CN103424086A - 一种长直管内表面图像采集设备 - Google Patents

Abstract

一种长直管内表面图像采集设备涉及机电一体化领域。它采用工业相机对内壁表面进行光学图像采集。定位机构由安装在三级气缸工作平台上的伺服电机、三级气缸以及螺旋升降器组成。其中，工业相机安装在三级气缸气缸杆的前端，三级气缸固定在阶梯形中空气缸套轴中，阶梯形中空气缸套轴装入一对滚动轴承并安装在轴承座上，三级气缸尾部的气缸安装辅件利用平键与短轴连接，短轴再通过联轴器同伺服电机相连，伺服电机带动三级气缸可实现光学探头伸缩长度和旋转角度的自由调整。整个三级气缸工作平台的升降机构由螺旋升降器及两列对称竖直配置的导轨组成，通过螺旋升降器的手摇轮可以调整三级气缸工作平台的高度并且能够在升降过程中锁停住任意位置。

Description

一种长直管内表面图像采集设备

技术领域

本发明涉及一种长直管内表面图像采集设备，主要应用于较长的管状内表面缺陷的无损检测，属于机电一体化领域。

背景技术

内窥检测是一种重要的无损检测技术，可用于高温、有毒、核辐射及人眼无法直接观察到的场所的检查和观测，可在不需拆卸或破坏组装及设备停止运行的情况下实现无损检测，目前已广泛应用于汽车、航空发动机、推进剂药柱、管道等设备的检测与维护中，相对于其他无损检测技术，内窥检测具有直观、高效、易于操作等特点，能够对内部缺陷的位置和性质进行实时地监测、记录、贮存和图象分析。

随着数字图像处理技术的日益成熟，内窥检测技术在内壁表面裂纹的检测、识别与测量中取得了较好的效果。但是，目前许多内窥检测的应用自动化程度很低,在对目标区域进行检测的过程中，很大部分要依赖人的手动操作来将内窥探头伸入到指定位置；其次，对于长直内壁检测，很多内窥设备的作用仅局限于伸入被测物内部进行简单观察，不能有效的对目标内壁进行精确定位图像采集，并且长时间的目视观测还容易使检测人员感到疲劳；最后，对于采集较长的的直管内壁图像时，硬管内窥镜的长度一般不能满足要求。

本发明提供一种长直管内表面图像采集设备，是专门研制开发出的一种使用简便、持久耐用、性能可靠的内壁缺陷光学无损检测设备，用以替代目前我国通过外部光源人工肉眼观测或人工使用内窥镜观测内壁表面缺陷的落后手段，该设备能够对直管内壁表面进行高精度的自动图像采集，为后续缺陷图像处理以及裂纹特征的提取和测量创造条件。

发明内容

为了克服内窥检测设备自动化程度低以及不能满足对距离较长的直管内表面进行图像采集等缺点，本发明提供一种长直管内表面图像采集设备，该设备能自动控制和调整光学探头的高度、伸缩长度和旋转角度来完成对长直管内表面缺陷的观察或自动图像采集。

本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：该长直管内表面图像采集设备采用了工业相机，工控机，可编程运动控制卡，伺服驱动器，交流伺服电机及编码器，三级气缸，静音气泵，激光测距仪，螺旋升降器，导轨组成硬件平台。

