基于機器視覺的非接觸式螺紋參數(shù)測量系統(tǒng)_圖文

1、2008年第4期管道技術(shù)與設(shè)備Pi peline Technique and Equi pment 2008No 14收稿日期:2007-08-26收修改稿日期:2008-04-24基于機器視覺的非接觸式螺紋參數(shù)測量系統(tǒng)袁鵬斌1,2,袁宗明1,歐陽志英2(1.西南石油大學(xué),四川成都610500;2.上海海隆石油管材研究所,上海200941摘要:文中采用光機電一體化的思想,將光源、CC D 、計算機等有機結(jié)合,開發(fā)了一種基于面陣CC D 技術(shù)的石油管螺紋參數(shù)智能化測量系統(tǒng)。生產(chǎn)現(xiàn)場測量結(jié)果表明:該系統(tǒng)具有重復(fù)性好、精度高、檢測速度快等優(yōu)點,此外,此系統(tǒng)具有抗環(huán)境光及振動干擾,可操作性強等特點,適

2、用于各種規(guī)格鋼管外螺紋參數(shù)的在線測量。關(guān)鍵詞:機器視覺;非接觸式;螺紋參數(shù);測量中圖分類號:TG85文獻標識碼:B 文章編號:1004-9614(200804-0020-03Non 2con t act Thread M ea sur i n g I n stru m en t Ba sed on M ach i n e V isi onY UAN Peng 2bin1,2,Y UAN Z ong 2m ing 1,OUY ANG Zhi 2ying2(1.Southwest Petroleu m Un i versity,Chengdu 610500,Ch i n a;2.Shangha i

3、 H ilong Petroleu m Tubul ar Goods Research I n stitute,Shangha i 200941,Ch i n aAbstract:An oil p i pe thread para meter aut omatic measuring instru ment based on machine visi on,which is designed after the concep t of op tical 2mechanical 2electrical integrati on,is devel oped and intr oduced .I n

4、dustrial trial results show that,compared with conventi onal manual method,this one has such advantages as a higher stability and a faster measure ment s peed .Additi onally,this instru ment have other favorable characteristics,f or exa mp le,high anti 2vibrati on and envir on mental light interfere

5、nce ability,easy t o operate,and app licable t o the on 2line outside thread para meter measure ment f or vari ous types of steel p i pe .Key words:machine visi on;non 2contact;thread parameter;measuring 0引言石油管螺紋不僅有AP I 專用螺紋,還根據(jù)密封性和高抗扭矩等要求,開發(fā)了許多特殊螺紋。傳統(tǒng)的接觸式測量方法不僅精度低,易引起人為誤差,而且效率低,通常只能對產(chǎn)品進行抽檢,易造成不合格產(chǎn)品

6、進入市場,造成巨大的經(jīng)濟損失。為此,迫切需要自動的螺紋檢測設(shè)備來保證產(chǎn)品的質(zhì)量。基于機器視覺的測量系統(tǒng)由于具有智能化、高精度、高效率等優(yōu)點而成為研究的熱點,在半導(dǎo)體、電子、農(nóng)業(yè)、汽車等行業(yè)的應(yīng)用不斷擴大1-8。但在國內(nèi),尚無能直接應(yīng)用于100%檢測螺紋參數(shù)的生產(chǎn)線,石油管螺紋參數(shù)現(xiàn)場檢測多采用螺紋量規(guī)、塞規(guī)、螺紋單項儀等量具來進行。基于機器視覺的非接觸式螺紋參數(shù)測量系統(tǒng),能100%在線檢測。以AP I 標準中參數(shù)的1/4為設(shè)計參數(shù)標準,一次能測量多個參數(shù)。系統(tǒng)具有較好的適應(yīng)環(huán)境能力,如抗環(huán)境光干擾、抗振動及操作簡單等。該系統(tǒng)的成功研制與應(yīng)用結(jié)束了石油管螺紋用螺紋量規(guī)計量傳遞檢測的歷史,該系統(tǒng)獲

