（机械制造及其自动化专业论文）基于数字图像处理的注塑制品收缩方向实验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 注塑制品的成型是一个非常复杂的多因素耦合作用的动态加工过程，其中成型收缩 是影响注塑制品质量的关键因素之一。收缩不仅降低了注塑制品的尺寸精度与表观质 量，同时还引起注塑制品的结构变形与内在质量缺陷。因此，收缩已成为困扰注塑成型 及其模具设计领域的重要难题。为了探寻注塑制品形状和收缩方向之间的关系，本课题 在全面分析注塑成型收缩研究概况的基础上，在比较了接触式和非接触式测量方法的优 缺点后，进行了注塑制品模内收缩观察的可视化实验，开发了基于m a t l a b 的图像处理 系统，实现了注塑制品收缩方向的检测。 首先，基于注塑制品模内收缩的可视化实验模具，设计制造了螺纹传动机构以及设 有该机构的拍摄设备移动装置，为精密拍摄和图像拼接奠定了基础。针对塑件形状和浇 口位置设计了7 种不同的型腔结构，进行了7 组注塑成型试验，再利用数码单镜头反光 相机与拍摄设备移动装置，对各组成型塑件在模内放置2 4 小时后的收缩情况进行了图 像采集。 其次，在图像处理方面提出了一种人机交互的新型去噪方法，有效地解决了干扰点 对曲线拟合的影响；提出了改进的h a r r i s 算法及角点提取方法，既保留了相应像素点的 较高兴趣值，也使匹配点的获取更加方便；对基于特征的改进h a r r i s 算法以角点作为匹 配点以及基于边缘的拟合法以交点作为匹配点这两种图像拼接方法，进行了匹配精度的 比较，得出拟合法的图像拼接精度高于改进h a r r i s 算法的结论，并根据本文中塑件和模 具型腔的具体结构，采用了基于边缘的拟合法求交点从而获得图像拼接的匹配点。 然后，对于1 4 组注塑成型试验，利用所开发的图像处理系统对塑件和模具型腔 进行边缘提取后，再通过多项式曲线拟合计算交点，求得型腔轮廓与塑件轮廓的特征点 位置，从而得到了塑件收缩方向的实验数据。对于5 7 组注塑成型试验，则先对模具 型腔分块拍摄的图像进行拼接，再用与1 4 组试验相同的处理方法得到了型腔轮廓与 塑件轮廓的特征点位置以及塑件收缩方向的实验数据。 最后，对7 组注塑制品模内收缩试验通过数字图像处理所得的实验数据进行了综合 分析，认为塑件的收缩受到浇口和质心的共同作用。在塑件的收缩不受到模具型腔阻碍 的情况下，塑件的收缩方向指向塑件质心和浇口中间的某一位置处；当塑件的收缩受到 模具型腔轮廓的束缚时，呈现出一定的局部收缩性。 关键词：注塑成型；收缩方向；边缘提取；图像拼接 基于数字图像处理的注塑制品收缩方向实验研究 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ns h r i n k a g ed i r e c t i o no fi n je c t i o n - m o l d e dp a r t s b a s e do nd i g i t a li m a g e p r o c e s s i n g a b s t r a c t 圳e c t i o nm o l d i n gi s av e r yc o m p l e xp r o c e s sc o u p l e db ym a n yd y n a m i cf a c t o r s s h r i n k a g eo ft h ep l a s t i cp r o d u c ti sak e yf a c t o rw h i c ha f f e c t st h eq u a l i t yo ft h em o l d i n g p r o d u c t ，n o to n l yd e g r a d i n gp r e c i s i o na n da p p a r e n tq u a l i t yo ft h ep l a s t i cp r o d u c t ，b u ta l s o c a u s i n gs t r u c t u r a ld e f o r m a t i o na n di n t r i n s i cq u a l i t yd e f e c t s t h e r e f o r e ，s h r i n k a g eh a sb e c o m e am a j o rp r o b l e mi nt h ef i e l do fi n j e c t i o nm o l d i n g i no r d e rt oe x p l o r et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h es h a p eo ft h ep l a s t i cp r o d u c ta n dd i r e c t i o no fs h r i n k a g e ，s e v e ng r o u p so f e x p e r i m e n t sw e r e e x e c u t e da n dai