Využití počítačového rozpoznávání obrazu pro určení parametrů laboratorně válcovaných vzorků

Transkript

1 XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, Využití počítačového rozpoznávání obrazu pro určení parametrů laboratorně válcovaných vzorků HEGER, Milan 1, SCHINDLER, Ivo 2 & FRANZ, Jiří 3 1 Doc. Ing., CSc., Katedra automatizace a počítačového řízení v metalurgii, VSB Technická Univerzita Ostrava milan.heger@vsb.cz 2 Prof. Ing., CSc., Institut modelování a řízení tvářecích procesů, VSB - Technická Univerzita Ostrava ivo.schindler@vsb.cz 3 Ing., AutoCont CZ a.s. Ostrava, franz@autocont.cz Abstrakt: A laboratory test performed by rolling of the wedge-shaped sample on plain rolls enables effectively investigate both the hot and cold deformation behaviour and formability of metallic materials, thanks to its ability to implement a wide range of height reductions (normally from 0 up to ca 80 %) in a single sample. To increase accuracy and comfort of this method the special software was developed for calculation of equivalent strain and strain rate in whatever cross section along the length of the resulting rolling stock. Calculations are based on comparison of corresponding partial volumes of the wedge-shaped initial sample and resulting rolling stock. The latter has approximately constant thickness but due to spreading strongly irregular planar shape and size. This factor considerably complicates principle application of the law of the volume preservation, when necessary calculations of partial strain components are carried out. The particular problem outlined was successfully solved by applying methods of computer analysis of a bitmap picture gained by scanning the planar shape of the sample after its rolling and straightening. The described methodology is particularly beneficial when subsurface casting defects are revealed, i.e. in case that utilization of conventional formability tests conducted by means of plastometer is virtually excluded. The article has arisen as a part of problem solving within the framework of grant reg. No. 106/02/0086 and MSM Klíčová slova: válcování, intenzita deformace, deformační rychlost, počítačová analýza 1 Úvod Spoluprací mezi katedrami a externími pracovišti vznikl Ústav modelování a řízení tvářecích procesů. Ústav se zabývá modelováním a simulací tvářecích procesů na zařízeních značně podobných zařízením provozním. V návaznosti na grantové projekty a zakázky od hutních a strojírenských podniků se zde řeší následující typy problémů: strukturotvorné procesy spojené s tvářením a termomechanickým zpracováním kovových materiálů (vliv na výsledné vlastnosti, optimalizace technologií) tvařitelnost v podmínkách podélného válcování predikce tvářecích sil (ověřování matematických modelů deformačních odporů) Hlavní přednosti zvoleného typu fyzikálního modelování: značná příbuznost s poměry v praxi

2 XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, vysoké deformační rychlosti dosahované při válcování za tepla (i přes 120 s -1 ) výsledné vývalky jsou díky svým rozměrům a rovnoměrnému protváření vhodné k dalšímu zkoumání (metalografie, zkouška tahem aj.) Obrázek 1 Válcovací trať TANDEM Pro tyto účely bylo vybudováno specializované laboratorní pracoviště - válcovací trať TANDEM, která je vybavená dvěma reverzními stolicemi typu duo a je určena přednostně k modelovému tváření plochých vývalků za tepla. Její předností je možnost tvářet poměrně velkými (sdruženými) úběry a značnými tvářecími rychlostmi. Spolu s ohřívacími pecemi na obou koncích tratě napodobuje mj. dvoustolicovou trať typu Steckel pro válcování pásu za tepla. Trať je ovládána z řídicího pultu nebo (častěji) pracuje automaticky za pomoci průmyslového počítače se 3 měřicími kartami a speciálního software vyvinutého v grafickém programovacím prostředím LabVIEW, který zajišťuje stavění válců, jejich otáčení zadanou rychlostí v požadovaném směru, činnost válečkových dopravníků a případný opakovaný ostřik provalku vodou. Program rovněž registruje krouticí momenty na všech čtyřech vřetenech, síly působící na všechny čtyři stavěcí šrouby, polohu horních válců, rychlost jejich otáčení před úběrem i v jeho průběhu a povrchovou teplotu provalku. Počítačové zpracování naměřených dat umožňuje výpočty středních deformačních odporů, deformačních rychlostí aj. Data naměřená tímto špičkovým zařízením mohou být velmi efektivně využita mimo jiné ke zkoumání deformačního chování a tvařitelnosti kovových materiálů za tepla i za studena. Běžná analýza vlastností při válcování vzorků s konstantní výškou je pracná, neboť vyžaduje válcování většího množství vzorků při různých úběrech. Laboratorní zkouška válcováním klínovitého vzorku na hladkých válcích umožňuje naproti tomu získat potřebné informace proválcováním jediného vzorku. Změna geometrie a tedy i okamžitých parametrů deformace vzorku však klade podstatně větší nároky na kvalitu zpracování získaných údajů. Pro zvýšení přesnosti a komfortu této metody byl vyvinut počítačový program pro výpočet intenzity deformace a deformační rychlosti v libovolném příčném řezu po délce výsledného vývalku, který pracuje na principu analýzy obrazu odválcovaného vzorku. Výpočty tak mohou vycházet z porovnávání odpovídajících si dílčích objemů klínovitého výchozího vzorku a výsledného vývalku, což umožňuje podstatě zvýšit přesnost aplikace zákona zachování objemu při nezbytných výpočtech dílčích složek deformace.