7、得了國家實用新型專利9。1系統(tǒng)組成及工作原理測量系統(tǒng)由近紅外準直光源、被測品定位器、光學(xué)接收器、面陣CC D 與驅(qū)動器及電源、圖像采集卡、數(shù)據(jù)處理軟件、操控軟件、顯示器及輸出設(shè)備等組成。測量時,管道外螺紋經(jīng)照明系統(tǒng)照明后成像于面陣CCD 接收靶面上,由面陣CC D 完成圖像的光電轉(zhuǎn)換及視頻信號輸出功能。視頻信號由圖像卡轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,計算機對該數(shù)字圖像按照算法作處理后,計算出螺紋的齒高、牙型角、螺距、錐度及中徑等參數(shù)。測量過程中,監(jiān)視器可以實時顯示檢測處理過程,以便操作者監(jiān)控。1.1成像技術(shù)采用LE D 半導(dǎo)體發(fā)光二極管作為近紅外光源,加上均勻光漫散射器、光學(xué)準直投射器及濾光器等,得到高均勻性準

8、直投射光束。改善了光照的均勻性,提高了圖像邊緣的清晰度。采用斜方棱鏡組合將光束平移,實現(xiàn)4路CCD 成像測試所需空間光束。采用4路面陣CCD 分段接收管螺紋的圖像,將圖像放大,提高測量精度。1.2高精度端面定位技術(shù)通過分析管螺紋加工方法與測量精度要求,進行大量定位測試,最終確定以被測件管端面為測量定位面的測量方法。測試時,被測螺紋管放入精確定位裝置中,螺紋管的車削端面作為加工基準面,該面和系統(tǒng)定位裝置的標準面吻合,穩(wěn)定后即可測試。由于被測石油管端面與管螺紋在加工時為同一定位面、同一轉(zhuǎn)軸,因此,管端面定位與被測螺紋自身定位效果等同。該方法具有定位穩(wěn)定可靠、重復(fù)性好、便于校準等特點。該螺紋端面高精

9、度定位裝置獲得了專利授權(quán)10。1.3抗環(huán)境干擾設(shè)計測量環(huán)境的溫度變化、雜散光及振動等對測量系統(tǒng)的測量結(jié)果有直接影響。環(huán)境溫度如果偏離設(shè)計溫度5以上,就會引起金屬結(jié)構(gòu)件與光學(xué)件的結(jié)構(gòu)應(yīng)力嚴重失配,影響成像質(zhì)量,甚至造成光學(xué)件破裂。而雜散光的存在會對測試精度及測試穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響,光強度越強影像越大。振動會大大降第4期袁鵬斌等:基于機器視覺的非接觸式螺紋參數(shù)測量系統(tǒng)21低系統(tǒng)的測量精度及準確性。為此,采用了有針對性的措施來改善。如在金屬結(jié)構(gòu)件與光學(xué)件間加上緩壓環(huán),選擇熱應(yīng)力小的鑄件與石英玻璃等材料作結(jié)構(gòu)件;選擇紅外光源,系統(tǒng)加濾光器、儀器采用密封結(jié)構(gòu)等措施;而設(shè)計的吊裝半自動人工定位裝置基本消除

10、了振動對系統(tǒng)造成的影響。2圖像處理2.1圖像平滑在成像、數(shù)字化及傳輸?shù)冗^程中難免受到各種噪聲干擾。因此,就要進行濾波處理,平滑圖像。圖像平滑處理的方法視其噪聲本身的特性而定。系統(tǒng)采用鄰域平均法加以削除。2.2圖像增強圖像平滑雖然可以消除隨機噪聲的影響,但在一定程度上也使圖像變得模糊,因此,需要進行圖像邊緣的增強?；叶刃拚菆D像在空間域中簡單而有效的增強辦法。它能使圖像具有期望的灰度分布,從而有選擇的突出所需要的圖像特征11。2.3邊緣的提取邊緣檢測算子有許多種,如Roberts 、S obel 、Pre witt 、LOG 等。通過比較幾種算子的邊緣提取效果(如圖1所示,可以看出Roberts