m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mi n c l u d i n gt h ei m a g es t i t c h i n gf u n c t i o nw a s d e v e l o p e db a s e do nt h ei m a g ep r o c e s s i n gm o d u l eo ft h em a t l a bs o f t w a r e ，r e a l i z i n gt h et e s to f s h r i n k a g ed i r e c t i o no f p l a s t i cp a r t s f i r s t l y , s h o o t i n ge q u i p m e n t si n c l u d i n gt h ev i s u a lm o l da n das g r e w d r i v e nm o v i n g m e c h a n i s mw e r ed e s i g n e da n df a b r i c a t e di n d e p e n d e n t l y t h es c r e w - d r i v e nm e c h a n i s mf o r m o v i n go ft h ec a m e r ap r o v i d e df o u n d a t i o nf o rp r e c i s i o ns h o o t i n ga n di m a g es t i t c h i n g a f t e r7 d i f f e r e n tc a v i t i e sw e r ed e s i g n e da n df a b r i c a t e d ，s e v e ng r o u p so fv i s u a le x p e r i m e n t sw e r e e x e c u t e d a f t e rt h ep l a s t i cp a r th a db e e nk e p ti nc a v i t yf o r2 4h o u r s ，ad i g i t a ls i n g l el e n s r e f l e c t i o nc a m e r aw a se m p l o y e dt ot a k et h es h r i n k a g e p i c t u r e s e c o n d l y , an e wd e n o i s i n gm e t h o db a s e do nh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o ni nt h ei m a g e p r o c e s s i n gw a sp r e s e n t e d ，e f f e c t i v e l ys o l v i n gt h ei n t e r f e r e n c ep o i n t sd u r i n gt h ec u r v ef i r i n g p r o c e s s a ni m p r o v e dh a r r i sc o m e ra l g o r i t h mw a sp r o p o s e d ，w h i c hn o to n l yr e t a i n st h e c o r r e s p o n d i n gp i x e lv a l u e so ft h eh i g h e ri n t e r e s t ，b u ta l s om a k e sc a p t u r eo fm a t c h i n gp o i n t s m o r ec o n v e n i e n t l y m a t c h i n ga c c u r a c yo ft h ei m p r o v e dh a r r i so p e r a t o ra n do fc u r v e - f i t t i n g m e t h o dw a sc o m p a r e da n da n a l y z e d a n a l y z i n gr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei m p r o v e dh a r r i s o p e r a t o ri sl e s sa c c u r a t et h a nt h em e t h o db a s e do nc u r v e - f i r i n g t h e nc u r v e f i r i n gm e t h o d w a su s e di nt h i sp a p e rf o ra c q u i r i n gt h es h r i n g k a g ed i r e c t i o no ft h ep l a s t i cp a r t s t h i r d l y , t h ed e v e l o p e di m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mw a su s e df o rn o 1t on o 4g r o u p so f e x p e r i m e n t st od i s t i n g u i s ht h eb o u n d a r yo ft h em o l dc a v i t ya n do ft h ep l a s t i cp a r ti nt h e p i c t u r e s t h ed a t ao fs h r i n k a g ed i r e c t i o nw e r eg o tt h r o u g hl o c a t i n gt h ef e a t u r ep o i n t so ft h e m o l dc a v i t ya n do ft h ep l a s t i cp a r tb yu s i n gl i n ef i r i n ga n di n t e r s e c t a n tp o i n tc o m p u t i n g f o r n o 5t on o 7g r o u p so fe x p e r i m e n t s ，t h em o l dc a v i t yc o n t a i n i n gt h ep l a s t i cp a r tw a ss h o t b l o c kb yb l o c k ；a f t e rt h eb l o c ki m a g e sw e r es t i t c h e d ，t h em e t h o du s e df o rn o 1t on o 4 一i i 大连理工大学硕士学位论文 g r o u p so fe x p e r i m e n t sw e r ea d o p t e dt og e tt h ef e a t u r ep o i n t so ft h em o l dc a v i t ya n do ft h e p l a s t i cp a r t f i n a l l y , t h ec o n c l u s i o n sw e r es u m m a r i z e dt h r o u g hc o m p r e h e n s i v ea n a l y z i n gs e v e n g r o u p so fi n j f e c t i o nm o l d i n gs h r i n k a g et e s t sv i ad i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g t h es h r i n k a g eo f 询e c t i o n m o l d e dp l a s t i cp a r t si sa f f e c t e db yc o m b i n a t i o no ft h eg a t ea n do ft h ep a r t sc e n t r o i d i fc o n t r a c t i o no ft h ep l a s t i cp a r ti sn o th i n d e r e db yt h em o l dc a v i t y ，t h es h r i n k a g ed i r e c t i o no f t h ep l a s t i cp a r tp o i n t st oal o c a t i o nb e t w e e nt h eg a t ea n dt h ec e n t r o i do ft h ep l a s t i cp a r t i f t h e r ei so b s t r u c tc o m i n gf r o mt h em o l dc a v i t yt oc o n t r a c t i o no ft h ep l a s t i cp a r t ，s h r i n k a g eo f t h ep l a s t i cp a r t ss h o w sac e r t a i nd e g r e eo fp a r t i a ls h r i n k a g e k e yw o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n g ；s h r i n k a g ed i r e c t i o n ；e d g e d e t e c t i o n ； i m a g es t i t c h i n g i i i 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阗。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：名因叁坌堡煺i 塑至娅丛矗垒塑塞颦垒 作者签名：! 型塑 日期：! 