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數(shù)控角鋼線機(jī)器視覺在線檢測(cè)系統(tǒng)研究

2021-02-28 07:27山東電工電氣集團(tuán)有限公司史存?zhèn)?/span>李鳳民姜良剛黃俊花姜騰光
電子世界 2021年23期
關(guān)鍵詞:角鋼尺寸測(cè)量

山東電工電氣集團(tuán)有限公司 溫 勝 史存?zhèn)?李鳳民 姜良剛 黃俊花 姜騰光

數(shù)控角鋼線加工過程易出現(xiàn)質(zhì)量問題,對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)非常必要,目前質(zhì)檢主要為人工抽檢,質(zhì)量得不到保證,提出了利用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)方案,設(shè)計(jì)了通用性好、不影響加工過程的基于機(jī)器視覺的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),滿足了數(shù)控角鋼線質(zhì)量檢測(cè)的需求。

角鋼是電力桿塔、信號(hào)塔的主要組部件,其質(zhì)量直接影響電力輸送、信號(hào)傳輸?shù)陌踩=卿撚蓴?shù)控角鋼線生產(chǎn),主要完成沖孔、打鋼印、截?cái)嗟燃庸げ僮?,因?shù)控線生產(chǎn)速度快、原材料尺寸不標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品規(guī)格多樣,加工過程經(jīng)常發(fā)生漏孔、孔位置偏移等質(zhì)量問題,造成重大經(jīng)濟(jì)損失,影響工程進(jìn)度,因此,對(duì)角鋼產(chǎn)品進(jìn)行全面質(zhì)檢非常重要。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)角鋼產(chǎn)品幾何尺寸的智能檢測(cè)研究甚少。長(zhǎng)春理工大學(xué)的遲迎比較了從工業(yè)相機(jī)采集的鐵塔構(gòu)件圖像和標(biāo)準(zhǔn)圖紙,設(shè)計(jì)了用于判斷鐵塔構(gòu)件各尺寸是否合格的軟件,以達(dá)到非接觸式在線檢測(cè)鐵塔構(gòu)件的的目的,但是該方法只實(shí)現(xiàn)了角鋼孔型的測(cè)量。濟(jì)南大學(xué)的田相省參考角鋼塔構(gòu)件幾何尺寸檢測(cè)

的實(shí)際情況,確定了角鋼塔構(gòu)件幾何尺寸的抽檢項(xiàng)目、方案,在此基礎(chǔ)上,開發(fā)了角鋼塔構(gòu)件幾何尺寸檢測(cè)及其信息管理系統(tǒng),但其尺寸測(cè)量方法采用專用測(cè)量器具進(jìn)行人工測(cè)量,并沒有實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量。為此本文提出了一種基于機(jī)器視覺的數(shù)控角鋼線在線檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)方案。

1 角鋼質(zhì)量問題分類及檢測(cè)方法

1.1 角鋼加工過程質(zhì)量問題分類

由于數(shù)控線生產(chǎn)速度快、原材料尺寸不標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品規(guī)格多樣等多種因素的影響,角鋼在加工過程中容易產(chǎn)生質(zhì)量問題,如漏孔、孔尺寸偏差、整體長(zhǎng)度錯(cuò)誤等(如圖1所示),影響角鋼的質(zhì)量。

圖1 角鋼產(chǎn)品質(zhì)量問題分類

1.2 角鋼質(zhì)量檢測(cè)方法

隨著制造業(yè)產(chǎn)業(yè)的升級(jí),對(duì)角鋼加工質(zhì)量的要求也越來越高。根據(jù)《輸電線路鐵塔制造技術(shù)條件》(GB/T 2694-2018)要求,質(zhì)檢工作主要完成對(duì)角鋼工件中A、B面每個(gè)孔的孔徑、孔距、孔到端線的端距、孔到準(zhǔn)線的準(zhǔn)距等多個(gè)尺寸進(jìn)行測(cè)量。目前鐵塔公司采用人工抽樣檢測(cè),人工檢測(cè)存在如下問題:

(1)無法做到全面檢測(cè),容易漏檢不合格產(chǎn)品;

(2)角鋼工件尺寸大,質(zhì)檢工作勞動(dòng)強(qiáng)度大,生產(chǎn)、質(zhì)檢由一人完成,影響生產(chǎn)正常進(jìn)行;

