CN112595244B - 一种基于激光与工业相机的管道质量检测装置及其方法 - Google Patents

一种基于激光与工业相机的管道质量检测装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光与工业相机的管道质量检测装置及其方法，包括调试对中阶段；利用工业相机在小于焦距的位置处成像突然变模糊的特点让本装置先移动到刚聚焦的初始位置处；在相对位置初评处即用工业相机拍下管道入口处的形状，用于管道厚度的评估；管道外径检测模块和内径检测模块同时、分别对不同断面相应参数进行检测，内径不同位置处的测量通过电缸推杆的移动实现，外径不同位置的检测通过机器人末端在Z轴上的移动实现，外径检测时支承式气缸需通气使软体吸盘吸附在管道外表面，当周向方向一个位姿检测完毕，转动一定角度，实现第二个位姿的内径和外径测量。本发明可用于钢管、塑料管等不同类型圆管的外径与内径尺寸大小及均匀性检测。

Description

一种基于激光与工业相机的管道质量检测装置及其方法
技术领域
本发明涉及管道质量检测技术，特别是一种基于激光与工业相机的管道质量检测装置及其方法。
背景技术
管道检测是管道质量控制的重要环节。其中，由于钢管生产工艺复杂，在热力、能源、危险品输运等高温高压领域较广，因而其质量控制更加严格，这样的话管道检测就成了管道质量控制的重要环节。目前由于钢管检测以人工检测居多，工作量大，次品检出率较低，目前已有对钢管外径、内径、厚度、直线度、缺陷等不同参数进行检测的专用自动化装置。但这类装置一般只对单个参数进行检测，集成度较低，且设备占地面积较大，需要专用的送料和下料装置，测试设备可移动性较差。现有设备对管道尺寸的测量原理多基于机械原理，设备较复杂，重量较大。超声波检测多用于探伤，不同角度管道尺寸的具体测量应用较少。并且，现有设备在钢管尺寸检测时多只考虑其平均值的测量，对周向管道内径、外径、厚度的不均匀性考虑较少，且对其超差程度的评估未结合不同使用场合进行区分。当需要对周向参数进行测量时，通常需设置管道的旋转装置，这对于长距离钢管检测而言能耗较高，且长期使用后很难保证首尾动作的同步性；如截取部分钢管进行测量，则属于有损检测，检测效率受限、成本也高。因此，提出一种管道质量检测装置、检测方法与评价指标。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种可以用于钢管、塑料管等不同类型圆管的外径与内径尺寸大小及均匀性检测装置及其方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种基于激光与工业相机的管道质量检测装置，包括用以与机器人末端连接的连接件、管道内径检测模块、管道外径检测模块和管道厚度检测模块，所述的管道厚度检测模块包括第一工业相机和位于圆形法兰板前侧的安装板，所述的安装板的后侧面与圆形法兰板之间通过沿圆形法兰板轴线方向设置的至少两根支撑柱相连；所述的安装板的前侧面中心为止处设置有用以获取管道厚度信息以及管道内径检测模块测得的内径信息的第一工业相机，该第一工业相机的镜头与圆形法兰板同轴设置；
所述的管道内径检测模块包括轴向电动气缸和至少一根伸缩式导杆，所述的轴向电动气缸和至少一根伸缩式导杆均固设在安装板的前侧面上，且轴向电动气缸和至少一根伸缩式导杆沿周向环绕着第一工业相机设置；所述的轴向电动气缸的活塞杆伸缩端和至少一根伸缩式导杆的伸缩端均固设于柔性检测模块安装板上，该柔性检测模块安装板与圆形法兰板同轴设置；所述的柔性检测模块安装板上沿其周向均布有至少一个用以对管道内径检测的柔性检测模块；所述的柔性检测模块包括第一径向电动气缸、弹簧、测量尖端和刻度尺，所述的第一径向电动气缸的活塞杆伸缩端与弹簧的一端固连，弹簧的另一端与用以抵在管道内圆周面上的测量尖端；所述的测量尖端的一侧设置有与之相互平行且前端刻度最大后端刻度最小的刻度尺；所述的刻度尺的前端通过指针与测量尖端的侧面固连；所述的刻度尺的后端可滑动地插入第一径向电动气缸缸体上开设的滑槽内；上述至少两个柔性检测模块中第一径向电动气缸的进气口均与进气主管连通，至少两个柔性检测模块中第一径向电动气缸的排气口均与排气主管连通；
所述的管道外径检测模块包括用以套设在管道外且前大后小的圆锥状壳体，所述的圆锥状壳体与圆形法兰板同轴设置，该圆锥状壳体的后侧面通过沿其周向均布的截面为L形的多个连接板与圆形法兰板的圆周面相连；所述的圆锥状壳体的前侧设置有沿其周向均布的多个向前发生光束的激光发生器，每个激光发生器发出的光束均汇聚于同一圆心上，且每个激光发生器发出的光束与圆形法兰板的轴线之间的锐角等于圆锥状壳体的锥度；上述每个激光发生器均通过激光发生器安装板与喇叭状壳体的前侧面固连；所述的多个激光发生器前侧设置有沿周向均布多个用以获取管道外周面上激光光斑成像信息的第二工业相机，多个第二工业相机的数量及位置与多个激光发生器的数量及位置一一对应；每个第二工业相机的镜头轴线均沿径向设置，每个第二工业相机均通过连接组件与圆锥状壳体的圆锥面固连。
还包括装置固定模块，所述的装置固定模块包括位于多个第二工业相机前侧且沿周向均布的多个第二径向电动气缸，每个所述的第二径向电动气缸的活塞杆伸缩端与用以吸附固定在管道外周面上的吸盘固连，每个所述的第二径向电动气缸均通过第二折弯连杆与第一折弯连杆固连。
