專利名稱：鑄件內(nèi)部缺陷自動分析識別裝置及其分析識別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是鑄件內(nèi)部缺陷自動分析識別裝置及其分析識別方法，屬數(shù)字圖象分析識別技術(shù)及設(shè)備。
背景技術(shù)：
金屬鑄造是把金屬加工成預(yù)期的幾何形狀的工業(yè)加工工序，其主要過程是通過把燒至熔融狀態(tài)的金屬澆灌到鑄模內(nèi)，待其冷卻后得到設(shè)計所要求的形狀。在這一生產(chǎn)工藝過程中，由于工藝設(shè)計、材料配方、生產(chǎn)設(shè)備、環(huán)境條件等諸多因素的影響，使鑄件不可避免地形成各種各樣的鑄造缺陷。隨著對鑄件產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，對鑄件產(chǎn)品質(zhì)量的檢測、分析、識別手段也提出了更高要求。又由于鑄件產(chǎn)品的多樣性，鑄件內(nèi)部缺陷的檢測，一般是用X光機或?qū)用鎾呙?CT)儀來獲取鑄件內(nèi)部的缺陷圖象，然后由檢測員按照國際標準檢測委員會ASTM制定的無損傷鑄件檢測國際標準的參考圖象與實物檢測圖象進行對照比較。檢查工序往往要求對同一類產(chǎn)品中出現(xiàn)的多達7類8個等級的缺陷圖象進行反復(fù)對比、識別和判斷，在這種長時間枯燥的檢測識別工作環(huán)境下，極易造成眼睛疲勞，因此不可避免地直接影響到檢測的準確性和效率。也就是說現(xiàn)有技術(shù)存在檢測識別人員很吃力、很費神、易疲勞、檢測識別效率低、準確性差、隨機性大等的缺點和問題。
本發(fā)明的目的就是為了克服和解決現(xiàn)在尚無鑄件內(nèi)部缺陷自動檢測分析識別專用裝置或現(xiàn)有檢測分析識別技術(shù)又存在檢測識別人員很吃力、很費神、易疲勞、效率低、隨機性大、準確性差等的缺點和問題，研究、設(shè)計、發(fā)明一種能對在線實時獲取的鑄件內(nèi)部缺陷圖象進行自動分析識別的裝置及其分析識別方法并且精度高、準確性好、可靠性高、效率高、勞動強度低、成本低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)的鑄件內(nèi)部缺陷自動分析識別裝置的外形結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示；其電路方框圖如圖2所示；其實施方式之一的電路原理圖如圖3所示。它由液晶顯示屏1、機殼及面板2、連接電纜3、電源開關(guān)4、功能鍵5、6、7、電路板共同安裝連接構(gòu)成，其相互位置及連接關(guān)系為電路板固定安裝于機殼2內(nèi)，液晶顯示屏1裝于機殼的面板2上并通過顯示信號線與電路板上液晶顯示輸出電路相應(yīng)點相電氣連接；電源開關(guān)4及功能鍵5、6、7分別安裝于機殼的面板2下部并分別通過電源線、各功能信號線分別與電路板上電源端、各相應(yīng)功能電路相應(yīng)點相電氣連接；連接電纜3的一端穿過機殼2側(cè)面預(yù)留的孔與電路板上相應(yīng)電路相應(yīng)點連接，其另一端與X光機或CT層面掃描儀相應(yīng)通信信號輸出端相連接；其電路由A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號處理器(DSP)、同步隨機存取存儲器(SRAM)、可編程只讀存儲器(EPROM)、地址譯碼及片選控制器、串行接口電路、液晶顯示輸出電路共同電氣連接構(gòu)成，其相互連接關(guān)系為A/D轉(zhuǎn)換電路分別通過模擬信號線、數(shù)字信號線分別與X光機或CT層面掃描儀、數(shù)字信號處理器(DSP)相電氣連接；數(shù)字信號處理器分別通過同步存取信號線、可編程存儲信號線、譯碼及控制信號線、串行接口信號線分別與同步隨機存取存儲器(SRAM)、可編程只讀存儲器(EPROM)、地址譯碼及片選控制器、串行接口電路相電氣連接；地址譯碼及片選控制器分別通過譯碼及控制信號線分別與同步隨機存取存儲器(SRAM)、可編程只讀存儲器相電氣連接；串行接口電路通過顯示信號線與液晶顯示輸出電路相電氣連接。