一种管道圆度值自动检测方法与流程

本发明涉及一种管道圆度值自动检测方法，特别是涉及一种适用于锅炉配管管道圆度值检测的自动检测方法。

背景技术：

在管道加工前，需对管道的圆度值进行检测，以确定管道是否符合加工要求，目前的做法是：操作工人用目测法进行判定，或用皮尺、钢尺或卡尺等进行测量并计算管道的圆度值。采用目测法显然有很大的随意性和较大误差，采用人工测量方法时，其测量精度会因操作人员的素质和责任心的差异带来较大的偶然误差，对管道的圆度值要求较高的场合是不合适的。同时不适合于工业化自动生产流程。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种能够避免人工随意性或偶然误差因素，实现快速自动对管道的圆度值进行精准检测测量的管道圆度值自动检测方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种管道圆度值自动检测方法，具体方法为：

调整图像采集装置（如摄像头或相机）与管道端面的水平距离，使采集的管道端面直径方向的外沿距离所采集的图像边框的最小距离，小于等于平行于该距离方向的图像边框边长的5%；调整好所述水平距离后，对管道端面进行图像采集，将采集的图像发送给图像处理系统；图像处理系统对采集的端面图像进行图像处理提取端面边缘，得到各端面的圆度值。

图像采集装置对管道端面图像进行采集，在进行图像采集之前，先调整图像采集装置与管道端面的水平距离，确定图像采集装置与所采集的管道端面的最佳水平采集距离，然后再对管道的端面进行图像采集，如果管道直径方向的外缘距离（任意直径方向）图片底框的最小距离，大于平行于该距离方向的边长的5%，则说明拍摄距离过远。将采集到的图像发送给图像处理系统，图像处理系统对采集的图像进行图像处理提取所采集的端面的边缘（包括内边缘和外边缘）根据提取的端面的边缘（内边缘或外边缘），计算得到该端面的圆度值。

所述方法还包括，采用激光测距模块检测图像采集装置与管道端面的水平距离。通过检测图像采集装置与管道端面的水平距离，来确定图像采集装置图像采集焦点的具体位置。

所述方法还包括，采用图像采集装置对准管道端面圆心位置进行两个端面的图像采集。

除调整图像采集装置与管道端面的水平距离外，还包括调整图像采集装位置，使得图像采集装置的图像采集焦点对准要进行图像采集的管道的端面的圆心位置，然后再对管道的端面进行图像采集。

所述圆度值计算方法为：对采集的端面图像进行图像灰度处理提取端面边缘，根据像素计算管道端面水平直径和垂直直径，根据所述水平直径和垂直直径的比值计算得到该端面的圆度值。

采用端面外直径的水平直径和垂直直径的比值计算，或采用端面内直径的水平直径和垂直直径的比值计算得到该端面的圆度值。

在本发明中，对管道端面进行图像采集，对采集的图像进行图像处理后，提取端面边缘，然后根据像素计算出每个端面的水平直径和垂直直径，该水平直径和垂直直径可以均为端面外沿的水平直径和垂直直径，也可以均为端面内沿的水平直径和垂直直径，根据端面的水平直径和垂直直径，计算得出该端面的圆度值。

所述方法还包括，将管道两个端面的水平直径进行比较，确定两个水平直径的差值；将管道两个端面的垂直直径进行比较，确定两个垂直直径的差值；通过两个差值以确定两个端面的偏差是否符合要求。

根据两个差值是否符合要求来判断管道两个端面是否符合要求，从而判断管道的质量。

管道端面圆心位置的定位方法为：图像采集装置定位系统沿管道端面垂直直径方向移动，通过光电开关对反射光束做出的反应，记录端面直径内圆或外圆的上端沿和下端沿，则上端沿和下端沿的中心点即为该端面的圆心位置。