(3)人工對(duì)角鋼產(chǎn)品孔徑、孔距等尺寸進(jìn)行測(cè)量,操作困難且誤差值大。

為解決人工檢測(cè)存在的問題,同時(shí)提高質(zhì)檢效率和精度,本文基于視覺檢測(cè)技術(shù),開發(fā)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),與角鋼加工生產(chǎn)形成良好配合,將檢測(cè)裝置嵌入數(shù)控角鋼線,實(shí)現(xiàn)圖像采集、圖像處理、尺寸標(biāo)定、質(zhì)量問題判斷等功能。該系統(tǒng)已在鐵塔公司應(yīng)用。

2 基于機(jī)器視覺的數(shù)控角鋼線在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 在線檢測(cè)系統(tǒng)組成

在線檢測(cè)系統(tǒng)由視覺檢測(cè)裝置、工業(yè)計(jì)算機(jī)、編碼器、報(bào)警燈等部分組成,其中視覺檢測(cè)裝置根據(jù)數(shù)控角鋼線結(jié)構(gòu)定制化設(shè)計(jì),

圖4 在線檢測(cè)系統(tǒng)工作流程圖

集成線陣相機(jī)、線掃光源、光電傳感器等零部件;工業(yè)計(jì)算機(jī)中安裝自主開發(fā)的在線檢測(cè)系統(tǒng)軟件,對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行直觀展示。在線檢測(cè)系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 在線檢測(cè)系統(tǒng)組成圖

2.2 在線檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

如圖3在線檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)工作圖所示,定制開發(fā)的視覺檢測(cè)裝置將工業(yè)線陣相機(jī)固定于生產(chǎn)線兩側(cè),當(dāng)被測(cè)角鋼產(chǎn)品經(jīng)數(shù)控角鋼線沖壓打孔后進(jìn)入線陣相機(jī)視野,負(fù)責(zé)位置檢測(cè)和觸發(fā)相機(jī)工作的光電傳感器發(fā)送信號(hào)通知檢測(cè)裝置兩側(cè)的線陣相機(jī)開始采集圖像;角鋼帶動(dòng)編碼器滾輪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生脈沖信號(hào),脈沖信號(hào)控制相機(jī)拍照速度,實(shí)現(xiàn)拍照速度與角鋼產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)速度相匹配。

圖3 在線檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)工作圖

采集完成的圖像被實(shí)時(shí)傳送至工業(yè)計(jì)算機(jī)安裝的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件,軟件對(duì)線陣相機(jī)采集到的圖像進(jìn)行拼接、實(shí)時(shí)分析處理、尺寸標(biāo)定,提取角鋼幾何參數(shù),并調(diào)用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)加工數(shù)據(jù),將實(shí)際檢測(cè)值與加工數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)比對(duì),檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在軟件主界面上;若出現(xiàn)不合格產(chǎn)品,將在主界面推送告警信息并控制報(bào)警燈聲光報(bào)警。檢測(cè)系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示。

3 在線檢測(cè)裝置和圖像處理算法介紹

3.1 在線檢測(cè)裝置介紹

視覺檢測(cè)裝置根據(jù)數(shù)控角鋼線結(jié)構(gòu)定制化集成設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)線陣相機(jī)、線掃光源、光電傳感器等零部件的安裝固定。如圖5視覺檢測(cè)裝置示意圖所示,其中1為高度可調(diào)整支架,2為工業(yè)線陣相機(jī),3為編碼器,4為待測(cè)角鋼樣品,5為線掃光源,6為光電編碼器,7為工業(yè)計(jì)算機(jī)。支架將各設(shè)備一體化集成,相機(jī)、光源安裝在支架箱體內(nèi),保證工作環(huán)境良好,并實(shí)現(xiàn)相機(jī)、光源的高度匹配;兩臺(tái)相機(jī)分別與角鋼A、B面垂直布置,保證取圖良好;光電傳感器安裝在支架上部,被測(cè)角鋼產(chǎn)品進(jìn)入線陣相機(jī)視野時(shí),光電傳感器第一時(shí)間感知并發(fā)送取圖信號(hào),觸發(fā)相機(jī)工作。

圖5 視覺檢測(cè)裝置示意圖

3.2 視覺檢測(cè)算法介紹

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中角鋼視覺檢測(cè)主要包括圖像預(yù)處理、圖像識(shí)別、幾何參數(shù)測(cè)量和標(biāo)定四部分。圖像預(yù)處理是采用中值濾波對(duì)角鋼圖片進(jìn)行除噪和平滑,中值濾波是一種非線性平滑濾波,可消除角鋼圖片由于光照、抖動(dòng)等干擾引入的噪點(diǎn)和圖像細(xì)小紋理,使圖片質(zhì)量更加穩(wěn)定。圖像識(shí)別包括角鋼孔測(cè)量和角鋼邊檢測(cè),利用高斯拉普拉斯(Laplace of Gaussian,LOG)算子檢測(cè)角鋼上的孔,對(duì)于二維高斯函數(shù):

