CN104942401B - 基于双目立体视觉的管坯冷定心方法及管坯冷定心装置 - Google Patents

基于双目立体视觉的管坯冷定心方法及管坯冷定心装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种管坯冷定心方法，利用相机获取图像，根据图像计算管坯端面圆心位置，控制打孔定心装置移动至目标位置进行打孔。本发明同时提供了一种管坯冷定心装置，包括箱体和定心执行机构，定心执行机构包括U轴导轨、移动座、Z轴滚动导轨、移动小车、Y轴导轨、减速箱以及打孔定心装置，箱体内安装有导杆，导杆均设有由气缸驱动的相机，气缸上安装有电磁阀，相机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机、偏心机构交流电机以及电磁阀均与控制系统连接。本发明装置结构简单，易于操作，基于该装置的管坯冷定心方法定位精确，实现了管坯冷定心处理的自动化、规模化生产。

Description

基于双目立体视觉的管坯冷定心方法及管坯冷定心装置
技术领域
本发明涉及一种基于双目立体视觉的管坯冷定心方法及管坯冷定心装置，属于机械焊接设备技术领域。
背景技术
圆管坯定心是指管坯前端端面中心钻孔或冲孔。在轧制一些变形抗力较大的材料时.在管坯入炉前在管坯的后端或前、后两端端面的中心钻孔，前端定心可以防止穿孔时穿偏，减小毛管壁厚不均，并改善斜轧穿孔的二次咬入条件；后端定心是为了消除穿孔时毛管尾部产生的环状飞边，以利于轧前穿芯棒及提高钢管内表面质量和芯棒使用寿命，并可防止毛管尾部出现“耳子”等缺陷，避免出现穿孔后卡事故。
目前国内外的管坯定心的方法有两种：即冷定心和热定心。冷定心就是管坯加热前在专门的管坯定心车床上钻孔。入炉前的管坯离线在专门的管坯定心车床上钻孔定心。目前国内关于管坯冷定心加工技术普遍存在以下问题：1)加工成本高、速度缓慢、不能满足快速连续生产的要求；2)人工离线打孔生产效率低工艺要求难以满足。另外有的小型管加工厂用手工气割方法加工定心孔，这种方法需要人工对管坯端面进行气割加工，效率低下、生产成本高。且手工气割成孔的外形不规则表面不光滑，外形效果极差。现阶段国内无缝钢管生产工艺所要求的定心机或者打孔机绝大多数设备性能和工作原理及方法均不能较理想的满足生产实际要求，使得生产出的无缝管质量存在问题成材率较低，芯棒消耗高致使轧制成本高。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于双目立体视觉的管坯冷定心方法及管坯冷定心装置，利用管坯冷定心方法能够利用相机获取的图像进行定位并用于管坯冷定心处理，装置结构简单、操作方便，提高钢管定心与打孔效率，实现管坯冷定心处理的自动化、规模化生产。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种基于双目立体视觉的管坯冷定心方法，包括以下步骤：
(1)将两个相机放置于待测管坯的端面前方，利用两个相机获取端面的图像，利用两个相机采集到的图像计算得到待测管坯的圆心三维坐标；
(2)根据圆心三维坐标，将打孔定心装置移动至待测管坯的目标位置；
(3)打孔定心装置打孔。
步骤(1)中利用两个相机采集到的图像计算得到待测管坯的圆心三维坐标，具体包括以下过程：
(1-1)分别利用两个相机的图像对两个相机进行标定，得到两个相机的内参数矩阵和畸变系数，分别对两个相机的图像进行调整；
(1-2)控制系统根据步骤(1-1)得到的两个相机的图像采用张正友标定板进行标定，计算两个相机间的旋转矩阵和平移向量；
(1-3)对于两个相机获取的图像，分别利用canny边缘检测算子首先得到象素级的待测管坯外缘轮廓的边缘坐标，再利用基于最小二乘法的随机圆方法对边缘坐标进行筛选，然后利用灰度插值算法获取各边缘坐标的相临点的灰度值，最后通过曲线拟和的办法获取到亚象素级的边缘坐标；
