[發明專利]一種用于無縫鋼管表面三維缺陷檢測的無損檢測裝置

有效

• 申請號: 201910939301.3
• 申請日: 2019-09-30
• 公開（公告）號: CN110658213B
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發明（設計）人: 劉小楠;聶建華;竇曼莉
• 申請（專利權）人: 合肥公共安全技術研究院
• 主分類號: G01N21/952
• 分類號: G01N21/952
• 代理公司: 合肥東邦滋原專利代理事務所(普通合伙) 34155
• 代理人: 張海燕

1.一種無縫鋼管表面三維缺陷的檢測方法，其特征在于：所述檢測方法使用的無損檢測裝置包括裝置本體、電控與噴標系統、工控機與顯示部分；所述裝置本體包括本體安裝基座、三維傳感器安裝基板、三維傳感器安裝基板上下運動電機、四個三維傳感器、激光遮光外殼；所述電控與噴標系統包括來管光電觸發開關、編碼器、電控機柜、噴嘴及涂料瓶；所述電控機柜中有三維傳感器安裝基板上下運動電機控制器、PLC、四路三維傳感器觸發控制器、開關電源；所述工控機與顯示部分包括一臺工控機、顯示器、鼠標與鍵盤；

當鋼管通過裝置本體時，所述來管光電觸發開關觸發開始檢測信號，安裝在輥道上的旋轉編碼器通過四路三維傳感器觸發控制器觸發四個三維傳感器同時開始采集鋼管表面輪廓數據，得到的輪廓數據傳輸到工控機，通過無損檢測方法對輪廓數據進行分析，提取其中缺陷及缺陷位置，并反饋到PLC，通過PLC控制噴標系統進行噴標；

所述無損檢測方法包括如下步驟：

1)根據配方管徑生成初始二維圖像，具體的，圖像的寬度W通過式W＝2πR/X_RES計算，其中R表示配方管半徑，X_RES表示相機在X軸方向的分辨率，圖像的高度由相機輸出的管身輪廓線行數決定，圖像顏色初始化為黑色；

2)根據輸入點云數據，對每一行管身輪廓，利用最小二乘法擬合橢圓，得到橢圓的圓心、長軸、短軸和傾角，具體的，設平面任意位置橢圓方程為式x²+Axy+By²+Cx+Dy+E＝0，已知橢圓輪廓上的N個測量點(x_i,y_i)，其中，N≥5，i＝1,2,…,N，依據最小二乘法原理，通過式求得式x²+Axy+By²+Cx+Dy+E＝0的五個未知參數A、B、C、D、E的值，根據式計算出橢圓圓心坐標(x₀,y₀)，長軸a，短軸b及傾角θ；

3)利用擬合得到的橢圓信息，去除離群點，具體的，對輪廓線上每一個點(x₁,y₁)根據式計算其到橢圓圓心(x₀,y₀)的歐式距離，將這些歐式距離作為一組樣本，根據式算標準差，其中stdev表示樣本標準差，n表示樣本個數，ρ_i為第i個歐式距離樣本值，為樣本均值，將歐式距離在三倍標準差以上的點作為離群點過濾；

4)對去除離群點后的數據進行投影，得到二維灰度圖像，具體的，根據式計算輪廓線上每一個點(x₁,y₁)到橢圓圓心(x₀,y₀)的歐式距離測量值ρ，根據式計算該點到橢圓圓心的歐式距離理論值r，其中s通過式s＝((y₁- y₀)cosθ-(x₁-x₀)sinθ)/ρ計算，根據式計算二維灰度圖像對應的像素值pixel，其中Z_RES是相機在Z軸方向的分辨率，pixelMid是圖像像素范圍的中值，因此如果沒有起伏，則對應像素值pixel為中值；如果是凹陷的點，則pixel為中值以下；如果是凸起的點，則pixel為中值以上；

5)對灰度圖像進行中值濾波，具體的，中值濾波用于去除圖像中的椒鹽噪聲，假設輸入圖像高為R，寬為C，對于圖像中的任意位置(r，c)，0≤r＜R，0≤c＜C，取以(r，c)為中心，寬為w，高為h的鄰域，其中w和h均為奇數，對鄰域中的像素點灰度值進行排序，然后取中值，作為輸出圖像(r，c)處的灰度值；

6)根據設定的缺陷深度，得到二維灰度圖像的二值化圖像，具體的，根據式計算得到輸入的缺陷深度設定值Z_input所對應的二維灰度圖像的閾值Z_pixel，檢查灰度圖像對應像素值，對小于Z_pixel的凹陷型缺陷和大于Z_pixel的凸起型缺陷，將二值化圖像的對應像素值設為白色，否則對應像素值為黑色，得到最終的二值化圖像；

7)利用形態學處理該二值化圖像，并進行連通域檢測，得到二值化圖像對應的缺陷信息，具體的，形態學處理方法包括腐蝕、膨脹、開運算、閉運算，腐蝕和膨脹需要選定一個特定尺寸的圖像結構元，腐蝕時，在圖像中從左到右移動結構元，選擇結構元中的最小值作為輸出圖像對應像素點的值；膨脹時，與腐蝕相反，選擇結構元中的最大值作為輸出圖像對應像素點的值，先腐蝕后膨脹的過程為開運算，先膨脹后腐蝕的過程為閉運算，對二值化圖像，先利用3乘3的正方形結構元進行開運算，消除亮度較高的細小區域、在纖細點處分離物體；再利用5乘5的正方形結構元進行閉運算，填充白色物體內的細小黑色空洞、連接鄰近物體，其中，連通域檢測時，對二值化圖像中某個像素點，其上、下、左、右及左上、右上、左下、右下的八個鄰域像素點的值若與其相同均為白色，則算作連通域，對檢測到的二值化圖像中的全部連通域編號，并輸出每個連通域對應區域的左上像素點位置、寬度width、高度height及區域內像素點個數area，根據式Area＝area*X_RES*Y_RES得到缺陷真實面積Area，根據式Length＝height*Y_RES得到缺陷真實長度Length，其中Y_RES表示相機在Y軸方向的分辨率；

8)根據面積、長度、標準差對缺陷進行過濾，將符合條件的缺陷上報，具體的，對于設定的最小檢測面積及最大缺陷長度，根據式Area＝area*X_RES*Y_RES及式Length＝height*Y_RES的計算結果，對不符合要求的缺陷進行過濾，對缺陷區域內的像素點根據式計算像素值的標準差，對不符合標準差要求的缺陷進行過濾。