Введение к работе
Актуальность работы. Повышение эксплуатационного ресурса и надежности изделий в условиях рыночной экономики обусловлено использованием высококачественных материалов. Постоянный рост требований к качеству материала повышает трудоемкость его контроля, в результате чего появляется потребность в автоматизации этого процесса.
Поведение сплавов в условиях эксплуатации определяется содержанием структурных и фазовых составляющих, их морфологией и стабильностью. Выражение соотношений, связывающих микроструктуру сплава с его физическими и механическими свойствами в количественной форме, формирует простой и легко воспроизводимый метод контроля качества этого сплава и прогноза его свойств. Привлечение вычислительной техники для проведения количественного металлографического анализа позволяет получить более точную численную оценку взаимосвязи «химический состав – структура – свойства».
Анализ структуры и фазового состава проводится посредством обработки изображений микроструктур с применением основных принципов стереометрии и теории распознавания образов. Существующие в настоящее время методики автоматизированного анализа структуры не являются комплексными, так как они предназначены только для структурного анализа сплавов и не рассматривают взаимосвязь между химическим составом, структурой и свойствами сплавов. Мало изучена задача автоматического выделения и реконструкции форм различных структурных элементов на основе системного анализа и классификации этих элементов.
Среди наиболее значительных работ в области автоматизации анализа сплавов, выполненных ранее другими авторами, можно выделить работы А. В. Яковлева, М. В. Филинова и Ф. С. Фурсова, а также ряд программных разработок фирм: «SIAMS», «ВидеоТест», «Новые экспертные системы». В этих работах не решены вопросы комплексной автоматизированной оценки качества сплавов по всем характеристикам (химический состав, структура, свойства), а рассмотренные в них методы позволяют проводить только количественный металлографический анализ.
Данная работа направлена на решение актуальной проблемы современного машиностроения – совершенствование методов и средств комплексного автоматизированного контроля качества сплавов на основе использования принципов цифровой обработки и математического аппарата.
Цель работы. Разработка автоматизированной вычислительной системы металлографического анализа и контроля качества сплавов с использованием цифровой обработки оптических изображений микроструктур на основе анализа структуры, фазового состава и последующего прогноза свойств и химического состава. Данная система является одним из элементов общей системы автоматизированного контроля и управления технологическими процессами. Она предназначена для сбора и цифровой обработки данных металлографического анализа и контроля сплавов на машиностроительном производстве: в цехах заготовительного производства и в лабораториях металлографического анализа.
Основные задачи:
- анализ, классификация структурных составляющих сплавов на основе характерных геометрических и металлофизических признаков;
- разработка алгоритмов автоматизированной обработки изображений микроструктуры сплавов, производящих предварительную обработку, сегментацию и распознавание изображений;
- разработка алгоритмов автоматизированного расчета количественных параметров микроструктуры сплавов с учетом их строения;
- разработка автоматизированных подходов построения аналитических и статистических моделей прогноза химического состава и механических свойств сплавов на основе проведенного анализа структуры и использования основных физико-химических закономерностей в системе «химический состав – структура – свойства»;
- разработка и внедрение программного обеспечения автоматизированного контроля сплавов, реализующего предложенные алгоритмы анализа структуры, прогноза химического состава и свойств сплавов.
Методы исследований. Для решения поставленных задач применены методы количественного металлографического анализа, математического и компьютерного моделирования, цифровой обработки изображений, теория распознавания образов, построения алгоритмов и программ, аппарат вейвлет-анализа и математической статистики.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается корректностью разработанных математических моделей, их адекватностью по критериям математической статистики, использованием положений фундаментальных наук, сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента и результатами промышленной эксплуатации созданной системы автоматизированного контроля качества сплавов, а также с результатами исследований других авторов.
На защиту выносятся:
- модель представления изображений в системе автоматизированного контроля структуры, фазового состава и свойств сплавов;
- универсальный комплекс методик обработки изображений микроструктур в системах автоматизированного контроля сплавов, включающий контурно-структурный, яркостно-цветовой и яркостно-текстурный методы сегментации;
- критерий формы включений '-фазы в жаропрочных сплавах;
- методика проведения автоматизированной идентификации и разделения на оптическом изображении микроструктуры дефектов оптики, дефектов подготовки шлифа и дефектов структуры;
- результаты исследования и практического применения предложенных положений, алгоритмов, моделей и системы автоматизированного контроля качества сплавов.