如圖3所示，其中A/D轉(zhuǎn)換電路由集成電路IC1構(gòu)成；數(shù)字信號處理器由芯片IC2構(gòu)成；串行接口可采選用數(shù)字信號處理器芯片IC2內(nèi)的串行接口，液晶顯示輸出電路由J1構(gòu)成；同步隨機存取存儲器由IC9、IC10、IC11共同連接構(gòu)成；可編程只讀存儲器由IC7構(gòu)成；地址譯碼及片選控制器由IC3構(gòu)成。
用本發(fā)明的鑄件內(nèi)部缺陷自動分析識別裝置進行自動檢測分析識別的方法是將鑄造檢測國際標準的參考圖象進行分類及特征提取；現(xiàn)場采集的鑄件內(nèi)部缺陷圖象經(jīng)鑄件內(nèi)部缺陷自動分析、識別裝置進行特征提取、模式匹配和缺陷分析識別后，在監(jiān)測屏幕上顯示所測缺陷的類別和等級；其方法步驟如下(1)首先將鑄造檢測國際標準的參考圖象進行分析，經(jīng)過采用如附圖5所示的缺陷分析算法對鑄件缺陷標準的參考圖象進行處理和特征提取，形成一套用于鑄件缺陷分析識別的模型存入本發(fā)明的分析識別裝置中的存儲器內(nèi)；缺陷分析算法包括發(fā)明人針對鑄件內(nèi)的長形針孔、圓形針孔及海綿狀縮松這幾種用傳統(tǒng)的現(xiàn)有方法難以分析識別的缺陷類型，運用小波理論，創(chuàng)造性地將這幾種缺陷類型圖象分別在空域中進行方向濾波，再選擇合適的移動窗口，針對不同窗口內(nèi)缺陷縮孔所占的面積來對不同缺陷加以分類區(qū)分的小波分類分析算法；(2)然后將現(xiàn)場采集的鑄件內(nèi)部缺陷的X光機或CT層面掃描儀輸出的模擬信號輸入到本發(fā)明裝置的A/D轉(zhuǎn)換器進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)鑄件內(nèi)部缺陷自動分析識別裝置采用如附圖5所示缺陷分析算法進行在線實時獲取的圖象的特征提??；(3)然后將所得到的特征與存儲在裝置內(nèi)上述存儲器內(nèi)的標準參考圖象的特征進行模式匹配，接著進行缺陷類型識別和缺陷的等級識別，最后在監(jiān)測屏幕上顯示所測缺陷的類別和等級；更具體過程如下本發(fā)明裝置加電后，數(shù)字信號處理器DSP芯片復(fù)位，由內(nèi)部固化的自引導(dǎo)程序?qū)⒋嬗诳删幊讨蛔x存儲器EPROM中的程序和數(shù)據(jù)移至高速同步隨機存取存儲器SRAM，然后數(shù)字信號處理器DSP開始圖象分析和識別算法，每一幀運行一次缺陷分析算法，大約需時22毫秒，再由串行通信口將分析和識別結(jié)果輸出到液晶顯示屏；由于數(shù)字信號處理器DSP的運算速度足以在一幀內(nèi)完成鑄件圖象缺陷分析和識別算法(包括預(yù)處理)，本發(fā)明裝置可以按全雙工方式工作。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下的優(yōu)點和有益效果(1)本發(fā)明為鑄造生產(chǎn)提供實時的在線鑄件內(nèi)部缺陷圖象分析識別裝置及分析識別方法；(2)本發(fā)明完全能克服和解決現(xiàn)有鑄件質(zhì)量檢測技術(shù)存在檢察員眼睛易疲勞、準確性差、隨機性大、效率低、不可靠等的缺點和問題；(3)本發(fā)明能提高鑄件質(zhì)量檢測、分析、識別的準確性和可靠性，提高鑄件檢測的工作效率，降低該檢測分析識別工序的勞動強度，進而為計算機集成制造提供先進技術(shù)手段，能使在線獲得的生產(chǎn)質(zhì)量數(shù)據(jù)可以自動處理、存儲和查詢；(4)本發(fā)明裝置和方法可用于分析識別其它任何通過電子方法獲取的鑄件內(nèi)部缺陷圖象及圖形；(5)本發(fā)明裝置成本低廉，圖象處理速度快，保密性強、精度高。


