Siekiant ištirti išlydyto baseino morfologijos pokyčius dengiant lazeriu, buvo sukurta internetinė lazerinio baseino apkalimo stebėjimo sistema. Išlydyto baseino vaizdas buvo gautas bendraašiu COMS kameros ir lazerinės įrangos surinkimu. Remiantis išlydyto baseino pilkų atspalvių histogramos pasiskirstymo analize, išlydyto baseino vaizdui binarizuoti buvo naudojamas adaptyvus slenksčio segmentavimo metodas – trikampio slenksčio segmentavimas. Išlydyto baseino vaizdo kraštą nuskaito Canny operatorius, o išlydyto baseino ploto ilgis ir plotis buvo gauti pagal minimalų apibrėžtą stačiakampio algoritmą. Buvo atliktos devynios vieno praėjimo dengimo stačiakampių eksperimentų grupės su 45 plienu kaip substratu ir 420 nerūdijančio plieno kaip apvalkalo milteliais. Eksperimento rezultatai rodo, kad vidutinė paklaida tarp išlydyto baseino pločio, išmatuoto pagal stebėjimo sistemą, ir tikrojo dangos pločio, išmatuoto elektroniniu mikroskopu, yra 4.5%, o tai patvirtina vizualinio stebėjimo sistemos efektyvumą. Stebėjimo sistemoje gauta išlydyto baseino pločio diapazono analizė rodo, kad didžiausią įtaką išlydyto baseino pločiui turi lazerio galia, po to seka skenavimo greitis ir galiausiai miltelių padavimo greitis; išlydyto baseino plotis didėja didėjant lazerio galiai, o mažėja didėjant skenavimo greičiui ir miltelių padavimo greičiui. Stebėjimo sistemos gauta išlydyto baseino informacija ir pokyčių taisyklės gali būti naudojami kaip atskaitos kintamieji lazerinio apmušimo valdymui realiuoju laiku, padėdami pagrindą lazerinio apvalkalo uždaro ciklo valdymui.

1. Techninis pagrindas

Kaip pažangi medžiagų formavimo technologija, lazerinis dengimas veikia sudarydamas aukštos temperatūros išlydytą baseiną ant pagrindo paviršiaus, veikiant didelės energijos lazerio spinduliui. Antgalis nukreipia metalo miltelius į išlydytą baseiną, lydymosi ir kietėjimo procesą ir galiausiai gauna nusodintą apvalkalą. Ši technologija turi unikalių pranašumų metalinių dalių taisymo, greito prototipų kūrimo, paviršiaus modifikavimo ir metalo priedų gamybos srityse. Tačiau dengimo lazeriu procesas yra nestabilus, o tarp dangos sluoksnių pastebimi akivaizdūs pokyčiai net esant vienodiems darbiniams parametrams. Tokį prastą atkuriamumą lemia tai, kad lazerinis apvalkalas yra labai jautrus nedideliam veikimo parametrų poveikiui (pvz., lazerio galiai, apvalkalo greičiui ir miltelių padavimo greičiui), o tarp parametrų yra sudėtingas ryšys, todėl yra tam tikri faktinio darbo apribojimai.

