CN110220921A - 一种基于机器视觉的钢管表面图像采集装置及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种基于机器视觉的钢管表面图像采集装置及采集方法，所述采集装置包括驱动系统、机架、图像采集系统、光源系统；所述驱动系统位于机架的下方，且能够相对于机架往复移动，图像采集系统固定于机架的上方，光源系统固定于机架的中部。使用时，将待获取表面图像的钢管放置于第一驱动辊和第二驱动辊之间上方位置，启动电机，带动第一驱动辊和第二驱动辊缓慢加速旋转至匀速，此时钢管在两者之间匀速旋转，然后转动镜头对焦环实现对焦，根据线阵相机的扫描帧率调整钢管旋转的速度使其成像清晰；当钢管旋转一圈即可获得整个表面图像，图像采集完成后，关闭电机，一次图像采集试验结束。

Description

一种基于机器视觉的钢管表面图像采集装置及采集方法

技术领域

本发明属于表面图像采集装置技术领域。具体涉及一种基于机器视觉的钢管表面图像采集装置。

背景技术

随着工业化的发展，钢管被广泛应用于各个领域，这也对钢管的质量提出了更高的要求，在钢管生产的过程中，由于原材料、轧制设备和加工工艺等多方面的原因，钢管的表面将会存在不同类型的缺陷，这些缺陷不仅严重影响产品的外观，还降低了产品的抗腐蚀性、耐磨性和疲劳强度等性能，增加了许多安全隐患，给企业的信誉带来不良影响。

目前钢管的表面缺陷大多通过传统的无损检测、人工方法等来鉴别，这种方法虽然简单，但误检率、漏检率高，耗费大量的人力物力且容易使人产生疲劳，效率较低，难以跟上现代工业发展的步伐。

随着计算机水平的发展和人工智能领域的兴起，机器视觉技术得到广泛的应用，机器视觉的检测方法能够有效的弥补以上的不足。采用基于机器视觉的检测方法较传统方法具有很大优势，不仅可以检测缺陷的尺寸，提高缺陷检测的精度，而且能够对不同缺陷图像进行分类管理，为企业改善技术、提高生产效率提供数据支持。

发明内容

本发明旨在克服传统的钢管表面质量检测方法，目的是提供一种适应性强、可靠性高、能够采集多种缺陷图像的基于机器视觉的钢管表面图像采集装置。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于机器视觉的钢管表面图像采集装置，所述采集装置包括驱动系统、机架、图像采集系统、光源系统；所述驱动系统位于机架的下方，且能够相对于机架往复移动，图像采集系统固定于机架的上方，光源系统固定于机架的中部；驱动系统包括第一支架、第二支架、电机、传动系统以及第一驱动辊和第二驱动辊；第一支架包括两个相互平行设置的门字形框架和连接两个门字形框架的第一横梁和第二横梁，第一横梁和第二横梁平行设置；第二支架包括两个相互平行设置的门字形框架和连接两个门字形框架的第三横梁和第四横梁，第三横梁和第四横梁平行设置，且第三横梁和第四横梁的顶部均开设有沿其轴向方向设置的横截面为倒T字形的滑槽；第一横梁和第二横梁所在的平面低于第三横梁和第四横梁所在的平面；所述传动系统包括第一同步带、第二同步带、第一同步带轮、第二同步带轮、第三同步带轮、第四同步带轮、电机支架、电机支撑板；电机支撑板的两端分别通过螺栓固定在第一横梁和第二横梁的顶部，电机通过电机支架安装在电机支撑板的上方，第一驱动辊和第二驱动辊的两端均通过轴承座固定在第三横梁和第四横梁的顶部，第一驱动辊和第二驱动辊平行设置，第一驱动辊和第二驱动辊的表面设置有防滑层；电机的输出轴上固定安装有第一同步带轮，第一驱动辊靠近第一支架的一端固定安装有第一驱动轴，第二驱动辊靠近第一支架的一端固定安装有第二驱动轴，第一驱动轴上间隔平行安装有第二同步带轮和第三同步带轮，第二驱动轴上安装有第四同步带轮，第一同步带轮、第二同步带轮、第三同步带轮和第四同步带轮的大小和形状均相同，第一同步带轮和第二同步带轮之间通过第一同步带连接，第三同步带轮和第四同步带轮之间通过第二同步带连接，第一同步带轮和第二同步带轮在竖直方向上位于同一平面内，第三同步带轮和第四同步带轮在竖直方向上位于同一平面内。

