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基于机器视觉的非接触式螺纹参数测量系统图文精
2008年 第4期管 道 技 术 与 设 备
Pipeline Technique and Equipment2008 No14
收稿日期:
2007-08-26 收修改稿日期:
2008-04-24
基于机器视觉的非接触式螺纹参数测量系统
袁鹏斌
1,2
袁宗明1,欧阳志英
2
(1.西南石油大学,四川成都 610500;2.上海海隆石油管材研究所,上海 200941
摘要:
文中采用光机电一体化的思想,将光源、CCD、计算机等有机结合,开发了一种基于面阵CCD技术的石油管螺纹参数智能化测量系统。
生产现场测量结果表明:
该系统具有重复性好、精度高、检测速度快等优点,此外,此系统具有抗环境光及振动干扰,可操作性强等特点,适用于各种规格钢管外螺纹参数的在线测量。
关键词:
机器视觉;非接触式;螺纹参数;测量
中图分类号:
TG85 文献标识码:
B 文章编号:
1004-9614(200804-0020-03
Non2contactThreadMeasuringInstrumentBasedonMachineVision
YUANPeng2bin
1,2
YUANZong2ming1,OUYANGZhi2ying
2
(1.SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China;
2.ShanghaiHilongPetroleumTubularGoodsResearchInstitute,Shanghai200941,China
Abstract:
Anoilpipethreadparameterautomaticmeasuringinstrumentbasedonmachinevision,whichisdesignedaftertheconceptofoptical2mechanical2electricalintegration,isdevelopedandintroduced.Industrialtrialresultsshowthat,comparedwithconventionalmanualmethod,thisonehassuchadvantagesasahigherstabilityandafastermeasurementspeed.Additionally,thisinstrumenthaveotherfavorablecharacteristics,forexample,highanti2vibrationandenvironmentallightinterferenceability,easytooperate,andapplicabletotheon2lineoutsidethreadparametermeasurementforvarioustypesofsteelpipe.Keywords:
machinevision;non2contact;threadparameter;measuring0 引言
石油管螺纹不仅有API专用螺纹,还根据密封性和高抗扭矩等要求,开发了许多特殊螺纹。
传统的接触式测量方法不仅精度低,易引起人为误差,而且效率低,通常只能对产品进行抽检,易造成不合格产品进入市场,造成巨大的经济损失。
为此,迫切需要自动的螺纹检测设备来保证产品的质量。
基于机器视觉的测量系统由于具有智能化、高精度、高效率等优点而成为研究的热点,在半导体、电子、农业、汽车等行业的应用不断扩大[1-8]。
但在国内,尚无能直接应用于100%检测螺纹参数的生产线,石油管螺纹参数现场检测多采用螺纹量规、塞规、螺纹单项仪等量具来进行。
基于机器视觉的非接触式螺纹参数测量系统,能100%在线检测。
以API标准中参数的1/4为设计参数标准,一次能测量多个参数。
系统具有较好的适应环境能力,如抗环境光干扰、抗振动及操作简单等。
该系统的成功研制与应用结束了石油管螺纹用螺纹量规计量传递检测的历史,该系统获得了国家实用新型专利[9]。
1 系统组成及工作原理
测量系统由近红外准直光源、被测品定位器、光学接收器、面阵CCD与驱动器及电源、图像采集卡、数据处理软件、操控软件、显示器及输出设备等组成。
测量时,管道外螺纹经照明系统照明后成像于面阵CCD接收靶面上,由面阵CCD完成图像的光电转换及视频信号输出功能。
视频信号由图像卡转化为数字量,计算机对该数字图像按
照算法作处理后,计算出螺纹的齿高、牙型角、螺距、锥度及中径等参数。
测量过程中,监视器可以实时显示检测处理过程,以便操作者监控。
1.1 成像技术
采用LED半导体发光二极管作为近红外光源,加上均匀光漫散射器、光学准直投射器及滤光器等,得到高均匀性准直投射光束。
改善了光照的均匀性,提高了图像边缘的清晰度。
采用斜方棱镜组合将光束平移,实现4路CCD成像测试所需空间光束。
采用4路面阵CCD分段接收管螺纹的图像,将图像放大,提高测量精度。
1.2 高精度端面定位技术
通过分析管螺纹加工方法与测量精度要求,进行大量定位测试,最终确定以被测件管端面为测量定位面的测量方法。
测试时,被测螺纹管放入精确定位装置中,螺纹管的车削端面作为加工基准面,该面和系统定位装置的标准面吻合,稳定后即可测试。
由于被测石油管端面与管螺纹在加工时为同一定位面、同一转轴,因此,管端面定位与被测螺纹自身定位效果等同。
该方法具有定位稳定可靠、重复性好、便于校准等特点。
该螺纹端面高精度定位装置获得了专利授权
[10]
。
1.3 抗环境干扰设计
测量环境的温度变化、杂散光及振动等对测量系统的测量结果有直接影响。
环境温度如果偏离设计温度5℃以上,就会引起金属结构件与光学件的结构应力严重失配,影响成像质量,甚至造成光学件破裂。
