CN115598132B - 一种基于机器视觉的棒材计数及对齐检测的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于棒材跟踪技术领域，提出一种基于机器视觉的棒材计数及对齐检测的装置和方法。基于机器视觉的棒材计数及对齐检测的装置安装于冷床上料区辊道旁边，包括线激光器和工业相机。线激光打在棒材上，形成的弧形轮廓效果，工业相机采集到激光轮廓后，进行图像处理找到圆心，根据圆心数量得到棒材的数量。分别对图像中两条激光线进行棒材计数，比较数量，如果数量相同，说明棒材头部抵达档板且已经对齐；如果数量不同，说明棒材头部尚未对齐。针对现有人工检查存在效率低、误差大，以及人为主观因素导致的检测标准不统一等问题，本发明实现自动、高效的在线棒材跟踪计数及头部对齐检测，提升生产线自动化控制水平，提高生产效率和产品质量。

Description

一种基于机器视觉的棒材计数及对齐检测的装置和方法

技术领域

本发明涉及棒材跟踪技术领域，具体涉及一种基于机器视觉的棒材计数及对齐检测的装置和方法。

背景技术

棒材主要应用于建筑、机械、汽车、船舶等工程领域，是重要的金属材料。棒材的加工工艺流程包括：加热、除磷、粗轧、精轧、飞剪、编组、锯切分段、冷床收集、检验、包装等环节。

其中，在编组工序后，棒材物料通过辊道运送到冷床上料区辊道，然后成组上冷床冷却，在具体生产流程中，多根棒材并行运送，因辊道打滑等因素，存在棒材头部对不齐的问题，影响物料跟踪和上冷床控制，因此抵达冷床上料区辊道后，先使得棒材头部在冷床上料区辊道尽头档板处对齐，再进行上料到冷床的操作，与此同时，系统统计本次上料棒材的数量，用于物料跟踪。目前，该区域依赖人工观察和控制，自动化程度低，同时存在因工作疲劳等主观因素导致的数量统计出错、棒材头部对不齐等问题，影响棒材生产的信息化管理，所以十分有必要采用自动化控制代替人工。

在工业生产环境中，传统的检测仪表如：金属检测仪、测距仪、检测光栅等，可以进行单个物料跟踪，但无法检测数量和对齐检测；机器视觉技术虽然已在工业生产领域得到了广泛应用和认可，但在本生产工序场景中，棒材本身存在中温、高温等工艺情况，温度区间大，材料在不同温度下存在不同程度的热辐射，热辐射直接影响相机成像，不同程度的热辐射，成像效果差异大，采集设备参数难以固化，最终导致识别处理误差大、稳定性差，不能满足实际使用需求。

发明内容

本发明提供一种基于机器视觉的棒材计数及对齐检测的装置和方法，通过线激光器与工业相机采集配合，解决材料热辐射问题，实现棒材上冷床1前，高效计数和头部对齐检测。

本发明的技术方案如下：一种基于机器视觉的棒材计数及对齐检测的装置，安装于冷床上料区3辊道旁边，其包括线激光器4和工业相机6；冷床上料区3辊道一端设置有边部挡板5，用于阻挡冷床上料区3辊道上行进的棒材2，实现多根棒材2头部对齐；线激光器4同时发射两条线形激光，分别为激光线A7和激光线B8；两条激光线平行打在冷床上料区3辊道的棒材2上，形成棒材2的激光轮廓；工业相机6朝向激光线A7和激光线B8的位置，工业相机6的视野覆盖激光线A7和激光线B8间的区域，采集两束激光线打在棒材2上形成的激光轮廓；线激光器4发射大功率红外激光；工业相机6的镜头安装红外波段窄带滤光片，使得线激光器4只能采集到线激光的成像，避免热辐射的影响；工业相机6和线激光器4连接系统服务器用于图像处理，系统服务器与生产控制系统无线连接，生产控制系统为控制棒材生产的自动化控制系统；系统服务器通过对激光轮廓进行识别处理检测；当棒材2未运送到两束激光线位置时，激光线打在辊道的缝隙处，工业相机6无法检测到激光线；根据工业相机6是否检测到激光线进行判断棒材的有无。