3 XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, Získání a počítačové zpracování obrazu proválcovaného vzorku Na přesnosti zjištění rozměrů proválcovaného vzorku závisí přesnost výpočtu veličin charakterizujících tvářecí vlastnosti materiálu, z něhož je zkušební vzorek zhotoven. Běžně se provádí mechanický odečet rozměrů v několika průřezech a hodnoty se průměrují. Takto získané údaje však neumožňují získat kontinuální hodnoty sledovaných parametrů a jsou zatížené statistickou chybou. Počítačová technika otevírá nové možnosti získání přesných rozměrů vzorků využitím získání a analýzy obrazu. Je několik možností, jak získat kvalitní dvojrozměrný obraz půdorysného průmětu proválcovaného vzorku, který je pro určení jeho objemu rozhodující. a b Obrázek 2 Vzorek po proválcovaní (vpravo retušovaný obraz)

4 XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, Jednou z možností je použití digitálního fotoaparátu nebo kamery, kde však je nebezpečí chybného odečtu rozměrů vlivem nedodržení stejné vzdálenosti kamery od vzorku při opakovaných měřeních nebo nastavení jiné hodnoty zvětšení (ZOOM). Reprodukovatelnost měření a zároveň jeho technickou dostupnost lze zajistit použitím skeneru. Při zachování optimální rozlišovací schopnosti v dpi je zároveň zaručeno získání přesných absolutních hodnot rozměrů obrazu (viz obr. 2a). Válcováním se původní vzorek deformuje, přičemž okraje bývají nepravidelné s oblým vydutím. Rovněž různé povrchové nerovnosti (vrypy, praskliny a pod.) mají za následek lokální změny v jinak převažujícím odstínu barvy. Tyto vady je nutné v obrazu odstranit, neboť by mohly mít nepříjemné následky při počítačovém zpracování obrázku. Na obrázku 2b je ukázán obraz proválcovaného vzorku po provedené ruční retuši. Takto upravený obraz je již možno analyzovat a získat tak množinu údajů o šířce vzorku po jeho délce. B modrá (0,0,1) tyrkysová (0,1,1) fialová (1,0,1) černá (0,0,0) bílá (1,1,1) zelená (0,1,0) G R červená (1,0,0) žlutá (1,1,0) Obrázek 3 Model RGB světlost L W G Y C B M R K Obrázek 4 Model HLS barevný tón H sytost S Každý bod obrazu je definován uspořádanou trojicí intenzit barevných složek RGB (viz obr. 3). I když pro zobrazení barev v počítači je tato soustava výhodná, pro analýzu rozměrů