所述的连接组件包括第二连接杆和相机安装座，所述的第二工业相机可沿轴向滑动地安装于相机安装座上，相机安装座通过第二连接杆与圆锥状壳体的圆锥面固连。
相邻所述的两个第二工业相机固连在一起。
一种基于激光与工业相机的管道质量检测方法，步骤包括：
调试对中阶段：调试阶段主要使本装置与管道中心线保持同心；
利用工业相机在小于焦距的位置处成像突然变模糊的特点让本装置先移动到刚聚焦的初始位置处，此时工业相机与管道中心的位置直接为相机的焦距；
在相对位置初评处即用工业相机拍下管道入口处的形状，用于管道厚度的评估；
管道外径检测模块和内径检测模块同时、分别对不同断面相应参数进行检测，内径不同位置处的测量通过电缸推杆的移动实现，外径不同位置的检测通过机器人末端在Z轴上的移动实现，外径检测时支承式气缸需通气使软体吸盘吸附在管道外表面，当周向方向一个位姿检测完毕，转动一定角度，实现第二个位姿的内径和外径测量。
调试对中阶段采用如下方法：
1)将外推气缸排气，使其处于缩回状态；电缸处于缩回的初始状态
2)机器人末端搭载本装置靠近被检测管道的入口处；
3)通过工业相机初步判断并引导本装置使柔性检测模块进入管道内部；
4)基于显示屏的机器人位姿调试对中过程：机器人采用工具坐标系使本装置沿Z轴方向移动，打开斜置阵列激光发射器和水平阵列式矩形相机，沿管道方向选取三个等距断面，在第一个断面上微调机器人位姿，使显示屏外径测量区光斑距中心的位置总体最小，即初步对中；
精确对中时以轴向同一位置多个姿态下外径测量区光斑读数的标准差最小为准：采用Halcon机器视觉软件、基于卷积神经网络算法CNN对各相机获得的图像进行处理，得到各图像中光斑中心的坐标，采用Matlab软件读取Halcon处理得到的图片及计算结果，基于Matlab编程通过下图中激光发射器安装尺寸和角度、距机器人末端法兰中心的径向距离、激光发射器与相机的水平距离进而得到管道外径的大小2rij，
Figure GDA0003899915680000031
式中，rij为圆周方向第j个断面第i个测点距管道中心的距离；h0为激光发生器中心离机器人末端中心的距离；s为激光发生器中心离机器人末端中心的距离矩形相机近端的水平距离；b为光斑中心距近端的距离；h1为激光发生器中心离矩形相机底端的垂直距离；α为激光发生器轴线与机器人末端中心轴的夹角；
在此基础上，编程计算得到各测点光斑读数的标准差，并将结果回传到显示屏上；
当各测点管道外径标准差达到最小值时，停止机器人末端姿态的调整，将此时圆周方向不同相位处各测点测到的外径平均值作为管道轴向方向该位置处的管道直径
Figure GDA0003899915680000032
其中，rij为圆周方向第j个断面第i个测点距管道中心的距离；n为第j断面上的测点数；
在第一断面上初步对中以后，将机器人末端保持该位姿沿Z轴移动到下一断面，看光斑变化及管道外径标准差数值显示情况，局部微调；机器人末端保持该位姿沿Z轴移动到下一断面，看光斑变化情况，然后再退回到第一断面，看光斑变化，使三个断面的光斑距中心的位置总体均匀且最小，此时认为机器人末端连接件的轴线与管道外表面中心线共线，实现对中。由于内径检测模块与外径检测模块采用焊接连接，认为内径检测模块也与管道外表面的中线共线；以管道外表面为基准，管道内表面是否与外表面同心通过后续测量成像结果判定。
步骤4)还包括：在仪器测试阶段反复测试，通过人工智能算法得到不同情况下机器人位姿智能调中的程序包；或者通过大数据训练，依据三个等距断面上的光斑点云数据通过第三方软件构建管道三维拟合模型，再得到适宜的中心线左边，直接回传给机器人；或者采用双目相机判断管道入口处的相对位置。
还包括评价指标计算，所述评价指标计算包括以下的一项或者几项：
克里琴森均匀度：
管道周向尺寸均匀度和轴向尺寸均匀度分别采用公式(1)和公式(2)表示：
Figure GDA0003899915680000041
式中，n为周向管道外径或内径测点数；i为测点编号；xi为第i个测点的尺寸参数；
Figure GDA0003899915680000042
为被测参数外径D、内径d或厚度td的均值；公式(1)用于离散测点均匀度的测定，当对工业相机拍照得到的管道厚度进行处理时，根据管道的外轮廓和内轮廓采用最小二乘法拟合得到外圆和内圆的轮廓直径，再按外径测点数进行离散取点，采用公式(1)进一步得到相机观测到的厚度均匀度；
Figure GDA0003899915680000043
式中，m为轴向管道外径或内径测量断面数；j为测量断面编号；xj为第i个测量断面的尺寸参数平均值；
Figure GDA0003899915680000044
为被测参数在各断面上的平均值；
在对管道进行综合评价时，可以对周向和轴向两个方向的结果进行加权平均，得到公式(3).式中权重w1和w2根据具体应用场合使用需要确定；
CU＝w1CUcircular+w2CUaxial (3)
1/10分布均匀度DU1/10(％)：
热力领域、能源领域、油气与化学品输运领域管道压力通常较高，当局部厚度低容易产生渗漏或泄露导致管道末端压力上不去，严重时或受水锤冲击时可能产生管道爆裂损坏系统、威胁到人身安全、造成环境污染；因此需关注厚度的小值区；分布均匀度DU关注最小值区域的情况，计算公式如下：
Figure GDA0003899915680000051