Norint išgauti stabilesnę apkalimo kokybę, labai svarbu stebėti dengimo lazeriu procesą realiu laiku. Hong Lei ir kt. [8] naudojo fotoelektrinį jutiklį, kad stebėtų plazmos mėlynai violetinės spalvos šviesos signalą, susidarantį lazerinio dengimo proceso metu, išanalizavo ryšį tarp skirtingų proceso parametrų ir šviesos intensyvumo signalo ir eksperimentiniu būdu gavo šviesos intensyvumo signalo diapazoną su gera apvalkalo sluoksnio kokybe. sąlygas. Tačiau kai lazerio galia yra mažesnė už slenkstį p, mėlynai violetinės šviesos signalui lazerio galia nedaro didelės įtakos. Todėl šis signalas netinka mažos galios lazerinio apmušimo proceso stebėjimui. Be to, skiriasi mėlynai violetinės šviesos signalo intensyvumo diapazonas, atitinkantis gerą įvairių apdailos medžiagų apkalimo kokybę. Norint gauti tinkamą pokyčių diapazoną, reikia atlikti daug stebėjimų. Hu Xiaodong ir kt. [9] sukūrė naują fotoelektrinį jutiklį, nustatė atitinkamą ryšį tarp jutiklio įtampos signalo ir miltelių srauto greičio ir valdė dengimo procesą stebėdamas miltelių srautą, kad būtų pasiektas stabilaus apvalkalo tikslas. Song Wei ir kt. [6] naudojo CCD kamerą, kad gautų informaciją apie išlydyto baseino dydį ir temperatūros pasiskirstymą bei gautų ryšį tarp apvalkalo parametrų ir išlydyto baseino dydžio. Miyagi M. ir kt. [10] integravo fotodiodą į lazerio apdorojimo galvutę stebėjimui ir nustatė, kad šiluminės spinduliuotės signalas stipriai koreliuoja su išlydyto baseino pločio pokyčiu. PID valdiklis buvo skirtas valdyti lazerio galią ir taip valdyti apvalkalo formą. Sun Huajie ir kt. [11] sukūrė spalvotą CCD kameros uždarojo ciklo temperatūros valdymo sistemą, pagrįstą kolorimetriniu temperatūros matavimu, kuri gali veiksmingai pašalinti šilumos kaupimosi efektą lazerinio dengimo procese ir pasiekti laukiamą apvalkalo kokybę. Tačiau kai lazerio galia viršija 1800 W, R kanalą atitinkantis vaizdo pilkumo atspalvis pasiekia maksimalią 255 pilkos spalvos tonų reikšmę. Vaizdo pilkos spalvos tonai ir išlydyto baseino temperatūra negali sudaryti vienodo atitikimo, todėl temperatūros matavimas nepavyksta. Smurovas I. ir kt. [12] naudojo pirometrą ir infraraudonųjų spindulių kamerą, kad išmatuotų informaciją apie išlydyto baseino ryškumą ir temperatūrą, nustatė ryšį tarp ryškumo temperatūros informacijos ir išlydyto baseino morfologijos ir realizavo dengimo proceso valdymą.

Kaip pagrindinis apvalkalo vienetas, išlydytas baseinas egzistuoja visame apvalkalo cikle, o išlydyto baseino morfologinės charakteristikos gali tiesiogiai atspindėti galutinius dengimo rezultatus. Todėl šiame darbe kaip stebėjimo objektas pasirenkama išlydyto baseino morfologija ir sukuriama lazeriu dengiama išlydyto baseino internetinė stebėjimo sistema, pagrįsta COMS pramonine kamera ir OpenCV (atvirojo kodo kompiuterinės vizijos ir mašininio mokymosi programinės įrangos biblioteka). Sistema naudoja išsamų vaizdo algoritmą, kad apdorotų įvestą išlydyto baseino vaizdą, kuris gali efektyviai segmentuoti išlydyto baseino plotą ir išgauti išlydyto baseino plotą bei išlydyto baseino ilgį ir plotį. Galiausiai visas dengimo procesas ir algoritmo apdorojimo rezultatai stebimi per sistemos interaktyvią sąsają. Stebimi išlydyto baseino informacija gali būti naudojama kaip etaloninis kintamasis lazerinio apvalkalo valdymui realiuoju laiku, padedant uždaro ciklo lazerinio apvalkalo valdymui.

2 Stebėjimo platforma ir apdailos medžiagos

Naudojamas COMS spalvoto fotoaparato modelis yra Baslera2A192051gcBAS, kurio maksimali skiriamoji geba yra 1920 × 1200. Kameroje yra C++ programavimo kalba paremtas SDK (Software Development Kit), kurį galima naudoti antriniam fotoaparato kūrimui. Eksperimente naudojama bendraašė COMS kameros instaliacija, o bendra architektūra parodyta 1 paveiksle. Bendraašio surinkimo kamera gali užtikrinti, kad išlydytas baseinas ir kamera išliktų santykinai nejudantys apdorojimo metu ir nereikia koreguoti vaizdo. todėl aptikimo matymo laukas ir tikslumas turi būti geresni nei šoninės ašies mazgas.

Prieš pradedant eksperimentą, perkelkite lazerio galvutę į darbinę padėtį, įjunkite fotoaparatą ir sureguliuokite ekspoziciją bei židinio nuotolį taip, kad užfiksuotas vaizdas būtų aiškiai matomas matymo lauke. Lazerinio dengimo proceso metu išlydyto baseino skleidžiama šviesa atsispindi dviejų iš anksto nustatytų spindulių skirstytuvuose, išdėstytuose 45° kampu, ir galiausiai tiesiogiai patenka į kameros COMS lustą. Šviesos signalas, užfiksuotas pikselių bloku, konvertuojamas į skaitmeninį signalą ir įvedamas į kompiuterį per tinklo kabelį vaizdo apdorojimui.