进一步的，所述机架包括第一支撑杆、第二支撑杆、第三支撑杆、第四支撑杆、连接四根支撑杆的四根连接杆以及两根加强杆，四根支撑杆高度相同且平行设置，第一支撑杆的顶端和第二支撑杆的顶端通过第一连接杆连接，第二支撑杆的顶端和第三支撑杆的顶端通过第二连接杆连接，第三支撑杆的顶端和第四支撑杆的顶端通过第三连接杆连接，第四支撑杆的顶端和第一支撑杆的顶端通过第四连接杆连接；第一支撑杆和第二支撑杆之间还设置有第一加强杆，第三支撑杆和第四支撑杆之间还设置有第二加强杆，第一加强杆与第二加强杆高度相同且平行设置。

进一步的，所述图像采集系统由线阵相机、光学镜头、滑块和直线导轨构成；所述光学镜头安装在线阵相机上，线阵相机与滑块固定连接；滑块滑动安装在直线导轨上，可沿其所在直线方向移动；所述直线导轨两端分别固定在第一连接杆和第三连接杆的中点处。

进一步的，所述光源系统由连接板、线光源、紧固螺母和螺纹柱头构成；线光源两端的连接板分别固定在第一加强杆与第二加强杆之间；两个连接板相互平行设置，线光源的两端各设置一个螺纹柱头，每个螺纹柱头分别穿过对应的连接板后通过紧固螺母固定。

进一步的，所述轴承座包括轴承座主体、轴承座固定螺母和T型螺栓；所述轴承座主体包括圆弧部和位于圆弧部两侧的水平部，所述水平部上设置有通孔，所述T型螺栓的水平端部位于倒T字形的滑槽内部，所述T型螺栓的螺杆部分伸出所述水平部并通过轴承座固定螺母紧固。

进一步的，所述防滑层为橡胶套。

使用时，首先根据钢管的直径，拧松轴承座固定螺母，调整轴承座之间的距离，距离调整合适后，拧紧轴承座固定螺母；将待获取表面图像的钢管放置于第一驱动辊和第二驱动辊之间上方位置，将其与第一驱动辊和第二驱动辊表面同时接触；松开光源系统中的紧固螺母，手动转动线光源的角度，保证光线的强度中心位于光学镜头正下方的钢管表面上，然后拧紧紧固螺母将线光源的照射角度固定；将线阵相机沿直线导轨移动到合适位置；启动电机，带动第一驱动辊和第二驱动辊缓慢加速旋转至匀速，此时钢管在两者之间匀速旋转，然后转动镜头对焦环实现对焦，根据线阵相机的扫描帧率调整钢管旋转的速度使其成像清晰；当钢管旋转一圈即可获得整个表面图像，图像采集完成后，关闭电机，一次图像采集试验结束。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

第一、由于钢管表面为曲面，本发明利用了线光源照明方式，配合线阵相机采集图像，有效避免了钢管表面亮度不均现象。

第二、本发明采用的镜头具有高分辨率、低畸变和超宽景深的特点，能明显提高图像质量。

第三、本发明中，可以通过轴承座固定螺母松紧，并更换第二同步带的长度达到调整第一驱动辊和第二驱动辊之间的距离的目的，从而适应不同直径范围内的钢管，具有灵活性强的特点。