式中，
Figure GDA0003899915680000052
指管道外径、内径或厚度较小的n/10个测点观测值的平均值(高温高压高热管道，或者危险品输运管道可采用n/20)；
统计均匀度Us(％)：
统计均匀度Us计算公式如公式(5)所示：
US＝1-Cv (5)
Figure GDA0003899915680000053
Figure GDA0003899915680000054
式中，Cv为变差系数，Sx为管道各测点测量值的标准差；变差系数越大，统计均匀度越低，尺寸均匀性越小；
内外表面同心度ρ：
Figure GDA0003899915680000055
式中，O1和O2分别为内径和外径的圆心位置，通过测量结果拟合得到；D为各测点外径平均值；
直线度H：
管道外表面和内表面的直线度可以采用公式(2)或公式(7)，基于轴线上各断面的测量结果平均值进行计算；直线度度量还需考虑倾斜度，以管道外表面数据点拟合到的中心线为基准，对管道内表面的直线度进行评估；先在不同测量断面上依据测点采用最小二乘法拟合得到管道内表面的轮廓圆，由轮廓圆确定管道内表面中心；根据不同断面的内表面中心拟合得到中心线；计算管道内表面拟合中心线与管道外表面的夹角α，夹角越大，如下式所示直线度H越小；
Figure GDA0003899915680000061
表面缺陷定义：
单点缺陷：
Figure GDA0003899915680000062
式中，ri为圆周方向第i个测点距管道中心的距离；
综合缺陷：
Figure GDA0003899915680000063
可以定义当fi>5％时该点存在表面缺陷；综合缺陷F既考虑尺寸不达标的测点处理，又考虑欠尺寸或过尺寸程度的平均值；具体指标的数值大小取值标准根据不同场合实测结果和用户需求决定。
相比于现有技术，本发明的优点在于：
①建立了管道尺寸测量结构、测量方法、评估指标、智能化改进的完整技术体系。评估指标能使用不同应用场合。
②管道外径检测采用45°斜置阵列激光发射器和水平阵列式矩形相机能够得到多个测点的管道外径和轴向坐标两个尺寸。
③管道内径检测采用柔性检测模块，外推气缸加弹簧的方法提高本装置初始深入位置对管道内部的适应性；测量尖端、指针和与抽拉倒置型游标卡尺方便管道内径的读数，同时一定程度上提高弹簧缓冲部位的刚性。
④矩形相机轴线方向长条形结构的设置以及电缸、外推气缸加弹簧的结构使得本装置能够适应不同尺寸管道外径和内径的检测。
⑤结合机器人控制方式、电缸编码器的传感特点以及多参数可视化显示屏对本装置进行对中和姿态调节，提高检测效率，降低操作难度。
⑥多参数可视化显示屏能够对周向不同角度外径、内径、厚度测量结果进行实时显示，便于即刻对管道质量进行判断。
⑦本装置可以在不旋转、不损伤管道的情况下对多项尺寸参数和表面缺陷进行检测，使设备对现场的适应性增强，结构紧凑，成本降低。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为测量结果显示模块结构示意图。
图3为外径计算示意图。
图4为本发明供气示意图。
图中：1、机器人末端连接件 2、管道内径检测模块 3、管道外径检测模块 4、管道厚度检测模块 5、装置固定模块 5-1四个径向布置的气缸 5-2软体吸盘 6、测量结果显示模块 7、一级支撑杆 8、圆形连接板 9、二级推进电缸 10、末端固定板 11、柔性检测模块11-1、外推气缸 11-2、弹簧 11-3、测量尖端 11-4、指针 11-5、倒置型游标卡尺 12、喇叭形连接件 13、斜置阵列激光发射器 14、水平阵列式矩形相机 15、连接装置 16、电缸 17、被动导杆 18、凹槽 19、固定用肋板 20、进气干管 21、排气干管 22、圆柱部分 23、锥状部分24、扇形模块 25、凹型安装板 26、柔性肋条 27、第一多段式垂直折杆 28、第二多段式垂直折杆 29、内径检测图像 30、显示屏 31、厚度检测图像 32、x-y曲线 33、螺栓。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
如图1所示，本发明提供的基于激光及工业相机的钢管外径与内径检测装置能够检测圆管的外径、内径、厚度的尺寸及均匀性，可以安装于机器人末端。装置由机器人末端连接件1、管道内径检测模块2、管道外径检测模块3、管道厚度检测模块4、装置固定模块5、测量结果显示模块6构成。其中，机器人末端连接件采用圆形法兰；管道内径检测模块包括：固定于末端固定板上的三个由外推气缸11-1、弹簧11-2、测量尖端11-3、指针11-4和倒置型游标卡尺11-5构成的柔性检测模块11。管道外径检测模块包括喇叭形连接件12、斜置阵列激光发射器13、水平阵列式矩形相机14及其连接装置15。所述矩形相机与激光发射器数目相同，其中心一一对应地布置在同一平面内。管道厚度检测模块采用工业相机，通过螺纹安装于圆形法兰内侧的中心。装置固定模块采用四个径向布置的气缸5-1，其末端连接软体吸盘5-2，工作时吸附在管道外表面。测量结果显示模块将内径测量结果、外径检测结果和厚度检测结果径向呈现于一个屏幕上。本发明能够适应不同直径管道以及管道入口处一定深度范围内的检测，本发明的轴心与管道的轴心能够柔性适应并依据测量结果显示模块的结果进行微调；内径、外径、厚度同时检测，并且采用阵列激光和阵列相机提高检测效率。在圆周范围内通过2～3个位姿的调整可以实现对检测范围的全覆盖，降低漏检率。