Eksperimente naudojamas 45 plienas, kurio dydis yra 200 mm × 100 mm × 10 mm kaip apvalkalo pagrindas. Prieš eksperimentą dengimo pagrindo paviršius poliruojamas smėliasrove, kad būtų pašalintas oksido sluoksnis ir kiti paviršiuje esantys nešvarumai. Kaip dengimo milteliai naudojamas 420 nerūdijantis plienas, jo cheminė sudėtis parodyta 1 lentelėje.

3 Vaizdo apdorojimas

Gaunant išlydyto baseino vaizdą, kai kurie trukdžių veiksniai, tokie kaip lazerio šviesa, plazma ir miltelių purslai, bus surenkami ir perduodami į kompiuterį kartu su išlydyto baseino vaizdu [14]. Be to, įrašymo įrenginio ir perdavimo įrenginio nestabilumas taip pat trukdys surinktam išlydyto baseino vaizdui [15]. Šie trukdžiai suklaidins išlydyto baseino charakteristikų analizę. Todėl norint tiksliai išgauti būdingą informaciją, esančią išlydytame telkinyje, reikia apdoroti pradinį išlydyto baseino vaizdą. Bendras išlydyto baseino vaizdo apdorojimo procesas parodytas 2 paveiksle.

3.1 Vaizdas pilkos spalvos

Lazerinio dengimo metu vaizdas išlydyto baseino zonoje skiriasi nuo kitų sričių paryškintos dalies. Palyginti su vaizdo spalvingumo informacija, vaizdo ryškumo informacija gali geriau atspindėti išlydyto baseino savybes. Todėl šia kamera užfiksuotą spalvotą vaizdą būtina konvertuoti į vieno kanalo pilkos spalvos vaizdą. Sumažinus kanalų skaičių, sumažėja skaičiavimo kiekis, o tai naudinga tolesniam algoritmo apdorojimui. Vaizdo pilkumo tonai apskaičiuoti naudojamas svertinio vidurkio metodas. Skaičiavimo formulė yra tokia: Pilka = 0, 299 × R + 0, 587 × G + 0, 114 × B (1)
Kur Pilka yra pikselio pilkos spalvos reikšmė po svertinio skaičiavimo; R, G ir B yra atitinkamai raudono, žalio ir mėlyno pikselio kanalų pilkos spalvos reikšmės.

3.2 Filtravimas ir triukšmo slopinimas

Išlydyto baseino vaizdo gavimo ir perdavimo proceso metu neišvengiamai jį paveiks triukšmas. Būtina panaikinti pilkos spalvos išlydyto baseino vaizdą. Kaip netiesinis erdvinis filtras, vidutinis filtras turi pranašumą, nes efektyviai pašalina staigius vaizdo pikselių taškus ir išlaiko vaizdo kraštą, o tai naudinga vėliau aptinkant kraštą. Koordinatės taško (x, y) pilka reikšmė po medianinio filtravimo yra: (2) formulę žr.

Kur Sxy yra visų pikselių koordinatė srityje, kurios centras yra taške (x, y); g (s, t) yra pradinio pikselio pilka reikšmė šioje koordinatėje.

3.3 Adaptyvusis slenksčio segmentavimas

Išlydyto baseino vaizde pikselių, esančių išlydyto baseino zonoje, pilkumo reikšmė yra didesnė nei kitose srityse. Todėl norint atskirti išlydyto baseino plotą nuo išlydyto baseino vaizdo, galima naudoti pagrįstą pilką slenkstį. Lazerinio dengimo proceso metu išlydyto baseino vaizdo pilka spalva nuolat keičiasi. Fiksuoto slenksčio segmentavimo metodas negali tiksliai atskirti visų vaizdų išlydyto baseino ploto. Siekiant pagerinti aptikimo tikslumą, išlydyto baseino vaizdas segmentuojamas taikant adaptyvų slenksčio segmentavimą. Išlydyto baseino vaizdo pilkos spalvos histogramos pasiskirstymas parodytas 3 paveiksle.

