阅读说明：本技术 一种基于机器视觉的管材直径测量装置及其测量方法 (Pipe diameter measuring device and method based on machine vision ) 是由 陈占春 孙亮 于兵 姚爱英 于 2019-08-14 设计创作，主要内容包括：本发明属于管材测量领域,公开了一种基于机器视觉的管材直径测量装置及其测量方法,该装置包括垂直连接的竖向支架和底盘,支架上水平连接有上下两根横杆,两根横杆的同侧端头分别安装有一个相机,两个相机处于被测管材中心线正上方；两根横杆分别通过夹持装置与竖向支架可调式安装,通过夹持装置连续调节相机距离管材的竖向距离以及相机水平方向的伸出长度。本发明是使用自然光源与两台高清相机相结合的方式进行非接触式测量,装置简易且成本低,并可以去除管材的圆心跳动所产生的测量误差；本发明可以实现管材运行中的实时在线测量,即使管材在运行中存在径向跳动也可以准确的测量其直径。(The invention belongs to the field of pipe measurement, and discloses a pipe diameter measuring device based on machine vision and a measuring method thereof, wherein the device comprises a vertical support and a chassis which are vertically connected, an upper cross rod and a lower cross rod are horizontally connected on the support, the ends of the two cross rods on the same side are respectively provided with a camera, and the two cameras are positioned right above the central line of a pipe to be measured; the two cross rods are respectively installed with the vertical support in an adjustable mode through the clamping devices, and the vertical distance between the camera and the pipe and the extension length of the camera in the horizontal direction are continuously adjusted through the clamping devices. The invention uses the mode of combining the natural light source and two high-definition cameras to carry out non-contact measurement, has simple device and low cost, and can remove the measurement error generated by the circle center jump of the pipe; the invention can realize real-time online measurement in the operation of the pipe, and can accurately measure the diameter of the pipe even if the pipe has radial run-out in the operation.)

一种基于机器视觉的管材直径测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于机器视觉的管材直径测量装置及其测量方法，是一种非接触式的直径测量装置，属于管材测量领域。

背景技术

管材的生产过程中，尤其是焊管（包括直缝和螺旋缝焊管）的生产，由于其特殊的生产工艺，焊管直径往往会不稳定，其直径误差范围需要控制在0.5%以内。为保证产品的生产质量，需要对移动中的管材直径进行实时的测量。

目前，大多数生产商是专门派人在流水线上进行人工直径检测，发现直径不符合要求才停机检测并调整，极易造成管材因管径超标而产生废品，传统的测量方法存在一定的局限性，测量过程对工件造成磨损，测量精度不高。管材管径实时测量系统实际应用价值勿容置疑，近年来在国内外已进行了大量的开发和研究，取得了***的成果，但是在国内对该项目的研究开发及推广使用还相对薄弱。

已有一些非接触直径测量装置在生产过程中得到应用。专利号为CN 108344370 A的发明专利，采用视觉传感器和激光相结合的方式对管材进行直径测量。其测量装置较复杂，对管材的固定装置有一定要求，且随着管材的直径变化管材的中心线位置也在变动，就会对测量结果产生较大的影响。专利 CN 201488707，介绍了一种管材管径测量装置，采用激光伸入管材内部对内径进行测量，但其无法准确测量管材的外径。

本发明是一种实时的管材直径测量装置，采用两台相机相结合，利用相机拍摄圆柱物体侧面的成像的光学原理对直径进行测量，可以在管材直径细微变化时，及时发现并调整相应的生产工艺参数，生产无需间断，这样可以极大提高管材的质量和生产效率。

发明内容

本发明的目的在于实现对管材直径的实时测量，进而提供了一种基于机器视觉的管材直径测量装置及其测量方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于机器视觉的管材直径测量方法，是通过在管材正上方安装上下两个相机，使两个相机的中心与管材轴线位于同一竖直平面内，测得上下两个相机之间的距离H1以及下方相机与管材中心之间的距离H2，同时获得此时上下两个相机的焦距L1和L2，并根据上下两个相机分别拍摄的管材图片获取相应的管材边缘信息K1和K2，最后根据方程组：

；

；

R1=R2；

解出R1和R2，得到管材的直径。

一种基于机器视觉的管材直径测量装置，包括垂直连接的竖向支架和底盘，支架上水平连接有上下两根横杆，两根横杆的同侧端头分别安装有一个相机，两个相机处于被测管材中心线正上方；两根横杆分别通过夹持装置与竖向支架可调式安装，通过夹持装置连续调节相机距离管材的竖向距离以及相机水平方向的伸出长度。

所述夹持装置包括夹块和两个锁紧螺钉，夹块上设有用于***安装横杆和支架的横向通孔和竖向通孔，沿水平方向垂直于横向通孔和竖向通孔分别安装有可旋进的锁紧螺钉，锁紧螺钉端头设有橡胶垫块。

基于机器视觉的管材直径测量装置的具体测量操作步骤如下：

1）将整个装置安装于被测管材的一侧，调节下方横杆上的相机B距离管材中心线的高度H2和相机焦距L2，使管材占据相机B大部分的拍摄范围，通过夹持装置调节下方横杆的伸出长度，使过相机B中心的垂线与管材的轴线相交；