管道内径检测模块中的一级支撑杆为环形布置的三条支撑杆，两端采用螺纹连接与机器人末端连接件和圆形连接板一侧固定。二级推进电缸采用螺纹固定于圆形连接板的另外一侧。二级推进电缸包括一个电缸16和另外两个同样形状的被动导杆17，既保证有动力，又减轻本装置的重量。电缸与两个被动导杆采用环形均匀布置。其中电缸由电机驱动，且带编码器，能够通过标定反馈电缸的位移以标识柔性检测模块中检测对象——管道内径检测点的深度。电缸与两个被动导杆的另一端采用螺纹连接于末端固定板的内侧。末端固定板内侧环形地均布有用于管道内径检测的三个柔性检测模块。三个柔性检测模块采用环形均匀布置，每个柔性检测模块包括一个外推气缸11-1、连接于外推气缸末端的弹簧11-2、弹簧末端的测量尖端11-3、测量尖端侧边设置的指针11-4和与指针采用铆接固定的抽拉倒置型游标卡尺11-5。外推气缸末端设置弹簧的目的在于一方面能够实现对不同尺寸管道内径的测量，同时保证本装置在与管道轴线处未完全对中或者管道内径不均匀时测量末端的柔性，提高装置适应性，减少对管道避免和机器人以及本装置的损伤。倒置型游标卡尺一方面可以随动测量管道内径，另一方面能够减小弹簧因测量过程中因各类侧向应力造成的形变和损伤，提高柔性检测模块刚度以及反复检测时的测量精度。
外推气缸缸筒侧面设置凹槽18，作为倒置型游标卡尺的导轨。倒置型游标卡尺末端读数最小，当外推气缸活塞杆带动指针和倒置型游标卡尺向外伸出时，管道内径的读数从凹槽末端开口处和刚露出的倒置型游标卡尺标示线相交处读数，采用工业相机拍照读取。这样能保证不同直径管道测量时读数的准确性，减小读数误差。外推气缸与弹簧始端、弹簧末端与测量尖端均采用刚度较强的铁丝连接固定，测量尖端与指针采用一体化设计。三个外推气缸采用定制，侧边设置安装固定用肋板19，肋板与末端固定板采用螺纹连接。三个外推气缸均采用尾部进气，前端上方排气的方式以节约空间。为保证三个外推气缸动作的同步性，如图4所示,采用位于末端固定板轴线方向上共同的进气干管20和排气干管21供气，且两个气口安装位置避开管道内径检测位置，以免挡住工业相机的实现。通过电缸及两个被动导杆的带动，柔性检测模块能够实现对管道轴线方向不同位置处的内径检测。
管道外径检测模块中喇叭形连接件包括圆柱部分22和锥状部分23，均采用薄壳结构。其圆柱部分的底面中间处采用中空结构，其切口处焊接于机器人末端连接件侧面；圆柱部分由五个扇形模块24构成，其相互之间留有一定间距，减小装置自重，同时作为观察窗口便于观察管道内径检测模块的工作情况。当采用本装置对管道的内径和外径进行检测时采用机器人末端逐步将圆柱部分内表面顶到管道入口处。圆柱部分另一侧采用开口结构，与锥状部分小端采用焊接。锥状部分锥度为45°，其大端末端垂直安装有20个凹型安装板25，每个凹型安装板中间通过柔性肋条26和螺纹连接将激光发生器、凹型安装板与锥状部分末端进行固定；凹型安装板底端低、顶端高，底端用于放置激光发生器的顶紧，同时保证激光能顺利射出，顶端用于防止不同位姿下激光发生器的掉落。每个斜置激光发生器与机器人末端连接件轴线(测量时可视为管道中心线)成45°。平行于机器人末端连接件轴线的下游对应高度处设有矩形相机，其沿轴线方向的长度远大于其宽度，目的在于可以对不同尺寸的管道外径进行测量。当管道外径大于设计外径时，成像在矩形相机的较近端；当管道外径小于设计外径时，成像在矩形相机的较远端。矩形相机的宽度略大于激光发生器的直径，目的在于当测量位置管道外侧较粗糙发生局部隆起出现斜面时，也能进行测量。矩形相机采用第一多段式垂直折杆27与喇叭形连接件锥状部分外侧相连；第一多段式垂直折杆与矩形相机的连接端采用螺纹连接、与喇叭形连接件锥状部分外侧的连接采用焊接。由于第一多段式垂直折杆是悬臂梁，阵列式矩形相机相互之间中间的侧边采用螺栓连接33。第一多段式垂直折杆末端焊接有第二多段式垂直折杆28用于连接支承式气缸，其末端连接软体吸盘，工作时吸附在管道外表面，对斜置阵列激光发射器和水平阵列式矩形相机起到支撑固定的作用，减小外界扰动的影响。考虑到自重，支承式气缸环形布置四个。软体吸盘能够较好地吸附于管道外部的曲面上，由于软体吸盘只是起到抓持固定的作用，不通真空，只通过气缸的推力和软体材料与管道外表面吸附固定。软体吸盘使支承式气缸能够适应于不同外径管道测量时的抓持固定，管道外外表面本身起到限位作用，而软体吸盘起到缓冲作用。软体吸盘通过连接件与支承式气缸活塞杆末端采用螺纹连接，支承式气缸与第二多段式垂直折杆顶端采用螺栓连接。
