CN112577387A - 一种基于视觉千分尺的测量钢管内外壁及壁厚测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于视觉千分尺的测量钢管内外壁及壁厚测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一：对于同一批钢管，首先调整视觉千分尺的空间位置，使视觉千分尺的视场中心、实体或虚拟刻度尺上的表面、钢管中心平面在同一平面内，由于钢管存在椭圆度，并不是完全地回转体，使钢管外壁边缘与刻度尺垂直；步骤二：确定所用的镜头，镜头的放大倍数和景深，调整镜头的工作距离；应用本技术方案可实现对钢管的内外径及壁厚进行批量高精度全自动检测。

Description

一种基于视觉千分尺的测量钢管内外壁及壁厚测量方法

技术领域

本发明涉及一种钢管内外壁及壁厚测量领域，具体是指一种基于视觉千分尺的测量钢管内外壁及壁厚测量方法。

背景技术

目前空心管行业中各轧管长在对空心管的管端进行尺寸测量时长期靠人工用千分尺进行手动测量，测量数据偏少，对壁厚不均或椭圆度，不能给出直观的判断，测量准确性，受生产节奏，环境或量距放置方式及测量人员的主观因素影响较大。而已有的视觉检测方法，虽然提高了测量的效率、自动化程度和客观性，但是已有的计算机视觉测量方法要么达不到手工测量的精度，要么达不到手工测量的范围。已有的机器视觉方法不能兼顾测量范围，如1000毫米外径；和测量精度，如微米量级精度的矛盾。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于视觉千分尺的精密测量钢管内外壁及壁厚测量方法，实现对钢管的内外径及壁厚进行批量高精度全自动检测。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于视觉千分尺的精密测量钢管内外壁及壁厚测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：对于同一批钢管，首先调整视觉千分尺的空间位置，使视觉千分尺的视场中心、实体或虚拟刻度尺上的表面、钢管中心平面在同一平面内，由于钢管存在椭圆度，并不是完全地回转体，使钢管外壁边缘与刻度尺垂直；

步骤二：确定所用的镜头，镜头的放大倍数和景深，调整镜头的工作距离；

步骤三：激光位移传感器每一次测量壁厚及钢管内外径之前应测量此时整个视觉千分尺与钢管端面的距离，并控制视觉千分尺移动到系统中的刻度尺与基座前表面距离满足相机和镜头的工作条件；

步骤四：视觉千分尺在驱动电机的控制下移动，在移动过程中相机同时进行图像采集，并在图像处理单元进行处理，当识别到钢管边缘位置时停止移动；

步骤五：图像处理单元对获取的图像进行处理，

首先把获取的图像进行边缘提取，分别取得刻度线的边缘、钢管壁的边缘和刻度线上的数字；

任意两条长刻度线同侧边缘的间距像素为n；

上述任意两条刻度线同侧边缘的实际距离为10mm；

由此可以计算得到每个像素所代表的实际尺寸a mm：

a＝10/n (1)

每个像素所代表的实际尺寸a应满足a<10μm；

钢管边缘提取后，计算钢管边缘的像素格数N；

因此此处的钢管壁厚T；

T＝a·N (2)

钢管内壁直径d是通过在钢管不同位置获取的图像进行分析，若只有一台相机工作，则需要相机在机械臂保持恒定位置时相机的两次位置成像，对两个图像进行分析处理，第一次计算得到的钢管壁厚为T₁，第二次得到的钢管壁厚为T₂，获取的第一幅图像的钢管内边缘距离最近的长刻度线边缘的像素格数为p₁，第二幅图像的光管内边缘距离最近的长刻度线边缘的像素格数为p₂，该长刻度线所占得像素格数为p₀，两幅图像中刻度差为q，因此钢管内壁直径d：

d＝q+a·(p₁+p₂+p₀) (3)

钢管外壁D为：

D＝d+2T (4)

若同一机械臂上有两台相机工作，则需要对两台相机在两个位置获取的图像进行处理，处理方式如上述步骤五；

若同一机械臂上有四台相机工作，则需要对四台相机进行配对，对于测量外壁的两台相机作为一组，对内侧的两台相机作为一组；

步骤六：对于钢管内径，在上述步骤五中，机械臂保持在此时位置记为M₀，此时旋转角度为ω₀＝O，此时相机记录内径边缘的位置为M₀₁和M₀₂，因为此时M₀为水平位置，所以以旋转中心为坐标O点，位置M₀₁和M₀₂对应的坐标为m₀₁和m₀₂，其中，m₀₁的横坐标x₀₁为：

x₀₁＝|O-M₀₁|·cosω₀ (5)

m₀₁的纵坐标y₀₁为：

y₀₁＝(-|O-M₀₁|)·sinω₀ (6)

同理，m₀₂的横坐标x₀₂为：

x₀₂＝|O-M₀₂|·cosω₀ (7)

m₀₂的纵坐标y₀₂为：

y₀₂＝(-|O-M₀₂|)·sinω₀ (8)

