[发明专利]一种基于视觉检测的螺旋焊管管线外径测量装置和方法

权利要求书

1.一种基于视觉检测的螺旋焊管管线外径测量装置，包括工业相机1，工业相机2，网格标定靶标，线激光发生器，悬臂，导轨，升降机构，测量平台，其特征在于：工业相机1、工业相机2、网格标定靶标、线激光发生器、悬臂、导轨固定在测量平台上；线激光发生器产生的激光平面垂直于水平面，与导轨的方向垂直；工业相机1与升降机构相连接，通过升降机构固定在导轨的滑块上，其中心光轴与导轨的方向平行，垂直于线激光发生器产生的激光平面；工业相机2通过悬臂固定在测量平台上，工业相机2的中心光轴在线激光发生器产生的激光平面内，并与水平面相垂直；网格标定靶标放置在所述的线激光发生器产生的激光平面内，与工业相机1的中心光轴垂直，网格标定靶标竖直方向的中心线与导轨的中心线在同一个平面内。

2.根据权利要求1所述的基于视觉检测的螺旋焊管管线外径测量装置，其特征在于：所述的工业相机1的镜头和激光发生器的激光平面的垂直距离为400～1400mm。

3.根据权利要求1所述的基于视觉检测的螺旋焊管管线外径测量装置，其特征在于：所述的线激光发生器和导轨的中心线的垂直距离为300-600mm，导轨的长度为600-1000mm。

4.根据权利要求1所述的基于视觉检测的螺旋焊管管线外径测量装置，其特征在于：所述网格标定靶标采用15格×15格、每格的尺寸精确为10mm×10mm的制式。

5.根据权利要求1所述的基于视觉检测的螺旋焊管管线外径测量装置，其特征在于：所述螺旋焊管管径为219-630mm。

6.一种基于视觉检测的螺旋焊管管线外径测量方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)将测量装置放置在螺旋焊管生产线一侧，测量平台保持水平，调整升降机构，使工业相机1的中心光轴与钢管的中心线在同一水平高度，调整测量装置的位置，使激光发生器产生的激光平面与钢管边缘的夹角为60°～80°，同时激光平面与螺旋焊管相交的激光线在工业相机1的视野内，调整悬臂的角度和高度，使工业相机2能够同时清楚拍摄激光线和钢管边缘；

(2)将网格标定靶标固定在测量平台上，调整升降机构，使工业相机1的中心光轴与网格标定靶标的水平中心线在同一高度，调整导轨上的滑块位置，微调工业相机1的镜头，使工业相机1能清楚完整的拍摄整个标定靶标，固定导轨上的滑块位置，拍摄下此时的标定靶标图像，通过拍摄的图像可以对工业相机1进行标定；

(3)将标定靶标从测量平台上拆卸掉，调整升降机构的高度，使工业相机1能够清楚拍摄到钢管上的激光弧线，且激光弧线在拍摄图像的中间位置，固定升降机构的高度；

(4)当螺旋焊管的生产开始时，通过计算机上的图像拍摄软件同步控制工业相机1、2拍摄钢管图像，每一时刻两个相机拍摄的图像作为同一时刻的不同类别的图像，工业相机1拍摄的图片包含了螺旋焊管的边缘信息和激光线的信息，工业相机2拍摄的图片包含了螺旋焊管上激光线的随钢管不同位置的变化信息；随着螺旋焊管的不断旋转，两个相机按照一定频率不断拍摄钢管不同位置时的图像，当钢管旋转一周时，将两个相机拍摄的所有图像作为同一组图像；

(5)根据工业相机2拍摄的图像，进行图像处理，得到激光平面与螺旋焊管边缘之间的夹角；

(6)由工业相机1拍摄的激光弧线图像，我们需要进行图像处理，提取出激光弧线的中线。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)的具体操作为：

①寻找激光线的中线方程：首先将灰度图像经过图像滤波，图像增强之后，对图像进行灰度分析，对图像中激光线的部分沿行寻找最亮点作为激光线的中心点，再对寻找到的激光点采用最小二乘直线拟合，拟合出的直线方程作为激光线的中线方程，直线斜率记为k₁；

②寻找螺旋焊管边缘直线方程：对灰度图像采用sobel边缘检测算子进行边缘检测，得到钢管边缘和激光线的二值图像，去除激光点，对剩余的点采用最小二乘法进行钢管边缘的直线拟合，得到螺旋焊管的边缘直线方程，直线斜率记为k₂；

③计算激光平面与螺旋焊管边缘之间的夹角：两者的夹角记为γ，夹角的计算公式为γ＝|arctan(k₁)–arctan(k₂)|。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(6)的具体操作为：

①提取激光弧线中心点的图像坐标：将图像进行灰度变换，图像滤波之后，对激光弧线部分逐行寻找最亮点，将最亮点作为激光弧线的中心点，然后采用对每一点附近的五个点取平均值的方法进行平滑处理，处理后的点记为(X,Y)；

②计算激光弧线中心点的实际坐标：根据相机的标定结果，将提取出来的激光点像素坐标转换到实际坐标，具体方法是，检测激光弧线在图像中的位置以及对应在靶标图像中的网格位置，根据激光点的不同位置自动调用合适的拟合系数，转换成实际坐标，记为(X_w,Y_w)；

③激光点投影到与螺旋焊管中心轴垂直的平面上：由于激光平面与水平面垂直，与螺旋焊管成一定角度相交，相贯线为一个椭圆，因此需要按照两者之间的角度将相贯线投影到与螺旋焊管中心轴线相垂直的平面上，才能进行管径的提取，这个角度就是工业相机2获得的角度γ，投影时，由于工业相机1水平拍摄，即拍摄的图像横向坐标轴与水平面平行，所以投影前后图像的纵向坐标未发生改变，只需要按照投影角度调整激光点的横坐标，投影后的坐标记为(X_r,Y_r)，转换公式为：

X_r＝X_w×cosγ；

Y_r＝Y_w；

④拟合得到螺旋焊管外径和椭圆度信息：得到圆弧坐标点(X_r,Y_r)后，采用最小二乘法圆拟合，得到螺旋焊管旋转到此刻位置时的激光线部分对应的钢管管径，当螺旋焊管旋转一周结束时，得到若干个螺旋焊管不同位置的管径数据，通过取平均值去除误差的方式确定螺旋焊管的平均管径，同时可以对不同位置管径数据的差异进行分析，得到螺旋焊管的椭圆度等信息。