CN108627111A - 钻冲孔在线检测装置及其在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明钻冲孔在线检测装置及其在线检测方法涉及机械加工领域。其目的是为了提供一种结构简单、成本低、操作简便的钻冲孔在线检测装置及其在线检测方法。本发明钻冲孔在线检测装置，包括打孔设备、两组高速摄像机、光源设备、无线通信装置和上位机，打孔设备上设有传动机构和两组刀具，角钢设置在传动机构上，每组刀具设置在传动机构的传动方向的侧面，每组高速摄像机分别设置在角钢的传动方向上且在两组刀具的后方，高速摄像机垂直于角钢的侧面，光源设备在角钢的上方以提供给定光源，光源设备包括面光源和限位挡板，面光源覆盖角钢，限位挡板覆盖面光源，每组高速摄像机通过无线通信装置与上位机连接。

Description

钻冲孔在线检测装置及其在线检测方法

技术领域

本发明涉及机械加工领域，特别是涉及钻冲孔在线检测装置及其在线检测方法。

背景技术

打孔设备一般是指工厂里的金属切削设备，包括钻孔机械和冲孔机械，钻孔机械有台钻、立式钻床、摇臂钻床、手电钻、冲击钻等，冲孔机械有冲床、手动冲孔机、自动冲孔机等，结构形式多样。

但是，在电力角塔的生产安装工程中，需要具有安装孔的角钢材料的数量在万吨级别，因此，数控钻、冲孔加工量很大，为确保安装孔的加工精度，生产中需要安排质检人员进行质量检测，但是传统的人工质检方式费时、费力，检测过程中容易出现漏检问题，检测标准受人为因素干扰大，检测精度低，并且人工成本高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低、操作简便的钻冲孔在线检测装置及其在线检测方法。

本发明钻冲孔在线检测装置，包括打孔设备、两组高速摄像机、光源设备、无线通信装置和上位机，所述打孔设备上设有传动机构和两组刀具，角钢设置在所述传动机构上，每组所述刀具设置在所述传动机构的传动方向的侧面，每组所述高速摄像机分别设置在角钢的传动方向上且在两组刀具的后方，所述高速摄像机垂直于角钢的侧面，所述光源设备在角钢的上方以提供给定光源，所述光源设备包括面光源和限位挡板，所述面光源覆盖角钢，所述限位挡板覆盖所述面光源，每组所述高速摄像机通过所述无线通信装置与所述上位机连接。

本发明钻冲孔在线检测装置，其中所述打孔设备的角钢入口处设有触发传感器，所述触发传感器与计时器连通。

本发明钻冲孔在线检测装置，其中所述角钢的两个侧壁分别与所述传动机构的传送方向的平面成45°夹角，两组所述刀具分别垂直于角钢的两个侧壁。

本发明钻冲孔在线检测装置，其中所述光源设备和所述高速摄像机设置在黑箱内。

本发明钻冲孔在线检测装置，其中所述传动机构上设有伺服电机，伺服电机上设有电机编码器，所述打孔设备上连接有行程编码器，所述行程编码器设置在所述传动机构的传送方向的一侧，电机编码器和行程编码器均连接到上位机。

本发明在线检测方法，包括如下步骤：

角钢进入打孔设备，角钢的传动方向设定为X轴方向，角钢的两个侧壁分别与传送方向的平面成45°夹角，角钢的两个侧壁方向分别设定为Y1和Y2方向；

打孔设备的角钢入口处设有触发传感器，触发传感器连接到控制系统，控制系统上连接有计时器，触发传感器的触发信号发送到控制系统，计时器开始计时，并记录初始位置坐标(X0，Y0)；

传动机构带动角钢在打孔设备内移动，传动机构的传送方向为X轴方向，传动机构的驱动器设为伺服电机，伺服电机的转动方向和运行周期进行设定，控制系统内设定伺服电机传送工件的距离，工件传送设定距离时，伺服电机停止传动，工件停止，刀具对工件对应位置进行打孔，工件打孔完成后，伺服电机启动，伺服电机继续传送工件，完成一次打孔，进行下一次打孔；