对机械臂旋转任意角度ω₁，记为位置M₁，与上述同理，求出M₁位置处刻度尺和内径交点位置M₁₁和M₁₂，分别对应的坐标为m₁₁和m₁₂，m₁₁的横坐标x₁₁为：

x₁₁＝|O-M₁₁|·cosω₁ (9)

m₁₂的纵坐标y₁₂为：

y₁₂＝(-|O-M₁₂|)·sinω₁ (10)

重复上述步骤，得到N对坐标点(3≤N≤20)，通过计算单元把得到的数据拟合成一条封闭的曲线，因为所得到的钢管端面不一定为圆，所以假定拟合出来的曲线为椭圆，椭圆一般方程为：

x²+Axy+By²+Cx+Dy+E＝0 (11)

曲线拟合是使该距离的平方达到最小，即有：

使上式的距离平方和最小，则有对A,B,C,D,E的一阶偏导数为0，从而得到方程组：

可以求解上述方程组中的5个系数A,B,C,D,E，即得到椭圆方程，从而可以计算钢管端面的椭圆度。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

本发明的目的在于提供一种基于视觉千分尺的精密测量钢管内外壁及壁厚测量方法，依靠相机精准地数据获取及数据分析计算实现对钢管的内外径及壁厚进行批量高精度全自动检测，极大地提高了测量的准确性和精度。

具体实施方式

下文结合具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种基于视觉千分尺的测量钢管内外壁及壁厚测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：对于同一批钢管，首先调整视觉千分尺的空间位置，使视觉千分尺的视场中心、实体或虚拟刻度尺上的表面、钢管中心平面在同一平面内，由于钢管存在椭圆度，并不是完全地回转体，使钢管外壁边缘与刻度尺垂直；

步骤二：确定所用的镜头，镜头的放大倍数和景深，调整镜头的工作距离；

步骤三：激光位移传感器每一次测量壁厚及钢管内外径之前应测量此时整个视觉千分尺与钢管端面的距离，并控制视觉千分尺移动到系统中的刻度尺与基座前表面距离满足相机和镜头的工作条件；

步骤四：视觉千分尺在驱动电机的控制下移动，在移动过程中相机同时进行图像采集，并在图像处理单元进行处理，当识别到钢管边缘位置时停止移动；

步骤五：图像处理单元对获取的图像进行处理，

首先把获取的图像进行边缘提取，分别取得刻度线的边缘、钢管壁的边缘和刻度线上的数字；

任意两条长刻度线同侧边缘的间距像素为n；

上述任意两条刻度线同侧边缘的实际距离为10mm；

由此可以计算得到每个像素所代表的实际尺寸a mm：

a＝10/n (1)

每个像素所代表的实际尺寸a应满足a<10μm；

钢管边缘提取后，计算钢管边缘的像素格数N；

因此此处的钢管壁厚T；

T＝a·N (2)

钢管内壁直径d是通过在钢管不同位置获取的图像进行分析，若只有一台相机工作，则需要相机在机械臂保持恒定位置时相机的两次位置成像，对两个图像进行分析处理，第一次计算得到的钢管壁厚为T₁，第二次得到的钢管壁厚为T₂，获取的第一幅图像的钢管内边缘距离最近的长刻度线边缘的像素格数为p₁，第二幅图像的光管内边缘距离最近的长刻度线边缘的像素格数为p₂，该长刻度线所占得像素格数为p₀，两幅图像中刻度差为q，因此钢管内壁直径d：

d＝q+a·(p₁+p₂+p₀) (3)

钢管外壁D为：

D＝d+2T (4)

若同一机械臂上有两台相机工作，则需要对两台相机在两个位置获取的图像进行处理，处理方式如上述步骤五；

若同一机械臂上有四台相机工作，则需要对四台相机进行配对，对于测量外壁的两台相机作为一组，对内侧的两台相机作为一组；

步骤六：对于钢管内径，在上述步骤五中，机械臂保持在此时位置记为M₀，此时旋转角度为ω₀＝O，此时相机记录内径边缘的位置为M₀₁和M₀₂，因为此时M₀为水平位置，所以以旋转中心为坐标O点，位置M₀₁和M₀₂对应的坐标为m₀₁和m₀₂，其中，m₀₁的横坐标x₀₁为：

x₀₁＝|O-M₀₁|·cosω₀ (5)

m₀₁的纵坐标y₀₁为：

y₀₁＝(-|O-M₀₁|)·sinω₀ (6)

同理，m₀₂的横坐标x₀₂为：

x₀₂＝|O-M₀₂|·cosω₀ (7)

m₀₂的纵坐标y₀₂为：

y₀₂＝(-|O-M₀₂|)·sinω₀ (8)

对机械臂旋转任意角度ω₁，记为位置M₁，与上述同理，求出M₁位置处刻度尺和内径交点位置M₁₁和M₁₂，分别对应的坐标为m₁₁和m₁₂，m₁₁的横坐标x₁₁为：

x₁₁＝|O-M₁₁|·cosω₁ (9)

m₁₂的纵坐标y₁₂为：

y₁₂＝(-|O-M₁₂|)·sinω₁ (10)