所述激光线B8打在冷床上料区辊道尽头边部挡板5板附近的辊道缝隙，距离边部挡板5长度为L，L单位为米，取值公式为：

L≥S/F

其中，S为棒材运行速度，单位米/秒，F为系统服务器处理速度，单位为次/秒；

激光线A7光束点相距激光线B8光束点的长度为M，M取值满足如下条件：

1)M≥并行输送棒材的头部位置最大差值；

2)M≤冷床上料区辊道宽度/2–L；

3)M为辊道缝隙值，根据辊道宽度和辊道间距决定；

4)M＜棒材长度；

若M存在多个值时，取其中最小的值。

所述激光线A7和激光线B8均要求打在输送辊道缝隙；在无棒材的情况下，工业相机6视野范围照不到激光线；当有棒材的情况下，工业相机6视野范围只包括打在棒材表面的激光轮廓。

因为该生产环节属于高温环境，工业相机6和线激光器4采用压缩空气和水冷机降温。

所述系统服务器和生产控制系统的工作模式具体如下；

线激光启停控制：当系统服务器接收到生产控制系统发来的棒材来料信号时，说明棒材2即将进入冷床上料区辊道，系统服务器控制线激光器4启动以及工业相机6启动，进入工作状态；当系统服务器接收到生产控制系统发来的棒材上冷床动作完成指令时，系统服务器控制线激光器4和工业相机6关闭，进入待机状态；

棒材计数：系统服务器通过工业相机6采集的图像，实时计算棒材数量，并将计算结果反馈给生产控制系统；

棒材头部对齐检测：系统服务器通过工业相机6采集图像，实时检测棒材头部是否对齐，并将检测结果反馈给生产控制系统。

一种基于机器视觉的棒材计数及对齐检测方法，具体流程如下；

当棒材进入冷床上料区辊道时，系统服务器进入工作状态，当两条激光线均未打到棒材上时，保持等待；当激光线A7检测到激光轮廓时，基于激光线A7的激光轮廓进行棒材计数，并实时传递给生产控制系统；当激光线B8也检测到激光轮廓时，基于激光线B8的激光轮廓进行棒材计数，进行两条激光线棒材计数的数量比对，相同则说明头部对齐，发信号给生产控制系统，处理结束。

所述棒材计数的具体步骤如下；

步骤1：图像采集；工业相机6拍摄的图像发送给系统服务器；

步骤2：图像预处理；

系统服务器将工业相机拍摄的原始图像进行预处理，包括：

2.1)二值化；因为工业相机镜头加装滤光片的缘故，原始图像主要包含激光打在棒材上的轮廓，但因为厂房中其他光源也存在与激光相同波段，但很微弱的红外光，因此，本步骤通过二值化去除这些环境光干扰，生成二值化后图像；

2.2)形态学处理；对二值化后图像进行腐蚀操作，消除激光线周围噪点，再进行膨胀操作，还原光线轮廓外观，生成形态处理图像；

2.3)滤波处理；对形态处理图像进行高斯滤波，修剪光线轮廓外观，处理后得到滤波图像；

2.4)边缘检测；对滤波图像进行边缘检测，提取激光轮廓边缘，得到边缘二值化图像；

步骤3：圆心检测；根据圆心数量得到棒材的数量；

对边缘二值化图像进行圆心检测处理，由于相机的拍摄视角由近及远，激光线A处和激光线B处的像素精度不同，除此之外激光线A处和激光线B处圆心检测的流程一致；激光线A处圆心检测流程如下；

步骤3.1确定参数；激光线A处工业相机采集图像的精度C，单位是mm/pix，公式为：

C＝冷床上料区辊道宽度/激光线A像素距离；

通过生产控制系统获取当前跟踪的棒材半径R，单位mm；

当前跟踪的棒材转化后的半径R'，单位pix，其获取公式为：

R'＝R/C

与边缘二值化图像大小一致、长宽对应的二维圆心空间N，N(a,b)表示N空间中横坐标为a，纵坐标为b；

累加值阈值为P，获取公式为：

P＝C×(Π×R')/4

R^min、R^max分别为激光线A处的棒材半径下限、上限，单位为像素，获取公式为：

R^min＝R/C×0.8

R^max＝R/C×1.2

步骤3.2)进行圆心检测；

3.2.1)创建二维圆心空间N，N空间所有坐标的初始值置0；

3.2.2)遍历边缘二值化图像中激光轮廓上的像素点，相邻两点延切线方向画直线，直线经过二维圆心空间上的坐标在二维圆心空间N做值的累加；直线经过横坐标a、纵坐标b，则N(a,b)＝N(a,b)+1；由于圆心在激光轮廓的左下方，直线只向左、向下延伸；