如图2所示，测量结果显示模块集成到机器人示教器或工业现场触摸屏上，并将内径测量结果、外径检测结果和厚度检测结果径向呈现于一个屏幕上，同时将数据上传到使用企业的云端。其靠近中心处显示由工业相机拍照得到的三个柔性检测模块的内径检测图像29，其外侧环形地均布有与矩形相机尺寸一致的显示屏30，用于显示外径检测光斑图像；二者之间的空白位置显示厚度检测图像31。以上三个显示区具有记忆功能，历史数据同时调看和显示以及独立显示的功能，调看历史参数时每个参数至少能同时显示三组数据(对应三个相邻的测量断面或者测量时刻)。显示屏周向设有与角度的刻度和显示结果的编号。显示屏上的信息不仅用于管道质量评估，并且用于指导机器人末端位姿的调整。每组数据显示时，测量时间以及内径和外径检测点沿管道入口处的位置也会显示在屏幕中。外径检测位置轴向坐标通过激光光斑成像结果平均值、激光射出点和矩形相机轴线方向安装距离和激光射出角度45°换算得到。当工业相机测量区完全进入管道之前，根据管道入口位置内径拍照成像结果和实际值的对比换算得到相机位置，再根据电缸编码器反馈读数和本装置尺寸得到内径检测位置的轴向坐标；当工业相机测量区完全进入管道以后，内径检测位置轴向坐标依据刚进入管道时的相机位置计算结果、本装置尺寸和后续测量到的电缸编码器反馈读数计算得到。厚度检测结果通过工业相机检测结果求平均后得到。为进一步分析测量结果，可以将屏幕中轴线方向同一测量位置处的外径、内径、厚度的检测结果沿不同相位角以x-y曲线32进行显示，横轴为相位角的大小，便于不同管道断面结果的比对，以及不同批次产品质量的对比，指导工艺改进。
本装置调试及检测方法：
(1)调试对中阶段。调试阶段主要使本装置与管道中心线保持同心。采用如下方法：
①将外推气缸排气，使其处于缩回状态；电缸处于缩回的初始状态；
②机器人末端搭载本装置靠近被检测管道的入口处；
③通过工业相机初步判断并引导本装置使柔性检测模块进入管道内部；
④基于显示屏的机器人位姿调试对中过程。机器人采用工具坐标系使本装置沿Z轴方向移动，打开斜置阵列激光发射器和水平阵列式矩形相机。沿管道方向选取三个等距断面，在第一个断面上微调机器人位姿，使显示屏外径测量区光斑距中心的位置总体最小(即初步对中)。
初步对中采用人眼观察初步调节定位和软件信息处理精确定位相结合。人眼观察时调节机器人末端位姿使显示屏中各相位的分屏上光斑围成的形状接近圆形且面积最小。软件精确对中时以轴向同一位置多个姿态下外径测量区光斑读数的标准差最小为准。采用Halcon机器视觉软件、基于卷积神经网络算法CNN对各相机获得的图像(光斑形状为椭圆形)进行处理，得到各图像中光斑中心的坐标，采用Matlab软件读取Halcon处理得到的图片及计算结果，基于Matlab编程通过图3中激光发射器安装尺寸和角度、距机器人末端法兰中心的径向距离、激光发射器与相机的水平距离进而得到管道外径的大小2rij，rij如下式所示
Figure GDA0003899915680000101
式中，rij为圆周方向第j个断面第i个测点距管道中心的距离；h0为激光发生器中心离机器人末端中心的距离；s为激光发生器中心离机器人末端中心的距离矩形相机近端的水平距离；b为光斑中心距近端(即显示屏30上对应显示区底边)的距离；h1为激光发生器中心离矩形相机底端的垂直距离；α为激光发生器轴线与机器人末端中心轴的夹角。
在此基础上，编程计算得到各测点光斑读数的标准差，并将结果回传到显示屏30上。当各测点管道外径标准差达到最小值时，停止机器人末端姿态的调整，将此时圆周方向不同相位处各测点测到的外径平均值作为管道轴向方向该位置处的管道直径，如下面的公式所示
Figure GDA0003899915680000111
式中，rij为圆周方向第j个断面第i个测点距管道中心的距离；n为第j断面上的测点数。
在第一断面上初步对中以后，将机器人末端保持该位姿沿Z轴移动到下一断面，看光斑变化及管道外径标准差数值显示情况，局部微调；机器人末端保持该位姿沿Z轴移动到下一断面，看光斑变化情况，然后再退回到第一断面，看光斑变化，使三个断面的光斑距中心的位置总体均匀且最小，此时认为机器人末端连接件的轴线与管道外表面中心线共线，实现对中。由于内径检测模块与外径检测模块采用焊接连接，认为内径检测模块也与管道外表面的中心线共线。以管道外表面为基准，管道内表面是否与外表面同心通过后续测量成像结果判定。
对步骤④的改进包括：1)在仪器测试阶段反复测试，通过人工智能算法得到不同情况下机器人位姿智能调中的程序包；2)通过大数据训练，依据三个等距断面(或更多断面，如果算力允许)上的光斑点云数据通过第三方软件构建管道三维拟合模型(类似激光3D扫描和逆向成型)，再得到适宜的中心线左边，直接回传给机器人。3)采用双目相机判断管道入口处的相对位置。目前方案二激光3D扫描和逆向成型已较为成熟，应用中计算速度、通讯速度以及程序上和机器人传统编程的融合需考虑优化。方案三为使装置紧凑需选用尺寸较小的相机或者定制。
(2)相对位置初评(移动到初始位置)。对管道进行测量时，各项测量结果需转换到管道圆柱形坐标系下。传统方式管道入口处对机器人的轴向位置很难获得。一方面用户坐标系标定太耗费时间，且管道中心难找；另一方面采用激光测距或者红外测距则管道厚度窄、弧形布置，不同管径测量时位置发生变化。本发明利用工业相机在小于焦距的位置处成像突然变模糊的特点让本装置先移动到刚聚焦的初始位置处，此时工业相机与管道中心的位置直接为相机的焦距。此后柔性检测模块不论前移还是后移都可通过电缸的编码器换算得到。
(3)厚度检测。本装置在相对位置初评处即用工业相机拍下管道入口处的形状，用于管道厚度的评估。
(4)外径与内径同时检测。管道外径检测模块和内径检测模块可以同时、分别对不同断面相应参数进行检测。内径不同位置处的测量通过电缸推杆的移动实现，外径不同位置的检测通过机器人末端在Z轴上的移动实现。外径检测时支承式气缸需通气使软体吸盘吸附在管道外表面。当周向方向一个位姿检测完毕，转动一定角度，实现第二个位姿的内径和外径测量。
