CN113155044B - 一种无缝钢管直径测量与表面缺陷检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无缝钢管直径测量与表面缺陷检测系统，该系统包括台架、第一导轨、第一条形光源、第二条形光源、平行光源、面阵相机、第二导轨、辅助转轴、驱动转轴、显示屏、图像处理装置和电机，该图像处理装置统计第一参考次数、第二参考次数、第一基准总次数N1和第二基准总次数N2，该第一基准总次数是多个假想标记线的第一参考次数的总和；该第二基准总次数是多个假想标记线的第二参考次数的总和；所述的图像处理装置计算第一基准总次数N1除以第二基准总次数N2，如果N1/N2≥V，则确定存在缺陷；如果N1/N2<V，则确定不存在缺陷，其中V为技术人员根据能够允许的缺陷大小指定的常数。
Description
技术领域
本发明涉及无缝钢管的检测技术领域，具体涉及一种无缝钢管直径测量与 表面缺陷检测系统。
背景技术
无缝钢管是一种实用性很高的断面钢材,在生产生活中有很大的 需求量,例如石油、锅炉、电站、船舶、机械制造、汽车、航空、航 天、能源、地质、建筑及军工等领域。无缝钢管的直径和表面缺陷信 息是评判无缝钢管质量的重要标准,也是企业和客户最关心的部分。 市场对无缝钢管的需求量越来越大,传统的无缝钢管检测方法很难满 足企业的生产要求。
发明内容
本发明旨在提供一种无缝钢管直径测量与表面缺陷检测系统，所要解决的 技术问题包括如何通过单次采集同时完成直径的尺寸测量和表面缺陷的检测。
本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种无缝钢管直径测量与表面 缺陷检测系统，包括台架、第一导轨、第一条形光源、第二条形光源、平行光 源、面阵相机、第二导轨、辅助转轴、驱动转轴、显示屏、图像处理装置和电 机，所述的第一导轨设置在台架的顶部；所述的第一条形光源、第二条形光源 和面阵相机均安装在第一导轨上并能够沿着第一导轨左右滑动；所述的辅助转 轴可旋转地安装在台架的一侧，驱动转轴可旋转地安装在台架的另一侧，待检 测的无缝钢管安装并卡紧在辅助转轴和驱动转轴之间；所述驱动转轴的端部与 电机连接，由电机带动驱动转轴旋转；该驱动转轴进一步带动辅助转轴和无缝钢管旋转；所述的面阵相机分别通过数据线与显示屏和图像处理装置连接，使 得面阵相机拍摄的图像在显示屏显示出来的同时，将面阵相机拍摄的图像输送 到图像处理装置中进行处理；所述的图像处理装置对面阵相机拍摄的无缝钢管 的图像的亮度值进行二次微分来生成二阶微分图像；同时所述的图像处理装置 针对该二阶微分图像中的多个假想标记线分别生成二阶微分曲线，所述的多个 假想标记线是在该二阶微分图像上环绕无缝钢管的闭合的环形线，该环形线形 成的表面垂直于无缝钢管的中心轴线；所述的二阶微分曲线表示在该二阶微分 图像中的假想标记线上的二阶导数值的变化；图像处理装置还进一步统计第一 参考次数，所述的第一参考次数是该二阶微分曲线与所述环形线上的第一限值相交的次数；图像处理装置还进一步统计第二参考次数，所述的第二参考次数 是该二阶微分曲线与所述环形线上的第二限值相交的次数；所述的图像处理装 置还进一步统计第一基准总次数N1和第二基准总次数N2，该第一基准总次数 是所述的多个假想标记线的第一参考次数的总和；该第二基准总次数是所述的 多个假想标记线的第二参考次数的总和；所述的图像处理装置计算第一基准总 次数N1除以第二基准总次数N2，如果N1/N2≥V，则确定存在缺陷；如果N1/N2 <V，则确定不存在缺陷，其中V为技术人员根据能够允许的缺陷大小指定的常 数。
所述的第一限值和第二限值均是所述二阶微分图像的亮度值，该第一限值 对应于在表面缺陷检测中用作能够允许的缺陷表面和正常表面之间的边界线的 缺陷深度的极值，第二限值对应于在表面缺陷检测中能够允许的待检测的无缝 钢管的表面粗糙度的极值。
所述的第二限值小于第一限值。
优选地，所述的图像处理装置将采集的待检测的无缝钢管的左右边界拟合 为左边界L1和右边界L2：
L1：y＝k1x+b1
L2：y＝k2x+b2；
其中，k1、k2、b1和b2的具体数值为利用最小二乘法拟合直线计算得到的最 小二乘估计值；
