曾 飛，劉 欣，王 濤，鄧少華，余 偉

（1.冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武漢科技大學(xué)，湖北 武漢 430081；2.機(jī)械傳動(dòng)與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武漢科技大學(xué)，湖北 武漢 430081；3.武漢科技大學(xué)精密制造研究院，湖北 武漢 430081）

0 引 言

螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用在大型建筑結(jié)構(gòu)，如大橋的鋼梁橋部分通常有數(shù)萬(wàn)套高強(qiáng)度螺栓。然而，受環(huán)境溫度變化及振動(dòng)等因素影響，螺栓會(huì)不可避免地產(chǎn)生松動(dòng)。螺栓聯(lián)接件松動(dòng)不僅會(huì)降低和破壞聯(lián)接結(jié)構(gòu)有效性，甚至還會(huì)造成重大的安全事故和經(jīng)濟(jì)損失［1］。對(duì)于使用數(shù)量龐大且分布廣闊的大型建筑螺栓松動(dòng)監(jiān)測(cè)，目前所采用的人工巡檢法不僅周期長(zhǎng)，而且危險(xiǎn)系數(shù)高、作業(yè)強(qiáng)度大、環(huán)境差［2］。目前，螺栓松動(dòng)自動(dòng)檢測(cè)主要采用預(yù)緊力檢測(cè)法、視覺(jué)檢測(cè)法等。其中，預(yù)緊力檢測(cè)法通過(guò)測(cè)量螺栓預(yù)緊力大小，判斷螺栓是否發(fā)生松動(dòng)，常采用扭矩扳手法［3］、壓電阻抗檢測(cè)法［4］、超聲波檢測(cè)法［5～7］等。由于這些方法存在測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜等問(wèn)題，難以大范圍應(yīng)用，特別是在分布廣闊的眾多螺栓監(jiān)測(cè)中。

因機(jī)器視覺(jué)技術(shù)具有檢測(cè)精度高、系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單的特點(diǎn)［8］，該技術(shù)逐漸被應(yīng)用于螺栓松動(dòng)檢測(cè)中。蔡紅梅等人［9］通過(guò)對(duì)螺栓環(huán)“環(huán)帶”的位移識(shí)別來(lái)實(shí)現(xiàn)螺栓松動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。王寶麗［10］提出了將深度學(xué)習(xí)和圖像算法結(jié)合的螺栓松動(dòng)自動(dòng)識(shí)別方法，降低人工漏檢而導(dǎo)致的螺栓松動(dòng)事故發(fā)生率。Park J H等人［11］和劉煜［12］提出了一種利用霍夫（Hough）變換測(cè)量螺栓松動(dòng)角度的視覺(jué)檢測(cè)方法。但是，目前采用機(jī)器視覺(jué)的螺栓松動(dòng)檢測(cè)方法主要針對(duì)螺栓松動(dòng)后期情況，無(wú)法檢測(cè)出早期螺栓松動(dòng)時(shí)的微小角度，而早期螺栓松動(dòng)的及時(shí)發(fā)現(xiàn)是螺栓監(jiān)測(cè)的重要環(huán)節(jié)。

本文提出一種基于螺栓間彈性線曲率變化的螺栓松動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)方法。

1 視覺(jué)檢測(cè)與圖像處理

1.1 檢測(cè)原理

螺栓工作過(guò)程中，當(dāng)受到交變載荷作用（特別是橫向載荷）時(shí)，會(huì)發(fā)生松動(dòng)從而產(chǎn)生松轉(zhuǎn)角，且松轉(zhuǎn)角與螺栓聯(lián)接狀態(tài)（表現(xiàn)為螺栓預(yù)緊力大小）具有對(duì)應(yīng)關(guān)系［13］。因此，可以通過(guò)測(cè)量螺栓松動(dòng)角度變化，監(jiān)測(cè)螺栓聯(lián)接狀態(tài)。本文針對(duì)螺栓早期松動(dòng)情況，提出了一種基于螺栓間彈性線形變的螺栓聯(lián)接狀態(tài)視覺(jué)檢測(cè)方法。以檢測(cè)2個(gè)螺栓間聯(lián)接狀態(tài)為例，將光纖或玻璃纖維等彈性線布設(shè)于2 個(gè)螺栓間，如圖1（a1）所示，當(dāng)其中一個(gè)螺栓（圖中松動(dòng)螺栓）松動(dòng)產(chǎn)生松動(dòng)角時(shí)，螺栓間彈性線的形態(tài)會(huì)隨著松動(dòng)角度變化而不斷變化。為提取表征彈性線形態(tài)變化的特征值，建立特征值與螺栓松動(dòng)角間的關(guān)系，本文采用視覺(jué)檢測(cè)的方法獲得彈性線圖像，并通過(guò)圖像預(yù)處理、彈性線擬合及曲率計(jì)算，進(jìn)而獲得螺栓聯(lián)接狀態(tài)。