更进一步地，本装置可以根据实际需要对本装置进行改进或者简化。1)如外径检测也用电缸和导杆推动，实现内径、外径检测在同一断面上的同步，但要考虑悬臂梁的情况及电缸承受弯矩的能力。2)对于小内径管道的检测，可以将三个外推气缸简化为2个或者1个，合理布置以以使其紧凑，通过多角度变化测量。3)管道内径检测模块中圆形连接板可以安装在伺服电机轴的末端，伺服电机尾部用安装板与一级支撑杆相连，通过该伺服电机旋转代替机器人末端旋转便于对不同角度的管道内径进行校测。或对内径检测模块气动系统进行集成化、一体化设计。电缸也采用定制，使其既满足要求又节约尺寸。上述改进都在本发明的保护范围内。
管道检测评价指标：
管道质量检测时一般采用人工检测，只抽样检测2-3个角度管道的内径和外径，取均值或最小值和标准值进行对比评价。一方面难以反映360°内不同位置的情况，厚度均匀性不易马上计算得到；另一方面轴向不同断面处的尺寸均匀性结果很难反映。采用以下三个指标供不同场合选用；
(1)克里琴森均匀度
管道周向尺寸均匀度和轴向尺寸均匀度分别采用公式(1)和公式(2)表示：
Figure GDA0003899915680000121
式中，n为周向管道外径或内径测点数；i为测点编号；xi为第i个测点的尺寸参数；
Figure GDA0003899915680000122
为被测参数(外径D、内径d或厚度td)的均值。公式(1)用于离散测点均匀度的测定。当对工业相机拍照得到的管道厚度进行处理时，根据管道的外轮廓和内轮廓采用最小二乘法拟合得到外圆和内圆的轮廓直径，再按外径测点数进行离散取点，采用公式(1)进一步得到相机观测到的厚度均匀度。
Figure GDA0003899915680000123
式中，m为轴向管道外径或内径测量断面数；j为测量断面编号；xj为第i个测量断面的尺寸参数平均值；
Figure GDA0003899915680000124
为被测参数在各断面上的平均值。
在对管道进行综合评价时，可以对周向和轴向两个方向的结果进行加权平均，得到公式(3).式中权重w1和w2根据具体应用场合使用需要确定。
CU＝w1CUcircular+w2CUaxial (3)
(2)1/10分布均匀度DU1/10(％)
热力领域、能源领域、油气与化学品输运领域管道压力通常较高，当局部厚度低容易产生渗漏或泄露导致管道末端压力上不去，严重时或受水锤冲击时可能产生管道爆裂损坏系统、威胁到人身安全、造成环境污染。因此需关注厚度的小值区。分布均匀度DU关注最小值区域的情况，计算公式如下：
Figure GDA0003899915680000131
式中，
Figure GDA0003899915680000132
指管道外径、内径或厚度较小的n/10个测点观测值的平均值(高温高压高热管道，或者危险品输运管道可采用n/20)。
(3)统计均匀度Us(％)
统计均匀度Us计算公式如公式(5)所示：
US＝1-Cv (5)
Figure GDA0003899915680000133
Figure GDA0003899915680000134
式中，Cv为变差系数，Sx为管道各测点测量值的标准差。变差系数越大，统计均匀度越低，尺寸均匀性越小。
上述三个指标选用时，一般管道的外径和内径会影响和上一级、下一级管道的适配和安装，不合适会产生泄露；管道内径会影响实际流量；管道厚度大小会影响承压能力。实际使用时根据不同应用场合可以对上述三个指标都进行计算，结合用户的接受情况进行选择，建议对厚度的评价选用较严格的指标，如1/10分布均匀度DU1/10。
(4)内外表面同心度ρ
Figure GDA0003899915680000135
式中，O1和O2分别为内径和外径的圆心位置，通过测量结果拟合得到；D为各测点外径平均值。
(5)直线度H
管道外表面和内表面的直线度可以采用公式(2)或公式(7)，基于轴线上各断面的测量结果平均值进行计算。直线度度量还需考虑倾斜度，以管道外表面数据点拟合到的中心线为基准，对管道内表面的直线度进行评估。1)先在不同测量断面上依据测点采用最小二乘法拟合得到管道内表面的轮廓圆，由轮廓圆确定管道内表面中心；2)根据不同断面的内表面中心拟合得到中心线；3)计算管道内表面拟合中心线与管道外表面的夹角α，夹角越大，如下式所示直线度H越小。
Figure GDA0003899915680000141
(6)表面缺陷定义
单点缺陷：
Figure GDA0003899915680000142
式中，ri为圆周方向第i个测点距管道中心的距离。
综合缺陷：
Figure GDA0003899915680000143
可以定义当fi>5％时该点存在表面缺陷。综合缺陷F既考虑尺寸不达标的测点处理，又考虑欠尺寸或过尺寸程度的平均值。具体指标的数值大小取值标准根据不同场合实测结果和用户需求决定。

Claims (8)

1.一种基于激光与工业相机的管道质量检测装置，其特征在于：包括用以与机器人末端连接的连接件、管道内径检测模块、管道外径检测模块和管道厚度检测模块，所述的管道厚度检测模块包括第一工业相机和位于圆形法兰板前侧的安装板，所述的安装板的后侧面与圆形法兰板之间通过沿圆形法兰板轴线方向设置的至少两根支撑柱相连；所述的安装板的前侧面中心为止处设置有用以获取管道厚度信息以及管道内径检测模块测得的内径信息的第一工业相机，该第一工业相机的镜头与圆形法兰板同轴设置；