令(x1，y1)和(x2，y2)表示左边界L1的两个端点，(x1’，y1’)和(x2’， y2’)表示右边界L2的两个端点，则根据点到直线的距离公式得到(x1，y1)到 右边界L2的的距离L12为：
采用同样的方式计算得到(x2，y2)到右边界L2的的距离L22、(x1’，y1’) 到左边界L1的距离L'21和(x2’，y2’)到左边界L1的距离L'22，取L12、L22、 L'21和L'22的均值作为无缝钢管的直径d，即：
优选地，所述的第一导轨和第二导轨均平行于无缝钢管的中心轴线设置。
所述的第一条形光源和第二条形光源分别对称设置在面阵相机的左右两 侧。
所述的第一条形光源和第二条形光源的光轴方向与无缝钢管表面形成 25°至60°的角度。
所述的辅助转轴、驱动转轴和无缝钢管的中心轴线重合为同一条直线。
所述的第一条形光源和第二条形光源设置在无缝钢管的上方，由第一条形 光源和第二条形光源发出的光照射到无缝钢管上后被无缝钢管反射，反射的光 线进入面阵相机。
所述的平行光源设置在无缝钢管的下方。
有益效果
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明所述无缝钢管直径测量与 表面缺陷检测系统使用单个面阵相机结合旋转前进方案完成柱型无缝钢管图像 采集,可以通过单次采集同时完成直径的尺寸测量和表面缺陷的检测。通过采用 双条形光源和平行光源构成的组合光源解决钢管表面反光和保留边界信息的问 题,同时还增加了采像装置的稳定性和可拓展性，保证图像具有清晰的轮廓同时 保证图像的表面特征明显。采用本发明所述无缝钢管直径测量与表面缺陷检测 系统，直径的测量误差小于0.01mm、表面缺陷在0.2mm×0.2mm以上尺寸的检 出率高于95％。，对无缝钢管直径的测量和表面缺陷的检测效果均满足生产要 求。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分， 与本申请的具体实施方式一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明 技术方案的限制。
图1是本发明所述无缝钢管直径测量与表面缺陷检测系统的制作方法的流 程框图。
图2是所述二阶微分曲线的示意图。
图3是待检测的无缝钢管采集图像的左右边界拟合示意图。
具体实施方式
在下文中更详细地描述了本发明以有助于对本发明的理解。
如图1和图2所示，本发明所述的无缝钢管直径测量与表面缺陷检测系统 包括台架1、第一导轨3、第一条形光源4、第二条形光源5、平行光源6、面 阵相机7、第二导轨8、辅助转轴9、驱动转轴10、显示屏11、图像处理装置 12和电机13，所述的第一导轨3设置在台架1的顶部；所述的第一条形光源4、 第二条形光源5和面阵相机7均安装在第一导轨3上并能够沿着第一导轨左右 滑动；所述的辅助转轴9可旋转地安装在台架的一侧，驱动转轴10可旋转地安 装在台架的另一侧，待检测的无缝钢管2安装并卡紧在辅助转轴9和驱动转轴 10之间；所述驱动转轴10的端部与电机13连接，由电机13带动驱动转轴10 旋转；该驱动转轴10进一步带动辅助转轴9和无缝钢管2旋转；所述的面阵相 机7分别通过数据线与显示屏11和图像处理装置12连接，使得面阵相机7拍 摄的图像在显示屏11显示出来的同时，输送到图像处理装置12中进行处理； 所述的图像处理装置12对面阵相机7拍摄的无缝钢管的图像的亮度值进行二次 微分来生成二阶微分图像；同时所述的图像处理装置12针对该二阶微分图像中 的多个假想标记线分别生成二阶微分曲线L，所述的多个假想标记线是在该二 阶微分图像上环绕无缝钢管的闭合的环形线H，该环形线形成的表面垂直于无 缝钢管的中心轴线；所述的二阶微分曲线表示在该二阶微分图像中的假想标记 线上的二阶导数值的变化；图像处理装置12还进一步统计第一参考次数n1， 所述的第一参考次数是该二阶微分曲线L与所述环形线H上的第一限值B1相交 的次数；图像处理装置12还进一步统计第二参考次数n2，所述的第二参考次 数是该二阶微分曲线L与所述环形线H上的第二限值B2相交的次数。
所述的第一限值B1和第二限值B2均是所述二阶微分图像的亮度值，该第 一限值对应于在表面缺陷检测中用作能够允许的缺陷表面和正常表面之间的边 界线的缺陷深度的极值，第二限值对应于在表面缺陷检测中能够允许的待检测 的无缝钢管的表面粗糙度的极值。