5 XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, vzorků z jejich obrazů je nutno převést hodnoty RGB do některé soustavy, která je členěna do tří složek charakterizujících barevný tón, sytost a světlost. Jako nejvhodnější byla vybrána soustava HLS, jejíž princip vyjádření barevné informace je patrný z obrázku 4. Vhodnou volbou intervalu jednotlivých položek soustavy HLS je možno sledovaný objekt selektivně vybrat z celého obrazu a převést na kontrastní zobrazení, kdy vzorek obdrží atributy barvy černé a okolí atributy barvy bílé. Takto předzpracovaný obraz je nyní možno dále zpracovat za účelem získání půdorysných rozměrů deformovaného vzorku. Vydutí bočních stran vzorku po proválcování způsobuje problémy při požadavku přesného určení šířky resp. délky vzorku. Při běžném určování rozměrů mechanickým měřením, například posuvným měřítkem, se bere průměr mezi maximální hodnotou (vnější obrys) a minimální hodnotou (počátek vydutí). Počítačová analýza obrazu umožňuje zvýšit přesnost této operace. Vlivem osvětlení vzorku skenerem jsou vydutí charakterizována změnou barevného odstínu a jasu oproti zbývající části vzorku. Změnou parametrů určujících při analýze rozhraní mezi vzorkem a okolím obrazu je možno v souladu se zákonem o zachování objemu dosáhnou shody mezi známým objemem klínovitého vzorku před válcováním a vypočteným objemem proválcovaného vzorku, čímž je zaručena vysoká přesnost odečtu šířky resp. délky vzorku. 3 Výpočet deformačních vlastností válcovaného materiálu Pro výpočet geometrických rozměrů proválcovaného vzorku a výpočet jeho deformačních vlastností byl vyvinut počítačový program. Jeho účelem je vedle zpřesnění výpočtů poskytnout uživateli maximální jednoduchost, komfort a automatizaci všech prací spojených se získáním a výpočtem informací o válcovaném materiálu. Uvedené řešení odstraňuje nepřesnosti vznikající lidským faktorem při zjišťování a zpracování složitých geometrických rozměrů proválcovaného vzorku. Principem laboratorní zkoušky válcováním klínovitého vzorku je využití takového tvaru vzorku, aby bylo možno zjišťovat deformační parametry materiálu při spojité změně velikosti úběru od minima až po maximum po délce vzorku během jednoho proválcování. Vzorek splňující vytýčené požadavky má tvar klínu, tak jak je patrno z obrázku 5. Obrázek 5 Ukázka laboratorního klínovitého vzorku před válcováním Principiální schéma laboratorní zkoušky válcováním klínovitého vzorku na válcovací stolici je uvedeno na obrázku 6. Klínovitý vzorek je dopraven válečkovým dopravníkem mezi pracovní válce stolice. Použití klínovitého vzorku však nepřináší komplikace jen při odečtu rozměrů proválcovaného vzorku, ale také při určení deformačních parametrů v procesu válcování.

6 XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, vzorek po válcování S 2 v h vz S 2 R n l d S 1 horní válec válcovaný klínový vzorek dolní válec S 1 h k Parametry při válcování R poloměr válců [mm] n otáčky válců [1/min] v výstupní rychlost vzorku l d délka pásma deformace [mm] S 1 průřez vzorku před válcováním [mm 2 ] S 2 průřez vzorku po válcování [mm 2 ] h k výška vzorku před válcováním [mm] b k šířka vzorku před válcováním [mm] h vz výška vzorku po válcování [mm] b k šířka vzorku po válcování [mm] b vz b k Obrázek 6 Schématické znázornění válcování klínovitého vzorku na válcovací stolici Pro výpočet intenzity deformace je nutno spojitě po délce klínu vypočítávat skutečnou délku pásma deformace a přesně určovat vybranému příčnému průřezu proválcovaného vzorku odpovídající příčný průřez na klínovitém vzorku před válcováním. V počítačovém programu je určení délky pásma deformace provedeno matematickým řešení kvadratické rovnice průsečíku přímky (hrana ještě neproválcované části vzorku) s kružnicí (obvod pracovního válce) a určení odpovídajících si průřezů srovnáním skutečných dílčích objemů vzorku před a po válcování po hledané průřezy. Výpočet intenzity deformace je vypočten ze vztahu: e i = eh + eb + e 3 2 l kde: skutečná deformace ve směru výšky skutečná deformace ve směru šířky h e = ln 1 h, h 0 b e = ln 1 b, b 0 skutečná deformace ve směru délky e l = e e, h b h 0 a h 1 výška odpovídajících si průřezů vzorku před a po válcování [mm], b 0 a b 1 šířka odpovídajících si průřezů vzorku před a po válcování [mm].

7 XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, Výpočet deformační rychlosti [1/s] je dán vztahem: vv e = ei l d kde: v v obvodová rychlost válce [m/s], která je vypočtena z průměru válce a jeho otáček, l d délka pásma deformace [mm]. 4 Program pro automatizaci výpočtu laboratorní zkoušky válcováním klínovitého vzorku Pro usnadnění a úplnou automatizaci pořízení geometrických rozměrů vzorků a výpočtů jeho deformačních vlastností byl v programovacím jazyce Delphi vytvořen program, jehož design je patrný z obrázku a 6 8 8a 6a 10 8b 2a 5a 5b 7 9 7a 9a 2 8c 8d Obrázek 7 Schématické znázornění válcování klínovitého vzorku na válcovací stolici Ovládání programu je intuitivní, sled potřebných sekvencí stisku tlačítek je korigován vlastním programem. Před započetím práce s programem je zapotřebí umístit do přístupné složky obrázky jednotlivých vzorků ve formátu BMP. V případě, že je homogenita barvy vzorku v obrázku