圖1 螺栓視覺(jué)檢測(cè)與圖像處理

單個(gè)螺栓可采用圖1（a2）所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以將彈性線一端安裝在螺栓上，另一端安裝在某固定點(diǎn)，螺栓松動(dòng)會(huì)帶動(dòng)彈性線變形。而對(duì)于多個(gè)螺栓形成的螺栓組，可采用圖1（a3）所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，彈性線直接串聯(lián)安裝在多個(gè)螺栓上，當(dāng)某一個(gè)或某幾個(gè)螺栓松動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)與之相連的彈性線變形。

1.2 螺栓圖像預(yù)處理

為了消除圖像中的噪聲，保護(hù)螺栓及螺栓間彈性線圖像邊緣等信息，采用雙邊濾波［14］對(duì)螺栓圖像進(jìn)行濾波，處理后的螺栓圖像如圖1（b1）所示。圖1（b1）中彈性線邊緣輪廓清晰，噪聲基本消失。受圖像采集條件的影響，所拍攝系列圖片的尺寸和位置可能不完全一致。為此，將螺栓圖像進(jìn)行位置校正和尺寸歸一化處理，利用Hough變換［15］提取螺栓圖像中如圖1（b2）所示的固定螺栓特征直線EF，并計(jì)算EF的傾斜角度和EF兩點(diǎn)之間的歐氏距離；然后采用仿射變換算法［16］對(duì)圖像進(jìn)行校正。

為降低圖像數(shù)據(jù)量，加快運(yùn)算速度，將螺栓歸一化后的螺栓圖像進(jìn)行灰度變換再提取螺栓圖像中的彈性線，本文采用Ostu算法對(duì)螺栓圖像進(jìn)行閾值分割，Ostu算法能夠遍歷當(dāng)前螺紋灰度圖像所有閾值，從中選取出最佳閾值，具有較好的自適應(yīng)性，分割效果理想，分割后的螺栓圖像如圖1（b3）所示。

2 彈性線擬合與曲率計(jì)算

2.1 基于Steger算法的線結(jié)構(gòu)中心提取

Steger算法［17］能夠?qū)崿F(xiàn)彈性線中心位置的亞像素精度定位，該算法將螺栓圖像視為二維函數(shù)，利用Hessian 矩陣［18］計(jì)算得到線條的法線方向，然后再利用泰勒多項(xiàng)式展開(kāi)得到線條的法線方向中心亞像素精度位置點(diǎn)。

對(duì)閾值分割后螺栓圖像中任意一點(diǎn)，Hessian 矩陣H（x，y）表示為

式中rxx，rxy，ryy為螺栓圖像經(jīng)過(guò)高斯卷積后的二階偏導(dǎo)數(shù)。

設(shè)Hessian矩陣最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量（nx，ny）是線條的法線方向，nx和ny為線條法線方向的單位向量，以粗提取彈性線中心線上的像素點(diǎn)（x0，y0）為基礎(chǔ)，則彈性線的中心線亞像素坐標(biāo)（px，py）為

式中rx，ry為圖像經(jīng)過(guò)高斯卷積得到的一階偏導(dǎo)數(shù)。若（tnx，tny）∈［-0.5，0.5］×［-0.5，0.5］，則（px，py）為彈性線中心亞像素坐標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)Steger 算法定位的部分彈性線中心點(diǎn)如圖2所示。

圖2 通過(guò)Steger算法找到的線條中心點(diǎn)

2.2 彈性線曲率計(jì)算

為進(jìn)一步分析螺栓間彈性線彎曲形態(tài)與螺栓松動(dòng)角的關(guān)系，以彈性線的曲率作為彈性線彎曲形態(tài)的特征值。將亞像素中線坐標(biāo)（px，py）采用多項(xiàng)式形式進(jìn)行擬合，擬合程度由確定系數(shù)R進(jìn)行評(píng)估，R的取值范圍是［0，1］，R的計(jì)算公式為

式中 SSR為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)均值之差的平方和，計(jì)算公式為

SST為原始數(shù)據(jù)pyi與原始數(shù)據(jù)均值之差的平方和，計(jì)算公式為

計(jì)算所得彈性線的曲率，曲率k計(jì)算公式為

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 檢測(cè)系統(tǒng)