所述的第二限值B2小于第一限值B1。
申请人在实验过程中发现，如果待检测的无缝钢管的表面存在缺陷，则实 际图像中的亮度值的二阶微分值在缺陷深的位置处变大。也就是说，通过将每 个亮度值的二阶导数值与相对较大的第一限值B1进行比较，可以检测到缺陷是 否存在。另外，在实际检测过程中，申请人发现，实际图像中的亮度值还受到 无缝钢管的表面粗糙度的影响。通过将每个亮度值的二阶导数值与相对较小的 第二限值B2进行比较，可以检测到无缝钢管的表面粗糙度对无缝钢管表面缺陷 检测的实际影响。
所述的图像处理装置12还进一步统计第一基准总次数N1和第二基准总次 数N2，该第一基准总次数是所述的多个假想标记线的第一参考次数n1的总和； 该第二基准总次数是所述的多个假想标记线的第二参考次数n2的总和。
所述的图像处理装置12计算第一基准总次数N1除以第二基准总次数N2， 如果N1/N2≥V，则确定存在缺陷；如果N1/N2<V，则确定不存在缺陷，其中V 为技术人员根据能够允许的缺陷大小指定的常数。
作为示例，当能够允许的缺陷大于0.2mm×0.2mm时，取V＝4；当能够允许 的缺陷小于或等于0.2mm×0.2mm时，取V＝2。
无缝钢管的直径测量通常有对无缝钢管的端部采集图像和对无缝钢管的侧 壁采集图像两种方法。对无缝钢管的端部采集图像需要在无缝钢管的端部单独 设置面阵相机，这样导致无缝钢管直径测量与表面缺陷检测系统需要至少两个 面阵相机，每个相机还需要单独的光学镜头，极大地增加了检测系统的制作成 本。另外由于无缝钢管沿着长度方向(即中心轴线的方向)其直径是变化的， 因此仅测量端部的直径不足以表征整个无缝钢管的实际直径情况。
对无缝钢管的侧壁采集图像是利用面阵相机由上向下拍摄，表现在图像上 是矩形的图形，测量矩形的宽度即可得到无缝钢管的直径。这种测量方法只需 要一个设置在无缝钢管上方的面阵相机，降低了无缝钢管直径测量与表面缺陷 检测系统的制作成本。另外由于设置在无缝钢管上方的面阵相机可以沿着无缝 钢管的长度方向(即中心轴线的方向)运动，因此可以精确展示整个无缝钢管 的实际直径情况。
对无缝钢管的侧壁采集图像进行无缝钢管的直径测量需要对采集的图像进 行边界定位，具体来说：
如图3所示，由于无缝钢管沿着长度方向的直径不是一个一致的固定值， 因此无缝钢管实际的左右边界并不是严格的直线，需要所述的图像处理装置12 将采集的待检测的无缝钢管2的左右边界拟合为左边界L1和右边界L2：
L1：y＝k1x+b1
L2：y＝k2x+b2；
其中，k1、k2、b1和b2的具体数值为利用最小二乘法拟合直线计算得到的最 小二乘估计值；
如图3所示，令(x1，y1)和(x2，y2)表示左边界L1的两个端点，(x1’，y1’)和(x2’，y2’)表示右边界L2的两个端点，则根据点到直线的距离公式 得到(x1，y1)到右边界L2的的距离L12为：
采用同样的方式计算得到(x2，y2)到右边界L2的的距离L22、(x1’，y1’) 到左边界L1的距离L'21和(x2’，y2’)到左边界L1的距离L'22，理论上L12、 L22、L'21和L'22都可以代表左边界L1和右边界L2之间的距离，但是由于实际计 算时左边界L1和右边界L2并不是绝对平行的直线，因此左边界L1和右边界L2之间实际上存在极小的夹角，为了减小误差，取L12、L22、L'21和L'22的均值作 为无缝钢管的直径d，即：
优选地，所述的第一导轨3和第二导轨8均平行于无缝钢管2的中心轴线 设置。
所述的第一条形光源4和第二条形光源5分别对称设置在面阵相机7的左 右两侧。
所述的第一条形光源4和第二条形光源5的光轴方向与无缝钢管2表面形 成25°至60°的角度。这一角度使得面阵相机7拍摄的无缝钢管2的图像整体 效果更亮，能够突出无缝钢管2的轮廓和表面的不平整区。
所述的辅助转轴9、驱动转轴10和无缝钢管2的中心轴线重合为同一条直 线。
所述的第一条形光源4和第二条形光源5设置在无缝钢管2的上方，由第 一条形光源4和第二条形光源5发出的光照射到无缝钢管2上后被无缝钢管2 反射，反射的光线进入面阵相机7。
所述的平行光源6设置在无缝钢管2的下方。这样实现背光打光的效果， 使得面阵相机7拍摄的图像轮廓清晰，以方便进行尺寸测量。