圖1是鑄件內(nèi)部缺陷自動分析、識別裝置的外形結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是其電路方框圖；圖3是其實施方式之一的電路原理圖；圖4是鑄件內(nèi)部缺陷在線分析識別的程序流程方框圖；圖5是鑄件內(nèi)部缺陷自動分析識別裝置的缺陷分析算法流程框圖。圖中1是液晶顯示屏、2是機殼及面板、3是連接電纜、4是電源開關(guān)、5、6、7均是功能鍵，可分別實現(xiàn)暫停、跟蹤及圖象選擇功能；圖3中相同標號點應(yīng)相電氣連接。
(五)實施方式本發(fā)明鑄件內(nèi)部缺陷自動分析識別裝置及其方法可用軟件、硬件或軟硬件結(jié)合的方法實現(xiàn)，例如在通用計算機上用Fortran、C語言編寫成裝置處理軟件來實現(xiàn)本發(fā)明的方法，或利用通用的可編程器件如單片機來實現(xiàn)，即用硬件代替一部分軟件功能，還可采用通用或?qū)Ｓ脭?shù)字信號處理器DSP以及在通用計算機上增加專用的加速處理機實現(xiàn)。在現(xiàn)在所述的最佳實施例中，所述鑄件內(nèi)部缺陷自動分析識別的方法及裝置是用軟硬件結(jié)合實現(xiàn)的，其軟件流程方框圖如圖4、圖5所示；(1)按圖1所示，設(shè)計、加工、制造機殼及面板2，可選用鋁合金材料采用通用機加工方法進行加工制造，加工好后如圖1所示布置、安裝市場購買的液晶顯示屏1、電源開關(guān)4和各功能鍵5、6、7；(2)按圖2、圖3所示，用計算機繪制電路板，并篩選元器件進行安裝電路板，例如A/D轉(zhuǎn)換電路可選用TI公司的TLC5510芯片；數(shù)字信號處理器DSP可選用美國德州儀器公司生產(chǎn)的TMS320C31浮點DSP芯片；同步隨機存取存儲器SRAM可選用SL8X350存儲芯片；可編程只讀存儲器EPROM可選用TMS27C512芯片；串行接口電路可采用數(shù)字信號處理器芯片內(nèi)串行接口；地址譯碼及片選控制器可選用SN74HC138集成件；(3)安裝好電路板經(jīng)簡單加電調(diào)試后，按圖4、圖5所示，編寫軟件程序并存入SRAM及EPROM；(4)把裝置于機殼面板上的液晶顯示屏1、電源開關(guān)4及各功能鍵5、6、7分別通過顯示信號線、電源線及各功能信號線分別與機殼2內(nèi)電路板上各自相應(yīng)電路相應(yīng)點相電氣連接；通過信號電纜線3把電路板上相應(yīng)模擬信號輸入電路與X光機或CT機相應(yīng)點相電氣連接，這樣便能較好地實施本發(fā)明。
實施過程中，更具體的實施情況及本發(fā)明裝置的性能如下①本發(fā)明裝置的最佳實施例是采用以DSP芯片為核心，并配以圖象采集、存儲和液晶顯示等外部電路的圖象處理器，主要的特點有成本低廉，圖象處理速度快，可完全滿足鑄造生產(chǎn)線的實時在線檢測分析、識別要求；另外通過軟件的硬件化，使軟件具有較強的保密性和運行的可靠性；本裝置的核心部分采用美國德州儀器公司生產(chǎn)的浮點DSP芯片TMS320C31，其指令周期為33ns，工作頻率為40MHz，可以用來實現(xiàn)多種DSP算法；另外芯片還提供了豐富的硬件資源數(shù)據(jù)總線和地址總線分別是32