角钢进入打孔设备后，视觉监控设备持续运行，给定光源保持设定照度，图像采集装置进行周期性图像采集，图像采集装置对设定步长的工件长度进行图像采集，图像采集装置连接到图像处理器，图像处理器接收图像并对图像识别、分析；

图像处理器识别图像中的孔的圆心位置坐标(X1ci，Y1ci)和(X1ci，Y2ci)，以及孔径R1i和R2i，并且图像处理器提取到的数据信息与设定加工信息进行比对。

本发明在线检测方法，其中所述伺服电机上设有电机编码器，电机编码器连接到控制系统，控制系统接收到伺服电机的转动方向、转动速率信号；

打孔设备上连接有行程编码器，行程编码器连接到控制系统，控制系统接收工件的传动方向、传动距离的信号；

控制系统对伺服电机的转动方向、转动速率信号和工件的传动方向、传动距离信号进行比对，判断两个编码器测得的数据是否一致，如果一致，设备运行稳定，继续工作，如果不一致，控制系统向报警装置发送警报信号，停机检修。

本发明在线检测方法，其中工件上的任意一个孔圆心与初始位置坐标的距离，所述图像处理器识别到的图像圆心的X轴位置坐标X1ci、X2ci，X1ci到X0的实际距离为X1ci与行程编码器记录的工件传动距离的和，X2ci到X0的实际距离为X2ci与行程编码器记录的工件传动距离的和。

本发明在线检测方法，其中预设触发报警条件包括以下任一：

(1)当图像处理器得出的圆心位置的数据信息与设定加工信息在设定误差范围内时，设备继续运行，当图像处理器得出的数据信息与设定加工信息超过设定误差范围时，图像处理器向报警装置发送警报信号，停机调整；

(2)控制系统对伺服电机的转动方向、转动速率信号和工件的传动方向、传动距离信号进行比对，判断两个编码器测得的数据是否一致，如果一致，设备运行稳定，继续工作，如果不一致，控制系统向报警装置发送警报信号，停机检修。

本发明在线检测方法，其中孔的位置坐标计算方法：

在图像处理器中建立角钢模型，角钢模型的尺寸信息与角钢的尺寸信息相对应；

图像采集装置的拍摄速率为设定值，传动机构的传送速率为设定值，得出每张图片的行进距离为设定值，识别拍摄的第一张图片到出现圆孔的第一张图片的数量，得出X轴方向的粗坐标位置；

再识别出现圆孔的第一张图片到出现圆孔的最后一张图片的数量，取有圆孔的图片数量的中位数，计算拍摄的第一张照片到有圆孔照片的中位照片的数量，得出X轴方向的坐标位置Xci；

若干张有圆孔的照片识别得出圆孔的半径Ri的平均值；

若干张有圆孔的照片识别圆孔最靠近X轴的点与X轴的距离，取平均值，此平均值与Ri的和为Yci；

得出孔坐标(Xci，Yci)和Ri。

本发明钻冲孔在线检测装置及其在线检测方法与现有技术不同之处在于：本发明钻冲孔在线检测装置，包括打孔设备、两组高速摄像机、光源设备、无线通信装置和上位机，打孔设备上设有传动机构和两组刀具，角钢设置在传动机构上，每个刀具设置在传动机构的传动方向的侧面，每组高速摄像机分别设置在角钢的传动方向上且在两组刀具的后方，高速摄像机垂直于角钢的侧面，光源设备在角钢的上方以提供给定光源，光源设备包括面光源和限位挡板，面光源覆盖角钢，限位挡板覆盖面光源，每组高速摄像机通过无线通信装置与上位机连接；

将角钢的打孔设备与视觉监控系统集成在一台打孔设备上，在打孔的同时进行打孔位置、孔径、圆度等参数的监测，能直接减少质检人员，且比人工检测的精度高，可靠的保证质量，提高生产和检测效率，相对于传统的人工抽检，达到全数检查。具体的，孔径检测、孔位X轴方向位置度检测、孔位Y轴方向位置度检侧精度明显提高，达到±0.1mm，单个检测点的检测速率≤3S，漏检率≤5‰、误检率≤5％；