設(shè)計(jì)螺栓松動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)如圖3（a）所示，系統(tǒng)主要由螺栓、彈性線、精密光學(xué)分度平臺(tái)、發(fā)光二極管（LED）光源、相機(jī)和計(jì)算機(jī)等組成。為了模擬螺栓松動(dòng)過(guò)程中的松動(dòng)角度變化，實(shí)驗(yàn)中，將1 個(gè)螺栓安裝于精密光學(xué)分度平臺(tái)，該平臺(tái)可對(duì)轉(zhuǎn)角度數(shù)進(jìn)行精密調(diào)整，模擬螺栓松動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的松動(dòng)角。彈性線一端固定在精密光學(xué)分度平臺(tái)的螺栓上，另一端固定在一個(gè)固定螺栓上，通過(guò)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓松動(dòng)角的精確控制。為保證系統(tǒng)獲得良好的照明環(huán)境，采用LED光源。工業(yè)相機(jī)用來(lái)采集螺栓圖像并傳遞給計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中提取彈性線中的有關(guān)信息，并對(duì)彈性線進(jìn)行分析，構(gòu)建彈性線曲率變化與螺栓扭轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，由此實(shí)現(xiàn)螺栓松動(dòng)角度的檢測(cè)。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3（b）所示，螺栓型號(hào)為M16，在旋轉(zhuǎn)螺栓下方安置型號(hào)為RSP60-L的精密光學(xué)分度平臺(tái)，臺(tái)面直徑為60 mm。螺栓間彈性線長(zhǎng)度為62 mm，螺栓組橫向間距為61 mm，采用MV-CA060-10GC工業(yè)相機(jī)進(jìn)行螺栓圖像的采集和傳輸。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

本文實(shí)驗(yàn)中將旋轉(zhuǎn)螺栓按照逆時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行旋轉(zhuǎn)，因精密光學(xué)分度平臺(tái)的精調(diào)螺絲旋轉(zhuǎn)50 刻度的角度為46′，選擇旋轉(zhuǎn)螺栓的每次轉(zhuǎn)動(dòng)角度為46′，轉(zhuǎn)動(dòng)9 次，重復(fù)上述操作8次。采用3次多項(xiàng)式對(duì)彈性線進(jìn)行擬合，得到8 次實(shí)驗(yàn)下不同松動(dòng)角的彈性線平均擬合參數(shù)如表1所示。由表1可以看出，R近似為1，擬合曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重合程度高，采用3次多項(xiàng)式能取得較好的擬合效果。

表1 不同松動(dòng)角的彈性線平均擬合參數(shù)

根據(jù)式（7）計(jì)算得到不同螺栓轉(zhuǎn)角下，以兩螺栓中心線為橫坐標(biāo)x，不同x坐標(biāo)下的彈性線曲率如圖4 所示。圖4中，由于螺栓組橫向間距為61 mm，所以x∈［0，61］，曲率以橫向距離中點(diǎn)靠右附近為中心呈先減小后增大的軸對(duì)稱分布。隨著松動(dòng)角度的增加，曲率大小呈整體下降的趨勢(shì)。松動(dòng)角度達(dá)到6°8′后，角度繼續(xù)增加但曲率基本不變，根據(jù)文獻(xiàn)［19］可知，當(dāng)松動(dòng)角達(dá)到6°左右時(shí)，預(yù)緊力已經(jīng)下降近50%，螺栓已處于松動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)，應(yīng)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。

圖4 不同松動(dòng)角度下的彈性線曲率

在彈性線上選擇距離點(diǎn)螺栓邊緣點(diǎn)P的彈性線長(zhǎng)度為8 mm的一點(diǎn)A（如圖5），提取該點(diǎn)的曲率與螺栓松動(dòng)角度的關(guān)系，如圖6所示。從圖中可以看出，在螺栓松動(dòng)的過(guò)程中，隨著螺栓松動(dòng)角度的增加，點(diǎn)A的曲率值逐漸減小，且螺栓松動(dòng)角度和曲率值之間存在較好線性關(guān)系。這樣，當(dāng)螺栓的預(yù)緊力與螺栓松動(dòng)角之間具有相應(yīng)的確定關(guān)系，可以通過(guò)所測(cè)曲率值確定螺栓松動(dòng)角度，進(jìn)而確定螺栓的聯(lián)接狀態(tài)（軸向預(yù)緊力大小）。

圖5 曲率特征點(diǎn)A位置示意

圖6 A點(diǎn)的曲率變化

為了進(jìn)一步比較該方法與傳統(tǒng)使用Hough變換測(cè)量螺栓松動(dòng)角度法［12］的檢測(cè)效果，使用精密光學(xué)平臺(tái)定量控制螺栓松動(dòng)角度，將螺栓分別采用上述2種方法進(jìn)行檢測(cè)，得到的結(jié)果如表2所示，可看出本文方法在測(cè)量精度上具有較好的效果。

表2 本文方法與傳統(tǒng)方法［12］測(cè)量結(jié)果

4 結(jié) 論

本文通過(guò)在螺栓間的彈性線放大螺栓松動(dòng)角度，再監(jiān)測(cè)彈性線上固定點(diǎn)曲率變化，進(jìn)而確定螺栓松動(dòng)轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)早期螺栓松動(dòng)檢測(cè)。因待測(cè)松動(dòng)特征是依靠螺栓之間的彈性線表征，故而檢測(cè)對(duì)象不受螺栓類型的限制，可以應(yīng)用于多種類型的螺栓；且該方法具有檢測(cè)精度高、能及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期松動(dòng)的特點(diǎn)，因此對(duì)保證大型建筑結(jié)構(gòu)螺栓聯(lián)接安全性具有重要意義。