基于機器視覺技術(shù)的棒材自動計數(shù)分離系統(tǒng)

童明勝

(山東省冶金科學研究院,山東 濟南 250014)

1 引言

鋼筋棒材是我國消費量最大的鋼材品種,據(jù)統(tǒng)計,2008年我國鋼材產(chǎn)量58488.1萬t,其中鋼筋棒材產(chǎn)量為14379.46萬t,占全年鋼材總產(chǎn)量的24.6%。面對良好的需求市場,眾多棒材生產(chǎn)廠通過不斷提高裝備技術(shù)水平來提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。然而目前我國大部分棒材生產(chǎn)中仍采用人工計數(shù),勞動強度大,容易忙中出錯,易出現(xiàn)包裝質(zhì)量異議,且與自動化軋鋼不相配套,影響生產(chǎn)效率的提高。棒材自動計數(shù)分離,是提高棒材生產(chǎn)自動化水平的重要技術(shù),對于軋鋼廠實現(xiàn)棒材生產(chǎn)負偏差軋制、按理論重量交貨、與國際市場接軌具有十分重要的意義。

2 目前各種棒材計數(shù)分離技術(shù)的比較

為解決棒材自動計數(shù)分離的問題,一些鋼廠也相繼開發(fā)應(yīng)用了各種相應(yīng)的技術(shù),下面對目前幾種計數(shù)分離技術(shù)的優(yōu)缺點做簡要介紹。

1)傳統(tǒng)的人工計數(shù)和手工分離。其存在的問題是工人勞動強度大,計數(shù)誤差較大。

2)引進國外公司產(chǎn)品。近年一些國外公司研制了多種鋼筋計數(shù)裝置,國內(nèi)個別鋼廠也有購買使用,但引進價格昂貴,環(huán)境要求嚴格,若生產(chǎn)線精度達不到要求,則影響生產(chǎn)的正常進行。

3)國內(nèi)研制的機械分離和光電計數(shù)系統(tǒng)。例如,利用高低速兩組傳送鏈將棒材強制分離,然后利用光電裝置進行計數(shù);或者再增加一組分離螺桿裝置,提高分離的可靠性。其缺點是機械機構(gòu)復雜,使用成本高。而且光電裝置易受到溫度和現(xiàn)場氧化鐵屑的影響,降低計數(shù)準確度。

4)國內(nèi)研制的利用光柵和脈沖信號計數(shù)。其缺點是多個棒材沒有間隙移動時會產(chǎn)生累計誤差,降低計數(shù)準確度。重疊棒材也會產(chǎn)生計數(shù)誤差。

5)國內(nèi)研制的利用線陣攝像機拍攝棒材之間的間隙漏出的光線產(chǎn)生的明暗變化計數(shù)。該技術(shù)雖然能夠?qū)徊娴陌舨挠嫈?shù),但如果有較大數(shù)量的棒材無隙漏堆疊在一起時,將無法計數(shù)。而且,交叉的棒材很難分離。

3 棒材在線視覺自動計數(shù)分離系統(tǒng)介紹

棒材在線視覺自動計數(shù)分離系統(tǒng)基于機器視覺技術(shù),打破了傳統(tǒng)機械式和光線遮擋型光電計數(shù)的設(shè)計思路。機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺是一項綜合技術(shù),包括數(shù)字圖像處理技術(shù)、控制技術(shù)、光源照明技術(shù)、光學技術(shù)、傳感器技術(shù)、模擬與數(shù)字視頻技術(shù)、計算機軟技術(shù)、人機接口技術(shù)等。機器視覺強調(diào)實用性,能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境,要有合理的性價通用的工業(yè)接口、較高的容錯能力和安全性,并具有較強的通用性和可移植性,同時它更強調(diào)實時性,要求高速度和高精度[1]。

整套系統(tǒng)分為2個子系統(tǒng),即棒材自動計數(shù)系統(tǒng)和棒材自動分離系統(tǒng)。棒材自動計數(shù)系統(tǒng)采用非接觸式機器視覺技術(shù)和計算機比較控制技術(shù),完美地實現(xiàn)了高精度計數(shù)的目的,統(tǒng)計精度可優(yōu)于0.01%;棒材自動分離系統(tǒng)由精密機械分離裝置、液壓裝置、鏈輪傳動裝置及計算機控制系統(tǒng)組成,該系統(tǒng)能精確分離任意規(guī)格、任意設(shè)定支數(shù)的棒材。

3.1 棒材自動計數(shù)系統(tǒng)