第四、本发明的图像采集装置，结构紧凑，使用方便，能获取不同种类的高质量的钢管表面图像，检测精度高。

第五、本发明中可以控制待检测钢管的转速以配合线阵相机的扫描帧率，保障获取钢管表面图像的质量，为后期的图像处理提供可靠依据。

第六、本发明中，通过改变位于线光源两端的紧固螺母的松紧程度，可以调整线光源的照射角度，适应一定直径范围的钢管表面成像采集。

第七，本发明图像采集系统中，可以通过移动线阵相机的位置来实现对一定范围内长度的钢管表面图像进行采集。

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图；

图2为图1中驱动系统的示意图；

图3为图2中第一支架和第二支架的示意图；

图4为图2中传动系统的放大示意图；

图5为机架的示意图；

图6为图1中图像采集系统的放大示意图；

图7为图1中光源系统的放大示意图；

图8为轴承座的侧视图；

图9为轴承座的主视图；

图10为轴承座的俯视图；

图中标示1为第一支架，2为机架，3为图像采集系统，4为光源系统；5为传动系统，6为第二驱动辊，7为第一驱动辊，8为轴承座主体，9为第二支架，10为T型螺栓，11为轴承座固定螺母，12为第一横梁，13为第三横梁，14为第二横梁，15为第四横梁，16为第二同步带，17为第二同步带轮，18为第三同步带轮，19为第一同步带，20为第一同步带轮，21为电机支撑板，22为电机支架，23为电机，24为第四同步带轮，25为第二加强杆，26为第三连接杆，27为第一连接杆，28为第一加强杆，29为线阵相机，30为滑块，31为直线导轨，32为光学镜头，33为螺纹柱头，34为紧固螺母，35为连接板，36为线光源，37为第四支撑杆，38为第四连接杆，39为第二连接杆，40为第二支撑杆，41为第一支撑杆，42为第三支撑杆。

具体实施方式

下面结合说明书附图1-10对本发明做进一步的解释说明，并非对保护范围的限制。

一种基于机器视觉的钢管表面图像采集装置，所述采集装置包括驱动系统、机架2、图像采集系统3、光源系统4；所述驱动系统位于机架2的下方，且能够相对于机架2往复移动，图像采集系统3固定于机架2的上方，光源系统4固定于机架2的中部。

驱动系统包括第一支架1、第二支架9、电机23、传动系统5以及第一驱动辊7和第二驱动辊6；第一支架1包括两个相互平行设置的门字形框架和连接两个门字形框架的第一横梁12和第二横梁14，第一横梁12和第二横梁14平行设置；第二支架9包括两个相互平行设置的门字形框架和连接两个门字形框架的第三横梁13和第四横梁15，第三横梁13和第四横梁15平行设置，且第三横梁13和第四横梁15的顶部均开设有沿其轴向方向设置的横截面为倒T字形的滑槽；第一横梁12和第二横梁14所在的平面低于第三横梁13和第四横梁15所在的平面。

所述传动系统5包括第一同步带19、第二同步带16、第一同步带轮20、第二同步带轮17、第三同步带轮18、第四同步带轮24、电机支架22、电机支撑板21；电机支撑板21的两端分别通过螺栓固定在第一横梁12和第二横梁14的顶部，电机23通过电机支架22安装在电机支撑板21的上方，第一驱动辊7和第二驱动辊6的两端均通过轴承座固定在第三横梁13和第四横梁15的顶部，第一驱动辊7和第二驱动辊6平行设置，第一驱动辊7和第二驱动辊6的表面设置有防滑层；电机23的输出轴上固定安装有第一同步带轮20，第一驱动辊7靠近第一支架1的一端固定安装有第一驱动轴，第二驱动辊6靠近第一支架1的一端固定安装有第二驱动轴，第一驱动轴上间隔平行安装有第二同步带轮17和第三同步带轮18，第二驱动轴上安装有第四同步带轮24，第一同步带轮20、第二同步带轮17、第三同步带轮18和第四同步带轮24的大小和形状均相同，第一同步带轮20和第二同步带轮17之间通过第一同步带19连接，第三同步带轮18和第四同步带轮24之间通过第二同步带16连接，第一同步带轮20和第二同步带轮17在竖直方向上位于同一平面内，第三同步带轮18和第四同步带轮24在竖直方向上位于同一平面内。

所述机架2包括第一支撑杆41、第二支撑杆40、第三支撑杆42、第四支撑杆37、连接四根支撑杆的四根连接杆以及两根加强杆，四根支撑杆高度相同且平行设置，第一支撑杆41的顶端和第二支撑杆40的顶端通过第一连接杆27连接，第二支撑杆40的顶端和第三支撑杆42的顶端通过第二连接杆39连接，第三支撑杆42的顶端和第四支撑杆37的顶端通过第三连接杆26连接，第四支撑杆37的顶端和第一支撑杆41的顶端通过第四连接杆38连接；第一支撑杆41和第二支撑杆40之间还设置有第一加强杆28，第三支撑杆42和第四支撑杆37之间还设置有第二加强杆25，第一加强杆28与第二加强杆25高度相同且平行设置；

