂纹出现，则确定裂纹长度a ；S734 根据裂纹长度a与a' _的关系，进行裂纹危险等级评估；
S735 根据裂纹危险等级，采取相应的对策处理；S736 返回S72循环执行直到完成拉伸操作。进一步所述步骤S734裂纹危险等级评估，包括以下具体步骤S7341:如果a彡a' _时，则当前裂纹为最危险的程度，定为1级；S7342:如果a<a' max时，则获取当前拉伸应力δ、当前板材拉伸率和设定拉伸率数据，并计算由此阶段至拉伸完成阶段必需的最小拉伸应力S min ；S7343 根据最小拉伸应力δ min判断当前裂纹是否能在完成拉伸前发展到失稳扩展长度，如果能，则定为2级；表如果不能，则定位3级；如果未监测到裂纹时，定为4级；进一步所述步骤S735采取相应的对策处理，具体步骤如下S7351 如果为1级紧急停止拉伸；S7352 如果为2级发出预警，调用拉伸工艺参数模块，确定当前情况下可能的最大拉伸量及相关拉伸工艺参数，重点监测裂纹；S7353 如果为3级重点监测裂纹发展情况，调用拉伸工艺参数确定模块计算新拉伸参数；S7354 如果为4级系统未监测到裂纹，但保持监测。进一步所述拉伸工艺参数确定是根据通过下述方法来设定最优化指标，进而确定出相应的拉伸应力加载曲线，并同时不使裂纹产生进一步的扩展S81 选取裂纹动态起始扩展判据；S82 确定使裂纹保持稳定的外应力曲线族δ (t)；S83 设定最优化指标，采用最快加工时间、裂纹不扩展时板材最大拉伸量；S84:在外应力曲线族δ (t)中确定使设定最优化指标的应力加载曲线δ。α)， δ0ω即为最优化拉伸应力加载参数。本发明的优点在于本发明利用计算机视觉技术，实现了对拉伸板表面裂纹产生、 发展情况的在线监测，通过测得的裂纹长度信息，根据材料力学参数及断裂理论，评估、预测裂纹对拉伸加工的影响，并通过适时调整拉伸工艺参数预防断带事故的发生，还具有以下优点(1)采用双CCD相机的视觉测量装置及其配套的相机参数标定算法，实现板材表面裂纹几何尺寸的实时测量。装置中2台CCD相机相对位置固定，相机参数标定仅需进行一次，保证装置的可靠性和易用性。(2)利用视觉系统对板材局部区域应力水平进行评测，通过板材监测区域表面的纹理特征，能自动标识出若干检测点，在板材拉伸时，可以通过视觉系统实时测量各检测点位移情况，并根据应力-位移方程估计区域内应力水平，再根据断裂理论预测裂纹出现时间及区域，评估当前拉伸参数下断带发生几率。(3)根据监测区域应力水平、裂纹长度可以确定最佳拉伸工艺参数，将裂纹长度控制在失稳临界扩展长度以内，这样就可以通过降低材料内部应力水平、应力加载速率等方法可能使裂纹处于稳定状态或缓慢扩展状态；而当裂纹长度接近失稳扩展临界值时，可及时作出预警，以此避免断带事故的发生。本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中图1是双CXD相机的视觉测量装置原理示意图；图2是相机自动定标原理图；图3是对区域应力水平、裂纹几何信息的测量检测原理图；图4是用于测量板材区域应力水平的算法原理图；图5是本系统的工作流程图。
