Untuk mempelajari perubahan morfologi kolam cair selama pelapisan laser, sistem pemantauan daring untuk kolam cair pelapisan laser dibangun. Citra kolam cair diperoleh dengan perakitan koaksial kamera COMS dan peralatan laser. Berdasarkan analisis distribusi histogram skala abu-abu dari kolam cair, metode segmentasi ambang adaptif dari segmentasi ambang segitiga digunakan untuk menjadikan citra kolam cair sebagai biner. Tepi citra kolam cair diambil oleh operator Canny, dan panjang dan lebar area kolam cair diperoleh dengan algoritma persegi panjang terbatas minimum. Sembilan kelompok eksperimen ortogonal pelapisan lintasan tunggal dilakukan dengan baja 45 sebagai substrat dan baja tahan karat 420 sebagai bubuk pelapis. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa kesalahan rata-rata antara lebar kolam cair yang diukur di bawah sistem pemantauan dan lebar pelapisan aktual yang diukur di bawah mikroskop elektron adalah 4.5%, yang memverifikasi efektivitas sistem pemantauan visual. Analisis rentang lebar kolam lelehan yang diperoleh di bawah sistem pemantauan menunjukkan bahwa daya laser memiliki pengaruh terbesar pada lebar kolam lelehan, diikuti oleh kecepatan pemindaian, dan terakhir laju pengumpanan serbuk; lebar kolam lelehan meningkat seiring dengan peningkatan daya laser, dan menurun seiring dengan peningkatan kecepatan pemindaian dan laju pengumpanan serbuk. Informasi kolam lelehan dan aturan perubahan yang diperoleh oleh sistem pemantauan dapat digunakan sebagai variabel referensi untuk kontrol pelapisan laser secara real-time, yang menjadi dasar untuk kontrol loop tertutup pelapisan laser.

1. Latar belakang teknis

Sebagai teknologi pembentukan material yang canggih, pelapis laser bekerja dengan membentuk kolam cair bersuhu tinggi pada permukaan substrat melalui aksi sinar laser berenergi tinggi. Nosel mengangkut bubuk logam ke dalam kolam cair secara terarah, menjalani proses peleburan dan pemadatan, dan akhirnya memperoleh entitas pelapis yang diendapkan. Teknologi ini memiliki keunggulan unik dalam perbaikan komponen logam, pembuatan prototipe cepat, modifikasi permukaan, dan manufaktur aditif logam. Namun, proses pelapisan laser tidak stabil, dan ada perubahan yang jelas antara lapisan pelapis bahkan dengan parameter kerja yang sama. Reproduktifitas yang buruk ini disebabkan oleh fakta bahwa pelapisan laser sangat sensitif terhadap efek kecil dari parameter operasi (seperti daya laser, kecepatan pelapisan, dan laju pengumpanan bubuk), dan ada hubungan kopling yang kompleks antara parameter, sehingga ada batasan tertentu dalam pekerjaan aktual.