可以采用光电开关反射光束定位模块测量计算管道端面的圆心。用正对管道端面发射光束（例如激光光束），当接收到反射光束时，说明所发射的光束是打到管道端面的内沿和外沿之间的，当无法接收到反射光束时，说明所发射的光束没有打到管道端面的内沿和外沿之间。同时，从光束的反射接收顺序，能够判断出为内沿或外沿。

所述方法还包括：设定合格双端面偏差的阈值范围，将计算出的双端面偏差与设定的双端面偏差合格阈值相比较，判断双端面偏差是否合格。

如果计算出的偏差值均在在设定的合格双端面偏差的阈值范围内，则判断为双端面偏差合格，否则为双端面偏差不合格。

所述方法还包括：设定合格圆度值的阈值范围，将计算出的圆度值与设定的圆度值合格阈值相比较，判断圆度值是否合格。

如果计算出的某端面圆度值在设定的圆度值合格阈值范围内，则判断为圆度值合格，否则为圆度值不合格。

所述方法还包括：以音频信号的方式提示圆度值和/或管道双端面偏差是否合格。

该音频信号可以是语音音频信号，也可以是非语音音频信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

确定图像采集装置与所采集的管道端面的最佳水平采集距离，在最佳距离位置采集管道端面图像，可以减少干扰并提高精准度。

确定管道圆心位置，在管道圆心位置拍摄管道端面图像，可以减少干扰并提高准确度。

采用图像边缘比较方法确定最佳拍摄位置，用激光测距可以准确确定拍摄头与管道之间的最佳拍摄距离，并保存该数据作为同类型管道加工时的拍摄距离设定值L3，在后续加工中，只需要输入管道类型，然后由激光测距与控制装置一起完成拍摄位置定位。

采用激光测距装置的光束，结合光电开关来确定管道垂直方向的外缘，既可以提高测量精度，又使激光测距装置这样一个装置起到了两个作用。提高劳动生产效率。

对拍摄的图片通过灰度处理提取端面边缘，根据像素计算管道水平直径和垂直直径，比现有的人工测量有质的区别。

将两个端面的水平直径、垂直直径分别进行比较，确定两个端面的水平直径、垂直直径的差值。可以有效的确定管道是否有收缩现象。

通过管道水平直径和垂直直径的比值判断该端面的圆度值，通过两个端面的水平直径、垂直直径的差值以确定管道两个端面是否符合要求，这种评判方法可以直观、准确的评判管道圆度值质量。

依据管道水平直径和垂直直径的比值判断该端面的圆度值，可以准确评判。经测试，圆度值判断准确率达到99%。所有操作都集成在PC控制软件中，操作简单。

附图说明

图1为本发明其中一实施例的图像采集装置图像采集过程示意图。

图2为本发明其中一实施例的管道端面放置示意图。

图3为本发明其中一实施例的工作原理框图。

图4为本发明其中一实施例的定位图像采集流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本说明书（包括摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

具体实施例1

如图1、图2和图3所示，管道圆度值自动检测方法，具体方法为：

调整图像采集装置（如摄像头或相机）与管道端面的水平距离，使采集的管道端面直径方向的外沿距离所采集的图像边框的最小距离，小于等于平行于该距离方向的图像边框边长的5%；调整好所述水平距离后，对管道端面进行图像采集，将采集的图像发送给图像处理系统；图像处理系统对采集的端面图像进行图像处理提取端面边缘，得到各端面的圆度值。

图像采集装置对管道端面图像进行采集，在进行图像采集之前，先调整图像采集装置与管道端面的水平距离，确定图像采集装置与所采集的管道端面的最佳水平采集距离，然后再对管道的端面进行图像采集；将采集到的图像发送给图像处理系统，图像处理系统对采集的图像进行图像处理提取所采集的端面的边缘（包括内边缘和外边缘）根据提取的端面的边缘（内边缘或外边缘），计算得到该端面的圆度值。如图1所示，图像采集装置在x轴、y轴和z轴三个方向上移动，x轴方向上调整图像采集装置与管道端面的距离。

