曾杰華 梁健

摘要：對(duì)現(xiàn)有水利施工構(gòu)件的檢測方式進(jìn)行深入研究，針對(duì)其只能抽檢，無法實(shí)現(xiàn)所有工件全檢的缺點(diǎn)，研發(fā)出一種隨動(dòng)式視覺檢測裝置，詳述了其設(shè)計(jì)方案、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及技術(shù)原理。裝置配置有回轉(zhuǎn)式物料輸送及翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)物料穩(wěn)定輸送及自動(dòng)翻轉(zhuǎn);配置隨動(dòng)式自動(dòng)定位視覺檢測系統(tǒng)，其上的視覺采集裝置可同步跟隨物料以相同速度一起前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)攝像頭相對(duì)物料保持靜止，并對(duì)其實(shí)施360°無死角的全方位視覺掃描檢測，以便于檢測工件的所有細(xì)節(jié)，避免出現(xiàn)漏檢的情況。這樣就可以精確檢測施工構(gòu)件的外觀參數(shù)，以判斷其是否合格。

關(guān)鍵詞：水利;構(gòu)件;隨動(dòng)式;視覺檢測;設(shè)計(jì)原理

中圖分類號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492（2021）11-0240-03

Design of Follow-up Visual Inspection Device for Hydraulic Construction Components

Zeng Jiehua1，Liang Jian2

（1. Guangdong Yuantian Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou 511338， China;2. Guangdong Water Conservancy and Electric Power Vocational and Technical College， Guangzhou 510925， China）

Abstract： The existing inspection methods of water conservancy construction components were deeply studied. In view of the disadvantagethat it can only spot check and can not realize the full inspection of all workpieces， a follow-up visual inspection device was developed， and itsdesign scheme， key structure and technical principle were described in detail. The device was equipped with a rotary material conveying andturnover system， which could realize stable material conveying and automatic turnover. It was equipped with a follow-up automatic positioningvisual detection system， on which the visual acquisition device could synchronously follow the material at the same speed， so as to keep thecamera stationary relative to the material， and implement 360° omni-directional visual scanning detection without dead angle， so as to facilitatethe detection of all details of the workpiece and avoid missing inspection. In this way， the appearance parameters of construction componentscan be accurately detected to judge whether they are qualified or not.

Key words： hydraulic; component; follow-up; visual inspection; design principle

0 引言

水利水電建筑等常規(guī)的建筑施工中，經(jīng)常需要用到很多不同材質(zhì)、形狀各異的標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，如：鋼構(gòu)件、水泥構(gòu)件、塑料構(gòu)件等。這些標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件在安裝使用前必須檢測其相關(guān)參數(shù)是否達(dá)標(biāo)，如外觀缺陷、尺寸參數(shù)、防火涂層、防銹處理等等。因?yàn)樾枰獧z測的零件多且檢測工藝繁瑣，很多時(shí)候都只能在批量的零件中抽檢，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)所有零件實(shí)施檢測，這樣就會(huì)造成有缺陷的零件無法被檢測出來，從而影響施工工程的質(zhì)量。

視覺檢測就是用攝像頭代替人眼來進(jìn)行檢測，它是指通過機(jī)器的攝像頭將被檢測物體的外形轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，然后該系統(tǒng)再把圖像中像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào);圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動(dòng)作。采用該方式在對(duì)工件的尺寸或外觀等方面進(jìn)行檢測，相對(duì)傳統(tǒng)的人工檢測具有快速、準(zhǔn)確、高效等優(yōu)點(diǎn)。

針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了一種用于在檢測時(shí)能夠?qū)λ械臉?biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件都進(jìn)行的外觀缺陷、尺寸參數(shù)、防火涂層、防銹處理進(jìn)行精密檢測的隨動(dòng)式視覺檢測裝置。通過機(jī)器的攝像頭對(duì)目標(biāo)進(jìn)行隨動(dòng)式視覺檢測，相對(duì)傳統(tǒng)的人工檢測具有快速、準(zhǔn)確、高效等優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)每一個(gè)工件都進(jìn)行詳細(xì)的檢測[1]。

1 設(shè)計(jì)方案制定

1.1 總體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路是在視覺檢測時(shí)通過回轉(zhuǎn)平臺(tái)把檢測攝像頭與工件一起做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使其兩者在做同時(shí)同向運(yùn)動(dòng)中保持相對(duì)不動(dòng)或可控的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)攝像頭對(duì)所有被送到輸送帶上的工件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)中的靜止檢測或掃描檢測。攝像頭完成檢測后又能回到初始位置對(duì)下一個(gè)工件進(jìn)行檢測，這樣就能使檢測系統(tǒng)能夠?qū)B續(xù)輸送的工件進(jìn)行檢測，又能保證檢測時(shí)攝像頭相對(duì)工件是靜止的或做可控的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[2]。這樣就能達(dá)到既集中靜止檢測及動(dòng)態(tài)檢測的優(yōu)點(diǎn)，又剔除其缺點(diǎn)的目的。同時(shí)通過配置專門設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)裝置，配合專用的多角度攝像頭，可以對(duì)工件的每一個(gè)表面的外觀進(jìn)行詳細(xì)檢測，以保證高速、高效、高精度的檢測效果[3]。