Untuk mendapatkan kualitas pelapisan yang lebih stabil, sangat penting untuk memantau proses pelapisan laser secara real time. Hong Lei dkk. [8] menggunakan sensor fotolistrik untuk memantau sinyal cahaya biru-ungu plasma yang dihasilkan selama proses pelapisan laser, menganalisis hubungan antara parameter proses yang berbeda dan sinyal intensitas cahaya, dan memperoleh rentang sinyal intensitas cahaya dengan kualitas lapisan pelapisan yang baik dalam kondisi eksperimen. Namun, ketika daya laser kurang dari ambang batas p, sinyal cahaya biru-ungu tidak terlalu terpengaruh oleh daya laser. Oleh karena itu, sinyal ini tidak cocok untuk pemantauan proses pelapisan laser daya rendah. Selain itu, rentang intensitas sinyal cahaya biru-ungu yang sesuai dengan kualitas pelapisan yang baik dari bahan pelapisan yang berbeda berbeda. Sejumlah besar pengamatan diperlukan untuk mendapatkan rentang perubahan yang sesuai. Hu Xiaodong dkk. [9] merancang sensor fotolistrik baru, menetapkan hubungan yang sesuai antara sinyal tegangan sensor dan laju aliran bubuk, dan mengendalikan proses pelapisan dengan memantau laju aliran bubuk untuk mencapai tujuan pelapisan yang stabil. Song Wei dkk. [6] menggunakan kamera CCD untuk memperoleh informasi ukuran dan distribusi suhu kolam cair, dan memperoleh hubungan antara parameter kelongsong dan ukuran kolam cair. Miyagi M. dkk. [10] mengintegrasikan fotodioda ke dalam kepala pemrosesan laser untuk pemantauan dan menemukan bahwa sinyal radiasi termal memiliki korelasi kuat dengan perubahan lebar kolam cair. Pengontrol PID dirancang untuk mengendalikan keluaran daya laser, dengan demikian mengendalikan bentuk kelongsong. Sun Huajie dkk. [11] membangun sistem kendali loop tertutup suhu kamera CCD berwarna berdasarkan pengukuran suhu kolorimetri, yang secara efektif dapat menghilangkan efek akumulasi panas dalam proses kelongsong laser dan mencapai kualitas kelongsong yang diharapkan. Namun, ketika daya laser melebihi 1800W, skala abu-abu gambar yang sesuai dengan saluran R mencapai nilai skala abu-abu maksimum 255. Skala abu-abu gambar dan suhu kolam cair tidak dapat membentuk korespondensi satu-ke-satu, yang mengakibatkan kegagalan pengukuran suhu. Smurov I. dkk. [12] menggunakan pirometer dan kamera inframerah untuk mengukur informasi kecerahan dan suhu kolam cair, menetapkan hubungan antara informasi suhu kecerahan dan morfologi kolam cair, dan mewujudkan kontrol proses pelapisan.

Sebagai unit dasar entitas pelapisan, kolam cair ada di seluruh siklus pelapisan, dan karakteristik morfologi kolam cair dapat secara langsung mencerminkan hasil pelapisan akhir. Oleh karena itu, makalah ini memilih morfologi kolam cair sebagai objek pemantauan dan mengembangkan sistem pemantauan daring kolam cair pelapisan laser berdasarkan kamera industri COMS dan OpenCV (perpustakaan perangkat lunak visi komputer dan pembelajaran mesin sumber terbuka). Sistem ini menggunakan algoritme gambar komprehensif untuk memproses citra kolam cair masukan, yang secara efektif dapat melakukan segmentasi area kolam cair dan mengekstrak area kolam cair serta panjang dan lebar kolam cair. Akhirnya, seluruh proses pelapisan dan hasil pemrosesan algoritme diamati melalui antarmuka interaktif sistem. Informasi kolam cair yang dipantau dapat digunakan sebagai variabel referensi untuk kontrol pelapisan laser waktu nyata, yang meletakkan dasar untuk kontrol loop tertutup pelapisan laser.

2 Platform pemantauan dan material pelapis

Model kamera warna COMS yang digunakan adalah Baslera2A192051gcBAS, dengan resolusi maksimum 1920×1200. Kamera menyediakan SDK (Software Development Kit) berdasarkan bahasa pemrograman C++, yang dapat digunakan untuk pengembangan sekunder kamera. Percobaan menggunakan pemasangan koaksial kamera COMS, dan arsitektur keseluruhannya ditunjukkan pada Gambar 1. Kamera rakitan koaksial dapat memastikan bahwa kolam cair dan kamera tetap relatif diam selama pemrosesan, dan tidak perlu mengoreksi gambar, sehingga bidang pandang dan akurasi deteksi harus lebih baik daripada rakitan sumbu samping.

Sebelum percobaan dimulai, gerakkan kepala laser ke posisi kerja, nyalakan kamera, dan sesuaikan pencahayaan serta panjang fokusnya sehingga gambar yang ditangkap dapat tergambar dengan jelas dalam bidang pandang. Selama proses pelapisan laser, cahaya yang dipancarkan oleh kolam cair dipantulkan oleh dua pemisah sinar yang telah ditetapkan yang ditempatkan pada sudut 45°, dan akhirnya langsung masuk ke chip COMS kamera. Sinyal cahaya yang ditangkap pada unit piksel diubah menjadi sinyal digital melalui serangkaian konversi dan dimasukkan ke komputer melalui kabel jaringan untuk pemrosesan gambar.