在本具体实施例中，采用摄像头或相机作为图像采集装置，对管道的端面进行图像采集，图像采集完成后，将采集的端面图像发送给图像处理系统，图像处理系统对采集的端面图像进行图像处理（在本具体实施例中对采集的端面图像进行灰度处理）后，提取端面边缘，然后根据像素计算出每个端面的水平直径和垂直直径，该水平直径和垂直直径可以均为端面外沿的水平直径和垂直直径，也可以均为端面内沿的水平直径和垂直直径，根据端面的水平直径和垂直直径，计算得出该端面的圆度值。在本具体实施例中，根据端面外沿的水平直径和垂直直径，计算得出端面的圆度值。

具体实施例2

在具体实施例1的基础上，所述方法还包括，采用激光测距模块检测图像采集装置与管道端面的水平距离。通过检测图像采集装置与管道端面的水平距离，来确定图像采集装置图像采集焦点的具体位置。

具体实施例3

在具体实施例1或2的基础上，所述方法还包括，采用图像采集装置对准管道端面圆心位置进行两个端面的图像采集。

除调整图像采集装置与管道端面的水平距离外，还包括调整图像采集装位置，使得图像采集装置的图像采集焦点对准要进行图像采集的管道的端面的圆心位置，然后再对管道的端面进行图像采集。采用图像采集装置（如摄像头或相机）对准圆心位置进行图像采集。在进行图像采集之前，调整图像采集装置的位置，使图像采集的焦点对准管道端面的圆心，图像采集的焦点与管道端面的圆心的连线垂直于管道端面所在的平面。

如图1所示，y轴方向上左右移动，z轴方向上上下移动，调整图像采集装置图像采集焦点对准到所对的端面的圆心位置。如图2所示，在本具体实施例中，由于管道是放置在一个U型支架上，而U型支架是固定在一个操作台面上的，从U型支架的内凹面最低点到地面的距离是固定的，设定为L1，沿L1垂直方向即为管道垂直直径方向。沿该条垂直直径方向，找到内径或外径的最高点和最低点，则最高点和最低点的中间点即为该管道端面的圆心位置。

具体实施例4

在具体实施例1到3之一的基础上，所述圆度值计算方法为：对采集的端面图像进行图像灰度处理提取端面边缘，根据像素计算管道端面水平直径和垂直直径，根据所述水平直径和垂直直径的比值计算得到该端面的圆度值。

采用端面外直径的水平直径和垂直直径的比值计算，或采用端面内直径的水平直径和垂直直径的比值计算得到该端面的圆度值。

在本发明中，对管道端面进行图像采集，对采集的图像进行图像处理后，提取端面边缘，然后根据像素计算出每个端面的水平直径和垂直直径，该水平直径和垂直直径可以均为端面外沿的水平直径和垂直直径，也可以均为端面内沿的水平直径和垂直直径，根据端面的水平直径和垂直直径，计算得出该端面的圆度值。

具体实施例5

在具体实施例1到4之一的基础上，所述方法还包括，将管道两个端面的水平直径进行比较，确定两个水平直径的差值；将管道两个端面的垂直直径进行比较，确定两个垂直直径的差值；通过两个差值以确定两个端面的偏差是否符合要求。

根据两个差值是否符合要求来判断管道两个端面是否符合要求，从而判断管道的质量。

具体实施例6

在具体实施例3到5之一的基础上，管道端面圆心位置的定位方法为：图像采集装置定位系统沿管道端面垂直直径方向移动，通过光电开关对反射光束做出的反应，记录端面直径内圆或外圆的上端沿和下端沿，则上端沿和下端沿的中心点即为该端面的圆心位置。

可以采用光电开关反射光束定位模块测量计算管道端面的圆心，通过光电开关对反射光束的感应，测量计算管道端面的圆心。用正对管道端面发射光束（例如激光光束），当接收到反射光束时，说明所发射的光束是打到管道端面的内沿和外沿之间的，当无法接收到反射光束时，说明所发射的光束没有打到管道端面的内沿和外沿之间。同时，从光束的反射接收顺序，能够判断出为内沿或外沿。