其中，工业相机安装固定在相机固定架上，相机固定架连接在三级气缸气缸杆的前端，三级气缸固定在阶梯形中空气缸套轴中，阶梯形中空气缸套轴是为固定三级气缸并与轴承连接而设计的中间为方孔、两端有阶梯台肩的轴套类零件，阶梯形中空气缸套轴装入一对滚动轴承并安装在轴承座上。三级气缸尾部的气缸安装辅件利用平键与短轴相连，短轴又通过联轴器连接在伺服电机上，伺服电机安装固定在气缸工作平台上，伺服电机带动三级气缸可以进行工业相机旋转角度和伸缩长度的调整。三级气缸由静音气泵作为气源，静音气泵放置在单独的气泵控制柜中。此外，三级气缸工作平台上还安装有激光测距仪，用于检测三级气缸的伸出行程，并将行程反馈到数控装置，可用于图像采集位置的标定。整个三级气缸工作平台的升降机构由螺旋升降器及两列对称竖直配置的导轨组成，其中，螺旋升降器的螺杆螺母安装在方筒内，方筒顶端连接固定在气缸工作平台底部，两排竖直导轨安装在移动车体的立板上，所对应的两对导轨副固定在三级气缸工作平台下板上。通过螺旋升降器的手摇轮可以使螺杆旋转从而带动螺杆螺母连同方筒上下移动，两个导轨副也随之在导轨上上下滑动，实现三级气缸工作台高度的自由调整。整个采集装置配置在移动车体上，移动车体的底部安装有万向轮和支撑脚，移动车体可以在人工的推动下自由移动，并且在图像采集时升起支撑脚，可保障工作平台的水平性和稳定性。

工控机通过PCI总线扩展槽插入可编程运动控制卡，实现伺服系统和实时图像采集的控制，并且同显示器、控制盒、静音气泵配置在单独的气泵控制柜中。

本发明具有结构简单、性能可靠、自动化程度高、容易操作等特点，可以手摇调整光学探头的高度，并且可以自动控制工业相机的伸缩长度和旋转角度来完成长直管内表面的图像采集或常规性观察，特别是对于硬性内窥镜不能满足长度要求的较长的直管内壁，本设备也能够有效地对其进行观测和图像采集。另外，该设备采用工控机和可编程运动控制卡作为控制系统，与伺服系统构成半闭环结构，定位精度高，可实现图像采集的精确定位。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明长直管内表面图像采集设备的结构简图。

图2是长直管内表面图像采集设备的三维装配示意图。

图3是图2中三级气缸连同工业相机组件图。

图4是图2中阶梯形中空气缸套轴与轴承及轴承座装配示意图。

图5是图2中阶梯形中空气缸套轴示意图。

图6是图2中光学探头伸缩及旋转组件装配示意图。

图中1.工业相机，2.相机托架，3.三级气缸，4.轴承座，5.阶梯形中空气缸套轴，6.气缸连接辅件，7.短轴，8.联轴器，9.伺服电机，10.激光测距仪，11.方筒，12.螺杆螺母，13.螺旋升降器，14.移动车体，15.三级气缸工作平台，16.导轨副，17.导轨，18.控制盒，19.显示器，20.工控机，21.气泵控制柜，22.静音气泵

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

本实施例采用工业相机1固定在相机托架2上，再通过螺纹连接安装在三级气缸3气缸杆的端部，三级气缸3固定在阶梯形中空气缸套轴5中，阶梯形中空气缸套轴装入一对滚动轴承并安装在轴承座4中。三级气缸尾部的气缸连接辅件6利用平键同短轴7连接，短轴再通过联轴器8与伺服电机9相连。在伺服电机的驱动下，三级气缸3及工业相机1可以绕内壁的中轴线作360度旋转，三级气缸带动工业相机可实现一定长度自由伸缩。三级气缸3由静音气泵22作为气源，采用双向速度调节及位置控制回路控制伸缩，静音气泵22放置在单独的气泵控制柜21中。此外，三级气缸工作平台15上还安装有光学测距检测装置-激光测距仪10，用于检测三级气缸伸出行程，并将行程反馈到数控装置，实现图像采集位置的标定。

三级气缸工作平台15的升降机构由一个螺旋升降器13和两列对称竖直配置的导轨17组成，其中，螺旋升降器13安装固定在移动车体14上，它的螺杆螺母12安装在方筒11内，方筒顶端连接在三级气缸工作平台15底部，两排竖直导轨安装在移动车体14的立板上，所对应的两对导轨副16固定在三级气缸工作平台15下板上。通过螺旋升降器13的手摇轮可以使螺杆旋转从而带动螺杆螺母12连同方筒11上下移动，两个导轨副也随之在导轨上上下滑动，实现三级气缸工作台15高度的自由调整。