Percobaan ini menggunakan baja 45 dengan ukuran 200mm×100mm×10mm sebagai substrat pelapis. Sebelum percobaan, permukaan substrat pelapis dipoles dengan mesin sandblasting untuk menghilangkan lapisan oksida dan kotoran lain pada permukaan. Baja tahan karat 420 digunakan sebagai bubuk pelapis, dan komposisi kimianya ditunjukkan pada Tabel 1.

3 Pemrosesan gambar

Saat memperoleh citra kolam lelehan, beberapa faktor interferensi seperti sinar laser, plasma, dan percikan bubuk akan dikumpulkan dan dikirimkan ke komputer bersama dengan citra kolam lelehan [14]. Selain itu, ketidakstabilan perangkat perekam dan perangkat transmisi juga akan mengganggu citra kolam lelehan yang dikumpulkan [15]. Interferensi ini akan menyesatkan analisis karakteristik kolam lelehan. Oleh karena itu, untuk mengekstrak informasi karakteristik yang terkandung dalam kolam lelehan secara akurat, citra kolam lelehan asli perlu diproses. Proses keseluruhan pemrosesan citra kolam lelehan ditunjukkan pada Gambar 2.

3.1 Gambar skala abu-abu

Selama pelapisan laser, gambar yang disajikan di area kolam cair berbeda dari bagian sorotan area lain. Dibandingkan dengan informasi kromatisitas gambar, informasi kecerahan gambar dapat lebih mencerminkan karakteristik kolam cair. Oleh karena itu, perlu untuk mengubah gambar berwarna yang ditangkap oleh kamera ini menjadi gambar skala abu-abu saluran tunggal. Pengurangan jumlah saluran mengurangi jumlah perhitungan, yang bermanfaat bagi pemrosesan algoritma berikutnya. Metode rata-rata tertimbang digunakan untuk menghitung skala abu-abu gambar. Rumus perhitungannya adalah: Gray = 0 × R + 299 × G + 0 × B (587)
Di mana Gray adalah nilai skala abu-abu piksel setelah perhitungan tertimbang; R, G, dan B masing-masing adalah nilai skala abu-abu dari saluran merah, hijau, dan biru piksel.

3.2 Penyaringan dan penghilangan kebisingan

Selama proses akuisisi dan transmisi citra kolam lelehan, tidak dapat dihindari bahwa citra tersebut akan terpengaruh oleh noise. Citra kolam lelehan skala abu-abu perlu dihilangkan noise-nya. Sebagai filter spasial nonlinier, filter median memiliki keuntungan karena dapat menghilangkan titik piksel tiba-tiba secara efektif pada citra dan mempertahankan tepi citra, yang bermanfaat untuk deteksi tepi selanjutnya. Nilai abu-abu titik koordinat (x, y) setelah penyaringan median adalah: Lihat rumus (2) pada gambar

Di mana, Sxy adalah koordinat semua piksel di area yang berpusat di titik (x, y); g (s, t) adalah nilai abu-abu piksel asli pada koordinat ini.

3.3 Segmentasi ambang batas adaptif

Pada citra kolam lelehan, nilai abu-abu piksel yang terletak di area kolam lelehan lebih tinggi daripada di area lain. Oleh karena itu, ambang batas abu-abu yang wajar dapat digunakan untuk memisahkan area kolam lelehan dari citra kolam lelehan. Selama proses pelapisan laser, nilai abu-abu citra kolam lelehan berubah sepanjang waktu. Metode segmentasi ambang batas tetap tidak dapat secara akurat memisahkan area kolam lelehan dari semua citra. Untuk meningkatkan akurasi deteksi, citra kolam lelehan disegmentasi dengan segmentasi ambang batas adaptif. Distribusi histogram abu-abu citra kolam lelehan ditunjukkan pada Gambar 3.