具体实施例方式以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。图1是双CXD相机的视觉测量装置原理示意图，图2是相机自动定标原理图，图3 是对区域应力水平、裂纹几何信息的测量监测原理图，图4是用于评测板材局部区域应力水平的算法原理图，如图所示本发明提供的拉伸铝合金板表面裂纹视觉在线检测系统，包括视觉测量装置、区域应力测量模块、裂纹检测模块、拉伸工艺参数确定模块和控制模块；视觉测量装置，用于通过视觉测量装置实时测量板材表面若干检测点的位移信息，检测点由视觉测量装置获取的拉伸板表面纹理图像自动识别、确定；区域应力测量模块，用于处理由视觉测量装置获取的板材表面各检测点位移信息，以获取板材监测区域应力分布；裂纹检测模块，用于利用视觉测量装置、区域应力测量模块获取的检测点位移和区域应力分布信息，预测、监控裂纹的产生、扩展；拉伸工艺参数确定模块，用于根据监测区域应力水平、裂纹信息确定拉伸工艺参数；控制模块，用于存储当前加工板材力学、尺寸信息；管理拉伸工艺参数并控制拉伸设备。管理包括获取、共享和修改工艺参数。视觉测量装置1包括2台CXD相机((XD数码相机12和CXD数码相机11 、电源及控制信号和数据I/O接口 5，所述CCD相机设置有自动标定模块，所述自动标定模块用于自动计算CCD相机参数以进行板材表面检测点位移的测量。自动标定模块、区域应力测量模块、裂纹检测模块、拉伸工艺参数确定模块和控制模块均通过上位机6来计算和控制，其中相机定标用图像用来相机定标用图像7进行，在板材表面设置监测区域8，该监测区域8 选取三个监测点作为A监测点、B监测点和C监测点，然后通过区域应力测量模块来检测板材表面监测区域8中的监测点10位移信息，以获取板材监测区域应力分布，同时获取检测板材表面是否有裂纹9。所述视觉测量装置还包括照明光源4，所述照明光源4用于为CXD 相机拍摄视频图像所需要的光源。图5为本发明基本工作流程，具体步骤方法为
Sl 设置视觉测量装置并自动定标和获取该视觉测量装置中的相机内部参数；由透镜成像原理可得如下的CXD相机成像方程
权利要求
1.拉伸铝合金板表面裂纹立体视觉在线检测方法，其特征在于包括以下步骤51设置视觉测量装置并自动定标和获取该视觉测量装置中的相机内部参数；52通过视觉测量装置采集图像；53通过采集图像判断是否已建立检测点，如果是，则转入步骤S5进行；54如果否，则根据表面纹理自动建立检测点；55通过板材表面纹理信息自动识别、确定检测点，测量各检测点当前位置坐标；56根据各检测点初始、当前位置坐标，计算各检测点在板材拉抻变形过程中随表面材料移动的距离，并将测得的各检测点的位移传入区域应力测量模块计算区域应力分布；S7:检测区域裂纹，根据区域应力分布确定出现裂纹的区域，并对已出现的裂纹进行危险性评估S8 判断是否完成拉伸，如果否，则确定并调整拉伸工艺参数，并返回步骤S2 ；S9:如果是，则结束在线检测。
2.根据权利要求1所述的拉伸铝合金板表面裂纹立体视觉在线检测方法，其特征在于所述步骤Sl中视觉测量装置自动定标过程具体包括以下步骤511将视觉测量装置放于定标数据输出液晶显示屏前；512所述液晶显示屏输出用于焦距调节的图像，所述视觉测量装置中的CCD相机根据调焦图像自动完成对焦；513输出按定标算法处理的定标图像，并通过视觉测量装置对每副定标图像进行采集和处理；S14:通过采集的系列图像计算CCD相机的内部参数，并传进视觉测量装置中保存。
3.根据权利要求1所述的拉伸铝合金板表面裂纹立体视觉在线检测方法，其特征在于所述区域应力测量采用以下方法来计算561联接相邻多个检测点，划分整个监测区域并形成有限个非重叠子区域，将每个子区域作为网格并构成位移插值函数；562根据位移插值函数，用网格顶点位移构建网格区域内的应变方程；S63:由视觉测量装置测得各网格顶点位移值，并根据网格顶点位移建立的应变方程， 获得网格内的应变分布。