本发明在线检测方法，图像采集装置进行周期性图像采集，图像采集装置对设定步长的工件长度进行图像采集，图像采集装置连接到图像处理器，图像处理器接收图像并对图像识别、分析；图像处理器识别图像中的孔的圆心位置坐标(X1ci，Y1ci)和(X1ci，Y2ci)，以及孔径R1i和R2i，并且图像处理器提取到的数据信息与设定加工信息进行比对；打孔的同时及时对角钢上的孔进行检测，并且保证每个孔均进行检测，保证时效性、全面性、一致性和准确性。

下面结合附图对本发明的钻冲孔在线检测装置及其在线检测方法作进一步说明。

附图说明

图1为本发明钻冲孔在线检测装置的结构示意图；

图2为本发明钻冲孔在线检测装置的视觉监控装置的侧视结构示意图；

图3为本发明钻冲孔在线检测装置的打孔用刀具与角钢的位置关系的结构示意图；

图4为本发明钻冲孔在线检测装置及其在线检测方法的结构示意图。

附图标注：1、打孔设备；2、视觉监控设备；3、角钢；4、刀具；5、传动机构；6、高速摄像机；7、光源设备；8、限位挡板；9、面光源。

具体实施方式

结合图1-图3所示，本发明钻冲孔在线检测装置，包括打孔设备1、两组高速摄像机6、光源设备7、无线通信装置和上位机，打孔设备1上设有传动机构5和两组刀具4，角钢3设置在传动机构5上，每个刀具4设置在传动机构5的传动方向的侧面，每组高速摄像机6分别设置在角钢3的传动方向上且在两组刀具4的后方，高速摄像机6垂直于角钢3的侧面，光源设备7在角钢3的上方以提供给定光源，光源设备7包括面光源9和限位挡板8，面光源9覆盖角钢3，限位挡板8覆盖面光源9，每组高速摄像机6通过无线通信装置与上位机连接。

两组刀具4和两组高速摄像机6分别在传动机构5的传动方向的每侧设置有一组，分别对角钢3的两个侧面进行打孔和图像采集，打孔完成后，角钢3在传动机构5的输送下向高速摄像机6移动，角钢3移动过程中，高速摄像机6进行拍摄，同时，高速摄像机6拍摄到的图像通过无线通讯装置传输到上位机，以便后续采集数据。高速摄像机6拍摄过程中，光源设备7进行照射，保证拍摄条件的一致性，面光源9提供高速摄像机6所需要的照度，并且保证两组高速摄像机6的照度环境相同，防止拍摄条件受到干扰；限位挡板8既方便了面光源9的安装，又对竖直方向的尺寸范围进行限定，便于工作人员观察设备的生产范围。

本发明钻冲孔在线检测装置，将角钢3的打孔设备1与视觉监控设备2集成在一台打孔设备1上，在打孔的同时进行打孔位置、孔径、圆度等参数的监测，能直接减少质检人员，且比人工检测的精度高，可靠的保证质量，提高生产和检测效率，相对于传统的人工抽检，达到全数检查。具体的，孔径检测、孔位X轴方向位置度检测、孔位Y轴方向位置度检侧精度明显提高，达到±0.1mm，单个检测点的检测速率≤3S，漏检率≤5‰、误检率≤5％。

进一步的，角钢3的两个侧壁分别与传动机构5的传送方向的平面成45°夹角，两组刀具4分别垂直于角钢3的两个侧壁。角钢3的侧壁与传动机构5的传动平面成45°夹角，不仅方便对角钢3进行打孔，还方便对进行定位，保证角钢3两个侧面上孔的对称性和精确度。

具体的，传动机构5设为电机和传送带配合传动的方式，角钢3放置在传送带上。角钢3的放置方式，如图1所示，角钢3的两个侧壁连接边接触传送带，角钢3的两个侧壁向刀具4方向打开，方便打孔和拍摄。角钢3的放置方式，还可以相对于图1所示的方式翻转180°，传送带支撑角钢3的两个侧壁，使角钢3的传送更加稳定。