Pilkasis išlydyto baseino vaizdo pasiskirstymas 3 paveiksle daugiausia sutelktas paryškintoje srityje, viršijančioje 250, o tai yra tipiška vienos smailės pilka histograma. Todėl išlydyto baseino vaizdui apdoroti naudojamas trikampio slenksčio segmentavimo metodas. Principas yra nubrėžti tiesią liniją nuo aukščiausio taško iki žemiausio histogramos pilkos spalvos tonų taško, tada apskaičiuoti vertikalų atstumą nuo histogramos viršūnės, atitinkančios kiekvieną pilkumo toną, iki tiesios linijos ir pasirinkti pilkos spalvos skalę, atitinkančią tolimiausias taškas kaip vaizdo slenkstis. Trikampio reikšmių segmentavimo kodo paaiškinimas pateiktas 2 lentelėje Dvejetainis vaizdas po adaptyvaus slenksčio segmentavimo parodytas 4 pav.

3.4 Morfologinis apdorojimas

Sudvejinus vaizdą, gaunamas dvejetainis vaizdas su dviem išlydyto baseino ploto ir fono ploto rinkiniais (žr. 5 pav.). Iš 5a paveikslo matyti, kad išlydyto baseino zonoje yra tuščiavidurių juodų dėmių, kurias sukelia triukšmas, ir yra mažų šviesos dėmių, kurias atspindi miltelių taškymas ant krašto kontūro. Šie defektai turės įtakos išlydyto baseino kontūro ištraukimui, todėl išlydyto baseino vaizdą reikia toliau tobulinti. Uždara morfologinio apdorojimo operacija naudojama vaizdui iš pradžių išplėsti, o paskui jį išgraužti, o tai gali pašalinti mažas skylutes sujungtoje srityje; Atviras veiksmas pirmiausia išgraužia vaizdą, o paskui jį išplečia, kad pašalintų mažus atskirus taškus kontūro krašte, atjungtų siaurus tarpus vaizdo krašte ir kontūras būtų lygesnis. Abi operacijos nepakeis išlydyto baseino ploto. Po apdorojimo gaunamas uždaras išlydyto baseino plotas, kaip parodyta 5b paveiksle.

3.5 Kraštų ištraukimas

Atskyrę išlydyto baseino plotą, paimkite išlydyto baseino zonos kraštą. Išlydyto baseino zonos ir fono srities sandūra yra taškas, kuriame pikselių pilkumo tonas smarkiai pasikeičia. Šių pikselių taškų rinkinys yra išlydyto baseino srities kraštas. „Canny“ operatorius naudojamas aptikti išlydyto baseino vaizdo kraštą, o dvimatis Gauso filtras naudojamas vaizdo išlyginimui ir triukšmo slopinimui. Filtro išraiška yra tokia: žr. formulę (3) paveiksle

kur (x, y) yra vaizdo pikselių koordinatė; α yra dispersija, kuri naudojama lygumui valdyti.

Norėdami apskaičiuoti Jx ir Jy, naudokite pirmosios eilės dalinį išvestinį baigtinį skirtumą. Pasak Jx. ir Jy, apskaičiuokite gradiento amplitudę A (x, y) ir kryptį θ, ir turime; žr. (4)-(7) formules paveiksle

Gavus gradiento amplitudę, atliekamas ne maksimalus slopinimas, o vaizdo briaunai nustatyti naudojami aukšto ir žemo dvigubo slenksčio metodai. Po apdorojimo galima gauti uždarą žiedinį plotą, o rezultatas parodytas 6 paveiksle.

3.6 Lydymosi baseino ilgio ir pločio ištraukimas

Lydymosi baseinas yra netaisyklinga elipsė, o jo ilgio ir pločio negalima išmatuoti tiesiogiai. Todėl, norint gauti informaciją apie lydalo baseino ilgį ir plotį, naudojamas minimalus apgaubiančio stačiakampio algoritmas.