通過改變?chǔ)业闹?,檢測(cè)不同尺寸的孔,當(dāng)圖像中的圓孔尺寸與高斯拉普拉斯函數(shù)的形狀趨近一致時(shí),圖像的拉普拉斯響應(yīng)達(dá)到最大。通過對(duì)圓孔的檢測(cè),得到圓孔位置、數(shù)量和孔徑。利用霍夫直線變換(Hough Line Transform)進(jìn)行角鋼圖像直線檢測(cè),為了提升計(jì)算速度采用大津法對(duì)圖片進(jìn)行二值化,同時(shí),由于角鋼位置相對(duì)固定,占比較小,為提高檢測(cè)速度,減少背景干擾,將檢測(cè)范圍縮小至角鋼視野內(nèi)。通過檢測(cè)的圓孔和直線,對(duì)角鋼圖像幾何參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,得到孔到各邊的距離。

由于需要測(cè)量角鋼各尺寸的實(shí)際距離,所以在測(cè)量前需要對(duì)距離進(jìn)行標(biāo)定,檢測(cè)前將專用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的角鋼(標(biāo)定用角鋼),通過線陣相機(jī),采集標(biāo)定角鋼圖像,自動(dòng)計(jì)算出圖像上一個(gè)像素長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離,由于是運(yùn)動(dòng)的角鋼,水平分量和垂直分量的速度不同,因此分為垂直和水平兩個(gè)維度進(jìn)行對(duì)應(yīng)換算。通過對(duì)圓孔直徑、圓孔數(shù)量、孔到邊、邊到邊的換算,得到檢測(cè)的實(shí)際距離,通過和加工為文件對(duì)比,對(duì)角鋼品質(zhì)進(jìn)行判斷。圖像采集處理流程如圖6所示。表1為角鋼識(shí)別結(jié)果,從測(cè)量結(jié)果可知,其誤差在±0.2mm以內(nèi),孔的數(shù)量檢測(cè)精確,經(jīng)過對(duì)不同規(guī)格的角鋼進(jìn)行反復(fù)檢測(cè),其判斷準(zhǔn)確率可達(dá)99%,2m的角鋼檢測(cè)速度在700ms以內(nèi),滿足生產(chǎn)要求。

圖6 圖像檢測(cè)處理流程圖

表1 角鋼識(shí)別結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

基于機(jī)器視覺的數(shù)控角鋼線在線檢測(cè)系統(tǒng)采用機(jī)器視覺、人工智能等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)角鋼產(chǎn)品自動(dòng)質(zhì)檢。系統(tǒng)獨(dú)立于生產(chǎn)加工線,不影響生產(chǎn)節(jié)奏,不破壞現(xiàn)有設(shè)備結(jié)構(gòu);自主開發(fā)的圖像處理算法提高了檢測(cè)精度,實(shí)現(xiàn)圖片特征有效識(shí)別及多參數(shù)主動(dòng)測(cè)量。系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)角鋼產(chǎn)成品的孔徑、孔到端線的端距、孔到準(zhǔn)線的準(zhǔn)距、以及孔與孔之間的孔距等多個(gè)參量的測(cè)量,不合格產(chǎn)品檢出報(bào)警,檢測(cè)精度達(dá)到±0.2mm,故障判定準(zhǔn)確率達(dá)到99%,從根本解決了角鋼生產(chǎn)中人工質(zhì)檢效率低、漏檢率高、檢測(cè)滯后、無法全面檢測(cè)等問題。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件實(shí)際應(yīng)用效果如圖7所示。

圖7 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件實(shí)際應(yīng)用效果圖

通過本系統(tǒng)的投入使用,實(shí)現(xiàn)角鋼質(zhì)檢的全智能化。經(jīng)應(yīng)用驗(yàn)證,每條生產(chǎn)線節(jié)約檢驗(yàn)人工成本2.2萬元/年,節(jié)約錯(cuò)檢、漏檢產(chǎn)生的質(zhì)量處理成本1.5萬元/年,明顯降低企業(yè)成本,提高生產(chǎn)。

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