CN109059756A - 基于聚焦形貌恢复的刮板输送机链轮磨损测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于聚焦形貌恢复的刮板输送机链轮磨损测量装置与方法，属于设备磨损测量技术领域；提供了能够提高轮齿测量精度和效率、降低测量成本的基于聚焦形貌恢复的刮板输送机链轮磨损测量装置与方法；技术方案为：该装置包括图像采集装置、纵向对中装置、圆弧对中装置、磨损测量模块；纵向对中装置进行纵向移动使图像采集装置在纵向对中轮齿，圆弧对中装置驱动图像采集装置沿链轮做等距圆弧运动使图像采集装置在弧向对中轮齿，图像采集装置正对被检测的轮齿端面逐步靠近并采集轮齿图像，磨损测量模块对采集到的序列轮齿图像利用聚焦形貌恢复技术，提取轮齿的轮廓，得到轮齿的三维形貌图，完成对轮齿表面形貌深度测量，得到被检测轮齿的体积。

Description

基于聚焦形貌恢复的刮板输送机链轮磨损测量装置与方法

技术领域

本发明基于聚焦形貌恢复的刮板输送机链轮磨损测量装置与方法，属于刮板输送机设备磨损测量及安全保障技术领域。

背景技术

随着科学技术的快速发展，聚焦形貌恢复及测量技术受到了许多领域的重视。尤其是在工业磨损领域，聚焦形貌测量也得到了广泛应用。

刮板输送机是煤矿井下综采工作面主要的生产运输设备，承担着运输煤炭、为液压支架提供推移支点以及为采煤机提供行走轨道的重要任务，其可靠性直接影响到现代化煤矿的安全高效生产。链轮是刮板输送机上重要的易损件,在煤矿机械行业中应用广泛。而刮板输送机链轮轮齿的过度磨损成为综采设备故障的主要原因之一，当链轮轮齿出现严重磨损后，刮板输送机链条在与其啮合时会出现跳牙现象，同时存在链轮轮齿断裂的风险，但目前国内外并没有针对链轮轮齿磨损量成熟的测量技术。因此，有必要对刮板输送机链轮轮齿磨损进行测量。

发明内容

本发明基于聚焦形貌恢复的刮板输送机链轮磨损测量装置与方法，克服了现有技术存在的不足，提供了能够提高轮齿测量精度和效率、降低测量成本、保障测量安全、方便快捷和进行远程控制的一种基于聚焦形貌恢复的刮板输送机链轮磨损测量装置与方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于聚焦形貌恢复的刮板输送机链轮磨损测量装置，链轮上设有至少一圈轮齿，包括图像采集装置、纵向对中装置、圆弧对中装置、磨损测量模块；

纵向对中装置进行纵向移动使图像采集装置在纵向对中轮齿，圆弧对中装置驱动图像采集装置沿链轮做等距圆弧运动使图像采集装置在弧向对中轮齿，图像采集装置正对被检测的轮齿端面逐步靠近并采集轮齿图像，磨损测量模块对采集到的序列轮齿图像利用聚焦形貌恢复技术，提取轮齿的轮廓，得到轮齿的三维形貌图，完成对轮齿表面形貌深度测量，得到被检测轮齿的体积。

进一步，所述图像采集装置包括相机控制器、相机、相机轨道和步进电机，相机设置在相机轨道上，相机控制器与步进电机电相连，相机的后部与步进电机相连，相机轨道与所述圆弧对中装置相连，步进电机用于使相机对被检测轮齿端面沿相机轨道进行逐步接近。

进一步，所述圆弧对中装置设置在该刮板运输机的中部槽内，包括圆弧方向控制器，第一光源和第二光源分别通过光源调角装置设置在所述相机轨道的上下两端，第一光感元件设置在第一光源的内侧，第二光感元件设置在第二光源的内侧，圆弧对中装置设置在弧形轨道上，其在弧形轨道上的任一位置到所述链轮的中心的距离均相同。

进一步，所述纵向对中装置包括纵向控制器，设置在该刮板运输机的中部槽内，与纵向轨道滑动相连，固定挡块固定设置在纵向轨道的一端，滑块与纵向轨道滑动相连，所述纵向对中装置设置在固定挡块和滑块之间的纵向轨道上。

