基于機器視覺技術的棒材自動計數分離系統

童明勝

(山東省冶金科學研究院,山東 濟南 250014)

1 引言

鋼筋棒材是我國消費量最大的鋼材品種,據統計,2008年我國鋼材產量58488.1萬t,其中鋼筋棒材產量為14379.46萬t,占全年鋼材總產量的24.6%。面對良好的需求市場,眾多棒材生產廠通過不斷提高裝備技術水平來提高產品的產量和質量。然而目前我國大部分棒材生產中仍采用人工計數,勞動強度大,容易忙中出錯,易出現包裝質量異議,且與自動化軋鋼不相配套,影響生產效率的提高。棒材自動計數分離,是提高棒材生產自動化水平的重要技術,對于軋鋼廠實現棒材生產負偏差軋制、按理論重量交貨、與國際市場接軌具有十分重要的意義。

2 目前各種棒材計數分離技術的比較

為解決棒材自動計數分離的問題,一些鋼廠也相繼開發應用了各種相應的技術,下面對目前幾種計數分離技術的優缺點做簡要介紹。

1)傳統的人工計數和手工分離。其存在的問題是工人勞動強度大,計數誤差較大。

2)引進國外公司產品。近年一些國外公司研制了多種鋼筋計數裝置,國內個別鋼廠也有購買使用,但引進價格昂貴,環境要求嚴格,若生產線精度達不到要求,則影響生產的正常進行。

3)國內研制的機械分離和光電計數系統。例如,利用高低速兩組傳送鏈將棒材強制分離,然后利用光電裝置進行計數;或者再增加一組分離螺桿裝置,提高分離的可靠性。其缺點是機械機構復雜,使用成本高。而且光電裝置易受到溫度和現場氧化鐵屑的影響,降低計數準確度。

4)國內研制的利用光柵和脈沖信號計數。其缺點是多個棒材沒有間隙移動時會產生累計誤差,降低計數準確度。重疊棒材也會產生計數誤差。

5)國內研制的利用線陣攝像機拍攝棒材之間的間隙漏出的光線產生的明暗變化計數。該技術雖然能夠對交叉的棒材計數,但如果有較大數量的棒材無隙漏堆疊在一起時,將無法計數。而且,交叉的棒材很難分離。

3 棒材在線視覺自動計數分離系統介紹

棒材在線視覺自動計數分離系統基于機器視覺技術,打破了傳統機械式和光線遮擋型光電計數的設計思路。機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺是一項綜合技術,包括數字圖像處理技術、控制技術、光源照明技術、光學技術、傳感器技術、模擬與數字視頻技術、計算機軟技術、人機接口技術等。機器視覺強調實用性,能夠適應工業現場惡劣的環境,要有合理的性價通用的工業接口、較高的容錯能力和安全性,并具有較強的通用性和可移植性,同時它更強調實時性,要求高速度和高精度[1]。

整套系統分為2個子系統,即棒材自動計數系統和棒材自動分離系統。棒材自動計數系統采用非接觸式機器視覺技術和計算機比較控制技術,完美地實現了高精度計數的目的,統計精度可優于0.01%;棒材自動分離系統由精密機械分離裝置、液壓裝置、鏈輪傳動裝置及計算機控制系統組成,該系統能精確分離任意規格、任意設定支數的棒材。

3.1 棒材自動計數系統

3.1.1 自動計數系統組成及功能

該子系統由視頻采集、圖像處理、目標識別、多目標實時跟蹤、容錯計數、操作控制等硬件和軟件模塊構成。采用計算機視覺技術對隨移鋼機運動的棒材進行計數。

棒材自動計數系統主要由圖象采集監控系統計算機控制系統組成。該系統分為:VA40機器視覺系統、VA30視覺伺服控制與位置控制系統、計算機控制單元、圖像顯示單元幾部分。VA40機器視覺系統包括光源、光學鏡頭、CCD攝相機、圖像采集卡、圖像處理單元、機器視覺處理軟件、監視器、通訊/輸入輸出單元等。視覺系統工作原理為:由光源發出的平行光束照射到隨移鋼機運動的棒材橫截面上,其邊緣輪廓經過顯微光學鏡組成像在攝像機的面陣CCD像面上,計算機通過圖像增強、數據編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、融合、匹配等不同的算法來對圖像進行處理[2],進行圖像處理后獲得被測對象邊緣輪廓的位置,進而通過計算達到棒材計數的目的。

系統功能包括:從移鋼機一側采集運動棒材端面圖像,經圖像檢測、圖像識別、目標跟蹤后實現實時計數,當捆計數值達到所設定值后,指導或控制移鋼機啟停。可用于實時顯示分鋼位置指導工人進行人工分鋼。系統布局示意圖見圖1。

圖1 棒材自動計數系統布局示意圖Fig.1 The sketch map of steel bar automatic counting system

3.1.2 自動計數系統工作流程

高速視覺攝像頭對運動中的鋼材進行攝像,拍攝到的彩色視頻信號經過圖像采集卡數字解碼器、模/數轉換器、比例縮放、裁剪、色空變換等處理,通過PCI總線輸入到計算機中對鋼材進行計數,當計數到達一捆的數目時,發送一個命令給繼電器,使傳送裝置停下來,同時跟蹤計數的最后一根鋼材的位置。當傳送裝置完全停下時,CRT顯示器顯示分鋼位置,等分鋼完成后,按啟動按鈕或自動(自動分鋼)重新開始計數。系統工作流程拓撲圖見圖2。