Distribusi abu-abu dari citra kolam cair pada Gambar 3 terutama terkonsentrasi di area sorotan di atas 250, yang merupakan histogram abu-abu puncak tunggal yang khas. Oleh karena itu, metode segmentasi ambang batas segitiga digunakan untuk memproses citra kolam cair. Prinsipnya adalah menggambar garis lurus dari titik tertinggi ke titik terendah skala abu-abu dalam histogram, lalu menghitung jarak vertikal dari titik puncak histogram yang sesuai dengan setiap skala abu-abu ke garis lurus, dan memilih nilai skala abu-abu yang sesuai dengan titik terjauh sebagai ambang batas citra. Penjelasan kode segmentasi nilai segitiga ditunjukkan pada Tabel 2. Citra biner setelah segmentasi ambang batas adaptif ditunjukkan pada Gambar 4.

3.4 Pengolahan morfologi

Setelah melakukan binerisasi citra, citra biner dengan dua set area kolam cair dan area latar belakang diperoleh (lihat Gambar 5). Dapat dilihat dari Gambar 5a bahwa terdapat bintik hitam berongga yang disebabkan oleh noise di dalam area kolam cair, dan terdapat bintik cahaya kecil yang dipantulkan oleh percikan bubuk pada kontur tepi. Cacat ini akan memengaruhi ekstraksi kontur kolam cair, sehingga citra kolam cair perlu disempurnakan lebih lanjut. Operasi tertutup dalam pemrosesan morfologi digunakan untuk memperluas citra terlebih dahulu dan kemudian mengikisnya, yang dapat menghilangkan lubang-lubang kecil di area yang terhubung; operasi terbuka terlebih dahulu mengikis citra dan kemudian memperluasnya untuk menghilangkan titik-titik diskrit kecil di tepi kontur, memutus celah sempit di tepi citra, dan membuat kontur lebih halus. Kedua operasi tersebut tidak akan mengubah luas area kolam cair. Setelah perawatan, diperoleh area kolam cair tertutup, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b.

3.5 Ekstraksi Tepi

Setelah memisahkan area kolam cair, ambil tepi area kolam cair. Persimpangan area kolam cair dan area latar belakang adalah titik pemisah tempat skala abu-abu piksel berubah secara drastis. Kumpulan titik piksel ini adalah tepi area kolam cair. Operator Canny digunakan untuk mendeteksi tepi gambar kolam cair, dan filter Gaussian dua dimensi digunakan untuk menghaluskan dan menghilangkan noise pada gambar. Ekspresi filternya adalah: lihat rumus (3) pada gambar

Di mana, (x, y) adalah koordinat piksel gambar; α adalah varians, yang digunakan untuk mengontrol kehalusan.

Gunakan perbedaan hingga turunan parsial orde pertama untuk menghitung Jx dan Jy. Berdasarkan Jx dan Jy, hitung amplitudo gradien A (x, y) dan arah θ, dan kita peroleh; lihat rumus (4)-(7) pada gambar.

Setelah memperoleh amplitudo gradien, penekanan non-maksimum dilakukan, dan metode ambang ganda tinggi dan rendah digunakan untuk menentukan tepi gambar. Setelah diproses, area annular tertutup dapat diperoleh, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 6.

3.6 Ekstraksi panjang dan lebar kolam lelehan

Kolam lelehan berbentuk elips tak beraturan, dan panjang serta lebarnya tidak dapat diukur secara langsung. Oleh karena itu, algoritma persegi panjang penutup minimum digunakan untuk memperoleh informasi panjang dan lebar kolam lelehan.