翌年l 月兰二_ 日 导师签名：堡缝叠日期：竺艺年坠月兰日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文题目：幽垒堡! 鲨选垦生塑哑! 垦! 塑窒幽奎 作者签名： i 虱! 塑苫期：竺! ! 年j 尘月上日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1工程背景 注塑成型的过程是将松散的粒状或粉状塑料原料，经由注射机的料斗输入料筒内， 通过料筒外部加热器和螺杆旋转的剪切摩擦作用，使固态的塑料被定量地塑化至粘流态 并存储于料筒前端；然后在注射机螺杆压力的推动下，将熔融塑料以一定的速度通过注 射机喷嘴注入闭合的模具中，经一定的保压与冷却定型时间后，打开模具即可取出具有 一定形状和尺寸精度的塑料制品。 注塑成型是一种重要的塑料制品成型方法，也是一个非常复杂的多因素耦合作用的 过程。聚合物在注射压力作用下通过流道、浇口进入模腔，熔体一方面因受到高速剪切 而产生温升，另一方面由于受到模具内冷却介质的作用而快速冷却，使熔体体积收缩、 固化。如何定性、定量地分析注塑成型过程中产生注塑制品质量缺陷的原因，从而提出 相应的对策，是进一步提高注塑制品的尺寸精度、表观质量和力学性能所面临的重要课 题。 收缩不仅影响注塑制品的尺寸精度与表观质量，而且严重时还会引起注塑制品的结 构变形与内在质量缺陷。因此，成型收缩已成为注塑成型领域的重要课题，是进一步提 高注塑制品尺寸精度与表观质量、扩展其应用领域所亟待于解决的关键问题之一【l 3 1 。 1 2国内外研究概况及发展趋势 1 2 1注塑制品收缩的研究概况及发展趋势 关于注塑制品收缩的研究主要分为两个方面。一是以实验为基础的研究，通过一定 的测量手段研究探索收缩规律。这类研究大多是以不同注塑材料的标准或简单试件，采 用多因素正交实验方法，来测量试件在不同工艺参数作用下其收缩率的变化值，再由实 验数据拟合出材料收缩率与各工艺参数之间的函数关系，在模具设计时依此函数关系计 算模具成型零件对于塑件收缩率的补偿值。二是注塑成型收缩的理论研究。这类研究大 多是采用弹性或粘弹性以及热粘弹性理论模型为本构关系，应用计算机模拟分析等方 法，计算熔体充模流动时的温度场、压力场和速度场等的变化，来模拟制品的成型过程 及其质量变化。二十世纪9 0 年代以后，随着流动、保压、冷却分析的计算逐步成熟， 推出了一批优秀的注塑成型c a e 软件，如澳大利亚m o l d f o l w 公司的m o l d f o l w 软件与 日本丰田中央研究所的i m a p 软件，还有国内华中理工大学开发的塑料注塑模c a d c a e 基丁数字图像处理的注塑制品收缩方向实验研究 c a m 系统h s c 6 0 ，郑州工业大学研制的z m o l d 分析软件等的推出。许多学者在此 基础上，对塑件收缩进行模拟实验研究，预测注塑制品的形状尺寸，翘曲变形等。 ( 1 ) 注塑成型收缩的实验研究 用实验方法研究注塑制品的收缩，主要体现在研究注塑材料性质、塑件几何形状和 大小、注塑成型工艺条件等对注塑制品收缩率的影响。 国外方面：早期的实验研究主要集中在研究各种工艺条件和注塑制品收缩之间的关 系。r g e h g e r s 矛d k g j o h n s o n 对不同牌号h d p e 在不同冷却时间、模具温度、熔体温度 和注射压力下，采用不同浇口尺寸测试其收缩情况，得出8 0 收缩与制品厚度和浇口尺 寸有关，2 0 收缩与成型条件有关的结论【4 】。g p h b e r t 和l p s a l l o u m 实验研究了p o m 在 充填3 0 玻璃纤维时温度的变化对收缩的影响，并用统计的方法总结出收缩与模具温度 之间关系p j 。g s a l l o u m ，d c h a r l a n d 和b s n a a c h r i n 通过大量实验，发现注塑制品的收缩 和工艺参数呈线性关系，建立了平板的收缩模型【6 】。p p o s t a w a ，j k o s z k u l 研究了p o m 和p s 在不同工艺参数下的横向和纵向收缩，并且提出了预测模型【7 1 。v l e o 和 c c u r e l t i e z 研究了浇口几何形状、工艺参数和模具弹性对制品最终尺寸的影响【8 1 。 b h l e e 用工程优化思想来设计塑料产品和选择成型工艺，在设计注塑模制品时，首次 打破制品壁厚尽可能均匀的规则，认为在预定的尺寸误差范围内，通过改变注塑制品收 缩规律的实验研究制品壁厚和成型时间是减少收缩不均匀性和翘曲的有效方法，并利用 j 下交实验和信噪比分析原理，将不同壁厚看作可控制的设计因素，而将注塑时间、熔体 温度、冷却速度等工艺变量看作噪声因素，得到不同壁厚因子组合的制品壁厚，并且 对每种壁厚模型，采用极差分析法，获得最优壁厚和最佳工艺设置【9 】。 伊朗t a r b i a tm o d a r e s 大学的s f a t h i ，a h b e h r a v e s h 等人利用自己研制的可视化模具 对塑件模内收缩过程中塑件与模具的分离进行研究。