所述的管道内径检测模块包括轴向电动气缸和至少一根伸缩式导杆，所述的轴向电动气缸和至少一根伸缩式导杆均固设在安装板的前侧面上，且轴向电动气缸和至少一根伸缩式导杆沿周向环绕着第一工业相机设置；所述的轴向电动气缸的活塞杆伸缩端和至少一根伸缩式导杆的伸缩端均固设于柔性检测模块安装板上，该柔性检测模块安装板与圆形法兰板同轴设置；
所述的柔性检测模块安装板上沿其周向均布有至少一个用以对管道内径检测的柔性检测模块；所述的柔性检测模块包括第一径向电动气缸、弹簧、测量尖端和刻度尺，所述的第一径向电动气缸的活塞杆伸缩端与弹簧的一端固连，弹簧的另一端与用以抵在管道内圆周面上的测量尖端；所述的测量尖端的一侧设置有与之相互平行且前端刻度最大后端刻度最小的刻度尺；所述的刻度尺的前端通过指针与测量尖端的侧面固连；所述的刻度尺的后端可滑动地插入第一径向电动气缸缸体上开设的滑槽内；上述至少两个柔性检测模块中第一径向电动气缸的进气口均与进气主管连通，至少两个柔性检测模块中第一径向电动气缸的排气口均与排气主管连通；
所述的管道外径检测模块包括用以套设在管道外且前大后小的圆锥状壳体，所述的圆锥状壳体与圆形法兰板同轴设置，该圆锥状壳体的后侧面通过沿其周向均布的截面为L形的多个连接板与圆形法兰板的圆周面相连；所述的圆锥状壳体的前侧设置有沿其周向均布的多个向前发生光束的激光发生器，每个激光发生器发出的光束均汇聚于同一圆心上，且每个激光发生器发出的光束与圆形法兰板的轴线之间的锐角等于圆锥状壳体的锥度；上述每个激光发生器均通过激光发生器安装板与喇叭状壳体的前侧面固连；所述的多个激光发生器前侧设置有沿周向均布多个用以获取管道外周面上激光光斑成像信息的第二工业相机，多个第二工业相机的数量及位置与多个激光发生器的数量及位置一一对应；每个第二工业相机的镜头轴线均沿径向设置，每个第二工业相机均通过连接组件与圆锥状壳体的圆锥面固连。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光与工业相机的管道质量检测装置，其特征在于：还包括装置固定模块，所述的装置固定模块包括位于多个第二工业相机前侧且沿周向均布的多个第二径向电动气缸，每个所述的第二径向电动气缸的活塞杆伸缩端与用以吸附固定在管道外周面上的吸盘固连，每个所述的第二径向电动气缸均通过第二折弯连杆与第一折弯连杆固连。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光与工业相机的管道质量检测装置，其特征在于：所述的连接组件包括第二连接杆和相机安装座，所述的第二工业相机可沿轴向滑动地安装于相机安装座上，相机安装座通过第二连接杆与圆锥状壳体的圆锥面固连。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光与工业相机的管道质量检测装置，其特征在于：相邻所述的两个第二工业相机固连在一起。
5.一种基于激光与工业相机的管道质量检测方法，应用在如权利要求1所述的一种基于激光与工业相机的管道质量检测装置，其特征在于步骤包括：
调试对中阶段：调试阶段主要使基于激光与工业相机的管道质量检测装置与管道中心线保持同心；
利用工业相机在小于焦距的位置处成像突然变模糊的特点让本装置先移动到刚聚焦的初始位置处，此时工业相机与管道中心的位置直接为相机的焦距；
在相对位置初评处即用工业相机拍下管道入口处的形状，用于管道厚度的评估；
管道外径检测模块和内径检测模块同时、分别对不同断面相应参数进行检测，内径不同位置处的测量通过电缸推杆的移动实现，外径不同位置的检测通过机器人末端在Z轴上的移动实现，外径检测时支承式气缸需通气使软体吸盘吸附在管道外表面，当周向方向一个位姿检测完毕，转动一定角度，实现第二个位姿的内径和外径测量。
6.根据权利要求5所述的一种基于激光与工业相机的管道质量检测方法，其特征在于所述调试对中阶段采用如下步骤：
1)将外推气缸排气，使其处于缩回状态；电缸处于缩回的初始状态；
2)机器人末端搭载本装置靠近被检测管道的入口处；
3)通过工业相机初步判断并引导本装置使柔性检测模块进入管道内部；
4)基于显示屏的机器人位姿调试对中过程：机器人采用工具坐标系使本装置沿Z轴方向移动，打开斜置阵列激光发射器和水平阵列式矩形相机，沿管道方向选取三个等距断面，在第一个断面上微调机器人位姿，使显示屏外径测量区光斑距中心的位置总体最小，即初步对中；
精确对中时以轴向同一位置多个姿态下外径测量区光斑读数的标准差最小为准：采用Halcon机器视觉软件、基于卷积神经网络算法CNN对各相机获得的图像进行处理，得到各图像中光斑中心的坐标，采用Matlab软件读取Halcon处理得到的图片及计算结果，基于Matlab编程通过激光发射器安装尺寸和角度、距机器人末端法兰中心的径向距离、激光发射器与相机的水平距离进而得到管道外径的大小2rij，
Figure FDA0003899915670000031
式中，rij为圆周方向第j个断面第i个测点距管道中心的距离；h0为激光发生器中心离机器人末端中心的距离；s为激光发生器中心离机器人末端中心的距离矩形相机近端的水平距离；b为光斑中心距近端的距离；h1为激光发生器中心离矩形相机底端的垂直距离；α为激光发生器轴线与机器人末端中心轴的夹角；