2）调节上方横杆上的相机A距离相机B的高度和相机A的焦距L1，使管材占据相机A大部分的拍摄范围，调节上方横杆的伸出长度使过相机A中心的垂线与管材的轴线相交；

3）将两高清相机和计算机相连，对拍摄图片进行图像处理，提取管材的边缘信息K1和K2,将所得数据代入方程组；；R1=R2；

解出R1和R2，得到管材的直径。

相机A和相机B伸出长度的具体调节过程为：将相机拍摄的管材图像进行图像处理，如果图像的两边缘线关于相机中心线对称，则相机水平伸出长度调试成功，如果两边缘线不关于相机中心线对称，则重复上述步骤直至调试成功。

本发明可以实现管材运行中的实时在线测量，即使管材在运行中存在径向跳动也可以准确的测量其直径，且测量过程不会对管材造成损伤，提高了生产效率。

相比于人工测量，本发明所述装置可以实现在线测量，提高测量效率，保证了测量的准确性和实时性，同时本装置在不改变原生产线的前提下进行测量，间接的保证了生产质量。

本发明利用自然光源和高清相机进行测量，可以应用在比较复杂的生产线上，并且由于生产误差以及管材的固定装置简易，管材的轴线位置不定，为了解决管材轴线位置不定的问题，本发明使用两台相机进行测量，在已知两相机间的相对距离的情况下对直径进行测量。

附图说明

图1是本发明装置的测量原理示意图；

图2是本发明装置的外部结构示意图；

图3为横杆与竖直杆的连接结构剖视图；

图中：1-支架、2-横杆A、3-夹持装置一、4-横杆B、5-夹持装置二、6-底盘、7-调节相机A、8-夹持装置三、9-相机B、10-夹持装置四、11-管材；

12-锁紧螺钉一、13-橡胶垫块一、14-夹块、15-橡胶垫块二、16-锁紧螺钉二。

具体实施方式

如图2所示的基于机器视觉的管材直径测量装置，包括垂直连接的竖向支架和底盘，支架上水平连接有上下两根横杆（横杆A和横杆B），两根横杆的同侧端头分别安装有一个相机，两个相机（相机A和相机B）处于被测管材中心线正上方；两根横杆分别通过夹持装置与竖向支架可调式安装，通过夹持装置连续调节相机距离管材的竖向距离以及相机水平方向的伸出长度。即本发明是使用自然光源与两台高清相机相结合的方式进行非接触式测量，装置简易且成本低，并可以去除管材的圆心跳动所产生的测量误差。

该装置的测量步骤如下：

（1）手动调节底座位置，使两高清相机的中心点和管材的圆心在同一垂直的线上：通过调节装置（3）调整相机A的高度和相机伸出距离，同时调节相机焦距使管材占据相机A大部分的画面，并且使过相机成像中心的垂线通过管材的中心线。通过调节装置（5）调节相机B的高度和伸出距离同时调节相机焦距使管材占据相机B大部分的画面，并且使过相机成像中心的垂线通过管材的中心线。准确记录下相机A和相机B的高度差H1。

（2）将相机与计算机通过数据线相连接，将相机A和相机B拍摄的图片实时的传输到计算机中。

（3）将传输到计算机中的图片进行处理，提取管材的边缘轮廓，再将图像处理得到的数据导入视觉识别系统，计算出管材的直径。

以下为基于本发明装置的测量实施例：

首先放置一直径已知的标准管材，将底座（6）置于地面，调节底座位置，使相机A和相机B的位置置于管材正上方。

]通过调节横杆A控制装置（3）调节横杆A水平的伸出长度，使过相机光心的垂线与管材轴线相交，具体实施时，将相机A拍摄的管材图像进行图像处理，如果两边缘线关于相机中心线对称，则相机水平伸出长度调试成功，如果两边缘线不关于相机中心线对称，则重复上述步骤直至调试成功。

通过调节横杆B的位置控制装置（5）调节横杆B水平的伸出长度，使过相机光心的垂线与管材轴线相交，具体实施时，将相机B拍摄的图像进行图像处理，如果两边缘线关于相机中心线对称，则相机水平伸出长度调试成功，如果两边缘线不关于相机中心线对称，则重复上述步骤直至调试成功。

将已知直径的标准管材移出，将待测管材放置于管材固定装置上，通过调节横杆A的位置控制装置（3）调节横杆A的竖直方向的高度同时调节相机A的焦距，使相机A的画面中大部分区域被管材占据。

通过调节横杆B的位置控制装置（5）调节横杆B的竖直方向的高度同时调节相机B的焦距，使相机B的画面中大部分区域被管材占据。

记录下相机A和相机B的焦距L1和L2。并根据支架（1）上的刻度记录下横杆A和横杆B的垂直距离H1。

将相机A和相机B分别与计算机相连，计算机对相机A和相机B的拍摄图片进行图片处理，得到管材的边缘信息，根据相机A和相机B拍摄的图片所得管材边缘信息为K1和K2。

将K1,K2和H1等数值带入方程组

解出R1, R2,H1，得到管材的半径和高度H1。在本装置中，H1是可测量的变量，因此对于运行中的管材中心即使存在径向跳动问题，也不会对测量结果产生误差。

本发明的优势在于结构简单，成本低，且可以应用在各种复杂生产环境中，对管材的固定方式和固定位置要求不高，可以应用在管材生产的或运行的过程中。提高了测量效率，间接地提高了生产效率，并且运行过程中的跳动对测量无影响。

我们利用此装置对直径为450和直径为320的管材进行测量，测量结果如下表所示。

测量实例 1

测量实例2

根据上述测量实例，证明此发明装置可以有效将测量误差控制在0.5%以下，测量精度满足生产要求。