进一步，所述磨损测量模块与所述相机相连。

一种基于上述测量装置的聚焦形貌恢复的刮板输送机链轮磨损测量方法,包括以下步骤：

S1.纵向控制器通过控制纵向对中装置驱动图像采集模块在纵向方向移动，在纵向方向上对中轮齿；

S2.打开光源，圆弧方向控制器通过控制圆弧对中装置驱动图像采集模块在进行圆弧移动，当两个光感元件同时感应到轮齿端面反射光时，停止运动，从而实现圆弧方向对中；

S3.相机控制单元通过步进电机驱动相机在测量范围内，沿轮齿延伸方向进行步进移动，并在每次移动后获取轮齿的序列图像；

S4.把全部序列图像导入磨损测量模块，进行图像处理以使每一序列图像具有相同的图像视场和图像分辨率，然后对图像进行预处理，提取每一预处理序列图像的清晰像素点，以构建全聚焦图像，确定聚焦评价函数，进行峰值定位，将图像序列作为对应像素点的深度值，进行三维形貌图恢复，完成轮齿表面形貌深度测量，从而得到轮齿体积；

S5.对S4中测量的数据进行保存，进行下次测量时，重复以上步骤，测出这一次轮齿体积，跟上一次测量结果进行对比，计算轮齿体积磨损量。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：本发明装置中的纵向对中装置和圆弧对中装置能够精确对准链轮轮齿的端面，每次都能在相同高度采集序列图片，精确测量三维结果，通过测量的结果，与原始结果进行比较，获得链轮轮齿磨损量。本发明安全高效，而且可以精确测量磨损率及磨损情况。本发明方法能在图像处理与信息技术的支持下对传统磨损测量方法的根本性改进，从而提高刮板输送机的运行效率、实现煤矿综采工作面无人化检测、提高煤矿井下自动化检测水平、保障煤矿安全。

附图说明

图1为本发明装置实施例的整体结构示意图。

图2为本发明装置实施例中纵向轨道的结构示意图。

图3为本发明方法实施例的流程示意图。

图4为本发明方法实施例中步骤S4的流程示意图。

图中，1-链轮，2-第一光感元件，3-第一光源，4-第二光感元件，5-第二光源，6-光源调角装置，7-相机，8-步进电机，9-圆弧对中装置，10-图像采集装置，11-纵向对中装置，12-磨损测量模块，13-中部槽，14-固定挡块，15-滑块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1、图2所示，本发明一种基于聚焦形貌恢复的刮板输送机链轮磨损测量装置，链轮1上设有两圈轮齿，包括图像采集装置10、纵向对中装置11、圆弧对中装置9、磨损测量模块12；

纵向对中装置11进行纵向移动使图像采集装置10在纵向对中轮齿，圆弧对中装置9驱动图像采集装置10沿链轮1做等距圆弧运动使图像采集装置10在弧向对中轮齿，图像采集装置10正对被检测的轮齿端面逐步靠近并采集轮齿图像，磨损测量模块12对采集到的序列轮齿图像利用聚焦形貌恢复技术，提取轮齿的轮廓，得到轮齿的三维形貌恢复，完成对轮齿表面形貌深度测量，得到被检测轮齿的体积。

所述图像采集装置10包括相机控制器、相机7、相机轨道和步进电机8，相机7设置在相机轨道上，相机控制器与步进电机8电相连，相机7的后部与步进电机8相连，相机轨道与所述圆弧对中装置9相连，步进电机8用于使相机7对被检测轮齿端面沿相机轨道进行逐步接近。磨损测量模块12与相机7相连。

所述圆弧对中装置9设置在该刮板运输机的中部槽13内，包括圆弧方向控制器，第一光源3和第二光源5分别通过光源调角装置6设置在所述相机轨道的上下两端，第一光感元件2设置在第一光源3的内侧，第二光感元件4设置在第二光源5的内侧，圆弧对中装置9设置在弧形轨道上，其在弧形轨道上的任一位置到所述链轮1的中心的距离均相同。

纵向对中装置11包括纵向控制器，设置在该刮板运输机的中部槽13内，与纵向轨道滑动相连，固定挡块14固定设置在纵向轨道的一端，滑块15与纵向轨道滑动相连，纵向对中装置11设置在固定挡块14和滑块15之间的纵向轨道上。