图像采集系统3由线阵相机29、光学镜头32、滑块30和直线导轨31构成；所述光学镜头32安装在线阵相机29上，线阵相机29与滑块30固定连接；滑块30滑动安装在直线导轨31上，可沿其所在直线方向移动；所述直线导轨31两端分别固定在第一连接杆27和第三连接杆26的中点处；

光源系统4由连接板35、线光源36、紧固螺母34和螺纹柱头33构成；线光源36两端的连接板35分别固定在第一加强杆28与第二加强杆25之间；两个连接板35相互平行设置，线光源36的两端各设置一个螺纹柱头33，每个螺纹柱头33分别穿过对应的连接板35后通过紧固螺母34固定；

所述轴承座包括轴承座主体8、轴承座固定螺母11和T型螺栓10；所述轴承座主体8包括圆弧部和位于圆弧部两侧的水平部，所述水平部上设置有通孔，所述T型螺栓10的水平端部位于倒T字形的滑槽内部，所述T型螺栓10的螺杆部分伸出所述水平部并通过轴承座固定螺母11紧固。

所述防滑层为橡胶套。

使用时，首先根据钢管的直径，拧松轴承座固定螺母11，调整轴承座之间的距离，距离调整合适后，拧紧轴承座固定螺母11；将待获取表面图像的钢管放置于第一驱动辊7和第二驱动辊6之间上方位置，将其与第一驱动辊7和第二驱动辊6表面同时接触；松开光源系统4中的紧固螺母34，手动转动线光源36的角度，保证光线的强度中心位于光学镜头32正下方的钢管表面上，然后拧紧紧固螺母34将线光源36的照射角度固定；将线阵相机29沿直线导轨31移动到合适位置；启动电机23，带动第一驱动辊7和第二驱动辊6缓慢加速旋转至匀速，此时钢管在两者之间匀速旋转，然后转动镜头对焦环实现对焦，根据线阵相机的扫描帧率调整钢管旋转的速度使其成像清晰；当钢管旋转一圈即可获得整个表面图像，图像采集完成后，关闭电机23，一次图像采集试验结束。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (7)

1.一种基于机器视觉的钢管表面图像采集装置，其特征在于，所述采集装置包括驱动系统、机架（2）、图像采集系统（3）、光源系统（4）；所述驱动系统位于机架（2）的下方，且能够相对于机架（2）往复移动，图像采集系统（3）固定于机架（2）的上方，光源系统（4）固定于机架（2）的中部；驱动系统包括第一支架（1）、第二支架（9）、电机（23）、传动系统（5）以及第一驱动辊（7）和第二驱动辊（6）；第一支架（1）包括两个相互平行设置的门字形框架和连接两个门字形框架的第一横梁（12）和第二横梁（14），第一横梁（12）和第二横梁（14）平行设置；第二支架（9）包括两个相互平行设置的门字形框架和连接两个门字形框架的第三横梁（13）和第四横梁（15），第三横梁（13）和第四横梁（15）平行设置，且第三横梁（13）和第四横梁（15）的顶部均开设有沿其轴向方向设置的横截面为倒T字形的滑槽；第一横梁（12）和第二横梁（14）所在的平面低于第三横梁（13）和第四横梁（15）所在的平面；所述传动系统（5）包括第一同步带（19）、第二同步带（16）、第一同步带轮（20）、第二同步带轮（17）、第三同步带轮（18）、第四同步带轮（24）、电机支架（22）、电机支撑板（21）；电机支撑板（21）的两端分别通过螺栓固定在第一横梁（12）和第二横梁（14）的顶部，电机（23）通过电机支架（22）安装在电机支撑板（21）的上方，第一驱动辊（7）和第二驱动辊（6）的两端均通过轴承座固定在第三横梁（13）和第四横梁（15）的顶部，第一驱动辊（7）和第二驱动辊（6）平行设置，第一驱动辊（7）和第二驱动辊（6）的表面设置有防滑层；电机（23）的输出轴上固定安装有第一同步带轮（20），第一驱动辊（7）靠近第一支架（1）的一端固定安装有第一驱动轴，第二驱动辊（6）靠近第一支架（1）的一端固定安装有第二驱动轴，第一驱动轴上间隔平行安装有第二同步带轮（17）和第三同步带轮（18），第二驱动轴上安装有第四同步带轮（24），第一同步带轮（20）、第二同步带轮（17）、第三同步带轮（18）和第四同步带轮（24）的大小和形状均相同，第一同步带轮（20）和第二同步带轮（17）之间通过第一同步带（19）连接，第三同步带轮（18）和第四同步带轮（24）之间通过第二同步带（16）连接，第一同步带轮（20）和第二同步带轮（17）在竖直方向上位于同一平面内，第三同步带轮（18）和第四同步带轮（24）在竖直方向上位于同一平面内。