重复上述步骤，得到N对坐标点(3≤N≤20)，通过计算单元把得到的数据拟合成一条封闭的曲线，因为所得到的钢管端面不一定为圆，所以假定拟合出来的曲线为椭圆，椭圆一般方程为：

x²+Axy+By²+Cx+Dy+E＝0 (11)

曲线拟合是使该距离的平方达到最小，即有：

使上式的距离平方和最小，则有对A,B,C,D,E的一阶偏导数为0，从而得到方程组：

可以求解上述方程组中的5个系数A,B,C,D,E，即得到椭圆方程，从而可以计算钢管端面的椭圆度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (1)

1.一种基于视觉千分尺的测量钢管内外壁及壁厚测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：对于同一批钢管，首先调整视觉千分尺的空间位置，使视觉千分尺的视场中心、实体或虚拟刻度尺上的表面、钢管中心平面在同一平面内，由于钢管存在椭圆度，并不是完全地回转体，使钢管外壁边缘与刻度尺垂直；

步骤二：确定所用的镜头，镜头的放大倍数和景深，调整镜头的工作距离；

步骤三：激光位移传感器每一次测量壁厚及钢管内外径之前应测量此时整个视觉千分尺与钢管端面的距离，并控制视觉千分尺移动到系统中的刻度尺与基座前表面距离满足相机和镜头的工作条件；

步骤四：视觉千分尺在驱动电机的控制下移动，在移动过程中相机同时进行图像采集，并在图像处理单元进行处理，当识别到钢管边缘位置时停止移动；

步骤五：图像处理单元对获取的图像进行处理，

首先把获取的图像进行边缘提取，分别取得刻度线的边缘、钢管壁的边缘和刻度线上的数字；

任意两条长刻度线同侧边缘的间距像素为n；

上述任意两条刻度线同侧边缘的实际距离为10mm；

由此可以计算得到每个像素所代表的实际尺寸a mm：

a＝10/n (1)

每个像素所代表的实际尺寸a应满足a<10μm；

钢管边缘提取后，计算钢管边缘的像素格数N；

因此此处的钢管壁厚T；

T＝a·N (2)

钢管内壁直径d是通过在钢管不同位置获取的图像进行分析，若只有一台相机工作，则需要相机在机械臂保持恒定位置时相机的两次位置成像，对两个图像进行分析处理，第一次计算得到的钢管壁厚为T₁，第二次得到的钢管壁厚为T₂，获取的第一幅图像的钢管内边缘距离最近的长刻度线边缘的像素格数为p₁，第二幅图像的光管内边缘距离最近的长刻度线边缘的像素格数为p₂，该长刻度线所占得像素格数为p₀，两幅图像中刻度差为q，因此钢管内壁直径d：

d＝q+a·(p₁+p₂+p₀) (3)

钢管外壁D为：

D＝d+2T (4)

若同一机械臂上有两台相机工作，则需要对两台相机在两个位置获取的图像进行处理，处理方式如上述步骤五；

若同一机械臂上有四台相机工作，则需要对四台相机进行配对，对于测量外壁的两台相机作为一组，对内侧的两台相机作为一组；

步骤六：对于钢管内径，在上述步骤五中，机械臂保持在此时位置记为M₀，此时旋转角度为ω₀＝O，此时相机记录内径边缘的位置为M₀₁和M₀₂，因为此时M₀为水平位置，所以以旋转中心为坐标O点，位置M₀₁和M₀₂对应的坐标为m₀₁和m₀₂，其中，m₀₁的横坐标x₀₁为：

x₀₁＝|O-M₀₁|·cosω₀ (5)

m₀₁的纵坐标y₀₁为：

y₀₁＝(-|O-M₀₁|)·sinω₀ (6)

同理，m₀₂的横坐标x₀₂为：

x₀₂＝|O-M₀₂|·cosω₀ (7)

m₀₂的纵坐标y₀₂为：

y₀₂＝(-|O-M₀₂|)·sinω₀ (8)

对机械臂旋转任意角度ω₁，记为位置M₁，与上述同理，求出M₁位置处刻度尺和内径交点位置M₁₁和M₁₂，分别对应的坐标为m₁₁和m₁₂，m₁₁的横坐标x₁₁为：

x₁₁＝|O-M₁₁|·cosω₁ (9)

m₁₂的纵坐标y₁₂为：

y₁₂＝(-|O-M₁₂|)·sinω₁ (10)

重复上述步骤，得到N对坐标点(3≤N≤20)，通过计算单元把得到的数据拟合成一条封闭的曲线，因为所得到的钢管端面不一定为圆，所以假定拟合出来的曲线为椭圆，椭圆一般方程为：

x²+Axy+By²+Cx+Dy+E＝0 (11)

曲线拟合是使该距离的平方达到最小，即有：

使上式的距离平方和最小，则有对A,B,C,D,E的一阶偏导数为0，从而得到方程组：

可以求解上述方程组中的5个系数A,B,C,D,E，即得到椭圆方程，从而可以计算钢管端面的椭圆度。