发射光束被反射回来以后能够将光电开关接通。当发射光束从端面外沿外部延端面直径方向向端面内移动时，首先通过端面该直径方向一侧的外沿，还没有移动到外沿时，由于不能接收到反射光束，光电开关处于断开状态，到该外沿时，关电开关接收到反射光束，被接通，定位系统能够记录该位置，当从外沿到内沿，离开内沿时，关电开关被断开，定位系统能够记录该内沿位置，发射光束继续延该直径方向移动，达到另一侧端面内沿时，光电开关再次被接通，定位系统能够记录该位置，继续移动离开外沿时，光电开关再次被断开，定位系统记录该外沿位置。通过记录沿该直径方向的两个外沿的位置或两个内沿的位置，能够得出两个内沿或两个外沿的中间点即为该端面的圆心位置。则图像采集装置即可对准该圆心位置对该端面进行图像采集。 所述光束为激光、红外光或紫外光等能够在自然环境下被管道反射并作用于光电开关的光束。所述激光测距模块和光电开关反射光束定位模块可以是同一个光束发射模块，也可以不是同一个光束发射模块，所发射使用的光束可以为同一种光束也可以为两种不同的光束。

具体实施例7

在具体实施例5到6之一的基础上，所述方法还包括：设定合格双端面偏差的阈值范围，将计算出的双端面偏差与设定的双端面偏差合格阈值相比较，判断双端面偏差是否合格。

设置管道左右两个端面水平内径或外径允许偏差、垂直内径或外径允许偏差；计算两个端面水平内径或外径的偏差及垂直外径或内径的偏差，如果计算出的偏差值均在在设定的合格双端面偏差的阈值范围内，则判断为双端面偏差合格，否则为双端面偏差不合格。所述两个端面的水平直径和垂直直径比较时，要么都是采用外径进行比较，要么都是采用内径进行比较。

具体实施例8

在具体实施例4到7之一的基础上，所述方法还包括：设定合格圆度值的阈值范围，将计算出的圆度值与设定的圆度值合格阈值相比较，判断圆度值是否合格。

计算得出管道一侧端面的圆度值后，将该圆度值与设定的合格圆度值的阈值范围相比较，如果计算出的面圆度值在设定的合格圆度值的阈值范围内，则判断为该端面圆度值合格，否则为该端面圆度值不合格。

具体实施例9

在具体实施例7或8之一的基础上，所述方法还包括：以音频信号的方式提示圆度值和/或管道双端面偏差是否合格。

该音频信号可以是语音音频信号，也可以是非语音音频信号。

具体实施例10

如图3所示，由拍摄装置（即图像采集装置）、拍摄装置控制主机和上位机（PC计算机）组成。如图1所示， 图像采集装置能够沿x轴、y轴和z轴三个方向的导轨进行移动，在x轴方向通过激光测距确定拍摄头与管道端面的距离，在本具体实施例中为10mm（可以根据所采集的图像，使采集的管道端面直径方向的外沿距离所采集的图像边框的最小距离，小于等于平行于该距离方向的图像边框边长的5%的要求进行计算设定该距离）；在z轴方向通过激光确定管道外径位置，；在y轴方向通过激光确定管道垂直上外缘边缘位置，当激光确定管道外径位置时，停止y轴方向移动。

图像采集装置控制主机包括：以ARM为开发平台，设计了激光测距、激光确定管道外径位置、激光确定管道垂直上外缘边缘和x、y、z三个方向的移动控制程序和硬件电路。

上位机（PC计算机）：完成对拍摄的图片进行灰度处理提取端面边缘，根据像素计算管道水平直径和垂直直径，依据管道水平直径和垂直直径的比值判断该端面的圆度值，另外，将两个端面的水平直径、垂直直径分别进行比较，确定两个端面的水平直径、垂直直径的差值。通过管道水平直径和垂直直径的比值判断该端面的圆度值，通过两个端面的水平直径、垂直直径的差值以确定管道两个端面是否符合要求，评判标准事先由质检人员输入计算机，并以语音方式提醒操作人员。