圖2 棒材自動計數系統工作流程拓撲圖Fig.2 Work flow diagram of steel bar automatic counting system

3.2 棒材自動分離系統

3.2.1 自動分離系統組成及功能

3.2.1.1 視覺反饋分鋼子系統

該子系統在視覺計數系統的基礎上增加分鋼機械、分鋼控制模塊和基于視覺反饋模塊的決策模塊等硬件和軟件構成。

系統功能包括:在每捆額定支數計數滿時,自動停止移鋼機,系統根據視覺反饋模塊的反饋棒材分布信息,進行分鋼動作決策,選擇合適的分鋼動作,由分鋼控制模塊控制分鋼機械動作。在分鋼過程中,視覺反饋模塊實時跟蹤棒材的運動,根據棒材變化調整分鋼策略,準確控制在一頭分離棒材,實現計數分鋼自動化。可通過啟動下一節鏈床繼續拉開前后捆棒材間的間距。

3.2.1.2 視覺反饋隨動分鋼子系統

該子系統在視覺計數分鋼系統的基礎上增加隨動分鋼機組、視覺反饋隨動分鋼控制模塊和基于視覺反饋模塊的決策模塊等硬件和軟件。

系統功能包括:在分鋼機械從一頭分開前后捆棒材之后,通過頂部攝像裝置獲得棒材在移鋼機上的擺放情況,找出分鋼機動作后產生的豁口走向,控制隨動分鋼機組各隨動分鋼楔在合適的豁口位置依次向上頂開棒材,實現棒材全部分離。系統布局示意圖見圖3。

圖3 棒材自動分離系統布局示意圖Fig.3 The sketch map of steel bar automatic separating system

3.2.2 自動分離系統工作流程

剪切后的螺紋鋼/圓鋼,經過一頭對齊整理后,依次經過精密自動分隔器和計數視覺攝像機系統,在達到打包數量時,傳送鏈A停止,精密自動分隔器啟動,準確分隔前后兩捆鋼材。然后一組液壓分隔器和傳送鏈B相繼動作,最終完成分隔。液壓分堆擋板放下,讓已分堆鋼捆通過。傳送鏈C啟動,將分堆鋼捆運送到打包機,完成一次分隔計數。系統工作示意圖見圖4,系統工作流程拓撲圖見圖5。

圖4 棒材自動分離系統工作示意圖Fig.4 The work sketch map of steel bar automatic separating sy stem

圖5 棒材自動分離系統工作流程拓撲圖Fig.5 The work flow diagram of steelbar automatic separating sy stem

4 棒材在線視覺自動計數分離系統的特點和技術指標

4.1 系統特點

1)打破機械加光電以及用CCD做透光檢測的傳統計數思路,針對普遍采用的成批剪切工藝提出了切實可行的在線視覺棒材點支的方案。

2)提出了K級容錯計數算法和基于運動估計的評判表決錯誤校正算法,保證任何情況下的正確計數。排除了因棒材在鏈床上的不規則晃動,很容易出現錯識別和跟蹤錯位的現象,計數精度高,對/12～/14多層鋼筋計數誤差率小于0.01%,粗鋼計數誤差率更低。

3)通過視覺傳感器從無遮擋的端部獲取棒材數字圖像,在計算機中采用靈活的圖像處理技術,分析并提取棒材截面的特征,進行檢測、計數,具有速度快、精度高、適應性強等許多優點,能靈活處理各種復雜的變化情況。

4)生產線在線計數,可對生產線上多層堆積鋼筋直接計數。

5)可拆分為獨立計數系統和全自動計數分捆系統。

6)獨立計數系統具有無機械分捆,不需對生產線進行改造,安裝調試不影響生產的正常運行。不影響生產線的大、中、小修,不影響行車正常運行的特點。

7)全自動計數分捆系統需要對生產線進行小范圍的改造、安裝調試不影響生產的正常運行。不影響生產線的大、中、小修,不影響行車正常運行的特點。

8)基本無易損件,工作穩定可靠,可長時間連續運轉。

9)復核檢測系統有兩種方案備選:一種采用攜帶方便、體積小的便攜式成捆棒材復核檢測裝置。一種是在線式復核檢測系統,采用靜態棒材側面圖像識別技術二次校驗計數,使最終分堆準確率再次上升1到2個數量級,幾乎無差錯。

4.2 系統技術指標

1)獨立計數系統允許在線鋼筋堆積厚度＜80 mm。

2)生產線傳動鏈速度可控,最大速度＜600 mm/s。

4)最大允許斜度≤15°。

5)設備安裝空間:傳送鏈方向3 m。

5 結論

基于機器視覺技術的棒材自動計數分離系統,解決了我國棒材生產線最后一個環節的自動化難題。目前,該系統已在漣源鋼鐵集團棒材一廠、棒材二廠,濟南鋼鐵集團第一小型軋鋼廠成功投用。該系統的應用在軋鋼自動化領域具有積極意義,不僅大大減少了棒材生產線職工的勞動強度,且提高了工作效率和產品質量,受到了使用單位的一致好評,具有較好的應用前景和推廣價值。

[1]陳梅蘭.機器視覺關鍵技術與應用實例分析[J].現代計算機,2006(1):21-25.

[2]曹國斌,劉雪蛟,王花.圖像和機器視覺技術概述[J].電子工業專用設備,2008,37(8):27-31.