11、 算子的檢測定位精度較高,邊緣非常清晰。系統(tǒng)選定該算子來提取邊緣。 2.4圖像分割圖像分割實際上就是將前景與背景區(qū)分出來,又稱為二值化處理。通過比較常用的閾值法包括P -參數(shù)法、自適應(yīng)參數(shù)法及OTS U 法的處理效果。采用OTS U 法分割,能非常清晰的分辨出螺紋圖像前景和背景,處理效果穩(wěn)定性非常好。故采用該法進行分割處理。3軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計思想和面向?qū)ο蟮募夹g(shù),在VC +610的環(huán)境下,對基于機器視覺的管螺紋參數(shù)測量系統(tǒng)進行軟件開發(fā)。主要有圖像采集、圖像處理、圖像存儲打印等。(1圖像采集模塊分為參數(shù)設(shè)置、圖像采集、圖像顯示等子模塊。(2圖像處理模塊根據(jù)采集的圖像實時地對圖像進行必要的

12、處理和計算,從而判別待測螺紋尺寸是否合格,同時檢測系統(tǒng)將檢測的結(jié)果存儲,并為運動傳輸帶步進電機設(shè)置剔除步數(shù),實現(xiàn)待測螺紋圖象的調(diào)入、存儲、處理、分類等的自動化。(3設(shè)計了自動標定程序,結(jié)合標準具可自動完成標定。(4對于多種管型,采用模塊化設(shè)計,更換相應(yīng)模塊即可對不同規(guī)格的石油管進行測量。4系統(tǒng)的應(yīng)用情況將研制系統(tǒng)在某油田套管精加工廠進行了靜態(tài)測量及動態(tài)測量。4.1靜態(tài)測量結(jié)果在車間有振動、噪音的情形下,選取一支進口螺紋(5.5英寸圓螺紋,奧鋼聯(lián)生產(chǎn),1英寸=2154c m ,將測頭平躺放置在車間內(nèi)空地,被測管放入測頭,重復(fù)進行10次靜態(tài)檢測,結(jié)果如表1所示。表1非接觸式螺紋參數(shù)測量系統(tǒng)靜態(tài)測試

13、結(jié)果項目齒高/mm 螺距/mm 牙型角/(°錐度/m rad 中徑/mm 非接觸法極大值非接觸法極小值11800117993117031165601966017464107631641371131371125非接觸法極差01001010050122014301005AP I 標準0115301152371801396系統(tǒng)設(shè)計標準<01038010380175<21001099可以看出,在靜態(tài)下,檢測數(shù)據(jù)穩(wěn)定,無論是齒高、螺距、牙型角、錐度還是中徑,10次測量值極差都很小,特別是齒高,只有01001mm,這說明采用機器測量的測量重復(fù)性非常好。但從測量時間來看,常規(guī)方法即使是

14、專業(yè)人員測量一件也需要數(shù)十m in,而采用該法測量只需數(shù)s 即可完成,效率顯著提高。4.2動態(tài)測量結(jié)果在車間現(xiàn)場有振動、噪音的情形下,選取多支工廠加工的套管,在生產(chǎn)線上對每只鋼管的外螺紋參數(shù)重復(fù)進行10次動態(tài)檢測,同時專業(yè)人員使用量規(guī)和單項儀對這些鋼管進行檢測。由于呈現(xiàn)相似的規(guī)律,在此只對一支套管的10次測量結(jié)果進行統(tǒng)計,如表2所示。表2不同測量方法測量結(jié)果比較項目齒高/mm 螺距/mm 牙型角/(°錐度/m rad 中徑/mm 非接觸法平均值手工法平均值11764111768431165131167960122160126261179361171713710141361999非接觸

15、法極差手工法極差010*010*012811610191112010*非接觸法方差手工法方差211×10-6218×10-4719×10-6614×10-4619×10-30115418×10-20111514×10-5411×10-4從表2中可以看到,兩種方法測得螺紋參數(shù)的平均值基本接近,這說明非接觸法測量數(shù)據(jù)的準確性很好,但兩者的極差和方差相差較大。這表明與手工法相比,采用非接觸式測量的數(shù)據(jù)更為穩(wěn)定,重復(fù)性更好,因此,采用非接觸法動態(tài)測量的結(jié)果22Pi peline Technique and Equi pme

