CN110658213B - 一种用于无缝钢管表面三维缺陷检测的无损检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢管检测技术领域，尤其为一种用于无缝钢管表面三维缺陷检测的无损检测装置，包括装置本体、电控与喷标系统、工控机与显示部分。本发明，能大大减少现有超声，漏磁，涡流等设备对小点坑的漏报，解决无缝钢管外表面三维缺陷的在线自动检测问题，适宜推广使用。

Description

一种用于无缝钢管表面三维缺陷检测的无损检测装置

技术领域

本发明涉及钢管检测技术领域，具体为一种用于无缝钢管表面三维缺陷检测的无损检测装置。

背景技术

当热轧钢管经过冷床后，表面氧化铁皮依然会有少量残余，这些氧化铁皮给表检带来很多干扰。因此，目前大部分情况下，在经过超声、漏磁或涡流等设备检测后，还需要有人工表检。人工表检主要是为了排除机器漏报，主要以凹坑为主，加上少量外折，对于外表面的缺陷主要分为凹坑，外折与裂纹三大类，常用的漏磁，超声和涡流主要针对外折与裂纹和大凹坑，对于小凹坑容易出现漏报，但国际标准API对于高标号的钢管质量要求越来越高，因此，针对上述问题提出一种用于无缝钢管表面三维缺陷检测的无损检测装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于无缝钢管表面三维缺陷检测的无损检测装置，能大大减少现有超声，漏磁，涡流等设备对小点坑的漏报，解决无缝钢管外表面三维缺陷的在线自动检测问题,以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：包括装置本体、电控与喷标系统、工控机与显示部分，其特征在于：所述装置本体包括本体安装基座、三维传感器安装基板、三维传感器安装基板上下运动电机、三维传感器、激光遮光外壳，所述电控与喷标系统包括来管光电触发开关、编码器、电控机柜、喷嘴及涂料瓶，所述电控机柜中有三维传感器上下运动电机控制器、PLC、四路三维传感器触发控制器、开关电源，所述工控机与显示部分包括一台工控机与显示器鼠标键盘。所述装置本体上设置有四个三维传感器，安装在装置本体上垂直管行进方向的45°、135°、225°、315°方向。

优选的，无缝钢管表面三维缺陷的无损检测装置具体操作为：当钢管通过装置本体时，所述来管光电触发开关触发开始检测信号，安装在辊道上的旋转编码器通过触发控制器触发四路三维传感器同时开始采集钢管表面轮廓数据，得到的轮廓数据传输到工控机，通过无损检测方法对轮廓数据进行分析，提取其中缺陷及位置，并反馈到PLC，通过PLC控制喷标系统进行喷标。、

优选的，所述装置本体在检测到缺陷后，通过控制PLC控制喷嘴喷墨，通过调节喷墨的延时时间来精确控制喷墨位置与缺陷位置的相对距离不超过10厘米。

优选的，无损检测方法包括如下步骤：

1)根据配方管径生成初始二维图像，具体的，图像的宽度W通过式W＝2πR/X_RES计算，其中R表示配方管半径，X_RES表示相机在X轴方向的分辨率，图像的高度由相机输出的管身轮廓线行数决定，图像颜色初始化为黑色；

2)根据输入点云数据，对每一行管身轮廓，利用最小二乘法拟合椭圆，得到椭圆的圆心、长轴、短轴和倾角，具体的，设平面任意位置椭圆方程为式x²+Axy+By²+Cx+Dy+E＝0，若已知椭圆轮廓上的N(N≥5)个测量点(x_i,y_i)(i＝1,2,…,N)，则依据最小二乘法原理，通过式