(1-4)对于两个相机获取的图像，分别利用经过步骤(1-3)获得的边缘坐标计算得到两个图像中待测管坯的钢锭圆心坐标及半径；
(1-5)利用三维空间测量方法，将双相机分别求出的圆心坐标进行空间坐标转换，从而得到准确的圆心坐标，所述圆心坐标为待测管坯的圆心三维坐标。
本发明同时提供了一种基于上述方法的管坯冷定心装置，包括箱体和安装于箱体内部的定心执行机构，所述定心执行机构包括沿前后方向设置的U轴导轨以及由U轴伺服电机驱动沿U轴导轨移动的移动座，所述移动座上沿上下方向固定有一组Z轴滚动导轨，Z轴滚动导轨上设置有由Z轴伺服电机驱动的沿Z轴滚动导轨移动的移动小车，所述移动小车内沿左右方向设有一组Y轴导轨，Y轴导轨上设有由Y轴伺服电机驱动的沿Y轴导轨移动的减速箱，减速箱前方安装有由偏心机构交流电机驱动打孔的打孔定心装置，所述箱体内部左侧和右侧分别沿前后方向安装有导杆，左侧导杆和右侧导杆均设有由气缸驱动沿导杆移动的相机，气缸上安装有用于控制气缸开启和关闭的电磁阀，所述相机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机和U轴伺服电机以及电磁阀均与控制系统连接。
所述控制系统由相互连接的上位机和下位机组成，相机通过通讯接口与上位机连接，Y轴伺服电机、Z轴伺服电机、U轴伺服电机以及电磁阀均连接于下位机。
所述上位机包括主机和备份主机。
所述下位机采用S7-300PLC可编程控制器，其与上位机通过PROFIBUS-DP总线通信；Y轴伺服电机、Z轴伺服电机以及U轴伺服电机各通过一个FM353定位模块与S7-300PLC可编程控制器连接，所述电磁阀通过SM323和SM321数字量输入输出模块与S7-300PLC可编程控制器连接。
所述打孔定心装置为碳弧气刨。
所述箱体内部设有风机和吹气排管，所述吹气排管的入风口朝向风机，排风口位于打孔定心装置旁。
本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
(1)本发明的管坯冷定心装置设置有双相机，并且相机和各个用于驱动的电极均与控制系统连接，为实现通过双相机获取管坯端面图像、再通过该图像准确计算端面圆心、并控制各电机驱动打孔定心装置移动至准确位置进行打孔的目的提供了硬件设施；
(2)本发明的管坯冷定心方法，实现了自动化确定管坯端面圆心，以及自动化移动至管坯端面圆心，操作方便，实现管坯冷定心处理的自动化、规模化生产。
附图说明
图1是管坯冷定心装置的立体图。
图2是管坯冷定心装置的工作状态侧面示意图。
图3是管坯冷定心装置的工作状态俯视图。
图4是管坯冷定心装置的电路连接示意图。
图5是碳弧气刨加工示意图。
图中：1-气缸，2-减速箱，3-气缸连杆，4-导杆，5-箱体，6-相机支架，7-V型支架，8-待测管坯，9-偏心机构交流电机，10-Z轴滚动导轨，11-Y轴伺服电机，12-移动座，13-相机，14-打孔定心装置，15-移动小车。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种基于双目立体视觉的管坯冷定心方法，包括以下步骤：
(1)将两个相机放置于待测管坯的端面前方，利用两个相机获取端面的图像，利用两个相机采集到的图像计算得到待测管坯的圆心三维坐标；
(2)根据圆心三维坐标，将打孔定心装置移动至待测管坯的目标位置；
(3)打孔定心装置打孔。
步骤(1)中利用两个相机采集到的图像计算得到待测管坯的圆心三维坐标，具体包括以下过程：
(1-1)分别利用两个相机的图像对两个相机进行标定，得到两个相机的内参数矩阵和畸变系数，分别对两个相机的图像进行调整；
(1-2)控制系统根据步骤(1-1)得到的两个相机的图像采用张正友标定板进行标定，计算两个相机间的旋转矩阵和平移向量；
