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(guò)程易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)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(jué)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(guò)程的基于機(jī)器視覺(jué)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?。角鋼由?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(guò)程經(jīng)常發(fā)生漏孔、孔位置偏移等質(zhì)量問(wèn)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(kāi)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(zhuān)用測(cè)量器具進(jìn)行人工測(cè)量，并沒(méi)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(jué)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(wèn)題分類(lèi)及檢測(cè)方法

1.1 角鋼加工過(guò)程質(zhì)量問(wèn)題分類(lèi)

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(guò)程中容易產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)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(wèn)題分類(lèi)

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(lái)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(wèn)題：

（1）無(wú)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(wèn)題，同時(shí)提高質(zhì)檢效率和精度，本文基于視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，開(kāi)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(wèn)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(jué)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(jué)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(jué)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(kāi)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(kāi)發(fā)的視覺(jué)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(kāi)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(jué)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(jué)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(jué)檢測(cè)裝置示意圖

3.2 視覺(jué)檢測(cè)算法介紹

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中角鋼視覺(jué)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(guò)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(guò)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(guò)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(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的角鋼（標(biāo)定用角鋼），通過(guò)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(guò)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(guò)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?xún)?nèi)，孔的數(shù)量檢測(cè)精確，經(jīng)過(guò)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?xún)?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(jué)的數(shù)控角鋼線在線檢測(cè)系統(tǒng)采用機(jī)器視覺(jué)、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(kāi)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(wú)法全面檢測(cè)等問(wèn)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(guò)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(wàn)元/年，節(jié)約錯(cuò)檢、漏檢產(chǎn)生的質(zhì)量處理成本1.5萬(wàn)元/年，明顯降低企業(yè)成本，提高生產(chǎn)。