數(shù)控角鋼線機器視覺在線檢測系統(tǒng)研究

山東電工電氣集團有限公司 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)質量問題，對產品進行質量檢測非常必要，目前質檢主要為人工抽檢，質量得不到保證，提出了利用機器視覺技術進行在線監(jiān)測的技術方案，設計了通用性好、不影響加工過程的基于機器視覺的在線監(jiān)測系統(tǒng)，滿足了數(shù)控角鋼線質量檢測的需求。

角鋼是電力桿塔、信號塔的主要組部件，其質量直接影響電力輸送、信號傳輸?shù)陌踩?。角鋼由?shù)控角鋼線生產，主要完成沖孔、打鋼印、截斷等加工操作，因數(shù)控線生產速度快、原材料尺寸不標準、產品規(guī)格多樣，加工過程經常發(fā)生漏孔、孔位置偏移等質量問題，造成重大經濟損失，影響工程進度，因此，對角鋼產品進行全面質檢非常重要。

目前，國內外學者對角鋼產品幾何尺寸的智能檢測研究甚少。長春理工大學的遲迎比較了從工業(yè)相機采集的鐵塔構件圖像和標準圖紙，設計了用于判斷鐵塔構件各尺寸是否合格的軟件，以達到非接觸式在線檢測鐵塔構件的的目的，但是該方法只實現(xiàn)了角鋼孔型的測量。濟南大學的田相省參考角鋼塔構件幾何尺寸檢測

的實際情況，確定了角鋼塔構件幾何尺寸的抽檢項目、方案，在此基礎上，開發(fā)了角鋼塔構件幾何尺寸檢測及其信息管理系統(tǒng)，但其尺寸測量方法采用專用測量器具進行人工測量，并沒有實現(xiàn)非接觸式測量。為此本文提出了一種基于機器視覺的數(shù)控角鋼線在線檢測系統(tǒng)技術方案。

1 角鋼質量問題分類及檢測方法

1.1 角鋼加工過程質量問題分類

由于數(shù)控線生產速度快、原材料尺寸不標準、產品規(guī)格多樣等多種因素的影響，角鋼在加工過程中容易產生質量問題，如漏孔、孔尺寸偏差、整體長度錯誤等（如圖1所示），影響角鋼的質量。

圖1 角鋼產品質量問題分類

1.2 角鋼質量檢測方法

隨著制造業(yè)產業(yè)的升級，對角鋼加工質量的要求也越來越高。根據(jù)《輸電線路鐵塔制造技術條件》（GB/T 2694-2018）要求，質檢工作主要完成對角鋼工件中A、B面每個孔的孔徑、孔距、孔到端線的端距、孔到準線的準距等多個尺寸進行測量。目前鐵塔公司采用人工抽樣檢測，人工檢測存在如下問題：

（1）無法做到全面檢測，容易漏檢不合格產品；

（2）角鋼工件尺寸大，質檢工作勞動強度大，生產、質檢由一人完成，影響生產正常進行；

（3）人工對角鋼產品孔徑、孔距等尺寸進行測量，操作困難且誤差值大。

為解決人工檢測存在的問題，同時提高質檢效率和精度，本文基于視覺檢測技術，開發(fā)在線監(jiān)測系統(tǒng)，與角鋼加工生產形成良好配合，將檢測裝置嵌入數(shù)控角鋼線，實現(xiàn)圖像采集、圖像處理、尺寸標定、質量問題判斷等功能。該系統(tǒng)已在鐵塔公司應用。

2 基于機器視覺的數(shù)控角鋼線在線檢測系統(tǒng)設計

2.1 在線檢測系統(tǒng)組成

在線檢測系統(tǒng)由視覺檢測裝置、工業(yè)計算機、編碼器、報警燈等部分組成，其中視覺檢測裝置根據(jù)數(shù)控角鋼線結構定制化設計，

圖4 在線檢測系統(tǒng)工作流程圖

集成線陣相機、線掃光源、光電傳感器等零部件；工業(yè)計算機中安裝自主開發(fā)的在線檢測系統(tǒng)軟件，對檢測結果進行直觀展示。在線檢測系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 在線檢測系統(tǒng)組成圖

2.2 在線檢測系統(tǒng)工作原理

如圖3在線檢測系統(tǒng)現(xiàn)場工作圖所示，定制開發(fā)的視覺檢測裝置將工業(yè)線陣相機固定于生產線兩側，當被測角鋼產品經數(shù)控角鋼線沖壓打孔后進入線陣相機視野，負責位置檢測和觸發(fā)相機工作的光電傳感器發(fā)送信號通知檢測裝置兩側的線陣相機開始采集圖像；角鋼帶動編碼器滾輪運動產生脈沖信號，脈沖信號控制相機拍照速度，實現(xiàn)拍照速度與角鋼產品運動速度相匹配。