Pagal lydymosi baseino briaunos kontūrą randamos viršutinės, apatinės, kairiosios ir dešiniosios lydymosi baseino ribos, nustatančios pradinį gaubiamąjį stačiakampį. Viršutinės ribos lygtis bus x=x1, apatinė – x=x2, kairioji – y=y1, o dešinioji – y=y2.
Pradinio gaubiančiojo stačiakampio centro koordinatės O(x0, y0) nustatomos keturiomis ribomis. Tada: žr. (8) formulę paveiksle
Naudojant O(x0, y0) kaip koordinačių pradžią, nustatomos dvi viena kitai statmenos pagrindinės ašys. Dviejų taškų koordinatės vertikaliame gale yra A(l, y0) ir B(c, y0), o dviejų taškų koordinatės horizontaliajame gale yra C(x0, l) ir D(x0, k) .
Pasukite pagrindinę ašį θ laipsnių aplink centrinį tašką O(x0, y0). Tarkime, kad keturių pagrindinės ašies galinių taškų koordinatės po pasukimo yra A'(xa, ya), B'(xb, yb), C'(xc, yc) ir D'(xd, yd). Tada: (9)-(12) formules žr. paveiksle.
Išverskite pagrindinę ašį. Kai 0°<θ<45°, horizontali x reikšmė juda aukštyn arba žemyn, o vertikali y – kairėn arba dešinėn. Kai 45°<θ<90°, horizontali y reikšmė juda į kairę arba į dešinę, o vertikali x reikšmė juda aukštyn arba žemyn.

Kelis kartus pasukant ir perkeliant pagrindinę ašį, apskaičiuojamas gaubiančiojo stačiakampio plotas, o galiausiai stačiakampis su mažiausiu plotu pasirenkamas kaip minimalus gaubiantis vaizdo stačiakampis. Minimalus apgaubiančio stačiakampio apdorojimas parodytas 7 paveiksle.

3.7 Išlydyto baseino stebėjimo sistema ir kameros kalibravimas

Po apdorojimo galima teisingai išgauti atitinkamą informaciją apie išlydyto baseino plotą, išlydyto baseino ilgį ir išlydyto baseino plotį. Siekiant realiu laiku stebėti išlydyto baseino morfologiją lazerinio apvalkalo procese, buvo sukurta lazerinio apvalkalo išlydyto baseino vaizdo gavimo ir internetinės stebėjimo sistema. Stebėjimo sistema paremta Windows platforma ir sukurta naudojant C++ programavimą, OpenCV atvirojo kodo vaizdo apdorojimo biblioteką ir Qt aplikaciją. Kairioji sąsajos dalis gali dinamiškai rodyti pradinį išlydyto baseino vaizdą ir apdorotą išlydyto telkinio vaizdą realiuoju laiku. Dešinėje pusėje gali būti pateikta atitinkama informacija apie išlydyto baseino plotą, išlydyto baseino ilgį ir esamo išlydyto baseino plotį. Rezultato kreivė gali nubrėžti išlydyto baseino ploto linijinę diagramą. Interaktyvi pagrindinė stebėjimo sistemos sąsaja parodyta 8 pav.

Spustelėkite nustatymo mygtuką, kad pakeistumėte su fotoaparatu susijusius parametrus. Ekspoziciją ir stiprinimą galima reguliuoti realiuoju laiku pagal vaizdo gavimo rezultatus, taip pat galima reguliuoti fotoaparato gavimo režimą. Toliau pateiktame kalibravimo modulyje galima rankiniu būdu nustatyti kalibravimo tašką ir galiausiai gauti kiekvienam pikseliui tinkamą dydį, skaičiuojant pikselių skaičių tarp dviejų taškų ir nurodyto ilgio.

Eksperimente vaizdui kalibruoti naudojama kalibravimo plokštė, sudaryta iš juodai baltų kvadratinių blokų, kurių kraštinės ilgis yra 1.5 mm. Nustatykite fotoaparatą į tą pačią darbinę padėtį, kaip ir dengdami lazeriu, ir padėkite kalibravimo plokštę po fotoaparato objektyvu, kaip parodyta 9 paveiksle.

Nustatykite du kalibravimo taškus P1 ir P2 ir suskaičiuokite pikselių skaičių, atitinkantį 1.5 mm ilgio kalibravimo bloką, kaip 222 pikselius. Tada kiekvieno pikselio dydis yra 1.5/222 mm, išlydyto baseino plotas S = pikselių skaičius išlydyto baseino plote × (1.5/222)², išlydyto baseino ilgis L = mažiausio apibrėžto stačiakampio ilgio pikselių skaičius × (1.5/222), o išlydyto baseino plotis W = mažiausio apibrėžto stačiakampio pločio pikselių skaičius × (1.5/222).