可以求得式x²+Axy+By²+Cx+Dy+E＝0的五个未知参数A、B、C、D、E的值，根据式

可计算出椭圆圆心坐标(x₀,y₀)，长轴a，短轴b及倾角θ；

3)利用拟合得到的椭圆信息，去除离群点，具体的，对轮廓线上每一个点(x₁,y₁)根据式

计算其到椭圆圆心(x₀,y₀)的欧式距离，将这些欧式距离作为一组样本，根据式

计算标准差，其中stdev表示样本标准差，n表示样本个数，ρ_i为第i个欧式距离样本值，

为样本均值。将欧式距离在三倍标准差以上的点作为离群点过滤；

4)对去除离群点后的数据进行投影，得到二维灰度图像，具体的，根据式

计算轮廓线上每点(x₁,y₁)到椭圆圆心(x₀,y₀)的欧式距离测量值ρ，根据式

计算该点到椭圆圆心的欧式距离理论值r，其中s通过式s＝((y₁-y₀)cosθ-(x₁-x₀)sinθ)/ρ计算，根据式

计算二维灰度图像对应的像素值pixel，其中Z_RES是相机在Z轴方向的分辨率，pixelMid是图像像素范围的中值，因此如果没有起伏，则对应像素值pixel为中值；如果是凹陷的点，则pixel为中值以下；如果是凸起的点，则pixel为中值以上；

5)对灰度图像进行中值滤波，具体的，中值滤波可以去除图像中的椒盐噪声，假设输入图像高为R，宽为C，对于图像中的任意位置(r，c)，0≤r＜R，0≤c＜C，取以(r，c)为中心，宽为w，高为h的邻域，其中w和h均为奇数，对邻域中的像素点灰度值进行排序，然后取中值，作为输出图像(r，c)处的灰度值；

6)根据设定的缺陷深度，得到二维灰度图像的二值化图像，具体的，根据式

可计算得到输入的缺陷深度设定值Z_input所对应的二维灰度图像的阈值Z_pixel，检查灰度图像对应像素值，对小于Z_pixel的凹陷型缺陷和大于Z_pixel的凸起型缺陷，将二值化图像的对应像素值设为白色，否则对应像素值为黑色，得到最终的二值化图像；

7)利用形态学处理该二值化图像，并进行连通域检测，得到二值化图像对应的缺陷信息，具体的，形态学处理方法包括腐蚀、膨胀、开运算、闭运算，腐蚀和膨胀需要选定一个特定尺寸的图像结构元，腐蚀时，在图像中从左到右移动结构元，选择结构元中的最小值作为输出图像对应像素点的值；膨胀时，与腐蚀相反，选择结构元中的最大值作为输出图像对应像素点的值，先腐蚀后膨胀的过程为开运算，先膨胀后腐蚀的过程为闭运算，对二值化图像，先利用3乘3的正方形结构元进行开运算，消除亮度较高的细小区域、在纤细点处分离物体；再利用5乘5的正方形结构元进行闭运算，填充白色物体内的细小黑色空洞、连接邻近物体，其中，连通域检测时，对二值化图像中某个像素点，其上、下、左、右及左上、右上、左下、右下的八个邻域像素点的值若与其相同均为白色，则算作连通域，对检测到的二值化图像中的全部连通域编号，并输出每个连通域对应区域的左上像素点位置(top，left)、宽度width、高度height及区域内像素点个数area，根据式Area＝area*X_RES*Y_RES可得到缺陷真实面积Area，根据式Length＝height*Y_RES可得到缺陷真实长度Length，其中Y_RES表示相机在Y轴方向的分辨率；

8)根据面积、长度、标准差等信息对缺陷进行过滤，将符合条件的缺陷上报，具体的，对于设定的最小检测面积及最大缺陷长度，可根据式Area＝area*X_RES*Y_RES及式Length＝height*Y_RES的计算结果，对不符合要求的缺陷进行过滤。对缺陷区域内的像素点可根据式

计算像素值的标准差，对不符合标准差要求的缺陷进行过滤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：使用该设备对样管反复运行，刻伤全部报出，符合用户要求，也符合API的5％壁厚要求，使用该设备后，能大大减少现有超声，漏磁，涡流等设备对小点坑的漏报，解决无缝钢管外表面三维缺陷的在线自动检测问题。

附图说明

图1为本发明一种用于无缝钢管表面三维缺陷检测的无损检测装置整体结构示意图；

图2为本发明一种用于无缝钢管表面三维缺陷检测的无损检测装置三维传感器布局图示意图；

图3为本发明一种用于无缝钢管表面三维缺陷检测的无损检测装置的点云数据处理流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：

一种用于无缝钢管表面三维缺陷检测的无损检测装置，包括装置本体、电控与喷标系统、工控机与显示部分，其特征在于：装置本体包括本体安装基座、三维传感器安装基板、三维传感器安装基板上下运动电机、三维传感器、激光遮光外壳，电控与喷标系统包括来管光电触发开关、编码器、电控机柜、喷嘴及涂料瓶，电控机柜中有三维传感器上下运动电机控制器、PLC、四路三维传感器触发控制器、开关电源，工控机与显示部分包括一台工控机与显示器鼠标键盘。