16、ntJul 12008無論是精確性還是重復(fù)性都要優(yōu)于手工測量,達到了設(shè)計標準。5結(jié)束語測量系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)件的材料、光學(xué)系統(tǒng)及軟件等多方面的獨特設(shè)計,使該系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)環(huán)境能力,確保了測量數(shù)據(jù)的精確性與準確性。在線檢測實踐證明:該系統(tǒng)測試效率高、精度高、一次能測多項螺紋參數(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)100%在線檢測,防止了不合格管子的漏檢,保障了產(chǎn)品質(zhì)量,能有效避免油田事故的發(fā)生,且操作簡單,獲得了用戶的好評,且具有良好的應(yīng)用價值。進一步降低該裝置的質(zhì)量及體積將使它的應(yīng)用更為廣泛。參考文獻:1ED I N BAROUGH I,BALDERAS R,BOSEA S .V isi on and r obot bas

17、edon 2line ins pecti on monit oring syste m f or electr onic manufacturing .Computers in I ndustry,2005,56(8/9:986-996.2李輝.數(shù)字圖像處理技術(shù)在玻璃瓶裂紋檢測系統(tǒng)中的研究和應(yīng)用:學(xué)位論文.天津:天津工業(yè)大學(xué),2003.3王強.工業(yè)產(chǎn)品的計算機視覺識別與檢測算法研究:學(xué)位論文.北京:北京航空航天大學(xué),2001.4席斌,錢峰.機器視覺測量系統(tǒng)在工業(yè)在線檢測中的應(yīng)用.工業(yè)控制計算機,2005(11:79-80.5劉兆妍,馬翠紅,劉兆妮.基于機器視覺的機械零件測量技術(shù).機械設(shè)計與制造

18、,2005(7:144-146.6邾繼貴,王仲,周富強,等.I V ECA 車身視覺檢測系統(tǒng)現(xiàn)場溯源研究.計量學(xué)報,2000,21(1:28-33.7魏嵬,孫長庫,張效棟,等.車輪定位參數(shù)的線激光非接觸方法研究.光電子激光,2004,15(12:1479-1482.8劉云清,佟首峰,劉鵬,等.螺紋綜合尺寸非接觸光電測試系統(tǒng).化工自動化及儀表,2005,32(2:61-63.9袁鵬斌,田育洲,李京川,等.面陣CCD 石油管螺紋參數(shù)智能化測試裝置,中國專利,CN2527961Y .2002-12-25.10袁鵬斌,田育洲,李京川,等.螺紋端面高精度定位裝置,中國專利,CN2527960Y .200

19、2-12-25.11王耀南,李樹濤,毛建旭.計算機圖像處理與識別技術(shù).北京:高等教育出版社,2001:66.作者簡介:袁鵬斌(1959,高級工程師,從事石油管材研究、失效分析、質(zhì)量評價工作。(上接第2頁 另外,由表2可以看出,對于燃燒時間較短的情況,采用第二類邊界條件計算出的土壤溫度比另兩類邊界條件下的土壤溫度低;燃燒時間較長情況下,采用第二類邊界條件計算出的土壤溫度則較另兩類邊界條件下的土壤溫度為高。因此,當(dāng)以評估火災(zāi)是否會對管道功能造成危害為目的進行管道溫度模擬時,為了盡可能縮小火災(zāi)造成管道失效的危險,對于燃燒時間較短的情況,采用第一類邊界條件和第三類邊界條件進行模擬計算比采用第二類邊界條

20、件更為保守;而對于燃燒時間較長的情況,采用第二類邊界條件則更為妥當(dāng)。4結(jié)束語(1建立了地面火災(zāi)下埋地土壤、輸油管道的非穩(wěn)態(tài)傳熱模型,數(shù)值模擬了燃燒持續(xù)過程中的非穩(wěn)態(tài)溫度場。該模型較全面地考慮了深度方向恒溫層及水平方向熱力影響范圍的影響,從而把半無限大空間轉(zhuǎn)化為有限域。表2計算結(jié)果比較燃燒持續(xù)時間/h 深度015m 處土壤溫度/深度1m 處土壤溫度/第一類邊界條件第二類邊界條件第三類邊界條件第一類邊界條件第二類邊界條件第三類邊界條件302215211022142010201020106065134616641220132013201372881964158714201820172018961371210813135102219221822191201821715818180