一種焦類炭材料顆粒度在線檢測(cè)系統(tǒng)的研究

梁 爽,何永輝,翁小平,殷澤軍

(1.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999; 2.中國(guó)寶武鋼鐵集團(tuán)有限公司寶武炭材料科技有限公司,上海 201900)

1 概述

焦類炭材料顆粒是生產(chǎn)超高功率電極、特種炭素材料、炭纖維及其復(fù)合材料等高端炭素制品的原料,有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。焦類炭材料的顆粒形態(tài)也能在一定程度上反映出其性能[4]。因此,焦類炭材料顆粒的尺寸分布是其重要的質(zhì)量指標(biāo)之一。

在生產(chǎn)過(guò)程中,應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控焦類炭材料的尺寸分布,從而為調(diào)整生產(chǎn)工藝提供依據(jù)。目前,主要采用人工篩分的方法來(lái)統(tǒng)計(jì)焦類炭材料的尺寸分布。這種方法存在明顯的不足,代表性較差,不能精確計(jì)算每一顆焦類炭材料的實(shí)際尺寸值,且工人勞動(dòng)強(qiáng)度大,無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效跟蹤,如圖1所示。

圖1 多級(jí)篩分法示意圖

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某焦類炭材料產(chǎn)線在線質(zhì)量檢測(cè)需求,提出研制應(yīng)用到炭材產(chǎn)線的焦類炭材料顆粒度在線檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合自動(dòng)篩分和機(jī)器視覺(jué)技術(shù),有效實(shí)現(xiàn)對(duì)焦類炭材料粒度在線自動(dòng)化篩分及顆粒度粒徑的識(shí)別實(shí)現(xiàn)及時(shí)反饋。

2 工作原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架及原理

焦類炭材料顆粒度在線檢測(cè)系統(tǒng)由篩分系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)及機(jī)械設(shè)備六大部分組成,如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)基本構(gòu)架

將焦類炭材料通過(guò)自動(dòng)篩分裝置進(jìn)行焦類炭材料不同顆粒度的篩分與自動(dòng)稱重及記錄,再通過(guò)傳送帶完成圖像檢測(cè)及最終的焦類炭材料的分類回收,按照算法計(jì)算每顆顆粒粒徑并記錄顆粒數(shù),自動(dòng)生成尺寸概率分布圖和其他用戶要求的統(tǒng)計(jì)圖,最后將檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)生成報(bào)表。

2.2 篩分裝置

篩分裝置包括:焦類炭材料顆粒進(jìn)料、稱重、篩分為一體的三工位機(jī)構(gòu),篩分篩網(wǎng)放置、翻轉(zhuǎn)為一體的六工位機(jī)構(gòu),以及篩網(wǎng)堵塞檢查與清除一體的三維運(yùn)動(dòng)篩網(wǎng)清理機(jī)構(gòu)。

通過(guò)不同大小的篩網(wǎng)及旋轉(zhuǎn)盤實(shí)現(xiàn)自動(dòng)篩分不同顆粒度的焦類炭材料。篩分出來(lái)的對(duì)應(yīng)大小的顆粒首先進(jìn)行稱重,然后分別倒入振動(dòng)上料臺(tái)抖料臺(tái),按照不同顆粒度尺寸調(diào)整抖料口的大小,并且沿傳送帶左右方向在一定范圍內(nèi)抖動(dòng)、落料,使焦類炭材料顆粒之間互相不黏連,經(jīng)過(guò)傳送帶并且完成視覺(jué)顆粒度檢測(cè)后,顆粒掉入回收料筐(不同篩網(wǎng)對(duì)應(yīng)不同回收料筐),完成檢測(cè),如圖3所示。

圖3 篩分裝置示意圖

2.3 檢測(cè)單元

視覺(jué)檢測(cè)單元包括:來(lái)料傳送機(jī)構(gòu)、工業(yè)相機(jī)、光源、激光三維傳感器以及電器控制系統(tǒng)用于完成傳送帶上的顆粒圖像的采集以及視覺(jué)系統(tǒng)的圖像處理、控制、存儲(chǔ)等功能。提供友好的顯示、人機(jī)交互界面。能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)識(shí)別黏連的焦類炭材料,并采用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)黏連的顆粒自動(dòng)切分。計(jì)算每個(gè)顆粒的實(shí)際尺寸,為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提供更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐,如圖4所示。

圖4 成像檢測(cè)裝置示意圖

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件框架及算法流程

系統(tǒng)軟件功能模塊包含了圖像采集模塊、快速顆粒分割、自動(dòng)黏連分割、向?qū)綐?biāo)定、樣本標(biāo)記、樣本管理、統(tǒng)計(jì)圖標(biāo)顯示、長(zhǎng)期存檔及終端界面等?；玖鞒倘鐖D5所示。

圖5 圖像處理的基本流程圖

3.2 分類識(shí)別算法

3.2.1 連通區(qū)域分析

綜上所述，援疆實(shí)習(xí)支教是師范生實(shí)踐育人的重要形式和載體，也是河西學(xué)院“向西發(fā)展”服務(wù)新疆地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)的重大舉措。援疆實(shí)習(xí)支教對(duì)大學(xué)生思想政治教育的意義，體現(xiàn)在繼續(xù)規(guī)范化、制度化、系統(tǒng)化的教育管理，深刻挖掘思想政治教育的實(shí)踐內(nèi)涵，發(fā)揮援疆實(shí)習(xí)支教的榜樣、示范作用，開(kāi)辟高效在實(shí)踐教學(xué)中加強(qiáng)大學(xué)生思想政治教育的有效途徑，實(shí)現(xiàn)高校人才培養(yǎng)質(zhì)量提升和服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)的基本功能。

