[发明专利]一种用于无缝钢管表面三维缺陷检测的无损检测装置

权利要求书

1.一种无缝钢管表面三维缺陷的检测方法，其特征在于：所述检测方法使用的无损检测装置包括装置本体、电控与喷标系统、工控机与显示部分；所述装置本体包括本体安装基座、三维传感器安装基板、三维传感器安装基板上下运动电机、四个三维传感器、激光遮光外壳；所述电控与喷标系统包括来管光电触发开关、编码器、电控机柜、喷嘴及涂料瓶；所述电控机柜中有三维传感器安装基板上下运动电机控制器、PLC、四路三维传感器触发控制器、开关电源；所述工控机与显示部分包括一台工控机、显示器、鼠标与键盘；

当钢管通过装置本体时，所述来管光电触发开关触发开始检测信号，安装在辊道上的旋转编码器通过四路三维传感器触发控制器触发四个三维传感器同时开始采集钢管表面轮廓数据，得到的轮廓数据传输到工控机，通过无损检测方法对轮廓数据进行分析，提取其中缺陷及缺陷位置，并反馈到PLC，通过PLC控制喷标系统进行喷标；

所述无损检测方法包括如下步骤：

1)根据配方管径生成初始二维图像，具体的，图像的宽度W通过式W＝2πR/X_RES计算，其中R表示配方管半径，X_RES表示相机在X轴方向的分辨率，图像的高度由相机输出的管身轮廓线行数决定，图像颜色初始化为黑色；

2)根据输入点云数据，对每一行管身轮廓，利用最小二乘法拟合椭圆，得到椭圆的圆心、长轴、短轴和倾角，具体的，设平面任意位置椭圆方程为式x²+Axy+By²+Cx+Dy+E＝0，已知椭圆轮廓上的N个测量点(x_i,y_i)，其中，N≥5，i＝1,2,…,N，依据最小二乘法原理，通过式求得式x²+Axy+By²+Cx+Dy+E＝0的五个未知参数A、B、C、D、E的值，根据式计算出椭圆圆心坐标(x₀,y₀)，长轴a，短轴b及倾角θ；

3)利用拟合得到的椭圆信息，去除离群点，具体的，对轮廓线上每一个点(x₁,y₁)根据式计算其到椭圆圆心(x₀,y₀)的欧式距离，将这些欧式距离作为一组样本，根据式算标准差，其中stdev表示样本标准差，n表示样本个数，ρ_i为第i个欧式距离样本值，为样本均值，将欧式距离在三倍标准差以上的点作为离群点过滤；

4)对去除离群点后的数据进行投影，得到二维灰度图像，具体的，根据式计算轮廓线上每一个点(x₁,y₁)到椭圆圆心(x₀,y₀)的欧式距离测量值ρ，根据式计算该点到椭圆圆心的欧式距离理论值r，其中s通过式s＝((y₁- y₀)cosθ-(x₁-x₀)sinθ)/ρ计算，根据式计算二维灰度图像对应的像素值pixel，其中Z_RES是相机在Z轴方向的分辨率，pixelMid是图像像素范围的中值，因此如果没有起伏，则对应像素值pixel为中值；如果是凹陷的点，则pixel为中值以下；如果是凸起的点，则pixel为中值以上；

5)对灰度图像进行中值滤波，具体的，中值滤波用于去除图像中的椒盐噪声，假设输入图像高为R，宽为C，对于图像中的任意位置(r，c)，0≤r＜R，0≤c＜C，取以(r，c)为中心，宽为w，高为h的邻域，其中w和h均为奇数，对邻域中的像素点灰度值进行排序，然后取中值，作为输出图像(r，c)处的灰度值；

6)根据设定的缺陷深度，得到二维灰度图像的二值化图像，具体的，根据式计算得到输入的缺陷深度设定值Z_input所对应的二维灰度图像的阈值Z_pixel，检查灰度图像对应像素值，对小于Z_pixel的凹陷型缺陷和大于Z_pixel的凸起型缺陷，将二值化图像的对应像素值设为白色，否则对应像素值为黑色，得到最终的二值化图像；

7)利用形态学处理该二值化图像，并进行连通域检测，得到二值化图像对应的缺陷信息，具体的，形态学处理方法包括腐蚀、膨胀、开运算、闭运算，腐蚀和膨胀需要选定一个特定尺寸的图像结构元，腐蚀时，在图像中从左到右移动结构元，选择结构元中的最小值作为输出图像对应像素点的值；膨胀时，与腐蚀相反，选择结构元中的最大值作为输出图像对应像素点的值，先腐蚀后膨胀的过程为开运算，先膨胀后腐蚀的过程为闭运算，对二值化图像，先利用3乘3的正方形结构元进行开运算，消除亮度较高的细小区域、在纤细点处分离物体；再利用5乘5的正方形结构元进行闭运算，填充白色物体内的细小黑色空洞、连接邻近物体，其中，连通域检测时，对二值化图像中某个像素点，其上、下、左、右及左上、右上、左下、右下的八个邻域像素点的值若与其相同均为白色，则算作连通域，对检测到的二值化图像中的全部连通域编号，并输出每个连通域对应区域的左上像素点位置、宽度width、高度height及区域内像素点个数area，根据式Area＝area*X_RES*Y_RES得到缺陷真实面积Area，根据式Length＝height*Y_RES得到缺陷真实长度Length，其中Y_RES表示相机在Y轴方向的分辨率；

8)根据面积、长度、标准差对缺陷进行过滤，将符合条件的缺陷上报，具体的，对于设定的最小检测面积及最大缺陷长度，根据式Area＝area*X_RES*Y_RES及式Length＝height*Y_RES的计算结果，对不符合要求的缺陷进行过滤，对缺陷区域内的像素点根据式计算像素值的标准差，对不符合标准差要求的缺陷进行过滤。