如圖1所示，整套檢測裝置由反面隨動(dòng)檢測平臺(tái)1、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)1A 、正面隨動(dòng)檢測平臺(tái)2、隨動(dòng)檢測系統(tǒng)3和回轉(zhuǎn)平臺(tái)4組成。正、反面隨動(dòng)檢測平臺(tái)的結(jié)構(gòu)一樣，主要用于視覺檢測系統(tǒng)的安裝，通過均勻分布的檢測臂跟隨工件移動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行檢測[4]。工作時(shí)通過回轉(zhuǎn)平臺(tái)上的傳感器傳來的信號(hào)控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速及角度，使檢測系統(tǒng)對(duì)工件進(jìn)行隨動(dòng)視覺檢測。

1.2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖2所示，用于把工件180°翻轉(zhuǎn)，以便于反面隨動(dòng)檢測平臺(tái)對(duì)工件的背面進(jìn)行檢測。該機(jī)構(gòu)由導(dǎo)向板20、斜坡21、減速伺服電機(jī)22、吸盤架23、真空吸盤24和光電傳感器25組成[5]。工作時(shí)通過傳感器25控制減速伺服電機(jī)22及真空吸盤24把輸送到位的工件翻轉(zhuǎn)180°，直接由正面隨動(dòng)檢測平臺(tái)送至反面隨動(dòng)檢測平臺(tái)，目的是把工件正面隨動(dòng)檢測平臺(tái)檢測時(shí)朝下的那一面翻轉(zhuǎn)朝上，便于反面隨動(dòng)檢測平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行檢測[6]。當(dāng)工件被輸送帶送至平臺(tái)末端被擋板擋住，同時(shí)觸發(fā)傳感器25，傳感器輸出一個(gè)開關(guān)量信號(hào)控制減速伺服電機(jī)22帶動(dòng)吸盤架23，把真空吸盤24蓋在工件 c表面上，同時(shí)吸盤吸氣把工件整個(gè)提起，然后減速伺服電機(jī)22帶動(dòng)吸盤架23轉(zhuǎn)動(dòng)135°，把工件送至斜坡21上，減速伺服電機(jī)22上編碼器檢測主軸轉(zhuǎn)動(dòng)135°的同時(shí)輸出一個(gè)開關(guān)量信號(hào)控制真空吸盤24放氣，把工件松開，然后工件就會(huì)在45°斜坡的作用下向下滑動(dòng)至反面隨動(dòng)檢測平臺(tái)的輸送帶上，被輸送帶帶著往前輸送，導(dǎo)向板20的作用是調(diào)整工件的姿態(tài)，使其擺正方向與輸送帶一起作逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。

1.3 隨動(dòng)檢測平臺(tái)

隨動(dòng)檢測平臺(tái)把視覺檢測攝像頭安裝在絲桿滑臺(tái)上，然后通過控制絲桿滑臺(tái)的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的實(shí)時(shí)掃描檢測。該系統(tǒng)由伺服電機(jī)15、攝像頭16、絲桿滑臺(tái)17、可調(diào)金屬軟管支架18、光源19組成。如圖3所示，攝像頭通過可調(diào)金屬軟管支架與絲桿滑臺(tái)聯(lián)接，攝像頭之間的夾角 A 、攝像頭與水平線的夾角 B 均可按需要在0°～180°之間調(diào)整，以滿足不同的檢測需要。檢測時(shí)絲桿滑臺(tái)當(dāng)回轉(zhuǎn)平臺(tái)上的傳感器7檢測到工件到位時(shí)，隨動(dòng)檢測平臺(tái)把隨動(dòng)檢測系統(tǒng)送至工件正上方，跟隨工件一起往前移動(dòng)，同時(shí)絲桿滑臺(tái)帶動(dòng)攝像頭對(duì)工件的上表面、左右側(cè)面、前側(cè)面進(jìn)行掃描檢測[7-8]。

1.4 回轉(zhuǎn)隨動(dòng)平臺(tái)

如圖4所示，回轉(zhuǎn)平臺(tái)主要用于工件的輸送。主要由工件4、光源5、輸送皮帶6、傳感器7、伺服減速機(jī)8、機(jī)架9組成。本平臺(tái)工作時(shí)主要通過輸送帶帶動(dòng)工件進(jìn)行回轉(zhuǎn)輸送，每兩個(gè)工件之間的距離相等，當(dāng)工件觸發(fā)傳感器7時(shí)，傳感器的信號(hào)記錄工件相對(duì)傳感器的位置，同時(shí)還標(biāo)定工件相對(duì)將要對(duì)其進(jìn)行檢測的攝像頭的相對(duì)位置，通過匹配伺服減速機(jī)8與隨動(dòng)檢測平臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)13的轉(zhuǎn)速，同時(shí)還驅(qū)動(dòng)絲桿滑臺(tái)調(diào)動(dòng)攝像頭做相應(yīng)的匹配，使隨動(dòng)檢測系統(tǒng)能夠與工件以相同的角速度一起順時(shí)針往前移動(dòng)，同時(shí)控制攝像頭對(duì)工件進(jìn)行同步掃描檢測[9]。