装置本体上设置有四个三维传感器，安装在装置本体上垂直管行进方向的45°、135°、225°、315°方向。

其中，无缝钢管表面三维缺陷的无损检测装置具体操作为：当钢管通过装置本体时，来管光电触发开关触发开始检测信号，安装在辊道上的旋转编码器通过触发控制器触发四路三维传感器同时开始采集钢管表面轮廓数据，得到的轮廓数据传输到工控机，通过无损检测方法对轮廓数据进行分析，提取其中缺陷及位置，并反馈到PLC，通过PLC控制喷标系统进行喷标。、

其中，装置本体在检测到缺陷后，通过控制PLC控制喷嘴喷墨，通过调节喷墨的延时时间来精确控制喷墨位置与缺陷位置的相对距离不超过10厘米。

其中，无损检测方法包括如下步骤：

1)根据配方管径生成初始二维图像，具体的，图像的宽度W通过式W＝2πR/X_RES计算，其中R表示配方管半径，X_RES表示相机在X轴方向的分辨率，图像的高度由相机输出的管身轮廓线行数决定，图像颜色初始化为黑色；

2)根据输入点云数据，对每一行管身轮廓，利用最小二乘法拟合椭圆，得到椭圆的圆心、长轴、短轴和倾角，具体的，设平面任意位置椭圆方程为式x²+Axy+By²+Cx+Dy+E＝0，若已知椭圆轮廓上的N(N≥5)个测量点(x_i,y_i)(i＝1,2,…,N)，则依据最小二乘法原理，通过式

可以求得式x²+Axy+By²+Cx+Dy+E＝0的五个未知参数A、B、C、D、E的值，根据式

可计算出椭圆圆心坐标(x₀,y₀)，长轴a，短轴b及倾角θ；

3)利用拟合得到的椭圆信息，去除离群点，具体的，对轮廓线上每一个点(x₁,y₁)根据式

计算其到椭圆圆心(x₀,y₀)的欧式距离，将这些欧式距离作为一组样本，根据式

计算标准差，其中stdev表示样本标准差，n表示样本个数，ρ_i为第i个欧式距离样本值，

为样本均值。将欧式距离在三倍标准差以上的点作为离群点过滤；

4)对去除离群点后的数据进行投影，得到二维灰度图像，具体的，根据式

计算轮廓线上每点(x₁,y₁)到椭圆圆心(x₀,y₀)的欧式距离测量值ρ，根据式

计算该点到椭圆圆心的欧式距离理论值r，其中s通过式s＝((y₁-y₀)cosθ-(x₁-x₀)sinθ)/ρ计算，根据式

计算二维灰度图像对应的像素值pixel，其中Z_RES是相机在Z轴方向的分辨率，pixelMid是图像像素范围的中值，因此如果没有起伏，则对应像素值pixel为中值；如果是凹陷的点，则pixel为中值以下；如果是凸起的点，则pixel为中值以上；

5)对灰度图像进行中值滤波，具体的，中值滤波可以去除图像中的椒盐噪声，假设输入图像高为R，宽为C，对于图像中的任意位置(r，c)，0≤r＜R，0≤c＜C，取以(r，c)为中心，宽为w，高为h的邻域，其中w和h均为奇数，对邻域中的像素点灰度值进行排序，然后取中值，作为输出图像(r，c)处的灰度值；

6)根据设定的缺陷深度，得到二维灰度图像的二值化图像，具体的，根据式

可计算得到输入的缺陷深度设定值Z_input所对应的二维灰度图像的阈值Z_pixel，检查灰度图像对应像素值，对小于Z_pixel的凹陷型缺陷和大于Z_pixel的凸起型缺陷，将二值化图像的对应像素值设为白色，否则对应像素值为黑色，得到最终的二值化图像；