结论为在无收缩约束时，塑件、模 具界面分离时刻与厚度收缩率之间有着联系分离得越早的部位，厚度收缩率越大； 在有收缩约束时，不再存在这种联系【l0 1 。加拿大的j p o m e r l e a u ， b s a n s c h a g f i n 研究了 p p 塑件的收缩，采用形貌仪来测量塑件各个部位的纵向收缩与横向收缩，得出了两个结 论：( 1 ) 在厚度不变的板中，明显发现了收缩的各向异性；垂直于流动方向的收缩角 平行于流动方向的明显的多；( 2 ) 保压压力对收缩有很重要而且是起到抑制作用，注 射速度在平行于流动方向上和收缩有着一定的联系，但在纵向上这种联系几乎没有【l 。 英国拉夫堡大学的r a h a r r i s ，h a n e w l y n 对光刻成型的环氧树脂模具和金属模具( 铝 模具) 生产的塑件的收缩规律进行了探究，对比了环氧树脂模具和铝模具对塑件收缩的 影响，重点考察了温度对塑件收缩的影响，并且用有限元对模具膨胀进行了模拟研究【1 2 】。 大连理工大学硕士学位论文 美国威斯康辛大学麦迪逊分校的a d a mk r a m s c h u s t e r ，r y a nc a v i t t ，对发泡模具和常规模 具的塑件收缩进行了研究，定量的说明了发泡模具相对常规模具来说对塑件的收缩起到 抑制作用，同时指出超临界流体含量和注射速度可减少发泡模具制品的收缩【l3 1 。 国内方面：西北工业大学张克惠、窦开昌 1 4 】和郑州大学李倩、王松杰【l5 】等都采用注 塑实验，通过大量实验，究了熔体温度、注射压力、保压压力、模具温度和试样厚度等 对注塑件塑件收缩率的影响规律。华南理工大学的徐刚、瞿金平研究了动态注塑成型工 艺参数对p p s f 品成型收缩率的影响，从理论和实验上探讨了动态注塑参数与制品收缩率 之间的关系【1 6 1 。大连理工大学的宋满仓、荆晓南、赵丹阳研究了扇形制品注塑成型的收 缩特性，对扇形制品收缩前后各部分尺寸进行了测量、分析，发现扇形制品内径收缩率 大于外径收缩率，收缩后扇形角度具有变大的趋势【1 7 】。大连理工大学的于同敏、王庆 利应用软件模拟实验方法，对不同材料的同一塑件在相同工艺参数及固定浇口尺寸与位 置条件下，进行了不同结构特征变化时塑件成型收缩的模拟实验研究，发现塑件结构特 征对其成型收缩具有明显的影响，结构特征距塑件整体几何中心越远，收缩值越大【l 8 1 。 应用实验方法研究注塑制品的收缩，能够较真实地反映塑件的收缩情况。但是以往 有关注塑制品收缩的实验研究均是在注塑制品脱模后进行模腔尺寸与塑件尺寸的测量。 本课题是基于模具可视化技术通过多组模内收缩试验和数字图像处理技术同时对模腔 尺寸与塑件尺寸进行测量，以研究注塑制品的收缩方向。 ( 2 ) 注塑成型收缩的理论研究 注塑成型收缩理论研究主要根据实际经验，从制品设计，模具设计以等方面采取措 施，减小收缩不均匀。随着计算机技术的发展，人们开始注重计算注塑成型过程数值模 拟理论的研究。 国外方面：r y c h n a g 和b d t s u a r 研究了塑料的结晶性能对制品的残力、收缩、 翘曲变形的影响，用改进的t a i t 方程描述结晶性塑料的p v t 关系，用m a l k i n 结 晶动力学理论描述塑料的结晶行为，用线性热粘弹模型计算流动残力和热残余应力，将 计算出的残余应力作为固体力学分析的初始条件，用三维有限元来计算收缩和翘曲【1 9 】。 w d i s c i p i o ，a w a g e l 和s p m c c a r t h y 研究塑料冷却、分子松弛和结晶性能所造成的 收缩，将收缩翘曲特性与材料热膨胀联系起来，并认为塑件收缩、翘曲的结果依赖于分 子和纤维取向、压力和温度分布1 2 0 j 。w g 。h a i s i t e n d ，j r r i n d e r i e 和n p 。s u h 在注塑制 品收缩研究中考虑了压力、温度、体积三者关系，根据塑料p v t 曲线分析可能产生的 体积收缩，并采用变体积法对收缩量进行补偿【2 1 1 。w b h n i e v e l s t e i n 和g m e n g e s 着 重研究保压压力、模具温度、制品厚度和熔体流动方向对收缩的影响，并采用线性叠加 原理获得预测收缩的经验模型【2 2 1 。k m b j a n s e n ，g t i t o m a n l i o 建立了一个薄壁结晶 基于数字图像处理的注塑制品收缩方向实验研究 性注塑制品的残余应力和收缩的弹性模型，描述了平板平面方向和厚度方向的各向异性 收缩，并指出收缩是由塑件变形中不同的强制力引起的【2 3 】。 g o r d l i ，a a r i a z 和d s a n c h e z s o t o 考虑了塑件的几何因素和工艺条件的影响，揭示 7 c m o l d 系统模拟结果和实验的塑件收缩的一致性【2 4 】。c h e t n a ，n i r k h es a t i s h ，s s h n n a a 矛i j c r o a lm f m p 用m o l d f o l w 软件预测收缩的三种模型，研究了影响结晶性和非结晶性材 料收缩的因烈2 5 j 。 国内方面：郑州大学的李海梅采用热粘弹性模型计算脱模前的残余应力，再用热弹 性模型计算脱模后的翘曲变形【2 6 z 7 1 。