1.5 視覺檢測系統(tǒng)

如圖5所示，工作時(shí)：首先工件被一個(gè)一個(gè)間隔著的送到正面隨動(dòng)檢測平臺(tái)的輸送皮帶6上，工件相互之間的距離相等，該距離與隨動(dòng)檢測平臺(tái)上檢測臂10末端相互間的距離一樣，以保證隨動(dòng)檢測系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)能針對(duì)每一個(gè)工件進(jìn)行檢測。接著工件會(huì)被輸送帶帶著往前輸送，做順時(shí)針回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。第一個(gè)工件進(jìn)入輸送帶并往前輸送，當(dāng)傳感器7檢測到該工件進(jìn)入檢測環(huán)節(jié)時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)13通過變速箱14驅(qū)動(dòng)主軸12帶動(dòng)檢測臂10把隨動(dòng)檢測系統(tǒng)11帶到工件的正上方。因?yàn)楣ぜ鄬?duì)攝像頭的位置已經(jīng)被標(biāo)定，這時(shí)絲桿滑臺(tái)控制攝像頭運(yùn)動(dòng)對(duì)工件的其中 a 、b 、c 、d 四個(gè)面進(jìn)行掃描檢測，e、f兩個(gè)表面待工件進(jìn)入反面隨動(dòng)檢測平臺(tái)時(shí)檢測[10]。從傳感器檢測工件到位開始，直到工件被輸送帶順時(shí)針輸送180°結(jié)束，絲桿滑臺(tái)控制攝像頭剛好對(duì)工件 a 、b 、c 、d 四個(gè)面掃描檢測一次，然后絲桿滑臺(tái)帶著攝像頭被檢測臂10帶著回轉(zhuǎn)離開檢測區(qū)域，在非檢測區(qū)域回轉(zhuǎn)時(shí)絲桿滑臺(tái)控制攝像頭回到原點(diǎn)位置，以便于進(jìn)行下一次檢測。

反面隨動(dòng)檢測平臺(tái)的結(jié)構(gòu)及工作原理與正面隨動(dòng)檢測平臺(tái)一樣，當(dāng)該平臺(tái)上的傳感器檢測工件到位后通過控制絲桿滑臺(tái)上的攝像頭對(duì)工件進(jìn)行隨動(dòng)掃描檢測。這時(shí)隨動(dòng)檢測系統(tǒng)對(duì)工件的 b 、d 、e、f 四個(gè)面進(jìn)行掃描檢測，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)一個(gè)工件的所有表面進(jìn)行360°全方面連續(xù)在線視覺檢測。

2 創(chuàng)新點(diǎn)

（1） 通過兩個(gè)伺服電機(jī)的控制回轉(zhuǎn)平臺(tái)與隨動(dòng)檢測平臺(tái)相互配合，使移動(dòng)中的絲桿滑臺(tái)與工件在運(yùn)動(dòng)中保持相對(duì)靜止，然后再通過控制絲桿螺母的配合使攝像頭相對(duì)工件進(jìn)行可控的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)攝像頭對(duì)所有被送到輸送帶上的工件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)中的靜止檢測或掃描檢測。這樣既能吸取靜態(tài)檢測效果好、精度高的好處，又能保證期具有動(dòng)態(tài)測量速度快、效率高的優(yōu)點(diǎn)[11]。

（2） 通過配置高效簡單的真空吸盤翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，快速地把工件翻轉(zhuǎn)180°，從而實(shí)現(xiàn)了高速、高效的連續(xù)在線測量。

（3） 通過安裝多組對(duì)稱的攝像頭在檢測臂的兩端，使其在回轉(zhuǎn)過程中不斷地檢測與復(fù)位，實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷地對(duì)送進(jìn)輸送皮帶的工件進(jìn)行在線檢測，提高了檢測的效率。3結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了通過回轉(zhuǎn)平臺(tái)帶動(dòng)隨動(dòng)式視覺檢測系統(tǒng)對(duì)施工構(gòu)件進(jìn)行檢測的設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)通過配置不同的傳感器及控制邏輯，可以調(diào)整攝像頭檢測的狀態(tài)，如同步靜止檢測、單向掃描式檢測、來回掃描檢測等;通過更換不同的檢測裝置還能對(duì)施工構(gòu)件進(jìn)行超聲波探傷、金屬檢測、含水量檢測等。其可塑性及互換性強(qiáng)，通過項(xiàng)目成果的進(jìn)一步開發(fā)研究，本技術(shù)還可以拓展到其他的檢測領(lǐng)域，對(duì)機(jī)械零件或產(chǎn)品外觀等進(jìn)行高速、連續(xù)、在線的檢測，進(jìn)一步為制造業(yè)生產(chǎn)線上的制造末端檢測提供技術(shù)基礎(chǔ)[12]。

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第一作者簡介：曾杰華（1980-），女，廣東信宜人，大學(xué)本科，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)樗麢C(jī)電技術(shù)。

（編輯：王智圣）