3.2.3)对N空间各个坐标的值从大到小排序，去除值小于P的坐标；

3.2.4)基于改进的霍夫梯度法，剩余坐标依次与激光轮廓上各个坐标点计算直线距离，过滤掉距离小于R^min或者大于R^max的坐标；

3.2.5)遍历经步骤3.2.4)处理后的剩余坐标集合，两两比较坐标间直线距离，当直线距离小于R'，剔除其中一个坐标；

3.2.6)最终剩余坐标集合的数量，即为棒材数量；

步骤4.基于步骤3的方法，分别针对激光线A处和激光线B处进行棒材计数，二者结果进行比较，实现棒材头部对齐的检测；当二者数量相同，说明棒材头部抵达边部挡板5且已经对齐；当二者数量不同，说明棒材头部尚未对齐。

所述棒材，指处于生产过程中，经过热处理后的高温金属棒材，处于生产效率考虑，通常棒材在前面生产工序进行分组，分组后的棒材并行在辊道上运输，并行上冷床。

所述冷床，是棒材生产线中一个生产环节，主要用于承载热处理后的棒材，使其自然冷却。

所述上料区辊道，是棒材生产线中一个运送环节，上游工序将棒材运送到上料区辊道，再经由这里通过起落架等方式将棒材横向输送到冷床。

所述边部挡板5，放置在上料区辊道尽头，用于阻挡上料区辊道上行进的棒材，实现多根行进中棒材头部对齐的目的。

本发明的有益效果：目前，棒材生产线上，棒材产品跟踪计数以及头部对齐检测主要依赖人工检查，人工检查存在效率低、误差大，以及人为主观因素导致的检测标准不统一等问题，影响了生产节奏、物料跟踪和产品质量；通过本发明的装置及方法，实现了自动、高效的在线棒材跟踪计数及头部对齐检测，有助于提升生产线自动化控制水平，提高生产效率和产品质量。

附图说明

图1为基于机器视觉的棒材计数及对齐检测的装置的布置示意图；

图2为激光检测效果图；

图3为基于机器视觉的棒材计数及对齐检测方法流程图；

图4为基于机器视觉的棒材计数及对齐检测的装置的布置俯视图；

图5为二值化处理示意图；

图6为形态学处理示意图；

图7为滤波平滑处理示意图；

图8为轮廓检测处理示意图；

图9为识别结果示意图。

图中：1-冷床；2-棒材；3-冷床上料区；4-线激光器；5-边部挡板；6-工业相机；7-激光线A；8-激光线B。

具体实施方式

本实施例阐述了将本装置方法部署于中棒厂生产线，已知需要检测的棒材直径为50mm，棒材长度3000mm，冷床宽度6000mm，冷床前辊道直径300mm，辊道间距500mm(两根辊道中心点之间的距离)，棒材运送速度1米/秒，同组运送的棒材之间头部最大差距为400mm，检测装置中工业相机采用10次/秒的检测速率，基于上述基础条件，激光线B距离冷床边部档板长度L应大于等于100mm，冷床边部第一根辊与第二根辊的缝隙处距离边部档板距离为300mm(辊宽度)+500mm(辊间距)/2＝550mm，所以激光线B距离档板边部距离L为550mm，激光线A与激光线B间距M的取值条件如下：1)M＞400mm(棒材间头部最大差距)；2)M＜2450mm(半边冷床宽度-L)，由于M取值在辊道缝隙处，根据辊宽度和辊间距计算，M取值可以是：800mm(辊宽度+辊间距)。

两条激光线均要求打在输送辊道缝隙，其目的在于：在无棒材的情况下，工业相机视野范围照不到激光线；当有棒材的情况下，工业相机视野范围只包括打在棒材表面的激光线轮廓，有利于图像识别，发射激光示意图如附图4所示。

棒材计数中，线激光打在棒材2上，形成的弧形轮廓效果如图2所示，工业相机6采集到激光轮廓后，进行图像处理找到圆心，根据圆心数量得到棒材的数量。

所述头部对齐中，分别对图像中两条激光线进行棒材计数，比较数量，如果数量相同，说明棒材头部抵达档板且已经对齐；如果数量不同，说明棒材头部尚未对齐。

方法流程如图3所示，当棒材进入冷床上料区辊道时，检测系统进入工作状态，当两条激光线均未打到棒材上，保持等待；当激光线A检测到轮廓时，计数开始，并实时传递给棒材跟踪控制系统；当激光线B也检测到轮廓时，进行两条线检测轮廓的数量比对，相同则说明头部对齐，发信号给棒材跟踪控制系统，处理结束。