整个图像采集装置安装在移动车体14上，移动车体的底部安装有万向轮和支撑脚，并且后轮带有锁紧装置。人工推动移动车体14到合适的位置后，螺旋升起小车底部四角的支撑脚以保持工作平台水平稳定。首先，通过螺旋升降器13的手摇轮将三级气缸工作平台15调整到要采集的直管内壁的中心轴位置，之后，工控机20按事先编好的运动程序自动控制三级气缸伸缩和旋转。三级气缸3每伸出一个步距则停止，然后，伺服电机9带动三级气缸3及工业相机1以一定角度作间歇式旋转，对直管内表面进行图像采集，并将所采集的图像传回到计算机内，利用激光测距仪10和伺服电机编码器得到的位置信息对贮存的图像进行位置标定。待360度采集完此定长步距的断面后，三级气缸3继续向前伸出一个步距，然后重复进行360度这一步距的断面图像扫描采集，反复如此，直到完成直管内表面全部光学扫描，三级气缸3缩回。在采集的过程中，图像将陆续传输存贮进计算机。

控制系统采用工控机20+可编程运动控制卡的控制方式，在工控机主板的PCI总线扩展槽上插入MINI-PMAC型可编程运动控制卡。工控机20的CPU与可编程运动控制卡的CPU构成主从式双微处理器结构，工控机20与可编程运动控制卡之间通过PCI总线实现实时通信。上级工控机20主要完成系统的管理，下级可编程运动控制卡主要完成伺服控制及实时图像采集与传输，根据上位机的要求发送指令给伺服驱动器，进而驱动伺服电机9实现三级气缸3带动工业相机1的运动控制，同时检测装置-编码器不断地检测伺服电机9的实际位置，并实时地将检测信号反馈回可编程运动控制卡，构成半闭环伺服系统，从而使工业相机1精确定位采集图像。可编程运动控制卡内置的PLC经I/O接口板连接控制盒18和强电部分，实现开关量输入/输出逻辑控制，其中包括控制三级气缸3的伸、缩和任意位置停止。

Claims (2)

1.一种长直管内表面图像采集设备，其特征在于，该内壁图像采集设备由工业相机、伺服驱动器、交流伺服电机及编码器、三级气缸、三级气缸工作平台、螺旋升降器、导轨、静音气泵、工控机、控制盒、移动车体和气泵控制柜组成，其中，工业相机固定安装在相机托架上，相机托架利用平键连接在三级气缸气缸杆的前端；三级气缸固定在阶梯形中空气缸套轴中，阶梯形中空气缸套轴是为固定三级气缸并与轴承连接而设计的中间为方孔、两端有阶梯台肩的轴套类零件，阶梯型中空气缸套轴装入一对滚动轴承并安装在轴承座上；三级气缸尾部的气缸连接辅件利用平键同短轴连接，短轴再通过联轴器与伺服电机相连，伺服电机安装在三级气缸工作平台上；三级气缸工作平台上还安装有光学测距装置-激光测距仪；三级气缸由静音气泵作为气源，静音气泵放置在单独的气泵控制柜中；三级气缸工作平台的升降机构由螺旋升降器及两列对称竖直配置的导轨组成，其中，螺旋升降器的螺杆螺母安装在方筒内，方筒顶端连接固定到三级气缸工作平台下侧，两排竖直导轨安装在移动车体的立板上，所对应的两对导轨副固定在三级气缸工作平台下方，螺旋升降器安装固定在移动车体上；作为控制部分的工控机和可编程运动控制卡，同显示器、控制盒、静音气泵配置在气泵控制柜中。

2.根据权利要求1所述的长直管内表面图像采集设备，其特征是：在工控机主板的PCI总线扩展槽上插入可编程运动控制卡，工控机的CPU与可编程运动控制卡的CPU构成主从式双微处理器结构，工控机与可编程运动控制卡之间通过PCI总线实现实时通信。

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