謝樂樂，向 忠

(1.浙江理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江理工大學(xué)平陽研究院有限公司)

0 引言

我國海上風(fēng)電正處于起步并快速發(fā)展階段，對于海纜的防護(hù)技術(shù)尚缺乏深入研究，其中較為關(guān)鍵的是海纜彎曲防護(hù)技術(shù)的研究[1]。彎曲限制器包括動態(tài)應(yīng)用的防彎器，它又名彎曲加強(qiáng)筋和靜態(tài)應(yīng)用的限彎器，其設(shè)計較復(fù)雜，需要考慮各種荷載情況，而且每一個彎曲限制器都要根據(jù)具體實際情況來單獨(dú)設(shè)計，才能符合不同海纜在不同環(huán)境荷載下的具體要求[2]。

彎曲限制器由數(shù)個互鎖的模塊組成，當(dāng)有載荷作用在上面時，彎曲限制器形狀發(fā)生改變，這些模塊會鎖在一起形成一條平滑的曲線，模塊曲率半徑比海纜發(fā)生破壞時的最大曲率半徑大，從而達(dá)到保護(hù)海纜防止過度彎曲的目的[3]。彎曲限制器功能如圖1 所示。目前，彎曲限制器鎖合性能測試基本還停留在人工檢測或人工借助半自動化設(shè)備進(jìn)行抽檢，這種測試方法效率低、精度差、人工成本高。丁樂聲等通過施加彎曲限制器端部位移的形式進(jìn)行加載載荷，以慢速提升端部位移實現(xiàn)加載的方式，施加等效彎矩載荷[4]。董吳磊等使用彎矩拉力機(jī)施加拉力源，并調(diào)整承力帶與彎曲限制器拉伸角度，以低速施加彎矩載荷的方式，測試彎曲限制器鎖合性能[5]。隨著工業(yè)自動化程度的日益提高，彎曲限制器鎖合性能測試的自動化成為亟待解決的問題。機(jī)器視覺技術(shù)已在工業(yè)零件尺寸測量應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用，作為非接觸式測量的一種典型方式，工件尺寸通?？赏ㄟ^工件圖像的邊緣信息獲取[6]。

圖1 彎曲限制器功能圖解

WinForm 是.NET 開發(fā)平臺中對Windows Form的一種稱謂，Windows 窗體具有功能強(qiáng)大、操作方便、使用安全三個重要特點(diǎn)[7]。目前常用的機(jī)器視覺算法工具有HALCON、OpenCV、Matlab、VisionPro、Labview等等[8]。

柔性管纜彎曲限制器可以根據(jù)所用材料和具體的應(yīng)用環(huán)境分為金屬限彎器和聚合物限彎器[9]。所需檢測的對象為某彎曲限制器公司生產(chǎn)的用于保護(hù)海纜的彎曲限制器，原材料為聚氨酯。彎曲限制器模塊模型與基本尺寸如圖2所示。

圖2 彎曲限制器模塊模型與基本尺寸

1 測試系統(tǒng)的整體設(shè)計

本測試系統(tǒng)包括工控機(jī)、拉力傳感器、運(yùn)動控制卡、伺服系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)、工業(yè)相機(jī)等。上位機(jī)通過變送器實現(xiàn)與拉力傳感器的通訊，運(yùn)動控制卡包含通用IO 口與脈沖輸出，可完成變頻系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)的正反、點(diǎn)動等運(yùn)動控制。測試系統(tǒng)主要設(shè)備清單如表1所示。

表1 測試系統(tǒng)主要設(shè)備清單

視覺算法部分在機(jī)器視覺軟件HALCON 中調(diào)試與優(yōu)化。通過聯(lián)合C#編程，最終實現(xiàn)彎曲限制器變形鎖合性能測試系統(tǒng)的開發(fā)，能實現(xiàn)以下功能：①通過工業(yè)相機(jī)對彎曲限制器曲率半徑的實時檢測；②實現(xiàn)彎曲限制器的彎矩載荷與對應(yīng)的曲率半徑的關(guān)系圖表輸出；③變頻電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動、緊急停車、報警復(fù)位；④伺服電機(jī)的位置控制、點(diǎn)位控制、正負(fù)限位，回零等；⑤目標(biāo)彎矩載荷的保載倒計時等功能。

上位機(jī)軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 上位機(jī)軟件總體結(jié)構(gòu)圖