位和24位，分開的程序總線、地址總線和直接存儲器存取(DMA)使得取址、讀寫數(shù)據(jù)和DMA操作可以并行進行，還可訪問多達16M的32位字節(jié)的存儲器空間；64字節(jié)的高速緩存和2K字節(jié)的快速RAM，大大減少了片外訪問的次數(shù)，提高了程序運行速度；引導(dǎo)程序裝入方式是將程序和數(shù)據(jù)從低速EPROM或串行口裝入到快速RAM；片內(nèi)串行口可使TMS320C31直接與串行外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)，支持8、16、24和32位數(shù)據(jù)交換；兩個定時器可用來實現(xiàn)各種功能；②A/D轉(zhuǎn)換電路采用TI公司的TLC5510作為A/D轉(zhuǎn)換芯片，其轉(zhuǎn)換精度為8位，CMOS電平，采樣頻率為8MHz，并行輸出方式。它利用半閃快速結(jié)構(gòu)，用單5伏電源工作，且只消耗100mW的功率。它還包含由內(nèi)部采樣和保持電路，具有高阻抗方式的并行口以及內(nèi)部基準電阻；③X光機或CT機模擬信號從A/D轉(zhuǎn)換器TLC5510(IC1)的模擬輸入口ANALOG IN輸入，圖3中示為AIN，電容C1和R2起去偶接地作用；輸入信號經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換器74HC25(IC3)轉(zhuǎn)換成CMOS電平，進入緩存器74603(IC4)，由于IC1的輸出為TTL電平，所以實施例中采用IC3來進行電平轉(zhuǎn)換；IC1的輸出D0-D7與IC3的A0-A7連接，IC3的輸出Y0-Y7為CMOS電平，接到緩存器IC4的A0-A7，IC4的輸出B0-B7與DSP芯片TMS320C31(IC2)的數(shù)據(jù)線D0-D7相連接，一個相當于數(shù)據(jù)采集開關(guān)的二選一選擇器74157(IC5)通過引腳1Y控制緩存器IC4的輸出使能端OE，當OE為低電平時，允許數(shù)據(jù)輸出；當OE為高電平時，IC1的D0-D7為高阻狀態(tài)。當進行數(shù)據(jù)采集時，DSP內(nèi)部程序使輸入引腳XF0置“0”，令與IC2的XF0相連接的IC1的OE端在下降沿觸發(fā)并由此開始進行模術(shù)轉(zhuǎn)換，同時使輸出引腳XF1置“1”，通過與之相連接的選擇引腳SLE，使選擇器74157選擇與DSP的串行通信端STRB相連的1A端，緩沖器開始工作，數(shù)字數(shù)據(jù)由緩沖器讀入DSP的數(shù)據(jù)線；當采集完一幀的數(shù)據(jù)，使XF1置“0”，選擇器輸出Y為B(因B為高電平)，緩沖器關(guān)閉，停止發(fā)送數(shù)據(jù)；通過與IC2的寫/讀端口W/R連接，這里A/D轉(zhuǎn)換器的時鐘信號CLK由DSP分頻得到。電阻R1與R4再加可調(diào)阻R3進行分壓，向IC1的參考電壓端REF提供參考電壓；④IC2實時運行程序和數(shù)據(jù)都存放在同步隨機存取存儲器SRAM中，SRAM為四片256K×8位的存儲芯片SL8×350(IC8、IC9、IC10和IC11)，構(gòu)成256K×32位的存儲空間，它們中的地址線A0-A14接IC2的地址線，而數(shù)據(jù)線D0-D7則分別與IC2的D0-D7、D8-D15、D16-D23、D24-D31數(shù)據(jù)總線連接；另外IC2還連接了一片用于存儲程序及初始化數(shù)據(jù)、型號為TMS27C512(IC7)的可編程只讀存儲器EPROM，構(gòu)成32K×8的存儲空間；EPROM的16根地址線A0-A15直接與IC2的A0-A15相接，8根數(shù)據(jù)線與IC2的D0-D7相接，片選端CE和其自身的輸出使能端OE相接后與譯碼器SN74HC138(IC6)的輸出端Y1、Y2相連接；IC6的引腳A、B和C分別連接到IC2的地址線A18、A22和A23；另外，IC2還輸出到一個64×12的液晶點陣顯示器(J1)作為狀態(tài)顯示，可選用日本seiko Epson公司型號為sed1330的產(chǎn)品；IC2的A13作為液晶點陣的輸出使能連接到其CE端。