进一步的，打孔设备1的角钢3入口处设有触发传感器，触发传感器与计时器连通，触发传感器设为光电传感器或碰撞传感器，触发传感器的触发信号发送到计时器，计时器开始计时，以便更加传送带的传送速度计算角钢3的传送距离，方便定时向打孔设备1供给角钢3物料，保证设备稳定连续运行，提高生产效率。触发传感器和计时器均连接到上位机，触发传感器将触发信号传输到上位机，上位机向计时器发送信号以便计时器启动计时，计时器的计时数据回传到上位机，上位机对计时器的计时数据和传动机构5的电机的停机时间进行处理，计时器的计时时间减去电机停机时间，计算得出传动距离，以得出角钢3的位置和放料时间。

进一步的，光源设备7和高速摄像机6设置在黑箱内，黑箱内为封闭的光环境，通过面光源9来调控黑箱内的光环境，减小外界环境对拍摄效果的影响，也提高图像处理精度。

进一步的，传动机构5上设有伺服电机，伺服电机上设有电机编码器，打孔设备1上连接有行程编码器，行程编码器设置在传动机构5的传送方向的一侧，电机编码器和行程编码器均连接到上位机。行程编码器和电机编码器配合记录角钢3的传动方向和伺服电机的转动方向，伺服电机的转动方向能够判断传送带的传动方向，保证传送带的传动方向与角钢3的运动方向相同，提高设备的安全性。

本发明在线检测方法，包括如下步骤：

角钢进入打孔设备，角钢的传动方向设定为X轴方向，角钢的两个侧壁分别与传送方向的平面成45°夹角，角钢的两个侧壁方向分别设定为Y1和Y2方向；

打孔设备的角钢入口处设有触发传感器，触发传感器连接到控制系统，控制系统上连接有计时器，触发传感器的触发信号发送到控制系统，计时器开始计时，并记录初始位置坐标(X0，Y0)；

传动机构带动角钢在打孔设备内移动，传动机构的传送方向为X轴方向，传动机构的驱动器设为伺服电机，伺服电机的转动方向和运行周期进行设定，控制系统内设定伺服电机传送工件的距离，工件传送设定距离时，伺服电机停止传动，工件停止，刀具对工件对应位置进行打孔，工件打孔完成后，伺服电机启动，伺服电机继续传送工件，完成一次打孔，进行下一次打孔；

角钢进入打孔设备后，视觉监控设备持续运行，给定光源保持设定照度，图像采集装置进行周期性图像采集，图像采集装置对设定步长的工件长度进行图像采集，图像采集装置连接到图像处理器，图像处理器接收图像并对图像识别、分析；

图像处理器识别图像中的孔的圆心位置坐标(X1ci，Y1ci)和(X1ci，Y2ci)，以及孔径R1i和R2i，并且图像处理器提取到的数据信息与设定加工信息进行比对。

具体的，控制系统设为上位机中的控制器中的系统，可以为Intel i5或Intel i7系统，既能满足生产需求，还能降低成本。图像处理器的芯片可以选用LM4F120H5QR单片机，图像处理过程采用独立处理的单片机，既能保证图片处理的效率，又减小图像处理过程对上位机的控制器的损耗。

其中，角钢的总长＝(计时器的计时时间-单孔打孔时间*打孔数量)*传送带的传送速度；给出上述参数中的任何4个，能够得出另一个参数，便于核算。

伺服电机上设有电机编码器，电机编码器连接到控制系统，控制系统接收到伺服电机的转动方向、转动速率信号；

打孔设备上连接有行程编码器，行程编码器连接到控制系统，控制系统接收工件的传动方向、传动距离的信号；

控制系统对伺服电机的转动方向、转动速率信号和工件的传动方向、传动距离信号进行比对，判断两个编码器测得的数据是否一致，如果一致，设备运行稳定，继续工作，如果不一致，控制系统向报警装置发送警报信号，停机检修。

工件上的任意一个孔圆心与初始位置坐标的距离，图像处理器识别到的图像圆心的X轴位置坐标X1ci、X2ci，X1ci到X0的实际距离为X1ci与行程编码器记录的工件传动距离的和，X2ci到X0的实际距离为X2ci与行程编码器记录的工件传动距离的和。