2 上位機(jī)軟件設(shè)計

通過對測試系統(tǒng)的需求分析，設(shè)計了以下模塊：運(yùn)動控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、視覺檢測模塊。運(yùn)動控制模塊主要對變頻系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)的運(yùn)動控制于監(jiān)控；數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)拉力傳感器和彎曲限制器的參數(shù)計算實時彎矩載荷，并記錄受到的最大拉力與極限彎矩載荷；視覺檢測模塊通過工業(yè)相機(jī)來檢測彎曲限制器的實時曲率半徑。

2.1 運(yùn)動控制模塊

將運(yùn)動控制卡端口配置后，運(yùn)動定時器每間隔100ms進(jìn)入響應(yīng)事件，依次掃描卷揚(yáng)機(jī)、電動缸對應(yīng)的接觸器和電動缸限位開關(guān)的狀態(tài)。當(dāng)卷揚(yáng)機(jī)和電動缸使能時，可通過點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕進(jìn)入按鍵響應(yīng)事件，完成指定運(yùn)動控制操作。當(dāng)電動缸到達(dá)某一限位狀態(tài)后，自動停止點(diǎn)動缸的運(yùn)動并失能該方向的運(yùn)動操作按鈕。運(yùn)動控制模塊的邏輯流程圖如圖4所示。

圖4 運(yùn)動控制模塊邏輯流程圖

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要是通過拉力定時器每隔100ms進(jìn)入響應(yīng)事件，串口發(fā)送讀取數(shù)據(jù)指令后接收到拉力傳感器返回的數(shù)據(jù)包。將返回的數(shù)據(jù)包做CRC 校驗，檢測傳輸通道干擾引起的錯誤。對數(shù)據(jù)包解析后，當(dāng)示數(shù)為負(fù)時，提示清零，并記錄測試過程中的最大拉力與最大彎矩載荷。數(shù)據(jù)處理模塊的邏輯流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理模塊邏輯流程圖

2.3 視覺檢測模塊

基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測基本思路是同時解決定位和識別。本文采用深度學(xué)習(xí)中目標(biāo)檢測算法，訓(xùn)練得到測試過程中彎曲限制器定位模型，從而獲取區(qū)域圖像。通過采集多次測試過程中的圖像，整理篩選出良好的圖像，將其作為目標(biāo)檢測模型中的數(shù)據(jù)集，在Deep Learning Tool 中，使用對象檢測（自由矩形)的深度學(xué)習(xí)方法進(jìn)行標(biāo)注，該方法尤其適用于傾斜對象，將訓(xùn)練后的模型保存為hdl文件。

基于深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測的曲率半徑檢測流程圖如圖6所示，第一點(diǎn)位置為邊界框的中心，并根據(jù)第一點(diǎn)計算第二點(diǎn)坐標(biāo)，第三點(diǎn)為固定裝置的中心坐標(biāo)，最終將檢測出的彎曲限制器的曲率半徑顯示在圖形窗口。算法調(diào)試界面如圖7所示。

圖6 基于目標(biāo)檢測的曲率半徑檢測流程圖

圖7 算法調(diào)試界面

3 軟件界面

軟件界面中的運(yùn)動控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、視覺模塊如圖8 所示。視覺模塊采用HALCON 與C#聯(lián)合編程的方式，首先利用HALCON圖像處理庫編程測量彎曲限制器的實時鎖合半徑，然后將代碼導(dǎo)出為C#格式移植到WinForm 界面開發(fā)端完成測試應(yīng)用的開發(fā)。運(yùn)動控制模塊是對變頻系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)的控制，主要完成正反轉(zhuǎn)，點(diǎn)動，停車、回零等操作。數(shù)據(jù)處理模塊主要是對拉力傳感器與檢測出的鎖合半徑進(jìn)行彎矩載荷計算，并將施加的彎矩載荷與鎖合半徑的關(guān)系輸出到圖表中。

圖8 上位機(jī)軟件界面

4 結(jié)束語

本文通過分析彎曲限制器鎖合性能測試的需求，基于HALCON 與WiForm 框架設(shè)計一款海纜彎曲限制器鎖合性能測試系統(tǒng)上位機(jī)軟件，實現(xiàn)了對彎曲限制器精準(zhǔn)加載彎矩載荷、實時檢測變形鎖合半徑，并獲取了彎矩載荷與鎖合半徑的關(guān)系。相較人工檢測的方法，該系統(tǒng)具有高效、高精度、安全等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足企業(yè)自動化測試需求，得出的性能參數(shù)可為彎曲限制器的優(yōu)化改進(jìn)提供參考。