3.1.1 自動計數(shù)系統(tǒng)組成及功能

該子系統(tǒng)由視頻采集、圖像處理、目標識別、多目標實時跟蹤、容錯計數(shù)、操作控制等硬件和軟件模塊構(gòu)成。采用計算機視覺技術(shù)對隨移鋼機運動的棒材進行計數(shù)。

棒材自動計數(shù)系統(tǒng)主要由圖象采集監(jiān)控系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)分為:VA40機器視覺系統(tǒng)、VA30視覺伺服控制與位置控制系統(tǒng)、計算機控制單元、圖像顯示單元幾部分。VA40機器視覺系統(tǒng)包括光源、光學鏡頭、CCD攝相機、圖像采集卡、圖像處理單元、機器視覺處理軟件、監(jiān)視器、通訊/輸入輸出單元等。視覺系統(tǒng)工作原理為:由光源發(fā)出的平行光束照射到隨移鋼機運動的棒材橫截面上,其邊緣輪廓經(jīng)過顯微光學鏡組成像在攝像機的面陣CCD像面上,計算機通過圖像增強、數(shù)據(jù)編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、融合、匹配等不同的算法來對圖像進行處理[2],進行圖像處理后獲得被測對象邊緣輪廓的位置,進而通過計算達到棒材計數(shù)的目的。

系統(tǒng)功能包括:從移鋼機一側(cè)采集運動棒材端面圖像,經(jīng)圖像檢測、圖像識別、目標跟蹤后實現(xiàn)實時計數(shù),當捆計數(shù)值達到所設(shè)定值后,指導或控制移鋼機啟停。可用于實時顯示分鋼位置指導工人進行人工分鋼。系統(tǒng)布局示意圖見圖1。

圖1 棒材自動計數(shù)系統(tǒng)布局示意圖Fig.1 The sketch map of steel bar automatic counting system

3.1.2 自動計數(shù)系統(tǒng)工作流程

高速視覺攝像頭對運動中的鋼材進行攝像,拍攝到的彩色視頻信號經(jīng)過圖像采集卡數(shù)字解碼器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、比例縮放、裁剪、色空變換等處理,通過PCI總線輸入到計算機中對鋼材進行計數(shù),當計數(shù)到達一捆的數(shù)目時,發(fā)送一個命令給繼電器,使傳送裝置停下來,同時跟蹤計數(shù)的最后一根鋼材的位置。當傳送裝置完全停下時,CRT顯示器顯示分鋼位置,等分鋼完成后,按啟動按鈕或自動(自動分鋼)重新開始計數(shù)。系統(tǒng)工作流程拓撲圖見圖2。

圖2 棒材自動計數(shù)系統(tǒng)工作流程拓撲圖Fig.2 Work flow diagram of steel bar automatic counting system

3.2 棒材自動分離系統(tǒng)

3.2.1 自動分離系統(tǒng)組成及功能

3.2.1.1 視覺反饋分鋼子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)在視覺計數(shù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加分鋼機械、分鋼控制模塊和基于視覺反饋模塊的決策模塊等硬件和軟件構(gòu)成。

系統(tǒng)功能包括:在每捆額定支數(shù)計數(shù)滿時,自動停止移鋼機,系統(tǒng)根據(jù)視覺反饋模塊的反饋棒材分布信息,進行分鋼動作決策,選擇合適的分鋼動作,由分鋼控制模塊控制分鋼機械動作。在分鋼過程中,視覺反饋模塊實時跟蹤棒材的運動,根據(jù)棒材變化調(diào)整分鋼策略,準確控制在一頭分離棒材,實現(xiàn)計數(shù)分鋼自動化?？赏ㄟ^啟動下一節(jié)鏈床繼續(xù)拉開前后捆棒材間的間距。

3.2.1.2 視覺反饋隨動分鋼子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)在視覺計數(shù)分鋼系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加隨動分鋼機組、視覺反饋隨動分鋼控制模塊和基于視覺反饋模塊的決策模塊等硬件和軟件。

系統(tǒng)功能包括:在分鋼機械從一頭分開前后捆棒材之后,通過頂部攝像裝置獲得棒材在移鋼機上的擺放情況,找出分鋼機動作后產(chǎn)生的豁口走向,控制隨動分鋼機組各隨動分鋼楔在合適的豁口位置依次向上頂開棒材,實現(xiàn)棒材全部分離。系統(tǒng)布局示意圖見圖3。

圖3 棒材自動分離系統(tǒng)布局示意圖Fig.3 The sketch map of steel bar automatic separating system