2.根据权利要求1所述的图像采集装置，其特征在于，所述机架（2）包括第一支撑杆（41）、第二支撑杆（40）、第三支撑杆（42）、第四支撑杆（37）、连接四根支撑杆的四根连接杆以及两根加强杆，四根支撑杆高度相同且平行设置，第一支撑杆（41）的顶端和第二支撑杆（40）的顶端通过第一连接杆（27）连接，第二支撑杆（40）的顶端和第三支撑杆（42）的顶端通过第二连接杆（39）连接，第三支撑杆（42）的顶端和第四支撑杆（37）的顶端通过第三连接杆（26）连接，第四支撑杆（37）的顶端和第一支撑杆（41）的顶端通过第四连接杆（38）连接；第一支撑杆（41）和第二支撑杆（40）之间还设置有第一加强杆（28），第三支撑杆（42）和第四支撑杆（37）之间还设置有第二加强杆（25），第一加强杆（28）与第二加强杆（25）高度相同且平行设置。

3.根据权利要求2所述的图像采集装置，其特征在于，所述图像采集系统（3）由线阵相机（29）、光学镜头（32）、滑块（30）和直线导轨（31）构成；所述光学镜头（32）安装在线阵相机（29）上，线阵相机（29）与滑块（30）固定连接；滑块（30）滑动安装在直线导轨（31）上，可沿其所在直线方向移动；所述直线导轨（31）两端分别固定在第一连接杆（27）和第三连接杆（26）的中点处。

4.根据权利要求2所述的图像采集装置，其特征在于，所述光源系统（4）由连接板（35）、线光源（36）、紧固螺母（34）和螺纹柱头（33）构成；线光源（36）两端的连接板（35）分别固定在第一加强杆（28）与第二加强杆（25）之间；两个连接板（35）相互平行设置，线光源（36）的两端各设置一个螺纹柱头（33），每个螺纹柱头（33）分别穿过对应的连接板（35）后通过紧固螺母（34）固定。

5.根据权利要求1所述的图像采集装置，其特征在于，所述轴承座包括轴承座主体（8）、轴承座固定螺母（11）和T型螺栓（10）；所述轴承座主体（8）包括圆弧部和位于圆弧部两侧的水平部，所述水平部上设置有通孔，所述T型螺栓（10）的水平端部位于倒T字形的滑槽内部，所述T型螺栓（10）的螺杆部分伸出所述水平部并通过轴承座固定螺母（11）紧固。

6.根据权利要求1所述的图像采集装置，其特征在于，所述防滑层为橡胶套。

7.一种基于权利要求1-6中任意一项所述的图像采集装置的采集方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）根据钢管的直径，拧松轴承座固定螺母（11），调整轴承座之间的距离，距离调整合适后，拧紧轴承座固定螺母（11）；

2）将待获取表面图像的钢管放置于第一驱动辊（7）和第二驱动辊（6）之间上方位置，将其与第一驱动辊（7）和第二驱动辊（6）表面同时接触；松开光源系统（4）中的紧固螺母（34），手动转动线光源（36）的角度，保证光线的强度中心位于光学镜头（32）正下方的钢管表面上，然后拧紧紧固螺母（34）将线光源（36）的照射角度固定；

3）将线阵相机（29）沿直线导轨（31）移动到合适位置；

4）启动电机（23），带动第一驱动辊（7）和第二驱动辊（6）缓慢加速旋转至匀速，此时钢管在两者之间匀速旋转，然后转动镜头对焦环实现对焦，根据线阵相机的扫描帧率调整钢管旋转的速度使其成像清晰；当钢管旋转一圈即可获得整个表面图像，图像采集完成后，关闭电机（23），一次图像采集试验结束。