圖3 在線檢測系統(tǒng)現(xiàn)場工作圖

采集完成的圖像被實時傳送至工業(yè)計算機安裝的在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件，軟件對線陣相機采集到的圖像進行拼接、實時分析處理、尺寸標定，提取角鋼幾何參數(shù)，并調用設計標準庫加工數(shù)據(jù)，將實際檢測值與加工數(shù)據(jù)進行自動比對，檢測結果實時顯示在軟件主界面上；若出現(xiàn)不合格產品，將在主界面推送告警信息并控制報警燈聲光報警。檢測系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示。

3 在線檢測裝置和圖像處理算法介紹

3.1 在線檢測裝置介紹

視覺檢測裝置根據(jù)數(shù)控角鋼線結構定制化集成設計，實現(xiàn)線陣相機、線掃光源、光電傳感器等零部件的安裝固定。如圖5視覺檢測裝置示意圖所示，其中1為高度可調整支架，2為工業(yè)線陣相機，3為編碼器，4為待測角鋼樣品，5為線掃光源，6為光電編碼器，7為工業(yè)計算機。支架將各設備一體化集成，相機、光源安裝在支架箱體內，保證工作環(huán)境良好，并實現(xiàn)相機、光源的高度匹配；兩臺相機分別與角鋼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，被測角鋼產品進入線陣相機視野時，光電傳感器第一時間感知并發(fā)送取圖信號，觸發(fā)相機工作。

圖5 視覺檢測裝置示意圖

3.2 視覺檢測算法介紹

在線監(jiān)測系統(tǒng)中角鋼視覺檢測主要包括圖像預處理、圖像識別、幾何參數(shù)測量和標定四部分。圖像預處理是采用中值濾波對角鋼圖片進行除噪和平滑，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、抖動等干擾引入的噪點和圖像細小紋理，使圖片質量更加穩(wěn)定。圖像識別包括角鋼孔測量和角鋼邊檢測，利用高斯拉普拉斯（Laplace of Gaussian,LOG）算子檢測角鋼上的孔，對于二維高斯函數(shù)：

通過改變σ的值，檢測不同尺寸的孔，當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，圖像的拉普拉斯響應達到最大。通過對圓孔的檢測，得到圓孔位置、數(shù)量和孔徑。利用霍夫直線變換（Hough Line Transform）進行角鋼圖像直線檢測，為了提升計算速度采用大津法對圖片進行二值化，同時，由于角鋼位置相對固定，占比較小，為提高檢測速度，減少背景干擾，將檢測范圍縮小至角鋼視野內。通過檢測的圓孔和直線，對角鋼圖像幾何參數(shù)進行計算，得到孔到各邊的距離。

由于需要測量角鋼各尺寸的實際距離，所以在測量前需要對距離進行標定，檢測前將專用標準尺寸的角鋼（標定用角鋼），通過線陣相機，采集標定角鋼圖像，自動計算出圖像上一個像素長度對應的實際距離，由于是運動的角鋼，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維度進行對應換算。通過對圓孔直徑、圓孔數(shù)量、孔到邊、邊到邊的換算，得到檢測的實際距離，通過和加工為文件對比，對角鋼品質進行判斷。圖像采集處理流程如圖6所示。表1為角鋼識別結果，從測量結果可知，其誤差在±0.2mm以內，孔的數(shù)量檢測精確，經過對不同規(guī)格的角鋼進行反復檢測，其判斷準確率可達99%，2m的角鋼檢測速度在700ms以內，滿足生產要求。

圖6 圖像檢測處理流程圖

表1 角鋼識別結果統(tǒng)計表

基于機器視覺的數(shù)控角鋼線在線檢測系統(tǒng)采用機器視覺、人工智能等先進技術實現(xiàn)角鋼產品自動質檢。系統(tǒng)獨立于生產加工線，不影響生產節(jié)奏，不破壞現(xiàn)有設備結構；自主開發(fā)的圖像處理算法提高了檢測精度，實現(xiàn)圖片特征有效識別及多參數(shù)主動測量。系統(tǒng)經實際應用可實現(xiàn)角鋼產成品的孔徑、孔到端線的端距、孔到準線的準距、以及孔與孔之間的孔距等多個參量的測量，不合格產品檢出報警，檢測精度達到±0.2mm，故障判定準確率達到99%，從根本解決了角鋼生產中人工質檢效率低、漏檢率高、檢測滯后、無法全面檢測等問題。在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件實際應用效果如圖7所示。

圖7 在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件實際應用效果圖

通過本系統(tǒng)的投入使用，實現(xiàn)角鋼質檢的全智能化。經應用驗證，每條生產線節(jié)約檢驗人工成本2.2萬元/年，節(jié)約錯檢、漏檢產生的質量處理成本1.5萬元/年，明顯降低企業(yè)成本，提高生產。