在此基础上，编程计算得到各测点光斑读数的标准差，并将结果回传到显示屏上；
当各测点管道外径标准差达到最小值时，停止机器人末端姿态的调整，将此时圆周方向不同相位处各测点测到的外径平均值作为管道轴向方向该位置处的管道直径
Figure FDA0003899915670000032
其中，rij为圆周方向第j个断面第i个测点距管道中心的距离；n为第j断面上的测点数；
在第一断面上初步对中以后，将机器人末端保持该位姿沿Z轴移动到下一断面，看光斑变化及管道外径标准差数值显示情况，局部微调；机器人末端保持该位姿沿Z轴移动到下一断面，看光斑变化情况，然后再退回到第一断面，看光斑变化，使三个断面的光斑距中心的位置总体均匀且最小，此时认为机器人末端连接件的轴线与管道外表面中心线共线，实现对中，由于内径检测模块与外径检测模块采用焊接连接，认为内径检测模块也与管道外表面的中线共线；以管道外表面为基准，管道内表面是否与外表面同心通过后续测量成像结果判定。
7.根据权利要求6所述的一种基于激光与工业相机的管道质量检测方法，其特征在于所述步骤4)还包括：在仪器测试阶段反复测试，通过人工智能算法得到不同情况下机器人位姿智能调中的程序包；或者通过大数据训练，依据三个等距断面上的光斑点云数据通过第三方软件构建管道三维拟合模型，再得到适宜的中心线左边，直接回传给机器人；或者采用双目相机判断管道入口处的相对位置。
8.根据权利要求5所述的一种基于激光与工业相机的管道质量检测方法，其特征在于还包括评价指标计算，所述评价指标计算包括以下的一项或者几项：
克里琴森均匀度：
管道周向尺寸均匀度和轴向尺寸均匀度分别采用公式(1)和公式(2)表示：
Figure FDA0003899915670000033
式中，n为周向管道外径或内径测点数；i为测点编号；xi为第i个测点的尺寸参数；
Figure FDA0003899915670000041
为被测参数外径D、内径d或厚度td的均值；公式(1)用于离散测点均匀度的测定，当对工业相机拍照得到的管道厚度进行处理时，根据管道的外轮廓和内轮廓采用最小二乘法拟合得到外圆和内圆的轮廓直径，再按外径测点数进行离散取点，采用公式(1)进一步得到相机观测到的厚度均匀度；
Figure FDA0003899915670000042
式中，m为轴向管道外径或内径测量断面数；j为测量断面编号；xj为第i个测量断面的尺寸参数平均值；
Figure FDA0003899915670000043
为被测参数在各断面上的平均值；
在对管道进行综合评价时，可以对周向和轴向两个方向的结果进行加权平均，得到公式(3)，式中权重w1和w2根据具体应用场合使用需要确定；
CU＝w1CUcircular+w2CUaxial (3)
1/10分布均匀度DU1/10(％)：
热力领域、能源领域、油气与化学品输运领域管道压力通常较高，当局部厚度低容易产生渗漏或泄露导致管道末端压力上不去，严重时或受水锤冲击时可能产生管道爆裂损坏系统、威胁到人身安全、造成环境污染；因此需关注厚度的小值区；分布均匀度DU关注最小值区域的情况，计算公式如下：
Figure FDA0003899915670000044
式中，
Figure FDA0003899915670000045
指管道外径、内径或厚度较小的n/10个测点观测值的平均值，高温高压高热管道，或者危险品输运管道可采用n/20；
统计均匀度Us(％)：
统计均匀度Us计算公式如公式(5)所示：
US＝1-Cv(5)
Figure FDA0003899915670000046
Figure FDA0003899915670000051
式中，Cv为变差系数，Sx为管道各测点测量值的标准差；变差系数越大，统计均匀度越低，尺寸均匀性越小；
内外表面同心度ρ：
Figure FDA0003899915670000052
式中，O1和O2分别为内径和外径的圆心位置，通过测量结果拟合得到；D为各测点外径平均值；
直线度H：
管道外表面和内表面的直线度可以采用公式(2)或公式(7)，基于轴线上各断面的测量结果平均值进行计算；直线度度量还需考虑倾斜度，以管道外表面数据点拟合到的中心线为基准，对管道内表面的直线度进行评估；先在不同测量断面上依据测点采用最小二乘法拟合得到管道内表面的轮廓圆，由轮廓圆确定管道内表面中心；根据不同断面的内表面中心拟合得到中心线；计算管道内表面拟合中心线与管道外表面的夹角α，夹角越大，如下式所示直线度H越小；
Figure FDA0003899915670000053
表面缺陷定义：
单点缺陷：
Figure FDA0003899915670000054
式中，ri为圆周方向第i个测点距管道中心的距离；
综合缺陷：
Figure FDA0003899915670000055
可以定义当fi>5％时该点存在表面缺陷；综合缺陷F既考虑尺寸不达标的测点处理，又考虑欠尺寸或过尺寸程度的平均值；具体指标的数值大小取值标准根据不同场合实测结果和用户需求决定。
CN202011391721.1A 2020-12-02 2020-12-02 一种基于激光与工业相机的管道质量检测装置及其方法 Active CN112595244B (zh)

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