如图3所示，一种基于上述测量装置的聚焦形貌恢复的刮板输送机链轮磨损测量方法,包括以下步骤：

S1. 纵向控制器通过控制纵向对中装置11驱动图像采集模块10在纵向方向移动，在纵向方向上对中轮齿；

具体过程如下：固定档块14在轨道的初始位置，用于使图像采集模块10确定初始位置，然后通过纵向对中装置11驱动图像采集模块10沿纵向移动，滑块15用于确定右侧轮齿的位置，通过测量，确定左侧轮齿和右侧轮齿的距离t，调节滑块15，使滑块距离到挡块的距离等于t。

当图像采集装置10在左侧时，如果想测量右侧的轮齿，通过纵向控制器控制纵向对中装置11进行纵向移动，当图像采集模块10接触右侧的滑块15时，通过反馈系统到达纵向控制器，控制纵向对中装置11停止运动。从而进行纵向对中。

S2.打开光源3,5，圆弧方向控制器通过控制圆弧对中装置9驱动图像采集模块10进行圆弧移动，当两个光感元件2,4同时感应到轮齿端面反射光时，停止运动，从而实现圆弧方向对中；

具体过程如下：通过链轮轮齿半经a、及相机的焦距c、相机本身的长度e、相机顶部到圆弧轨道的距离d和及聚焦位置到轮齿上表面的距离f，确定圆弧轨道半径R=a+c+e+d+f。

通过测量光源到轮齿顶面的距离为b，通过光源调角装置6调节第一光源3和第二光源5，照射到轮齿顶面的光经过反射，使第二光感元件4和第一光感元件2能同时感应到反射的光，光源发出的光为线光源，并且两束光在轮齿上的距离为△d。打开第一光源3和第二光源5，圆弧方向控制器通过控制圆弧对中装置9驱动图像采集模块10进行移动，当第二光感元件4和第一光感元件2同时感应到反射光时，将信号反馈给圆弧方向控制器，从而控制圆弧对中装置9停止运动，进行圆弧方向对中。

S3.相机控制单元通过步进电机8驱动相机7在测量范围内，沿轮齿延伸方向进行步进移动，并在每次移动后获取轮齿的序列图像；

具体过程如下：通过相机控制器控制步进电机8驱动相机7在相机轨道上运行，调节相机7到轮齿上端面的高度，使其聚焦平面位于轮齿的上表面，并向上移动0-1mm，并且记住此位置为初始位置。

预设步进电机8的步进距离为△s，相机控制器通过控制步进电机8驱动相机7向轮齿每步移动△s的采集序列图像，直到相机聚焦平面位于轮齿测量区域最低端一下0-1mm为止，共形成N帧序列图像。

S4.把全部序列图像导入磨损测量模块12，进行图像处理以使每一序列图像具有相同的图像视场和图像分辨率，然后对图像进行预处理，提取每一预处理序列图像的清晰像素点，以构建全聚焦图像，确定聚焦评价函数，进行峰值定位，将图像序列作为对应像素点的深度值，进行三维形貌图恢复，完成轮齿表面形貌深度测量，从而得到轮齿体积；

具体实施时，如图4所示，磨损测量模块12包括预处理单元和计算单元，其中预处理单元包括：视场变换单元、分辨率变换单元和裁剪单元，视场变换单元将各帧序列图像的视场范围随图像序号的增加逐渐减小转化为视场范围相同的N帧图像。分辨率变换单元是将2-N帧图像的分辨率与第一幅图相同。裁剪单元是对所有N帧序列图片进行裁剪，以去除目标区域以外的背景区域，得到具有相同分辨率和视场的图片。

计算单元包括：聚焦评价窗口构建单元、峰值定位单元、深度图再处理模块，聚焦评价窗口构建单元提取每帧预处理图像中的清晰像素点，构建全聚焦图像，并运用自适应方法确定全聚焦图像中各像素点的聚焦评价窗口。峰值定位单元用于确定每个像素对应N帧图相中聚焦评价得出的最大值，从而得出最大值在第K帧图像。深度图再处理模块是将峰值定位得出的最大值图像确定深度，深度为h=K×△s，从而确定每个像素最大值的深度。