而杂散光的存在会对测试精度及测试稳定性产生较大影响,光强度越强影像越大。
振动会大大降
第4期
袁鹏斌等:
基于机器视觉的非接触式螺纹参数测量系统
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低系统的测量精度及准确性。
为此,采用了有针对性的措施来改善。
如在金属结构件与光学件间加上缓压环,选择热应力小的铸件与石英玻璃等材料作结构件;选择红外光源,系统加滤光器、仪器采用密封结构等措施;而设计的吊装半自动人工定位装置基本消除了振动对系统造成的影响。
2 图像处理2.1 图像平滑
在成像、数字化及传输等过程中难免受到各种噪声干扰。
因此,就要进行滤波处理,平滑图像。
图像平滑处理的方法视其噪声本身的特性而定。
系统采用邻域平均法加以削除。
2.2 图像增强
图像平滑虽然可以消除随机噪声的影响,但在一定程度上也使图像变得模糊,因此,需要进行图像边缘的增强。
灰度修正是图像在空间域中简单而有效的增强办法。
它能使图像具有期望的灰度分布,从而有选择的突出所需要的图像特征[11]。
2.3 边缘的提取
边缘检测算子有许多种,如Roberts、Sobel、Prewitt、LOG等。
通过比较几种算子的边缘提取效果(如图1所示,可以看出
Roberts算子的检测定位精度较高,边缘非常清晰。
系统选定该
算子来提取边缘
。
2.4 图像分割
图像分割实际上就是将前景与背景区分出来,又称为二值化处理。
通过比较常用的阈值法包括P-参数法、自适应参数法及OTSU法的处理效果。
采用OTSU法分割,能非常清晰的分辨出螺纹图像前景和背景,处理效果稳定性非常好。
故采用该法进行分割处理。
3 软件设计
采用模块化的设计思想和面向对象的技术,在VC++610的环境下,对基于机器视觉的管螺纹参数测量系统进行软件开发。
主要有图像采集、图像处理、图像存储打印等。
(1图像采集模块分为参数设置、图像采集、图像显示等子
模块。
(2图像处理模块根据采集的图像实时地对图像进行必要
的处理和计算,从而判别待测螺纹尺寸是否合格,同时检测系统将检测的结果存储,并为运动传输带步进电机设置剔除步数,实现待测螺纹图象的调入、存储、处理、分类等的自动化。
(3设计了自动标定程序,结合标准具可自动完成标定。
(4对于多种管型,采用模块化设计,更换相应模块即可对
不同规格的石油管进行测量。
4 系统的应用情况
将研制系统在某油田套管精加工厂进行了静态测量及动态测量。
4.1 静态测量结果
在车间有振动、噪音的情形下,选取一支进口螺纹(5.5英寸圆螺纹,奥钢联生产,1英寸=2154cm,将测头平躺放置在车间内空地,被测管放入测头,重复进行10次静态检测,结果如表1所示。
表1 非接触式螺纹参数测量系统静态测试结果
项目齿高
/mm螺距
/mm牙型角
/(°锥度
/mrad中径
/mm非接触法极大值非接触法极小值11800117993117031165601966017464107631641371131371125非接触法极差
01001010050122014301005API标准
0115301152371801396系统设计标准
<01038
01038
0175
<210
01099
可以看出,在静态下,检测数据稳定,无论是齿高、螺距、牙型角、锥度还是中径,10次测量值极差都很小,特别是齿高,只有01001mm,这说明采用机器测量的测量重复性非常好。
但从测量时间来看,常规方法即使是专业人员测量一件也需要数十
min,而采用该法测量只需数s即可完成,效率显著提高。
4.2 动态测量结果
在车间现场有振动、噪音的情形下,选取多支工厂加工的套管,在生产线上对每只钢管的外螺纹参数重复进行10次动态检测,同时专业人员使用量规和单项仪对这些钢管进行检测。
由于呈现相似的规律,在此只对一支套管的10次测量结果进行统计,如表2所示。
表2 不同测量方法测量结果比较
项目齿高
/mm螺距
/mm牙型角
/(°锥度
/mrad中径
/mm非接触法平均值手工法平均值11764111768431165131167960122160126261179361171713710141361999非接触法极差手工法极差010*******
010*******
01281161
0191112
010*******
非接触法方差手工法方差
211×10-6218×10-4719×10-6614×10-4
619×10-30115
418×10-20111
514×10-5411×10-4
从表2中可以看到,两种方法测得螺纹参数的平均值基本接近,这说明非接触法测量数据的准确性很好,但两者的极差和方差相差较大。
这表明与手工法相比,采用非接触式测量的数据更为稳定,重复性更好,因此,采用非接触法动态测量的结果
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PipelineTechniqueandEquipment
Jul12008
无论是精确性还是重复性都要优于手工测量,达到了设计标准。
5 结束语
测量系统在结构件的材料、光学系统及软件等多方面的独特设计,使该系统具有良好的适应环境能力,确保了测量数据的精确性与准确性。
在线检测实践证明:
该系统测试效率高、精度高、一次能测多项螺纹参数,能够实现100%在线检测,防止了不合格管子的漏检,保障了产品质量,能有效避免油田事故的发生,且操作简单,获得了用户的好评,且具有良好的应用价值。
进一步降低该装置的质量及体积将使它的应用更为广泛。
参考文献:
[1] EDINBAR
- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- 基于 机器 视觉 接触 螺纹 参数 测量 系统 图文