大连理工大学的祝铁丽根据注塑成型生产过程的特 点，将模具型腔划分为由浇注系统起始的若干条流动路径，建立注塑制品收缩的理论模 型，用有限差分法求解注塑成型生产过程的控制方程，研制了流动、保压、模内冷却和 模外冷却过程的数值分析程序，在此基础上由模具成型结构预测注塑制品收缩率分布趋 势，并结合塑料供应商提供的收缩率数据，确定注塑制品各点收缩率【2 8 1 。华中科技大学 的郭志英基于板壳理论和有限元方法对翘曲变形进行c a e 分析，提出翘曲变形有限元模 拟数学模型，并对模拟结果进行实验验证【2 9 ，3 0 1 。上海交通大学的马浩军利用m o l d f o l w 软 件，分析了几种典型注塑件的收缩以及引起的凹陷等问题的原因【3 1 1 。郑州大学的郑晓培、 王利霞等将c a e 及t a g u c h id o e 技术结合，以收缩和沉降斑作为衡量注塑制品质量的两 个重要指标，采用正交矩阵进行模拟实验，研究工艺参数对注塑制品内最大沉降斑和体 收缩率变化的影响，优化工艺参数，使体收缩率变化和沉降斑指数达到最小【3 2 1 。 1 2 2注塑成型可视化技术的研究概况及发展趋势 当前对于注塑成型过程的研究主要采取c a e 模拟的方法，通过计算机模拟整个注 射过程并预测注射结果。但是计算机模拟要想做到同真实的注射充模过程完全一致是很 困难的，而且有些充模成型规律在当前的c a e 模拟软件中还没有体现，只有通过其他 研究手段才能够得到验证，如利用可视化技术进行研究注塑成型模内收缩问题和充模的 充填平衡问趔3 3 】。在充分发挥c a e 数值模拟软件功能的基础上，对注射充模过程辅以 可视化实验研究是很有意义的。 通过可视化技术可以直接观察模腔内树脂流动过程，研究注塑成型过程中塑料制品 成型缺陷的产生机理及其与成型工艺条件的关系，找出排除制品缺陷的有效途径，为成 型工艺优化、预测和控制制品性能提供理论依据；为注塑成型模拟理论和方法的研究提 供支持，并为c a e 软件模拟效果的检验提供分析测试平台。 ( 1 ) 国外方面：注塑成型可视化研究的工作中已经取得了一些比较成功的经验。 以同本东京大学横井实验室为代表。横井秀俊教授等人研制成功了二向可视化模具、基 大连理工大学硕士学位论文 于热电偶传感器的脱模过程可视化模具、基于图像扫描器的脱模过程可视化模具、半导 体封固成型可视化模具、半导体封固成型模向可视化模具、大型三维可视化模具、直流 道可视化模具、能够对流动前沿位置进行跟踪观察的实验装置等【3 4 1 。 日本东京工业大学的佐藤薰教授等人对充模过程进行动态可视化观察，研究了波纹 状流动痕迹的成型机理，得到了流动痕是由于紧邻接触线后方的正在固化的区域的不均 匀热收缩引起的结论【35 1 。 美国伊利诺斯州大学的d a n i e lz t u r n e r ，k e i t hd h j e l m s t a d 等人做了玻璃纤维增强 塑料的三维流动可视化实验，通过实验清楚了玻璃纤维增强塑料的注塑填充过程汇【3 6 】。 美国德拉瓦大学机械系的s i m o nb i c k e r t o n ，s u r e s h g a d v a n i 针对液体模塑工艺，做 了跟踪熔体前沿流动情况和注塑压力过程的可视化实验，他们实验模具型腔是一个简单 的矩形形状，模腔的厚度可调，此外，他们还对造成实验误差的来源作了分析【3 7 】。 土耳其g a z i 大学机械系的o z d e m i ra ，u l u e roa 等人设计制造了一套可视化实验模 具，研究热塑性材料h d p e 和p p 填充模腔过程中的融熔流体前沿情况，通过五种不同的 注射压力和六种不同的注射速率组合改变成型工艺参数，填充过程由每秒钟2 5 桢图像的 摄像机纪录，然后转换成j p g 和b m p 格式的图片进行处理；同时用m o l d f l o w 软件作了注 塑模拟分析，并对模拟分析和实验结果作了比较【3 8 1 。 法国南特大学的y o u s s e f f a r o u q 等人设计了一套测量注塑模温度场的实验装置，模 腔内装有微型热电偶；同时用m o l d f l o w 和c a t l d 软件模拟分析温度场的分布，通过对温 度场的分布的研究工作达到对注塑模制件尺寸的控制 3 9 1 。 伊朗t a r b i a tm o d a r e s 大学的s f a t h i ，a h b e h r a v e s h 等人利用自己研制的可视化模具 对塑件模内收缩过程中塑件与模具的分离进行研究，结论为在无收缩约束时，塑件、模 具界面分离时刻与厚度收缩率之间有着联系即分离得越早的部位，厚度收缩率越大；在 有收缩约束时，不再存在这种联系1 1 0 1 。 德国高分子材料研究所的l e ix i e 针对微注塑模具设计了一套伴有快速加热和快速 将温度的可视化模具，对不同的注塑成型工艺参数作了大量的实验，得出了温度是影响 微小p p 塑件填充流动的最主要因素的结论【加1 。 ( 2 )国内方面：中国香港的f u r o n gg a o ，z h i m i n gj i n 等人，对料筒部位进 行了可视化观察，并通过计算机处理接受系统采集数据，这种系统有助于确保塑件质量， 优化注塑成型系统【4 1 1 。