(1-3)对于两个相机获取的图像，分别利用canny边缘检测算子首先得到象素级的待测管坯外缘轮廓的边缘坐标，再利用基于最小二乘法的随机圆方法对边缘坐标进行筛选，然后利用灰度插值算法获取各边缘坐标的相临点的灰度值，最后通过曲线拟和的办法获取到亚象素级的边缘坐标；
(1-4)对于两个相机获取的图像，分别利用经过步骤(1-3)获得的边缘坐标计算得到两个图像中待测管坯的钢锭圆心坐标及半径；
(1-5)利用三维空间测量方法，将双相机分别求出的圆心坐标进行空间坐标转换，从而得到准确的圆心坐标，所述圆心坐标为待测管坯的圆心三维坐标。
参照图1、图2、图3和图4，本发明还提供了一种基于双目立体视觉的管坯冷定心装置，包括箱体5和安装于箱体内部的定心执行机构，所述定心执行机构包括沿前后方向设置的U轴导轨以及由U轴伺服电机驱动沿U轴导轨移动的移动座12，所述移动座上沿上下方向固定有一组Z轴滚动导轨10，Z轴滚动导轨上设置有由Z轴伺服电机驱动的沿Z轴滚动导轨移动的移动小车15，所述移动小车内沿左右方向设有一组Y轴导轨，Y轴导轨上设有由Y轴伺服电机11驱动的沿Y轴导轨移动的减速箱2，减速箱前方安装有由偏心机构交流电机9驱动打孔的打孔定心装置14，所述箱体内部左侧和右侧分别沿前后方向安装有导杆4，左侧导杆和右侧导杆均设有由气缸1驱动沿导杆移动的相机13，相机13安装在垂直于导杆4的相机支架6上，相机支架与气缸连杆3连接，气缸安装在气缸连杆3上；气缸上安装有用于控制气缸开启和关闭的电磁阀，所述相机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机、偏心机构交流电机以及电磁阀均与控制系统连接。
所述控制系统由相互连接的上位机和下位机组成，相机通过通讯接口与上位机连接，Y轴伺服电机、Z轴伺服电机、U轴伺服电机以及电磁阀均连接于下位机。
所述上位机包括主机和备份主机。
所述下位机采用S7-300PLC可编程控制器，其与上位机通过PROFIBUS-DP总线通信；Y轴伺服电机、Z轴伺服电机以及U轴伺服电机各通过一个FM353定位模块与S7-300PLC可编程控制器连接，所述电磁阀通过SM323和SM321数字量输入输出模块与S7-300PLC可编程控制器连接。
所述打孔定心装置为碳弧气刨，如图5所示，大电流碳弧气刨利用石墨材料做成的碳棒作电极，与工件间产生电弧，产生高温将金属熔化，并在融化的同时用压缩空气将熔化金属吹掉，比用机械切割金属的效率高得多。
所述箱体内部设有风机和吹气排管，所述吹气排管的入风口朝向风机，排风口位于打孔定心装置旁。
利用本发明的管坯冷定心装置进行管坯冷定心，包括以下步骤：
(1)将待测管坯放置于管坯冷定心装置前方；待测管坯8可以放在如图2和图3所示的V型支架7上；
(2)控制系统控制两个气缸驱动两个相机向前运动至待测管坯朝向管坯冷定心装置的端面前方，再控制两个相机获取端面的图像并传输至控制系统，控制系统分别利用两个相机获取的图像计算得到待测管坯的圆心三维坐标；
(3)控制系统根据待测管坯的圆心三维坐标，控制Y轴伺服电机、Z轴伺服电机以及U轴伺服电机工作，使打孔定心装置移动至目标位置；
(4)打孔定心装置打孔。
步骤(2)中控制系统分别利用两个相机获取的图像计算得到待测管坯的圆心坐标，具体包括以下过程：
(2-1)控制系统分别利用两个相机的图像对两个相机进行标定，得到两个相机的内参数矩阵和畸变系数，分别对两个相机的图像进行调整；为了得到理想的图像效果，需根据现场的实际情况适当调节相机自带参数；
(2-2)控制系统根据步骤(2-1)得到的两个相机的图像采用张正友标定板进行标定，计算两个相机间的旋转矩阵和平移向量；
(2-3)对于两个相机获取的图像，控制系统通过利用canny边缘检测算子首先得到象素级的待测管坯外缘轮廓的边缘坐标，然后又利用灰度插值算法获取相临点的灰度值，最后通过曲线拟和的办法获取到亚象素级坐标；在获取到边缘点后，对于圆的拟合，研究了一种改良的基于最小二乘法的随机圆方法，此算法针对管坯检测的实际，利用随机的思想，结合最小二乘法对真实的管坯外圆轮廓点进行了筛选，以保证用来拟合圆的数据都是管坯外圆轮廓上的点，从而大大提高了圆心的求取精度；