基于上述布置环境，基于机器视觉的棒材计数及对齐检测的装置具体检测步骤如下：

步骤1：

2根棒材分别为棒材X、棒材Y，同批进入冷床上料区辊道，X、Y头部偏差200mm，X在前，Y在后。棒材生产线控制系统发送来料信号给基于机器视觉的棒材计数及对齐检测的装置，启动工业相机6和线激光器4，进入检测状态，此时相机以10次/秒连续拍摄，检测棒材是否进入检测区域。

步骤2：

棒材X第一次经过激光线B8，由于棒材X、Y头部有偏差，棒材Y未经过激光线B8。此时，工业相机6采集到激光线A7和激光线B8在辊道上棒材上呈现的轮廓画面，进行图像处理，可以识别出棒材在激光线A处的轮廓数量为2，激光线B处的轮廓数量为1，数量不同，继续执行检测处理。

步骤3：

棒材X、Y同时第一次经过激光线B，此时，相机采集到激光线A和激光线B在辊道上棒材上呈现的轮廓画面，进行图像处理，可以识别出棒材在激光线A处的轮廓数量为2，激光线B处的轮廓数量为2，数量相同，检测完毕，检测系统发送检测数量结果以及辊道停止信号给棒材生产线控制系统，进入下一生产工序。

本装置布置于棒材生产线中的上冷床辊道处，采用非接触检测测量的方式，解决棒材在线计数及棒材头部对齐识别的实际应用需求，针对棒材温差跨度大、光线环境变化大的多变工况环境，提出了一种线激光+工业相机的检测识别方式，相比于传统单纯依靠工业相机进行视觉识别的方式，本发明方法误差小、可靠性高，可取代目前人工检验的方式，在保证检测精度和工作效率的同时，提升了棒材生产线的自动化控制水平。

Claims (6)

1.一种基于机器视觉的棒材计数及对齐检测的装置，其特征在于，该基于机器视觉的棒材计数及对齐检测的装置安装于冷床上料区(3)辊道旁边，其包括线激光器(4)和工业相机(6)；冷床上料区(3)辊道一端设置有边部挡板(5)，用于阻挡冷床上料区(3)辊道上行进的棒材(2)，实现多根棒材(2)头部对齐；线激光器(4)同时发射两条线形激光，分别为激光线A(7)和激光线B(8)；两条激光线平行打在冷床上料区(3)辊道的棒材(2)上，形成棒材(2)的激光轮廓；工业相机(6)朝向激光线A(7)和激光线B(8)的位置，工业相机(6)的视野覆盖激光线A(7)和激光线B(8)间的区域，采集两束激光线打在棒材(2)上形成的激光轮廓；线激光器(4)发射大功率红外激光；工业相机(6)的镜头安装红外波段窄带滤光片，使得线激光器(4)只能采集到线激光的成像，避免热辐射的影响；工业相机(6)和线激光器(4)连接系统服务器用于图像处理，系统服务器与生产控制系统无线连接，生产控制系统为控制棒材生产的自动化控制系统；系统服务器通过对激光轮廓进行识别处理检测；当棒材(2)未运送到两束激光线位置时，激光线打在辊道的缝隙处，工业相机(6)无法检测到激光线；根据工业相机(6)是否检测到激光线进行判断棒材的有无；所述激光线B(8)距离边部挡板(5)长度为L，L单位为米，取值公式为：

L≥S/F

其中，S为棒材运行速度，单位米/秒，F为系统服务器处理速度，单位为次/秒；

激光线A(7)光束点相距激光线B(8)光束点的长度为M，M取值满足如下条件：

1)M≥并行输送棒材的头部位置最大差值；

2)M≤冷床上料区辊道宽度/2–L；

3)M为辊道缝隙值，根据辊道宽度和辊道间距决定；

4)M＜棒材长度；

当M存在多个值时，取其中最小值。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的棒材计数及对齐检测的装置，其特征在于，所述激光线A(7)和激光线B(8)均要求打在输送辊道缝隙；在无棒材的情况下，工业相机(6)视野范围照不到激光线；当有棒材的情况下，工业相机(6)视野范围只包括打在棒材表面的激光轮廓。

3.根据权利要求1或2所述的基于机器视觉的棒材计数及对齐检测的装置，其特征在于，所述工业相机(6)和线激光器(4)采用压缩空气和水冷机降温。

4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的棒材计数及对齐检测的装置，其特征在于，所述系统服务器和生产控制系统的工作模式具体如下；