北京化工大学注塑成型可视化实验室的杨卫民等人在东京大学的 可视化模具的基础上，通过对模具中玻璃形状的改进并采用插件形式的视窗，改善了可 视化模具的观察环境，开发出了改进型的可视化模具；同时利用可视化模具对注塑成型 制品缺陷及其产生机理的研究，分析了这些缺陷的产生机理，为研究排除制品缺陷提供 基丁数字图像处理的注塑制品收缩方向实验研究 了理论依据 4 2 - 4 3 】。华南理工大学的刘吉虎，黄汉雄进行了基于可视化的型坯拉伸吹胀 式的研究】。北京化工大学的金志明，马艳娥等利用自行开发的可视化实验装置对注塑 成型的塑化过程进行了系统的观察，着重讨论了不同的工艺条件对塑化性能的影响，同 时借助示踪粒子对塑化过程的重要参数一固相速度进行了测量，实验所取得的数据为注 塑成型熔融模型的建立和对模型的验证提供了依据，同时也是注射螺杆优化设计的基础 数据【4 5 1 。大连理工大学的祝铁丽、盛占辉等利用自行研制的可视化实验装置对注塑成型 制品的收缩方向进行了观察，但塑件形状的改变是通过控制注射量、进行不同程度的短 射来实现的，塑件不充满型腔，没有加保压压力【4 6 1 。本文中塑件都是在加保压的情况下， 塑件充满型腔后进行的分析，与实际工业生产时的情况一致，这样得出的结论就更具有 实用性。 1 2 3 图像测量的国内外研究现状 本课题中，需对模具型腔和塑件的特征点进行定位，并以之测量塑件收缩方向。目 前的测量方法中主要是接触和非接触两大类，接触式测量往往操作不便，费力，费时， 测量结果精度不高，受操作者的技术水平、工作态度等主观因素影响比较大，效率低。 所以在本课题中采用了图像测量的非接触式测量方式。 图像测量是采用光电耦合器件( c c d ) 进行摄像测量的新型光电测量技术。图像测 量技术以现代光学为基础，融计算机图像学、信息处理、计算机视觉、光电子学等科学 技术于一体，把被测对象的图像当作检测和传递信息的手段，从中提取有用的信息来获 得待测的参数。在上世纪八十年代，视觉检测系统已经在美国制造业中获得应用【4 。7 1 。 美国学者t i m o t h y sn e w a n 和a n i lk j a i n 等研究了铸件表面缺陷的检测系统，使用 计算机辅助设计模型的信息，包括表面分类和检测，适用于具有平面或二维曲面的物体， 应用于铸铁件图片的检查，该检测系统可以正确识别9 0 的铸件表面【4 8 1 。 美国学者m a n b i rs s o d h i 和k h a l i lt i l i o u i n e 等人应用金属表面图像的狄度统计分类 方法来测量金属表面的粗糙度，将金属表面图像的扶度强度与金属表面的粗糙度变化联 系起来，但需要照明系统是在精确控制的情况下才能实现【4 9 1 。 英国学者c s a n b y 等人研究了基于机器视觉的饰带在线实时检测系统，检测饰带的 测试设备安装在编织机上，一台与机器运行一致的c c d 线扫描摄像机用来提取饰带图 像，通过比较法、临界技术和神经网络系统来检测饰带图像与完美的模型图像的不同【5 0 】。 阿根廷学者e v d i a z ，a ea r m a s 围绕阿根廷不锈钢3 0 4 钢件在低疲劳循环作用下的 累积塑性损伤问题，采用数字图像处理技术测量的方法对疲劳前后的两图像进行对比评 价。该方法较结晶技术手段测量更为精确和方便【5 。 大连理工大学硕士学位论文 哈尔滨工业大学的马强等人研究了零件截面轮廓的测量系统，采用牛顿插值法实现 图像的亚像素边缘检测，将轮廓尺寸测量问题转化为求取最大相关函数的问题，采用了 基于仿射变换的最大相关搜索策略，根据实际需求和边界直径对搜索的初始参数加以约 束，大大减少了搜索时间【5 2 1 。 太原理工大学的杨丽凤等人利用高分辨率面阵c c d 以及散射均匀背光照明的方 法，经成像系统在微机的控制下对电工陶瓷基片进行长宽尺寸在线测量、误差分析，实 现基片自动分类，测量精度达到0 0 1 m m ，测量速度达到每分钟3 0 片【5 引。 西安交通大学的王朝晖等人根据铁路轴承保持架的检测要求，研究了基于图像边缘 信息的保持架窗孔粱计算机视觉检测方法，提出了弦长法确定保持架边缘大端外圆圆 心、区域划分检测窗孔粱宽度边缘直线等计算方法【5 4 1 。 清华大学的刘兴占等人采用由面阵c c d 组成的单列阵扫描法测量大型显像管玻壳 模具的表面裂纹和砂眼等缺陷，采用分维数理论对灰度值进行分割，用软件对图像进行 拼接，实验结果表明该方法检验速度快、精度高，能检查到小于0 0 5 m m 的缺科5 5 】。 四川大学的严华、殷国富等人采用轮廓提取算法，提取零件二值图像的轮廓，以零 件的质心为中心，将轮廓图像划分为若干个扇形子区域；利用改进的边界矩计算方法， 分别计算出各子区域的边界矩，从而得出零件轮廓图像边界矩的分布特性；最后，采用 k 均值聚类算法对提取的零件轮廓特征进行分类【5 6 1 。 上海交大的冯铁成、谢文华提出了一种基于图像处理技术的钢板计数方法，通过对 边缘提取后的钢板端面图像进行r a d o n 变换，将图像空间中较为困难的全局检测问题转 化为参数空间中相对容易的局部峰值检测问题，以提取出图像中代表每一张钢板的直线 特征。