Научная новизна:
- предложена модель представления цифровых изображений микроструктур в системе автоматизированного контроля, описывающая цветовое пространство и пространственно-частотные компоненты изображения. За счет разделения в модели яркостных и цветовых составляющих изображения увеличивается скорость и эффективность алгоритмов обработки изображений микроструктур;
- предложен универсальный алгоритм выделения структурных элементов на изображениях микроструктур при металлографическом анализе, включающий методы контурно-структурной, яркостно-цветовой и яркостно-текстурной сегментации. Алгоритм позволяет обрабатывать большое многообразие классов изображений микроструктур сплавов и минимизировать ошибки оценки их параметров;
- предложен критерий формы включений '-фазы в жаропрочных сплавах, позволяющий оценить кинетику структурных и фазовых превращений в этих сплавах в условиях эксплуатации при температурно-силовых воздействиях;
- предложен алгоритм проведения автоматизированной идентификации и разделения между собой дефектов оптики («царапина», «загрязнение»), подготовки шлифа («царапина», «загрязнение») и дефектов структуры («пористость»). Алгоритм позволяет повысить эффективность и качество автоматизированного металлографического анализа.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в возможности использования в промышленности:
1. Программно-аппаратной архитектуры системы автоматизированного металлографического анализа и контроля сплавов;
2. Алгоритмов обработки изображений микроструктур:
- алгоритма компенсации неоднородности освещения шлифов;
- алгоритма восстановления сфокусированного изображения;
- алгоритма яркостно-цветовой сегментации, выполняющего сегментацию изображений одновременно по яркости и по цвету;
- алгоритма яркостно-текстурной сегментации изображений микроструктур, содержащих сложные структурные составляющие;
- алгоритма контурно-структурной сегментации изображений микроструктур, позволяющего избавиться от влияния погрешности дискретизации, восстановить элементы на изображении и снизить ошибку измерения геометрических характеристик;
- алгоритма автоматизированного количественного анализа основных характеристик микроструктуры;
3. Методик исследования структурного и фазового состава высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, жаропрочного сплава ЖС6У – ВИ, аустенитной корозионностойкой стали;
4. Принципов идентификации типа неметаллических включений на основе яркостно-цветовой сегментации, позволяющих определить содержание вредных примесей и соответствующую стехиометрическую формулу неметаллических включений;
5. Методик бальной оценки структуры и фазового состава, построенных на основе критерия схожести текстур и устраняющих влияние субъективного фактора при выполнении металлографического анализа;
6. Программной среды анализа микроструктур сплавов «MetAn», зарегистрированной в отраслевом фонде алгоритмов и программ.
Реализация результатов. Разработанное алгоритмическое и математическое обеспечение исследовано и проверено при металлографическом анализе шлифов, полученных с производств ОАО «НПО «Сатурн» и ООО «Литэкс», и использовано при построении системы автоматизированного металлографического анализа и контроля сплавов – программы анализатора изображений «MetAn». Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре «Материаловедение, литье и сварка» РГАТА.
Апробация работы. Основные научные положения диссертации докладывались и обсуждались на: XXVIII конференции молодых ученых, Всероссийской научно-технической конференции «Моделирование и обработка информации в технических системах» (Рыбинск, 2003, 2004); XIII и X Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (Н. Новгород, 2003, 2004); XXXII и XXXIII Международной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2006, 2007); II Международной конференции «Дни науки-2006», (Днепропетровск, 2006); научно-технической конференции «Новые материалы» (Рыбинск, 2007).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 работах: из них 3 статьи, в т. ч. одна в издании, рекомендованном ВАК, 6 тезисов докладов и 1 свидетельство об отраслевой регистрации разработки.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 132 источников и 11 приложений. Содержит 156 страниц основного текста, 19 таблиц, 87 рисунков.