以上描述了本发明优选实施方式，然其并非用以限定本发明。本领域技术 人员对在此公开的实施方案可进行并不偏离本发明范畴和精神的改进和变化。
Claims (5)
1.一种无缝钢管直径测量与表面缺陷检测系统，其特征在于，该无缝钢管直径测量与表面缺陷检测系统包括台架、第一导轨、第一条形光源、第二条形光源、平行光源、面阵相机、第二导轨、辅助转轴、驱动转轴、显示屏、图像处理装置和电机，所述的第一导轨设置在台架的顶部；所述的第一条形光源、第二条形光源和面阵相机均安装在第一导轨上并能够沿着第一导轨左右滑动；所述的辅助转轴可旋转地安装在台架的一侧，驱动转轴可旋转地安装在台架的另一侧，待检测的无缝钢管安装并卡紧在辅助转轴和驱动转轴之间；所述驱动转轴的端部与电机连接，由电机带动驱动转轴旋转；该驱动转轴进一步带动辅助转轴和无缝钢管旋转；所述的面阵相机分别通过数据线与显示屏和图像处理装置连接，使得面阵相机拍摄的图像在显示屏显示出来的同时，将面阵相机拍摄的图像输送到图像处理装置中进行处理；所述的图像处理装置对面阵相机拍摄的无缝钢管的图像的亮度值进行二次微分来生成二阶微分图像；同时所述的图像处理装置针对该二阶微分图像中的多个假想标记线分别生成二阶微分曲线，所述的多个假想标记线是在该二阶微分图像上环绕无缝钢管的闭合的环形线，该环形线形成的表面垂直于无缝钢管的中心轴线；所述的二阶微分曲线表示在该二阶微分图像中的假想标记线上的二阶导数值的变化；图像处理装置还进一步统计第一参考次数，所述的第一参考次数是该二阶微分曲线与所述环形线上的第一限值相交的次数；图像处理装置还进一步统计第二参考次数，所述的第二参考次数是该二阶微分曲线与所述环形线上的第二限值相交的次数；所述的图像处理装置还进一步统计第一基准总次数N1和第二基准总次数N2，该第一基准总次数是所述的多个假想标记线的第一参考次数的总和；该第二基准总次数是所述的多个假想标记线的第二参考次数的总和；所述的图像处理装置计算第一基准总次数N1除以第二基准总次数N2，如果N1/N2≥V，则确定存在缺陷；如果N1/N2<V，则确定不存在缺陷，其中V为技术人员根据能够允许的缺陷大小指定的常数；
所述的第一限值和第二限值均是所述二阶微分图像的亮度值，该第一限值对应于在表面缺陷检测中用作能够允许的缺陷表面和正常表面之间的边界线的缺陷深度的极值，第二限值对应于在表面缺陷检测中能够允许的待检测的无缝钢管的表面粗糙度的极值；
所述的第二限值小于第一限值；
所述的辅助转轴、驱动转轴和无缝钢管的中心轴线重合为同一条直线；
所述的第一条形光源和第二条形光源设置在无缝钢管的上方，由第一条形光源和第二条形光源发出的光照射到无缝钢管上后被无缝钢管反射，反射的光线进入面阵相机；
所述的平行光源设置在无缝钢管的下方。
2.根据权利要求1所述的无缝钢管直径测量与表面缺陷检测系统，其特征在于，所述的图像处理装置将采集的待检测的无缝钢管的左右边界拟合为左边界L1和右边界L2：
L1：y＝k1x+b1
L2：y＝k2x+b2；
其中，k1、k2、b1和b2的具体数值为利用最小二乘法拟合直线计算得到的最小二乘估计值；
令(x1，y1)和(x2，y2)表示左边界L1的两个端点，(x1’，y1’)和(x2’，y2’)表示右边界L2的两个端点，则根据点到直线的距离公式得到(x1，y1)到右边界L2的距离L12为：
采用同样的方式计算得到(x2，y2)到右边界L2的距离L22、(x1’，y1’)到左边界L1的距离L'21和(x2’，y2’)到左边界L1的距离L'22，取L12、L22、L'21和L'22的均值作为无缝钢管的直径d，即：
3.根据权利要求1所述的无缝钢管直径测量与表面缺陷检测系统，其特征在于，所述的第一导轨和第二导轨均平行于无缝钢管的中心轴线设置。
4.根据权利要求1所述的无缝钢管直径测量与表面缺陷检测系统，其特征在于，所述的第一条形光源和第二条形光源分别对称设置在面阵相机的左右两侧。
5.根据权利要求1所述的无缝钢管直径测量与表面缺陷检测系统，其特征在于，所述的第一条形光源和第二条形光源的光轴方向与无缝钢管表面形成25°至60°的角度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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