其D0-D19分時作為液晶點陣的行信號，D20-D31作為液晶點陣的行掃描信號；⑤圖4是體現(xiàn)本發(fā)明鑄件內(nèi)部缺陷自動分析識別的方法和裝置處理方法的流程圖。由于鑄件質(zhì)量的檢測分析、識別主要依據(jù)ASTM委員會提供的無損傷檢測的國際標準，鑄件內(nèi)部缺陷自動分析識別仍然依照本標準，但卻不能象依賴人的眼睛分析那樣直接采用該委員會提供的標準圖象，而必須對其進行處理以使自動分析裝置可以通過相對簡單的數(shù)字運算完成模式匹配與識別；在將標準圖象進行特征分析和提取之后，裝置采用與處理標準圖象基本類似的方法對在線采集的鑄件缺陷圖象也進行特征分析和特征提取，然后將所得到的特征與缺陷的標準圖象相對應(yīng)的特征進行模式匹配，并按下面介紹的算法分析鑄件缺陷的類型以及所屬的等級，最后在本發(fā)明鑄件內(nèi)部缺陷自動分析識別裝置的顯示屏上顯示分析結(jié)果；⑥圖5是說明本發(fā)明鑄件內(nèi)部缺陷自動分析識別裝置的缺陷分析算法流程圖，本發(fā)明的分析算法采用固化在DSP芯片中運行的方式以提高可靠性和實時處理的速度，鑄件缺陷圖象的分析識別算法中包括許多圖象處理技術(shù)領(lǐng)域中常用的一些方法，如圖象預(yù)處理中涉及到的圖象分割、邊緣檢測、圖象增強及圖象的二值處理，以及分析識別算法中涉及的圖象幾何特征計算，如慣量計算、面積計算等，還用到上述發(fā)明人針對鑄件缺陷圖象的分析識別研究的如對灰度紋理圖象的小波分類分析算法等。發(fā)明人提出的算法考慮到7種鑄件缺陷類型，如圖3所示的A、B、C、D、E、F分別代表氣孔、長形針孔、圓形針孔、海綿狀縮松、低密度異物和縮孔等7類缺陷。圖3中所示的算法在自動分析識別的過程中將F和G作為一類缺陷識別出來，然后再將其通過同樣是非損傷檢測法但卻是物理方法的氣密式檢測法對F和G缺陷即低密度異物和縮孔缺陷進行識別。
權(quán)利要求
1.一種鑄件內(nèi)部缺陷自動分析識別裝置，其特征在于它由液晶顯示屏(1)、機殼及面板(2)、連接電纜(3)、電源開關(guān)(4)、功能鍵(5)、(6)、(7)、電路板共同安裝連接構(gòu)成，其相互位置及連接關(guān)系為電路板固定安裝于機殼(2)內(nèi)，液晶顯示屏(1)裝于機殼的面板(2)上并通過顯示信號線與電路板上液晶顯示輸出電路相應(yīng)點相電氣連接；電源開關(guān)(4)及功能鍵(5)、(6)、(7)分別安裝于機殼的面板(2)下部并分別通過電源線、各功能信號線分別與電路板上電源端、各相應(yīng)功能電路相應(yīng)點相電氣連接；連接電纜(3)的一端穿過機殼(2)側(cè)面預(yù)留的孔與電路板上相應(yīng)電路相應(yīng)點連接，其另一端與X光機或CT層面掃描儀相應(yīng)通信信號輸出端相連接；其電路由A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號處理器、同步隨機存取存儲器、可編程只讀存儲器、地址譯碼及片選控制器、串行接口電路、液晶顯示輸出電路共同電氣連接構(gòu)成，其相互連接關(guān)系為A/D轉(zhuǎn)換電路分別通過模擬信號線、數(shù)字信號線分別與X光機或CT層面掃描儀、數(shù)字信號處理器相電氣連接；數(shù)字信號處理器分別通過同步存取信號線、可編程存儲信號線、譯碼及控制信號線、串行接口信號線分別與同步隨機存取存儲器、可編程只讀存儲器、地址譯碼及片選控制器、串行接口電路相電氣連接；地址譯碼及片選控制器分別通過譯碼及控制信號線分別與同步隨機存取存儲器、可編程只讀存儲器相電氣連接；串行接口電路通過顯示信號線與液晶顯示輸出電路相電氣連接。