8 XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, viditelně porušena například rýhami, je žádoucí tyto chyby před vlastní analýzou retušovat v některém grafickém editoru. Po spuštění programu, jsou většinou hodnoty charakterizující parametry klínovitého vzorku nastaveny správně, je-li však nutno tyto změnit, pak mohou být aktuální hodnoty nastaveny v poli (1). Poté je možno načíst obrázek do programu stiskem tlačítka (2), což vyvolá dialogové okno pro volbu požadovaného souboru. Při úspěšném načtení obrázku se obraz proválcovaného vzorku objeví v okně (2a). Obraz je možno pro kontrolu zvětšit tlačítkem (3). Pokud nejsou správně nastaveny parametry válcování (průměr válců nebo otáčky) je možno je korigovat v poli (4), rovněž velikost úběru resp. výšky proválcovaného vzorku je možno nastavit v poli (4a). Nyní lze spustit proceduru analýzy obrazu tlačítkem (5). Výsledkem je vytvoření kontrastního obrysu proválcovaného vzorku (5a), z něhož jsou určovány dílčí rozměry vzorku a jeho dílčí objemy od počátku (5b). Je-li rozdíl mezi celkovým objemem klínovitého vzorku a vypočteným objemem vzorku po válcování velký, umožňuje program provést novou analýzu při změně parametrů rozpoznávání obrysu (6), čímž dovoluje dosáhnout minimální odchylky obou objemů. Případné jemné korekce určení objemu je možno dosáhnou nastavovacím prvkem (6a). Po takto nastavené shodě obou objemů je již možno provést propočet deformačních parametrů vzorku po jeho délce. Po stisku tlačítka (7) jsou propočteny šířky, úběry, intenzity deformace a deformační rychlosti v jednotlivých průřezech po délce vzorku a znázorněny v grafu (7a). Program umožňuje i jednotlivý výpočet pro průřez zadaný vzdáleností od počátku vzorku prostřednictvím zadávacího pole (8). Výsledkem je zobrazení aktuální šíře vzorku v zadaném bodě a objem od počátku (8a) a rovněž zobrazení úběru, intenzity deformace a deformační rychlosti (8b). Zároveň jsou zobrazeny pro ekvivalentní průřez klínovitého vzorku jeho parametry (8c) a je vykreslen ilustrační graf (8d). Výsledky laboratorní zkoušky jsou dále využívány pracovištěm, a tak pro jednoduchý a dostupný přenos informací z programu byl zvolen výstup ve formě textového souboru, který je čitelný v textovém editoru a zároveň snadno přístupný pro MS Excel. Stiskem tlačítka (9) jsou přeneseny všechny informace, jejichž množství je dáno rozlišením skeneru, při použití tlačítka (9a) jsou ukládány informace o průřezech vzdálených od sebe 1 cm. Program je možno ukončit tlačítkem (10). 5 Závěr Pro zvýšení přesnosti a komfortu zpracování laboratorní zkoušky válcováním klínovitého vzorku byl vyvinut počítačový program pro výpočet intenzity deformace a deformační rychlosti v libovolném příčném řezu po délce výsledného vývalku. Vlivem šíření však vzniká silně nepravidelný půdorysný tvar vzorku, což komplikuje aplikaci zákona zachování objemu při výpočtech dílčích složek deformace. Aplikace metod počítačové analýzy obrazu, získaného naskenováním půdorysného tvaru vzorku po jeho proválcování tento problém úspěšně řeší. Popsaná metodika je zvláště výhodná při odhalování podpovrchových licích vad, tedy v případě, kdy aplikace běžných plastometrických zkoušek tvařitelnosti je prakticky vyloučena. 6 Literatura SCHINDLER, I., BOŘUTA, J. Deformační odpory ocelí při vysokoredukčním tváření za tepla. Hutnické listy, č. 7-8, s.47,1995 HEGER, M., DAVID, J., FRANZ, J.: Využití analýzy obrazu pro určování povrchové teploty silně ohřátých materiálů. Dílčí zpráva řešení 2.etapy CAČR 106/96/KO32. VŠB-TU Ostrava, 2002.