連通區(qū)域一般是指圖像中具有相同像素值且位置相鄰的前景像素點(diǎn)組成的圖像區(qū)域。連通區(qū)域分析是指將圖像中的各個(gè)連通區(qū)域找出并標(biāo)記。本系統(tǒng)中對(duì)于找到的每個(gè)連通區(qū)域,賦予其一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)(Label),以區(qū)別其他連通區(qū)域,,如圖6所示。

圖6 連通與分析

3.2.2 邊緣顆粒剔除

部分顆粒位于圖像的邊緣,圖像不完整,如果計(jì)入統(tǒng)計(jì),將造成統(tǒng)計(jì)值偏小,因此應(yīng)將這部分顆粒剔除,如圖7中黑色部分。

圖7 剔除邊緣顆粒

3.2.3 黏連顆粒識(shí)別

部分顆粒黏連在一起,通過(guò)前面的步驟,分割得到單個(gè)連通區(qū)域內(nèi),可能包含多個(gè)顆粒。因此,首選需要甄別哪些連通區(qū)域內(nèi)可能存在多個(gè)顆粒。通過(guò)計(jì)算單個(gè)連通區(qū)域的特征值,能夠較好地識(shí)別出顆粒是否存在黏連問(wèn)題。通過(guò)大量的分析對(duì)比,我們總結(jié)出,通過(guò)計(jì)算顆粒的“凸包性”特征值,能夠區(qū)分顆粒是否存在黏連問(wèn)題,如圖8所示?！巴拱浴碧卣髦刀x如下:

圖8 連通區(qū)域最小凸包

(1)

式中:C是“凸包性”特征值，是一個(gè)無(wú)量綱值;FO是連通區(qū)域本身的面積;FC是連通區(qū)域的最小外接凸包的面積。

從圖9上可以明顯可出,一個(gè)連通區(qū)域內(nèi)如果存在多個(gè)黏連顆粒,其“凸包性”特征值明顯偏小,通過(guò)此特征值,可以挑選出潛在黏連區(qū)域。

圖9 連通區(qū)域的“凸包性”特征值

3.2.4 黏連區(qū)域分割

圖10 骨架分析

圖11 黏連顆粒分割效果示意圖

4 應(yīng)用

本文提出的焦類炭材料顆粒度在線檢測(cè)方法已經(jīng)在國(guó)內(nèi)某條焦類炭材料生產(chǎn)線上得到了初步應(yīng)用。本系統(tǒng)采用篩分裝置進(jìn)行焦類炭材料顆粒度生產(chǎn)線上的篩分,實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)篩分,擺脫了離線人工抽檢的老方法,大大提升了生產(chǎn)效率和檢測(cè)精度,如圖12?；谝曈X(jué)顆粒度的分析也得到了很好的測(cè)試效果。

圖12 現(xiàn)場(chǎng)篩分裝置

視覺(jué)測(cè)量分析系統(tǒng)終端主界面如圖13所示。它包括工具欄、圖像顯示、統(tǒng)計(jì)圖等,提供了當(dāng)前檢測(cè)和歷史檢測(cè)信息,方便用戶查詢。同時(shí)提供了以柱狀圖的方式顯示最新一次檢測(cè)的結(jié)果中各尺寸顆粒的占比。

圖13 顆粒度操作終端界面

系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行,焦類炭材料顆粒度在線檢測(cè)系統(tǒng)的各粒度等級(jí)的篩分偏差均在8%以內(nèi)。根據(jù)實(shí)際測(cè)試比對(duì),對(duì)于視覺(jué)檢測(cè)的98%以上中大顆粒尺寸測(cè)量精度優(yōu)于±0.1 mm。

5 結(jié)論

(1)本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某焦類炭材料產(chǎn)線在線質(zhì)量檢測(cè)需求,提出研制應(yīng)用到炭材產(chǎn)線的焦類炭材料顆粒度在線檢測(cè)系統(tǒng)。采用自主研發(fā)的自動(dòng)篩分機(jī)構(gòu),解決了人工抽檢篩分判斷顆粒比例等問(wèn)題,同時(shí)可以采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)一步進(jìn)行顆粒度的測(cè)量。根據(jù)焦類炭材料顆粒度的特點(diǎn)提出的顆粒識(shí)別算法流程,有效地檢測(cè)每一顆粒的實(shí)際尺寸并提供分布圖,大大提高了檢測(cè)精度。

(2)該系統(tǒng)結(jié)合自動(dòng)篩分和機(jī)器視覺(jué)技術(shù),有效實(shí)現(xiàn)對(duì)焦類炭材料粒度在線自動(dòng)化篩分及顆粒度粒徑的識(shí)別實(shí)現(xiàn)及時(shí)反饋。系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái),一直保持著系統(tǒng)較高的分類檢出率,滿足了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)的在線檢測(cè)要求。