图像处理器分别对每个孔的X轴坐标与X0的间距进行计算，并且计算每个孔相对于初始位置的尺寸误差，及时对每个孔进行监测。

预设触发报警条件包括以下任一：

(1)当图像处理器得出的圆心位置的数据信息与设定加工信息在设定误差范围内时，设备继续运行，当图像处理器得出的数据信息与设定加工信息超过设定误差范围时，图像处理器向报警装置发送警报信号，停机调整；

(2)控制系统对伺服电机的转动方向、转动速率信号和工件的传动方向、传动距离信号进行比对，判断两个编码器测得的数据是否一致，如果一致，设备运行稳定，继续工作，如果不一致，控制系统向报警装置发送警报信号，停机检修。

其中，圆心位置误差超过设定误差值时，警报装置进行报警，角钢与传动机构的运动方向不一致时，警报装置进行报警。控制系统可以直接向警报装置发送信号，警报装置通过声光报警器发出警报提示，以便工作人员进行人为干预；与此同时，控制系统还可以向显示器发送信号，显示器显示警报图案，双重提示工作人员。

孔的位置坐标计算方法：

在图像处理器中建立角钢模型，角钢模型的尺寸信息与角钢的尺寸信息相对应；

图像采集装置的拍摄速率为设定值，传动机构的传送速率为设定值，得出每张图片的行进距离为设定值，识别拍摄的第一张图片到出现圆孔的第一张图片的数量，得出X轴方向的粗坐标位置；

再识别出现圆孔的第一张图片到出现圆孔的最后一张图片的数量，取有圆孔的图片数量的中位数，计算拍摄的第一张照片到有圆孔照片的中位照片的数量，得出X轴方向的坐标位置Xci；

若干张有圆孔的照片识别得出圆孔的半径Ri的平均值；

若干张有圆孔的照片识别圆孔最靠近X轴的点与X轴的距离，取平均值，此平均值与Ri的和为Yci；

得出孔坐标(Xci，Yci)和Ri。

其中，高速摄像机的工作距离为500mm，单个像素点的系统分辨率为0.17mm。

具体实施例：

伺服电机带动传送带传动，传送带的传送速度0.1m/s，高速摄像机的拍摄速率设为5张/s，单个孔的打孔时间为1.2s/孔，刀具的打孔尺寸设为直径20mm，圆孔的误差要求为直径误差±1mm，圆孔的圆心点的水平和竖直方向误差在±1mm，

当图像处理器得出的圆孔直径大于21mm或小于19mm时，圆孔不合格，警报装置发出警报，打孔设备停机；圆孔直径在19mm-21mm之间时，圆孔合格；水平和竖直方向的误差检测过程同上；

图像处理器得出的圆孔直径、圆孔位置坐标、误差等在显示器上进行显示，并通过数据表形式导出；

单个检测点的检测时间≤3s、漏检率≤5‰、误检率≤5％。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种钻冲孔在线检测装置，其特征在于：包括打孔设备、两组高速摄像机、光源设备、无线通信装置和上位机，所述打孔设备上设有传动机构和两组刀具，角钢设置在所述传动机构上，每组所述刀具设置在所述传动机构的传动方向的侧面，每组所述高速摄像机分别设置在角钢的传动方向上且在两组刀具的后方，所述高速摄像机垂直于角钢的侧面，所述光源设备在角钢的上方以提供给定光源，所述光源设备包括面光源和限位挡板，所述面光源覆盖角钢，所述限位挡板覆盖所述面光源，每组所述高速摄像机通过所述无线通信装置与所述上位机连接。

2.根据权利要求1所述的钻冲孔在线检测装置，其特征在于：所述打孔设备的角钢入口处设有触发传感器，所述触发传感器与计时器连通。

3.根据权利要求1所述的钻冲孔在线检测装置，其特征在于：所述角钢的两个侧壁分别与所述传动机构的传送方向的平面成45°夹角，两组所述刀具分别垂直于角钢的两个侧壁。

4.根据权利要求1所述的钻冲孔在线检测装置，其特征在于：所述光源设备和所述高速摄像机设置在黑箱内。

5.根据权利要求1所述的钻冲孔在线检测装置，其特征在于：所述传动机构上设有伺服电机，伺服电机上设有电机编码器，所述打孔设备上连接有行程编码器，所述行程编码器设置在所述传动机构的传送方向的一侧，电机编码器和行程编码器均连接到上位机。