最后对得出的初始深度图进行连续化处理，镂空目标物以外的区域，得到轮齿三维形貌图，并完成目标物表面形貌深度测量。构建完成后保存三维形貌重建结果及测量结果。

S5.对S4中测量的数据进行保存，进行下次测量时，重复以上步骤，测出这一次轮齿体积，跟上一次测量结果进行对比，计算轮齿体积磨损量。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (6)

1.一种基于聚焦形貌恢复的刮板输送机链轮磨损测量装置，链轮（1）上设有至少一圈轮齿，其特征在于：包括图像采集装置（10）、纵向对中装置（11）、圆弧对中装置（9）、磨损测量模块（12）；

纵向对中装置（11）进行纵向移动使图像采集装置（10）在纵向对中轮齿，圆弧对中装置（9）驱动图像采集装置（10）沿链轮（1）做等距圆弧运动使图像采集装置（10）在弧向对中轮齿，图像采集装置（10）正对被检测的轮齿端面逐步靠近并采集轮齿图像，磨损测量模块（12）对采集到的序列轮齿图像利用聚焦形貌恢复技术，提取轮齿的轮廓，得到轮齿的三维形貌图，完成对轮齿表面形貌深度测量，得到被检测轮齿的体积。

2.根据权利要求1所述的基于聚焦形貌恢复的刮板输送机链轮磨损测量装置,其特征在于:所述图像采集装置（10）包括相机控制器、相机（7）、相机轨道和步进电机（8），相机（7）设置在相机轨道上，相机控制器与步进电机（8）电相连，相机（7）的后部与步进电机（8）相连，相机轨道与所述圆弧对中装置（9）相连，步进电机（8）用于使相机（7）对被检测轮齿端面沿相机轨道进行逐步接近。

3.根据权利要求2所述的基于聚焦形貌恢复的刮板输送机链轮磨损测量装置,其特征在于:所述圆弧对中装置（9）设置在该刮板运输机的中部槽（13）内，包括圆弧方向控制器，第一光源（3）和第二光源（5）分别通过光源调角装置（6）设置在所述相机轨道的上下两端，第一光感元件（2）设置在第一光源（3）的内侧，第二光感元件（4）设置在第二光源（5）的内侧，圆弧对中装置（9）设置在弧形轨道上，其在弧形轨道上的任一位置到所述链轮（1）的中心的距离均相同。

4.根据权利要求3所述的基于聚焦形貌恢复的刮板输送机链轮磨损测量装置,其特征在于:所述纵向对中装置（11）包括纵向控制器，设置在该刮板运输机的中部槽（13）内，与纵向轨道滑动相连，固定挡块（14）固定设置在纵向轨道的一端，滑块（15）与纵向轨道滑动相连，所述纵向对中装置（11）设置在固定挡块（14）和滑块（15）之间的纵向轨道上。

5.根据权利要求4所述的基于聚焦形貌恢复的刮板输送机链轮磨损测量装置, 其特征在于:所述磨损测量模块（12）与所述相机（7）相连。

6.一种基于权利要求1-5任一所述测量装置的聚焦形貌恢复的刮板输送机链轮磨损测量方法, 其特征在于，包括以下步骤：

S1. 纵向控制器通过控制纵向对中装置（11）驱动图像采集模块（10）在纵向方向移动，在纵向方向上对中轮齿；

S2.打开光源（3,5），圆弧方向控制器通过控制圆弧对中装置（9）驱动图像采集模块（10）在进行圆弧移动，当两个光感元件（2,4）同时感应到轮齿端面反射光时，停止运动，从而实现圆弧方向对中；

S3.相机控制单元通过步进电机（8）驱动相机（7）在测量范围内，沿轮齿延伸方向进行步进移动，并在每次移动后获取轮齿的序列图像；

S4.把全部序列图像导入磨损测量模块（12），进行图像处理以使每一序列图像具有相同的图像视场和图像分辨率，然后对图像进行预处理，提取每一预处理序列图像的清晰像素点，以构建全聚焦图像，确定聚焦评价函数，进行峰值定位，将图像序列作为对应像素点的深度值，进行三维形貌图恢复，完成轮齿表面形貌深度测量，从而得到轮齿体积；

S5.对S4中测量的数据进行保存，进行下次测量时，重复以上步骤，测出这一次轮齿体积，跟上一次测量结果进行对比，计算轮齿体积磨损量。