Berdasarkan kontur tepi kolam lelehan, batas atas, bawah, kiri, dan kanan kolam lelehan ditemukan untuk membentuk persegi panjang penutup awal. Misalkan persamaan batas atas adalah x=x1, persamaan batas bawah adalah x=x2, persamaan batas kiri adalah y=y1, dan persamaan batas kanan adalah y=y2.
Koordinat pusat O(x0, y0) dari persegi panjang awal yang mengelilinginya ditentukan oleh keempat batasnya. Maka: lihat rumus (8) pada gambar
Dengan menggunakan O(x0, y0) sebagai titik asal koordinat, dua sumbu utama pusat yang saling tegak lurus dibuat. Koordinat kedua titik di ujung vertikal adalah A(l, y0) dan B(c, y0), dan koordinat kedua titik di ujung horizontal adalah C(x0, l) dan D(x0, k).
Putar sumbu utama sejauh θ derajat di sekitar titik pusat O(x0, y0). Asumsikan bahwa koordinat keempat titik ujung sumbu utama setelah diputar adalah A'(xa, ya), B'(xb, yb), C'(xc, yc), dan D'(xd, yd). Maka: Lihat rumus (9)-(12) pada gambar.
Terjemahkan sumbu utama. Saat 0°<θ<45°, nilai x horizontal bergerak ke atas atau ke bawah, dan nilai y vertikal bergerak ke kiri atau ke kanan. Saat 45°<θ<90°, nilai y horizontal bergerak ke kiri atau ke kanan, dan nilai x vertikal bergerak ke atas atau ke bawah.

Dengan memutar dan mengubah sumbu utama beberapa kali, luas persegi panjang yang dilingkupi dihitung, dan akhirnya persegi panjang dengan luas terkecil dipilih sebagai persegi panjang yang dilingkupi paling kecil pada gambar. Pengolahan persegi panjang yang dilingkupi paling kecil ditunjukkan pada Gambar 7.

3.7 Sistem pemantauan kolam cair dan kalibrasi kamera

Setelah diproses, informasi yang relevan dari area kolam lelehan, panjang kolam lelehan, dan lebar kolam lelehan dari citra kolam lelehan dapat diekstraksi dengan benar. Untuk memantau morfologi kolam lelehan dalam proses pelapisan laser secara real time, sistem akuisisi citra kolam lelehan pelapisan laser dan pemantauan daring dibangun. Sistem pemantauan didasarkan pada platform Windows dan dikembangkan menggunakan pemrograman C++, pustaka pemrosesan visual sumber terbuka OpenCV, dan aplikasi Qt. Bagian kiri antarmuka dapat secara dinamis menampilkan citra kolam lelehan asli dan citra kolam lelehan yang diproses secara real time. Sisi kanan dapat menampilkan informasi yang relevan dari area kolam lelehan, panjang kolam lelehan, dan lebar kolam lelehan dari area kolam lelehan saat ini. Kurva hasil dapat menggambar diagram garis dari area kolam lelehan. Antarmuka utama interaktif dari sistem pemantauan ditunjukkan pada Gambar 8.

Klik tombol pengaturan untuk mengubah parameter terkait kamera. Eksposur dan penguatan dapat disesuaikan secara real time sesuai dengan hasil pencitraan, dan mode akuisisi kamera juga dapat disesuaikan. Modul kalibrasi di bawah ini dapat mengatur titik kalibrasi secara manual, dan akhirnya memperoleh ukuran yang sesuai dengan setiap piksel dengan menghitung jumlah piksel antara dua titik dan panjang yang diberikan.

Percobaan ini menggunakan pelat kalibrasi yang terdiri dari blok persegi hitam dan putih dengan panjang sisi 1.5 mm untuk mengkalibrasi gambar. Atur kamera ke posisi kerja yang sama seperti saat pelapisan laser, dan letakkan pelat kalibrasi di bawah lensa kamera untuk akuisisi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9.

Tetapkan dua titik kalibrasi P1 dan P2, dan hitung jumlah piksel yang sesuai dengan blok kalibrasi sepanjang 1.5 mm sebanyak 222 piksel. Maka ukuran setiap piksel adalah 1.5/222 mm, luas kolam lelehan S = jumlah piksel di area kolam lelehan × (1.5/222)², panjang kolam lelehan L = jumlah piksel dari panjang persegi panjang berbatas minimum × (1.5/222), dan lebar kolam lelehan W = jumlah piksel dari lebar persegi panjang berbatas minimum × (1.5/222).