6.一种在线检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

角钢进入打孔设备，角钢的传动方向设定为X轴方向，角钢的两个侧壁分别与传送方向的平面成45°夹角，角钢的两个侧壁方向分别设定为Y1和Y2方向；

打孔设备的角钢入口处设有触发传感器，触发传感器连接到控制系统，控制系统上连接有计时器，触发传感器的触发信号发送到控制系统，计时器开始计时，并记录初始位置坐标(X0，Y0)；

传动机构带动角钢在打孔设备内移动，传动机构的传送方向为X轴方向，传动机构的驱动器设为伺服电机，伺服电机的转动方向和运行周期进行设定，控制系统内设定伺服电机传送工件的距离，工件传送设定距离时，伺服电机停止传动，工件停止，刀具对工件对应位置进行打孔，工件打孔完成后，伺服电机启动，伺服电机继续传送工件，完成一次打孔，进行下一次打孔；

角钢进入打孔设备后，视觉监控设备持续运行，给定光源保持设定照度，图像采集装置进行周期性图像采集，图像采集装置对设定步长的工件长度进行图像采集，图像采集装置连接到图像处理器，图像处理器接收图像并对图像识别、分析；

图像处理器识别图像中的孔的圆心位置坐标(X1ci，Y1ci)和(X1ci，Y2ci)，以及孔径R1i和R2i，并且图像处理器提取到的数据信息与设定加工信息进行比对。

7.根据权利要求6所述的在线检测方法，其特征在于：所述伺服电机上设有电机编码器，电机编码器连接到控制系统，控制系统接收到伺服电机的转动方向、转动速率信号；

打孔设备上连接有行程编码器，行程编码器连接到控制系统，控制系统接收工件的传动方向、传动距离的信号；

控制系统对伺服电机的转动方向、转动速率信号和工件的传动方向、传动距离信号进行比对，判断两个编码器测得的数据是否一致，如果一致，设备运行稳定，继续工作，如果不一致，控制系统向报警装置发送警报信号，停机检修。

8.根据权利要求7所述的在线检测方法，其特征在于：工件上的任意一个孔圆心与初始位置坐标的距离，所述图像处理器识别到的图像圆心的X轴位置坐标X1ci、X2ci，X1ci到X0的实际距离为X1ci与行程编码器记录的工件传动距离的和，X2ci到X0的实际距离为X2ci与行程编码器记录的工件传动距离的和。

9.根据权利要求7所述的在线检测方法，其特征在于：预设触发报警条件包括以下任一：

(1)当图像处理器得出的圆心位置的数据信息与设定加工信息在设定误差范围内时，设备继续运行，当图像处理器得出的数据信息与设定加工信息超过设定误差范围时，图像处理器向报警装置发送警报信号，停机调整；

(2)控制系统对伺服电机的转动方向、转动速率信号和工件的传动方向、传动距离信号进行比对，判断两个编码器测得的数据是否一致，如果一致，设备运行稳定，继续工作，如果不一致，控制系统向报警装置发送警报信号，停机检修。

10.根据权利要求7所述的在线检测方法，其特征在于：孔的位置坐标计算方法：

在图像处理器中建立角钢模型，角钢模型的尺寸信息与角钢的尺寸信息相对应；

图像采集装置的拍摄速率为设定值，传动机构的传送速率为设定值，得出每张图片的行进距离为设定值，识别拍摄的第一张图片到出现圆孔的第一张图片的数量，得出X轴方向的粗坐标位置；

再识别出现圆孔的第一张图片到出现圆孔的最后一张图片的数量，取有圆孔的图片数量的中位数，计算拍摄的第一张照片到有圆孔照片的中位照片的数量，得出X轴方向的坐标位置Xci；

若干张有圆孔的照片识别得出圆孔的半径Ri的平均值；

若干张有圆孔的照片识别圆孔最靠近X轴的点与X轴的距离，取平均值，此平均值与Ri的和为Yci；

得出孔坐标(Xci，Yci)和Ri。