经测试，管道圆度值判断准确率达到99%。所有操作都集成在PC控制软件中，操作简单。如图4所示，该方法对管道圆度值自动检测的实现步骤如下：

1、在电脑上输入管道端面圆度值允许误差、左右两个端面水平内径允许偏差、垂直内径允许偏差。

2、启动自动检测系统。

3、如图1和图2所示，由于管道是放置在一个U型支架上，而U型支架是固定在一个操作台面上的，从U型支架的内凹面最低点到地面的距离是固定的，设定为L1，沿L1垂直方向即为管道垂直直径方向。

在操作台固定以后，从拍摄装置的原点到U型支架的凹型最低点的距离也是确定的，设定为L2，

当启动圆度值检测按钮，拍摄装置在控制器的控制下，沿y轴方向前进L2的距离，在L2处设置一个限位开关，当拍摄装置到达L2位置时停止前进。

4、拍摄装置安装在一个可以升降的支架上，初始位置距地面400mm（可根据需要调整）， 在L2位置停止后，由初始位置上升L1-400=M1的高度，此时拍摄装置上的激光测距装置正好对准U型支架的内凹面最低点，即：管道下缘外径点，操作台台面A1（如图1所示）位置，记录当前距离地面位置数据D1。

5、当拍摄的水平位置确定后，拍摄装置向上移动，此时，激光测距模块开始工作，由光电开关接收激光测距模块发射的反射光，当拍摄装置向上移动进入管道空心处时，光电开关断开一次，当拍摄装置继续向上移动进入管道内外壁之间时，光电开关再次接通，然后拍摄装置继续向上移动超出管道外壁时，光电开关再次断开，当光电开关再次断开时，停止移动，即A2位置（如图1所示）。

6、确定管道圆心位置：当拍摄装置停止移动时，记录此点与地面的距离D2，由（D2-D1）/2=D3，然后拍摄装置向下移动D3值，到A3位置（如图1所示），此处即为管道圆心。

因为管道放置在U型支架上时，U型支架的内凹面最低点到地面的垂直连线的沿长线即为管道垂直直径方向。因此，不需再左右定位找圆心。

7、在确定圆心位置后，由于管道放置在操作台台面时，位置是不固定的，所以需要调整拍摄装置与管道端面之间的距离。

8、打开图像拍摄设备，按1幅/秒拍摄一幅图片，传入上位机进行图像分析，在分析结果中，如果管道直径方向的外缘距离（任意直径方向）图片底框的最小距离，大于平行于该距离方向的边长的5%（此值可以设定为x值，具体数值由用户根据测量精度和实际情况确定），则说明拍摄距离过远，由图像拍摄装置控制主机控制拍摄装置左右移动，直到管道直径方向的外缘距离图片底框的最小距离，小于平行于该距离方向的边长的5%（或x），停止移动。

9、此时，激光测距模块继续工作，测量拍摄装置与管道端面的距离，将此距离存入数据库，作为该规格管道的拍摄距离设定值L3，当下次加工相同管径的管道时，直接由激光测距模块测量拍摄装置与管道端面之间的距离，并与上次存储的设定值比较，确定拍摄位置，不再重复第8步的动作。

10、在确定拍摄位置后，图像拍摄装置拍摄图像，图像输入上位机。

11、在一个端面拍摄完成后，由装置控制主机控制拍摄装置沿y轴方向退回原点后，再向右移动到另一个端面。

12、在向右移动开始时，激光测距装置向左转动90°，在激光测距装置上安装的光电开关（与前述光电开关是同一个）在拍摄装置刚向右转动时是断开的，当向右移动与管道实体平行时，光电开关接收激光测距装置发出的反射光，光电开关接通，当拍摄装置向右移动脱离管道实体时，光电开关不能接收激光测距装置发出的反射光，光电开关断开，此时再向前移动L3的距离，然后停止。