线激光启停控制：当系统服务器接收到生产控制系统发来的棒材来料信号时，说明棒材(2)即将进入冷床上料区辊道，系统服务器控制线激光器(4)启动以及工业相机(6)启动，进入工作状态；当系统服务器接收到生产控制系统发来的棒材上冷床动作完成指令时，系统服务器控制线激光器(4)和工业相机(6)关闭，进入待机状态；

棒材计数：系统服务器通过工业相机(6)采集的图像，实时计算棒材数量，并将计算结果反馈给生产控制系统；

棒材头部对齐检测：系统服务器通过工业相机(6)采集图像，实时检测棒材头部是否对齐，并将检测结果反馈给生产控制系统。

5.一种采用权利要求1-4任一所述的基于机器视觉的棒材计数及对齐检测的装置的棒材计数及对齐检测方法，其特征在于，具体流程如下；

当棒材进入冷床上料区辊道时，系统服务器进入工作状态，当两条激光线均未打到棒材上时，保持等待；当激光线A(7)检测到激光轮廓时，基于激光线A(7)的激光轮廓进行棒材计数，并实时传递给生产控制系统；当激光线B(8)也检测到激光轮廓时，基于激光线B(8)的激光轮廓进行棒材计数，进行两条激光线棒材计数的数量比对，相同则说明头部对齐，发信号给生产控制系统，处理结束。

6.根据权利要求5所述的棒材计数及对齐检测方法，其特征在于，所述棒材计数的具体步骤如下；

步骤1：图像采集；工业相机(6)拍摄的图像发送给系统服务器；

步骤2：图像预处理；

系统服务器将工业相机拍摄的原始图像进行预处理，包括：

2.1)二值化；通过二值化去除环境光干扰，生成二值化后图像；

2.2)形态学处理；对二值化后图像进行腐蚀操作，消除激光线周围噪点，再进行膨胀操作，还原光线轮廓外观，生成形态处理图像；

2.3)滤波处理；对形态处理图像进行高斯滤波，修剪光线轮廓外观，处理后得到滤波图像；

2.4)边缘检测；对滤波图像进行边缘检测，提取激光轮廓边缘，得到边缘二值化图像；

步骤3：圆心检测；根据圆心数量得到棒材的数量；

对边缘二值化图像进行圆心检测处理，激光线A处和激光线B处圆心检测的流程一致；激光线A处圆心检测流程如下；

步骤3.1确定参数；激光线A处工业相机采集图像的精度C，单位是mm/pix，公式为：

C＝冷床上料区辊道宽度/激光线A像素距离；

通过生产控制系统获取当前跟踪的棒材半径R，单位mm；

当前跟踪的棒材转化后的半径R'，单位pix，其获取公式为：

R'＝R/C

与边缘二值化图像大小一致、长宽对应的二维圆心空间N，N(a,b)表示N空间中横坐标为a，纵坐标为b；

累加值阈值为P，获取公式为：

P＝C×(Π×R')/4

R^min、R^max分别为激光线A处的棒材半径下限、上限，单位为像素，获取公式为：

R^min＝R/C×0.8

R^max＝R/C×1.2

步骤3.2)进行圆心检测；

3.2.1)创建二维圆心空间N，N空间所有坐标的初始值置0；

3.2.2)遍历边缘二值化图像中激光轮廓上的像素点，相邻两点延切线方向画直线，直线经过二维圆心空间上的坐标在二维圆心空间N做值的累加；直线经过横坐标a、纵坐标b，则N(a,b)＝N(a,b)+1；由于圆心在激光轮廓的左下方，直线只向左、向下延伸；

3.2.3)对N空间各个坐标的值从大到小排序，去除值小于P的坐标；

3.2.4)基于改进的霍夫梯度法，剩余坐标依次与激光轮廓上各个坐标点计算直线距离，过滤掉距离小于R^min或者大于R^max的坐标；

3.2.5)遍历经步骤3.2.4)处理后的剩余坐标集合，两两比较坐标间直线距离，当直线距离小于R'，剔除其中一个坐标；

3.2.6)最终剩余坐标集合的数量，即为棒材数量；

步骤4.基于步骤3的方法，分别针对激光线A处和激光线B处进行棒材计数，二者结果进行比较，实现棒材头部对齐的检测；当二者数量相同，说明棒材头部抵达边部挡板(5)且已经对齐；当二者数量不同，说明棒材头部尚未对齐。