7)利用形态学处理该二值化图像，并进行连通域检测，得到二值化图像对应的缺陷信息，具体的，形态学处理方法包括腐蚀、膨胀、开运算、闭运算，腐蚀和膨胀需要选定一个特定尺寸的图像结构元，腐蚀时，在图像中从左到右移动结构元，选择结构元中的最小值作为输出图像对应像素点的值；膨胀时，与腐蚀相反，选择结构元中的最大值作为输出图像对应像素点的值，先腐蚀后膨胀的过程为开运算，先膨胀后腐蚀的过程为闭运算，对二值化图像，先利用3乘3的正方形结构元进行开运算，消除亮度较高的细小区域、在纤细点处分离物体；再利用5乘5的正方形结构元进行闭运算，填充白色物体内的细小黑色空洞、连接邻近物体，其中，连通域检测时，对二值化图像中某个像素点，其上、下、左、右及左上、右上、左下、右下的八个邻域像素点的值若与其相同均为白色，则算作连通域，对检测到的二值化图像中的全部连通域编号，并输出每个连通域对应区域的左上像素点位置(top，left)、宽度width、高度height及区域内像素点个数area，根据式Area＝area*X_RES*Y_RES可得到缺陷真实面积Area，根据式Length＝height*Y_RES可得到缺陷真实长度Length，其中Y_RES表示相机在Y轴方向的分辨率；

8)根据面积、长度、标准差等信息对缺陷进行过滤，将符合条件的缺陷上报，具体的，对于设定的最小检测面积及最大缺陷长度，可根据式Area＝area*X_RES*Y_RES及式Length＝height*Y_RES的计算结果，对不符合要求的缺陷进行过滤。对缺陷区域内的像素点可根据式

计算像素值的标准差，对不符合标准差要求的缺陷进行过滤。

为了更好的验证该设备的可行性，作出如下实验：

选用lmi公司的gocator 2340型号三维激光传感器，测量钢管直径范围从114-254mm，其中传感器布局图(如图2所示)，距离中心XXmm，呈45°，135°，225°，315°方向分布，这样能保证从114mm到254mm管型都能完整测量管身360°外表面。编码器安装在辊道线上，编码器信号接入lmi公司的Master 810控制器上，控制四台gocator 2340同时采集。每个编码器脉冲触发一次轮廓线采集，通过自行开发的软件将轮廓线拼接成完成圆弧，并对圆弧进行椭圆拟合。

采用不锈钢基板用于固定gocator 2340，基板通过直线电机控制其上下运动，选用西门子PLC用于接收光电开关信号，采用研华工控机作为控制主机。

最终，设备通过了严格的验收要求，具体验收过程如下：在139.7毫米壁厚7.72mm的样管上使用火花刻伤仪加工三组直径5.7mm，深度0.38mm的圆形刻伤，每组刻伤径向角度相差120°，使用该设备对样管反复运行20次，刻伤全部报出，符合用户要求，也符合API的5％壁厚要求。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种无缝钢管表面三维缺陷的检测方法，其特征在于：所述检测方法使用的无损检测装置包括装置本体、电控与喷标系统、工控机与显示部分；所述装置本体包括本体安装基座、三维传感器安装基板、三维传感器安装基板上下运动电机、四个三维传感器、激光遮光外壳；所述电控与喷标系统包括来管光电触发开关、编码器、电控机柜、喷嘴及涂料瓶；所述电控机柜中有三维传感器安装基板上下运动电机控制器、PLC、四路三维传感器触发控制器、开关电源；所述工控机与显示部分包括一台工控机、显示器、鼠标与键盘；

当钢管通过装置本体时，所述来管光电触发开关触发开始检测信号，安装在辊道上的旋转编码器通过四路三维传感器触发控制器触发四个三维传感器同时开始采集钢管表面轮廓数据，得到的轮廓数据传输到工控机，通过无损检测方法对轮廓数据进行分析，提取其中缺陷及缺陷位置，并反馈到PLC，通过PLC控制喷标系统进行喷标；

所述无损检测方法包括如下步骤：

1)根据配方管径生成初始二维图像，具体的，图像的宽度W通过式W＝2πR/X_RES计算，其中R表示配方管半径，X_RES表示相机在X轴方向的分辨率，图像的高度由相机输出的管身轮廓线行数决定，图像颜色初始化为黑色；

2)根据输入点云数据，对每一行管身轮廓，利用最小二乘法拟合椭圆，得到椭圆的圆心、长轴、短轴和倾角，具体的，设平面任意位置椭圆方程为式x²+Axy+By²+Cx+Dy+E＝0，已知椭圆轮廓上的N个测量点(x_i,y_i)，其中，N≥5，i＝1,2,…,N，依据最小二乘法原理，通过式