13、拍摄装置停止沿x轴（向右）移动后，再沿y轴方向移动，沿y轴方向前进L2的距离，在右端面的L2处设置一个限位开关，当拍摄装置到达右端面的L2位置时停止前进。

14、此时，不再重新找圆心位置，直接拍摄图片，并将图片输入上位机。

15、在完成另一个端面的拍摄后，自动返回原点，恢复初始状态，等待下次工作。

16、质量评判：1）第一个端面和第二个端面的拍摄图像，在计算机上通过灰度处理提取端面边缘，根据像素计算管道水平直径和垂直直径，依据管道水平直径和垂直直径的比值判断该端面的圆度值，评判标准在第一步已执行；2）将两个端面的水平直径、垂直直径分别进行比较，确定两个端面的水平直径、垂直直径的差值，通过两个端面的水平直径、垂直直径的差值以确定管道两个端面是否符合要求，评判标准事先由质检人员输入计算机。并以语音方式提醒操作人员。

关于采集图形的图像处理方法：

首先是灰度处理，在VB6中一副图像的每个像素点由32位值表示，其中RGB占了低三个字节，最高字节没用。将其转换为灰度图像通过以下公式实现：

Gray=Red*0.3+Green*0.6+Blue*0.1

其中，Gray为灰度值，Red为红基色，Green 为绿基色，Blue为蓝基色。

其次是边缘提取，边缘提取采用Robets算子实现，提取出钢管圆弧边界，并在VB6中实现。

举例：为了演示效果，使用在建材市场上购买的长度1.5米、直径250毫米的PVC管代替锅炉配管。上位机软件控制USB摄像头从配管内壁取景，经过灰度处理、边缘提取等算法等一系列算法提取特征圆。计算出来的圆度值为1.045455（精确到小数点后6位）。

关于管道端面圆度值计算、质量评判：

依据管道端面拍摄的图像经过边缘处理后，计算出水平内径d1和垂直内径d2，d1/d2*%=m，m值代表了该端面的圆度值，与事先设定的允许圆度值比较，即可判断管道在该端面是否合格，另一个端面的处理方法相同。

关于管道两个端面水平内径、垂直内径比较、质量评判：

定义左端面的水平内径为d1，右端面的水平内径为d3，左端面的垂直内径为d2，右端面的垂直内径为d4。

当d1-d3≤允许误差时，合格，否则不合格；

当D2-d4≤允许误差时，合格，否则不合格。

总体评判：上述指标中有一项不合格即判定管道圆度值不合格，反之合格。

关于光电开关的功能：

在左端面的L2位置处设置限位开关SB1，在右端面的L2位置处设置限位开关SB2；当SB1接通，同时拍摄装置上升到A1位置时，光电开关电路接通。此时光电开关的状态信号输入控制装置，并参与拍摄装置的控制，工作关系如下：

光电开关状态：1（激光在工作平台与管道内圆之间）→0（激光在管道内圆中）→1（激光在管道内外缘之间）→0（激光离开管道外缘）→1（拍摄装置向下移动时，激光在管道内外缘之间）→0（激光在管道内圆中）→1（返回时，激光在管道内外缘之间）→0（激光脱离对象）→状态清零（拍摄装置返回原点）。0（向右移动开始时，激光无反射）→1（向右移动时，激光与管道实体平行）→0（激光脱离管道实体）。

从上述关系中我们知道，在光电开关的状态信号输入控制装置后，接收到第二个0信号的时候，停止垂直方向的向上移动；在清零后接收到第二个0信号的时候，表示右移到管道的右端面，此时，给出一个控制信号，由控制装置加上L3的偏移量，再向右移动L3，停止右移。

部件组成：

包括图像采集装置、图像采集装置控制主机、上位机（PC计算机），图像采集装置的摄像头单元、图像传输单元、拍摄控制单元、处理器、上位机，所述摄像机或照相机单元、图像传输单元、拍摄控制单元、处理器依次连接，处理器与PC机双向通讯连接。