针对参数空间峰值簇拥情况，提出了一种峰值提取的算法【57 1 。 广西路桥总公司一分公司的梁志勇，龙丽芳对路面破损的早期形式裂缝进行分析， 探讨了基于数字图像处理的裂缝目标检测技术及方法【5 8 1 。 1 3 课题研究意义 随着塑料制品在机械、电子、航空、仪器仪表等行业的广泛应用，人们对注塑制品 的精度和表观质量要求越来越高。然而，注塑成型收缩是影响制品质量的关键因素之一， 它不仅影响了制品的尺寸精度与表观质量，严重时还会引起制品结构变形与内在质量缺 陷。因此，注塑成型收缩己成为困扰注塑模具设计和注塑工艺参数制定的重要难题，也 是进一步提高注塑制品尺寸精度与质量，扩展其应用领域的关键问题。 注塑制品的收缩可以划分为模内收缩与模外收缩两个阶段。以往有关注塑制品收缩 的实验研究均是在注塑制品脱模后进行模腔尺寸与塑件尺寸的测量1 5 殳6 0 ，测量到的塑件 基于数字图像处理的注塑制品收缩方向实验研究 收缩包含了模内收缩与模外收缩。注塑制品脱模后进行收缩测量的已有方法中，游标卡 尺、千分尺、三坐标测量机等接触式测量仪器因存在测量力而易引起较大的塑件尺寸测 量误差；塑件尺寸的非接触式测量则常采用万能工具显微镜和投影仪来进行，此时虽然 避免了接触式测量所存在的因有测量力而易引起塑件变形或塑件移动的缺陷，但仍需要 人工逐个采集数据点，因此仍存在取点数量不足、数据之间的内部联系难以分析等缺点。 并且注塑制品脱模后进行的收缩测量只能得到塑件尺寸与模腔尺寸的对比结果，而不能 获得有关收缩方向的信息。 本文所叙述的图像采集与数字图像处理相结合的测量方法也属于非接触式测量。 与万能工具显微镜和投影仪的测量方法相比，该方法数据点采集完整、数据记录效率高， 当被测点较多时能显著降低工作人员的劳动强度。由于注塑制品在脱模时有因顶出系统 的作用力而发生变形的可能，从而对收缩的研究带来顶出变形等干扰因素，因此为减少 干扰因素并获取注塑制品收缩方向上的信息，本文应用可视化注射模具与数字图像的采 集及处理技术对注塑制品的模内收缩进行研究： 1 4 课题研究内容 对塑料制品的收缩方向，一般有三种观点：一是认为制品向其质心收缩；二是认为 制品沿其外围轮廓的法线方向收缩；三是认为制品向浇口收缩。为此，本课题制备不同 形状的塑件，以便研究其内在收缩规律以及主导的影响因素。 首先在注塑成型模内收缩可视化实验模具的基础上，设计7 组不同的型腔，由此可 获得7 组不同形状的塑件，通过变化型腔结构，使塑件形状和浇口对收缩的影响显现出 来，然后为研究注塑制品形状与浇口设计对质点收缩方向的作用奠定基础。 其次，为保证准确拍摄塑件在模具内部收缩的图片、减小光学投影误差和光学畸变， 对较大塑件进行分块拍摄，将所拍摄图片进行全景合成。为保证全景合成时图片位移精 确，研制了设有螺纹传动机构的拍摄设备移动装置。 再次，丌发数字图像处理系统，包括图像的预处理、去噪处理、边缘提取、曲线拟 合、计算结果显示等几个模块，实现各组塑件的收缩方向测量。 最后，通过对比各组测量结果，总结了收缩方向和浇口及质心的影响关系，为实际 模具设计以及优化塑件结构提供借鉴。 大连理工大学硕士学位论文 2 注塑成型模内收缩可视化实验装置的研制 2 1注塑成型模内收缩可视化实验模具的采光方法 本实验所用的可视化模具，是通过在注射模具内嵌入耐高温高压的石英玻璃，利用 透明视窗进行注塑成型可视化观察。为了能够采集到清晰的模内收缩图像，本研究采用 透射光的方式( 如图2 。l 所示) 进行可视化试验装置的研制。通过高速摄像机或照相机 等图像采集设备来采集注塑成型过程的图像。 口 照相机 图2 1 利用透射光进行观察的方式 f i g 2 1 t h ev i s u a lm e t h o do ft r a n s m i s s i o n 与利用反射光进行观察【6 l 】相比，利用透射光进行观察有以下优点： ( 1 ) 观察效果好。利用反射光进行观察的方式，不能使塑件边缘与型腔边缘之间 的空隙成为与塑件及型腔有高的亮度反差的区域，从而不利于在后续图像处理中提取塑 件边缘与型腔边缘。而利用透射光的方式进行观察，因为用于勾勒型腔轮廓的金属材料 是不透明的，所以只要使观察一侧笼罩与黑暗之中，则塑件与型腔之间能够透过对面入 射光线的明亮空隙必然会与黑的型腔产生极大的亮度反差，至于在塑件边缘处制造亮度 反差的问题可以通过在注塑材料中加入深颜色不透明的色母料来解决。 ( 2 ) 温度场和塑料熔体流场均衡。与利用反射光进行观察的方式中型腔上、下表 面分别为石英玻璃板和金属板相比，利用透射光进行观察的方式中型腔的上、下表面皆 为石英玻璃板，因此不存在型腔厚度方向上因热散失速度不同而带来的温度场不均衡问 题以及因流动阻力不同而带来的塑料熔体流场不均衡的问题。 基于数字图像处理的注塑制品收缩方向实验研究 2 2 注塑成型模内收缩可视化实验模具的结构 进行可视化实验装置设计制造过程中需要考虑的因素很多，其中最重要的是透明视 窗的材料和结构的选择。因为可视化窗口是用人们可以观察到型腔内塑料流动与收缩等 情况的透明材料( 即无机玻璃与有机玻璃) 而不是钢来做成型结构的，而玻璃要满足实 验的装配要求和使用要求则存在很大的困难，因此玻璃的正确选择是实验成败的重要原 因。在可视化实验装置设计和制造过程