3.2.2 自動分離系統(tǒng)工作流程

剪切后的螺紋鋼/圓鋼,經(jīng)過一頭對齊整理后,依次經(jīng)過精密自動分隔器和計數(shù)視覺攝像機系統(tǒng),在達到打包數(shù)量時,傳送鏈A停止,精密自動分隔器啟動,準確分隔前后兩捆鋼材。然后一組液壓分隔器和傳送鏈B相繼動作,最終完成分隔。液壓分堆擋板放下,讓已分堆鋼捆通過。傳送鏈C啟動,將分堆鋼捆運送到打包機,完成一次分隔計數(shù)。系統(tǒng)工作示意圖見圖4,系統(tǒng)工作流程拓撲圖見圖5。

圖4 棒材自動分離系統(tǒng)工作示意圖Fig.4 The work sketch map of steel bar automatic separating sy stem

圖5 棒材自動分離系統(tǒng)工作流程拓撲圖Fig.5 The work flow diagram of steelbar automatic separating sy stem

4 棒材在線視覺自動計數(shù)分離系統(tǒng)的特點和技術(shù)指標

4.1 系統(tǒng)特點

1)打破機械加光電以及用CCD做透光檢測的傳統(tǒng)計數(shù)思路,針對普遍采用的成批剪切工藝提出了切實可行的在線視覺棒材點支的方案。

2)提出了K級容錯計數(shù)算法和基于運動估計的評判表決錯誤校正算法,保證任何情況下的正確計數(shù)。排除了因棒材在鏈床上的不規(guī)則晃動,很容易出現(xiàn)錯識別和跟蹤錯位的現(xiàn)象,計數(shù)精度高,對/12～/14多層鋼筋計數(shù)誤差率小于0.01%,粗鋼計數(shù)誤差率更低。

3)通過視覺傳感器從無遮擋的端部獲取棒材數(shù)字圖像,在計算機中采用靈活的圖像處理技術(shù),分析并提取棒材截面的特征,進行檢測、計數(shù),具有速度快、精度高、適應(yīng)性強等許多優(yōu)點,能靈活處理各種復雜的變化情況。

4)生產(chǎn)線在線計數(shù),可對生產(chǎn)線上多層堆積鋼筋直接計數(shù)。

5)可拆分為獨立計數(shù)系統(tǒng)和全自動計數(shù)分捆系統(tǒng)。

6)獨立計數(shù)系統(tǒng)具有無機械分捆,不需對生產(chǎn)線進行改造,安裝調(diào)試不影響生產(chǎn)的正常運行。不影響生產(chǎn)線的大、中、小修,不影響行車正常運行的特點。

7)全自動計數(shù)分捆系統(tǒng)需要對生產(chǎn)線進行小范圍的改造、安裝調(diào)試不影響生產(chǎn)的正常運行。不影響生產(chǎn)線的大、中、小修,不影響行車正常運行的特點。

8)基本無易損件,工作穩(wěn)定可靠,可長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)。

9)復核檢測系統(tǒng)有兩種方案備選:一種采用攜帶方便、體積小的便攜式成捆棒材復核檢測裝置。一種是在線式復核檢測系統(tǒng),采用靜態(tài)棒材側(cè)面圖像識別技術(shù)二次校驗計數(shù),使最終分堆準確率再次上升1到2個數(shù)量級,幾乎無差錯。

4.2 系統(tǒng)技術(shù)指標

1)獨立計數(shù)系統(tǒng)允許在線鋼筋堆積厚度＜80 mm。

2)生產(chǎn)線傳動鏈速度可控,最大速度＜600 mm/s。

4)最大允許斜度≤15°。

5)設(shè)備安裝空間:傳送鏈方向3 m。

5 結(jié)論

基于機器視覺技術(shù)的棒材自動計數(shù)分離系統(tǒng),解決了我國棒材生產(chǎn)線最后一個環(huán)節(jié)的自動化難題。目前,該系統(tǒng)已在漣源鋼鐵集團棒材一廠、棒材二廠,濟南鋼鐵集團第一小型軋鋼廠成功投用。該系統(tǒng)的應(yīng)用在軋鋼自動化領(lǐng)域具有積極意義,不僅大大減少了棒材生產(chǎn)線職工的勞動強度,且提高了工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量,受到了使用單位的一致好評,具有較好的應(yīng)用前景和推廣價值。

[1]陳梅蘭.機器視覺關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用實例分析[J].現(xiàn)代計算機,2006(1):21-25.

[2]曹國斌,劉雪蛟,王花.圖像和機器視覺技術(shù)概述[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2008,37(8):27-31.