(2-4)对于两个相机获取的图像，控制系统利用经过步骤(1-3)获得的边缘坐标计算得到两个图像中待测管坯的钢锭圆心坐标及半径；
(2-5)控制系统根据两个相机的圆心坐标及半径建立待测管坯的钢锭端面三维模型，得到待测管坯的圆心三维坐标。

Claims (7)

1.一种基于双目立体视觉的管坯冷定心方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将两个相机放置于待测管坯的端面前方，利用两个相机获取端面的图像，利用两个相机采集到的图像计算得到待测管坯的圆心三维坐标；其中利用两个相机采集到的图像计算得到待测管坯的圆心三维坐标，具体包括以下过程：
(1-1)分别利用两个相机的图像对两个相机进行标定，得到两个相机的内参数矩阵和畸变系数，分别对两个相机的图像进行调整；
(1-2)控制系统根据步骤(1-1)得到的两个相机的图像采用张正友标定板进行标定，计算两个相机间的旋转矩阵和平移向量；
(1-3)对于两个相机获取的图像，分别利用canny边缘检测算子首先得到像素级的待测管坯外缘轮廓的边缘坐标，再利用基于最小二乘法的随机圆方法对边缘坐标进行筛选，然后利用灰度插值算法获取各边缘坐标的相邻点的灰度值，最后通过曲线拟和的办法获取到亚像素级的边缘坐标；
(1-4)对于两个相机获取的图像，分别利用经过步骤(1-3)获得的边缘坐标计算得到两个图像中待测管坯的钢锭圆心坐标及半径；
(1-5)利用三维空间测量方法，将双相机分别求出的圆心坐标进行空间坐标转换，从而得到准确的圆心坐标，所述圆心坐标为待测管坯的圆心三维坐标；
(2)根据圆心三维坐标，将打孔定心装置移动至待测管坯的目标位置；
(3)打孔定心装置打孔。
2.一种基于权利要求1所述管坯冷定心方法的管坯冷定心装置，包括箱体和安装于箱体内部的定心执行机构，所述定心执行机构包括沿前后方向设置的U轴导轨以及由U轴伺服电机驱动沿U轴导轨移动的移动座，所述移动座上沿上下方向固定有一组Z轴滚动导轨，Z轴滚动导轨上设置有由Z轴伺服电机驱动的沿Z轴滚动导轨移动的移动小车，所述移动小车内沿左右方向设有一组Y轴导轨，Y轴导轨上设有由Y轴伺服电机驱动的沿Y轴导轨移动的减速箱，减速箱前方安装有由偏心机构交流电机驱动打孔的打孔定心装置，其特征在于：所述箱体内部左侧和右侧分别沿前后方向安装有导杆，左侧导杆和右侧导杆均设有由气缸驱动沿导杆移动的相机，气缸上安装有用于控制气缸开启和关闭的电磁阀，所述相机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机和U轴伺服电机以及电磁阀均与控制系统连接。
3.根据权利要求2所述的管坯冷定心装置，其特征在于：所述控制系统由相互连 接的上位机和下位机组成，相机通过通讯接口与上位机连接，Y轴伺服电机、Z轴伺服电机、U轴伺服电机以及电磁阀均连接于下位机。
4.根据权利要求3所述的管坯冷定心装置，其特征在于：所述上位机包括主机和备份主机。
5.根据权利要求3所述的管坯冷定心装置，其特征在于：所述下位机采用S7-300PLC可编程控制器，其与上位机通过PROFIBUS-DP总线通信；Y轴伺服电机、Z轴伺服电机以及U轴伺服电机各通过一个FM353定位模块与S7-300PLC可编程控制器连接，所述电磁阀通过SM323和SM321数字量输入输出模块与S7-300PLC可编程控制器连接。
6.根据权利要求2所述的管坯冷定心装置，其特征在于：所述打孔定心装置为碳弧气刨。
7.根据权利要求6所述的管坯冷定心装置，其特征在于：所述箱体内部设有风机和吹气排管，所述吹气排管的入风口朝向风机，排风口位于打孔定心装置旁。
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