2.一種用權(quán)利要求1所述的鑄件內(nèi)部缺陷自動分析識別裝置進行鑄件內(nèi)部缺陷分析識別的方法，它是是將鑄造檢測國際標準的參考圖象進行分類及特征提取；現(xiàn)場采集的鑄件內(nèi)部缺陷圖象經(jīng)鑄件內(nèi)部缺陷自動分析識別裝置進行特征提取、模式匹配和缺陷分析識別后，在監(jiān)測屏幕上顯示所測缺陷的類別和等級；其方法步驟如下(1)首先將鑄造檢測國際標準的參考圖象進行分析，經(jīng)過采用缺陷分析算法對鑄件缺陷標準的參考圖象進行處理和特征提取，形成一套用于分析識別的模型存入本發(fā)明的分析識別裝置中的存儲器內(nèi)；缺陷分析算法包括發(fā)明人針對鑄件內(nèi)的長形針孔、圓形針孔及海綿狀縮松這幾種缺陷類型圖象分別在空域中進行方向濾波，再選擇合適的移動窗口，針對不同窗口內(nèi)缺陷縮孔所占的面積來對不同缺陷加以分類區(qū)分的小波分類分析算法；(2)然后將現(xiàn)場采集的鑄件內(nèi)部缺陷的X光機或CT層面掃描儀輸出的模擬信號輸入到本發(fā)明裝置的A/D轉(zhuǎn)換器進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)鑄件內(nèi)部缺陷自動分析識別裝置采用缺陷分析算法進行在線實時獲取的圖象的特征提??；(3)然后將所得到的特征與存儲在裝置內(nèi)上述存儲器內(nèi)的標準參考圖象的特征進行模式匹配，接著進行缺陷類型識別和缺陷的等級識別，最后在監(jiān)測屏幕上顯示所測缺陷的類別和等級；更具體過程如下本發(fā)明裝置加電后，數(shù)字信號處理器DSP芯片復(fù)位，由內(nèi)部固化的自引導(dǎo)程序?qū)⒋嬗诳删幊讨蛔x存儲器EPROM中的程序和數(shù)據(jù)移至高速同步隨機存取存儲器SRAM，然后數(shù)字信號處理器DSP開始圖象分析和識別算法，再由串行通信口將分析和識別結(jié)果輸出到液晶顯示屏；數(shù)字信號處理器DSP的運算速度足以在一幀內(nèi)完成鑄件圖象缺陷分析和識別算法，裝置按全雙工方式工作。
全文摘要
本發(fā)明是鑄件內(nèi)部缺陷自動分析識別裝置及其分析識別方法。裝置由顯示屏、機殼及面板、連接電纜、電源開關(guān)、多種功能鍵、電路板連接構(gòu)成,連接關(guān)系:電路板裝于機殼內(nèi),電源開關(guān)及功能鍵裝于面板并分別與電路板相應(yīng)點連接;其電路由A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號處理器、同步隨機存取存儲器、可編程只讀存儲器、地址譯碼及片選控制器、串行接口電路、液晶顯示輸出電路通過電源線、各自信號線連接構(gòu)成。本發(fā)明能實時分析、識別鑄件內(nèi)部缺陷、準確、可靠、效率高,克服和解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點和問題。
文檔編號G01N23/04GK1341908SQ0112780
公開日2002年3月27日 申請日期2001年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月3日
發(fā)明者黃茜 申請人:華南理工大學(xué)