4.根据权利要求1所述的拉伸铝合金板表面裂纹立体视觉在线检测方法，其特征在于所述裂纹检测模块中的裂纹评估通过以下方法来进行计算571确定裂纹扩展时的临界平衡；572确定裂纹稳定扩展力曲线；573根据裂纹扩展时的临界平衡和裂纹稳定扩展力曲线评估当前裂纹危险程度。
5.根据权利要求1所述的拉伸铝合金板表面裂纹立体视觉在线检测方法，其特征在于所述裂纹评估流程通过以下方法来进行5731获取加工板材力学参数和几何尺寸信息，计算板材中发生失稳裂纹的极限长度 amax，采用以下公式来计算裂纹失稳扩展的判别阈值ο ‘= Q · οc^ maxctIiiax，其中，α为安全系数α e (0 l]，a' max作为裂纹失稳扩展的判别阈值；5732获取加工板材力学参数和几何尺寸信息，并建立曲线方程R(Aa)；5733检测区域内是否有裂纹产生；如果裂纹出现，则确定裂纹长度a ；5734根据裂纹长度a与a' _的关系，进行裂纹危险等级评估；5735根据裂纹危险等级，采取相应的对策处理；5736返回S72循环执行直到完成拉伸操作。
6.根据权利要求1所述的拉伸铝合金板表面裂纹立体视觉在线检测方法，其特征在于所述步骤S734裂纹危险等级评估，包括以下具体步骤S7341 如果a > a' max时，则当前裂纹为最危险的程度，定为1级；S7342:如果a<a' max时，则获取当前拉伸应力δ、当前板材拉伸率和设定拉伸率数据，并计算由此阶段至拉伸完成阶段必需的最小拉伸应力Smin ；S7343 根据最小拉伸应力Smin判断当前裂纹是否能在完成拉伸前发展到失稳扩展长度，如果能，则定为2级；表如果不能，则定位3级；如果未监测到裂纹时，定为4级。
7.根据权利要求1所述的拉伸铝合金板表面裂纹立体视觉在线检测方法，其特征在于所述步骤S735采取相应的对策处理，具体步骤如下57351如果为1级紧急停止拉伸；57352如果为2级发出预警，调用拉伸工艺参数模块，确定当前情况下可能的最大拉伸量及相关拉伸工艺参数，重点监测裂纹；57353如果为3级重点监测裂纹发展情况，调用拉伸工艺参数确定模块计算新拉伸参数；57354如果为4级系统未监测到裂纹，但保持监测。
8.根据权利要求1所述的拉伸铝合金板表面裂纹立体视觉在线检测方法，其特征在于所述拉伸工艺参数确定是根据通过下述方法来设定最优化指标，进而确定出相应的拉伸应力加载曲线，并同时不使裂纹产生进一步的扩展581选取裂纹动态起始扩展判据；582确定使裂纹保持稳定的外应力曲线族δ (t)；583设定最优化指标，采用最快加工时间、裂纹不扩展时板材最大拉伸量；S84:在外应力曲线族δ (t)中确定使设定最优化指标的应力加载曲线δ。α)，50(t) 即为最优化拉伸应力加载参数。
全文摘要
本发明公开了一种拉伸铝合金板表面裂纹立体视觉在线检测方法。该视觉测量方法采用2台CCD相机，固联于设备上以保持其相对位置参数不变，2台相机参数的定标操作由配套的定标程序自动完成，相机的焦距参数由专门的精密机电系统控制及输出，能够实现小物体空间坐标信息的精密测量；在此基础上，提出了基于表面纹理特征点(检测点)位移量的区域应力和裂纹长度实时测量算法。所测得的应力水平、裂纹长度信息，结合裂纹扩展理论，能够实现裂纹威胁评估及行为预测，并可确定最优拉伸工艺参数，避免拉伸过程中断带事故的发生，保障设备及生产人员的安全，提高产品良品率，在板材加工领域有着广泛的应用前景。
文档编号G01N21/88GK102565072SQ20111045578
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者丁华锋, 朱才朝, 李大峰, 王德麾, 蔡奎 申请人:重庆大学