求得式x²+Axy+By²+Cx+Dy+E＝0的五个未知参数A、B、C、D、E的值，根据式

计算出椭圆圆心坐标(x₀,y₀)，长轴a，短轴b及倾角θ；

3)利用拟合得到的椭圆信息，去除离群点，具体的，对轮廓线上每一个点(x₁,y₁)根据式

计算其到椭圆圆心(x₀,y₀)的欧式距离，将这些欧式距离作为一组样本，根据式

算标准差，其中stdev表示样本标准差，n表示样本个数，ρ_i为第i个欧式距离样本值，

为样本均值，将欧式距离在三倍标准差以上的点作为离群点过滤；

4)对去除离群点后的数据进行投影，得到二维灰度图像，具体的，根据式

计算轮廓线上每一个点(x₁,y₁)到椭圆圆心(x₀,y₀)的欧式距离测量值ρ，根据式

计算该点到椭圆圆心的欧式距离理论值r，其中s通过式s＝((y₁- y₀)cosθ-(x₁-x₀)sinθ)/ρ计算，根据式

计算二维灰度图像对应的像素值pixel，其中Z_RES是相机在Z轴方向的分辨率，pixelMid是图像像素范围的中值，因此如果没有起伏，则对应像素值pixel为中值；如果是凹陷的点，则pixel为中值以下；如果是凸起的点，则pixel为中值以上；

5)对灰度图像进行中值滤波，具体的，中值滤波用于去除图像中的椒盐噪声，假设输入图像高为R，宽为C，对于图像中的任意位置(r，c)，0≤r＜R，0≤c＜C，取以(r，c)为中心，宽为w，高为h的邻域，其中w和h均为奇数，对邻域中的像素点灰度值进行排序，然后取中值，作为输出图像(r，c)处的灰度值；

6)根据设定的缺陷深度，得到二维灰度图像的二值化图像，具体的，根据式

计算得到输入的缺陷深度设定值Z_input所对应的二维灰度图像的阈值Z_pixel，检查灰度图像对应像素值，对小于Z_pixel的凹陷型缺陷和大于Z_pixel的凸起型缺陷，将二值化图像的对应像素值设为白色，否则对应像素值为黑色，得到最终的二值化图像；

7)利用形态学处理该二值化图像，并进行连通域检测，得到二值化图像对应的缺陷信息，具体的，形态学处理方法包括腐蚀、膨胀、开运算、闭运算，腐蚀和膨胀需要选定一个特定尺寸的图像结构元，腐蚀时，在图像中从左到右移动结构元，选择结构元中的最小值作为输出图像对应像素点的值；膨胀时，与腐蚀相反，选择结构元中的最大值作为输出图像对应像素点的值，先腐蚀后膨胀的过程为开运算，先膨胀后腐蚀的过程为闭运算，对二值化图像，先利用3乘3的正方形结构元进行开运算，消除亮度较高的细小区域、在纤细点处分离物体；再利用5乘5的正方形结构元进行闭运算，填充白色物体内的细小黑色空洞、连接邻近物体，其中，连通域检测时，对二值化图像中某个像素点，其上、下、左、右及左上、右上、左下、右下的八个邻域像素点的值若与其相同均为白色，则算作连通域，对检测到的二值化图像中的全部连通域编号，并输出每个连通域对应区域的左上像素点位置、宽度width、高度height及区域内像素点个数area，根据式Area＝area*X_RES*Y_RES得到缺陷真实面积Area，根据式Length＝height*Y_RES得到缺陷真实长度Length，其中Y_RES表示相机在Y轴方向的分辨率；

8)根据面积、长度、标准差对缺陷进行过滤，将符合条件的缺陷上报，具体的，对于设定的最小检测面积及最大缺陷长度，根据式Area＝area*X_RES*Y_RES及式Length＝height*Y_RES的计算结果，对不符合要求的缺陷进行过滤，对缺陷区域内的像素点根据式

计算像素值的标准差，对不符合标准差要求的缺陷进行过滤。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：四个三维传感器安装在装置本体上垂直管行进方向平面内的45°、135°、225°、315°方向。

3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述装置在检测到缺陷后，通过控制PLC控制喷嘴喷墨，通过调节喷墨的延时时间来精确控制喷墨位置与缺陷位置的相对距离不超过10厘米。

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