基于虛擬儀器的機器視覺的起重機械鋼絲繩缺陷檢測技術(shù)研究

李文　李炎

【摘 要】 起重機械是日常生產(chǎn)和生活中的重要設(shè)備，而起重機的鋼絲繩又是影響起重機安全使用的重要零部件，每年因為起重機械鋼絲繩斷裂引發(fā)的事故時有發(fā)生，因此，能夠及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)起重機械鋼絲繩的隱患就成了一個需要思考的問題。本文針對金屬鋼絲繩安全作用功能展開分析探究，引進了機器設(shè)備視覺作用感官專業(yè)應(yīng)用技術(shù)展開檢測，辨別其缺點位置圖像，且基于LabVIEW平臺設(shè)計了相應(yīng)的缺陷識別和判斷系統(tǒng)，可實現(xiàn)圖像采集、檢測和判斷功能，能夠有效地檢測金屬鋼絲繩的報廢基本條件是不是符合標(biāo)準(zhǔn)條件。在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。

【關(guān)鍵詞】 虛擬儀器;鋼絲繩;檢測

【中圖分類號】 G356.6 【文獻標(biāo)識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2022）01-0099-04

在目前的工業(yè)現(xiàn)代化迅速發(fā)展形勢下，起重機械也開始在工業(yè)領(lǐng)域大量的應(yīng)用，不過很多與此相關(guān)的安全事故也隨之增多。起重機械的安全性和鋼絲繩質(zhì)量存在密切關(guān)系，在吊運過程中鋼絲繩發(fā)揮著重要作用。其運行工作頻次高、承擔(dān)作用功能強度大，運行標(biāo)準(zhǔn)工況龐雜，因此在運用的時候，常常會由于多種影響作用因素的干擾而產(chǎn)生斷絲、腐蝕變質(zhì)等矛盾問題，直接干擾到起重機設(shè)施的運用安全穩(wěn)定性。現(xiàn)行的《起重機鋼絲繩保養(yǎng)、維護規(guī)范》中詳細說明這種零部件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和報廢條件，以促進起重機械的安全使用。

1鋼絲繩缺陷種類

由于起重機械的使用環(huán)境一般都比較惡劣，所以容易發(fā)生以下缺陷：（1） 繩芯擠出，（2） 局部壓扁，（3） 嚴重扭結(jié)，（4） 籠狀畸變，（5） 表面斷絲。

本文主要對上述五種鋼絲繩缺陷進行判定和檢測。

2國內(nèi)外鋼絲繩無損檢測主要的方法

鋼絲繩檢測可選擇不同的方法，傳統(tǒng)方法為目視法，使用卡尺衡量實際有效直徑，這類模式只可以檢測外界斷絲，并且斷絲需要對外擴散。雖然這類模式對當(dāng)代生產(chǎn)加工工藝、加工制作的鋼絲繩檢測模式開始不滿足要求，不過其操作方便成本低，因而依然是一類經(jīng)常使用的檢測模式。金屬鋼絲繩無損檢測專業(yè)應(yīng)用技術(shù)，也就是在不破壞其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對鋼絲繩的性能以及是否存在內(nèi)部缺陷情況進行檢測，然后依據(jù)相關(guān)的檢測結(jié)果和基本原則，針對金屬鋼絲繩分布作用狀態(tài)做出評測。

2.1 聲發(fā)射檢測法

在鋼絲繩的無損檢測領(lǐng)域，這種方法的應(yīng)用比例較高，且很早就獲得應(yīng)用。其是國外研究者 N.Fcasey提出的。他們通過很多的測試實驗分析探究可知，這類應(yīng)用模式針對處在一定運行標(biāo)準(zhǔn)工況影響里，斷絲作用過程的聲自動智能發(fā)射數(shù)據(jù)傳輸信號，可以展開高效的檢測。這類應(yīng)用模式經(jīng)過兩個換能控制器設(shè)備的同時間檢測，完成對斷絲具體作用位置的準(zhǔn)確定位。

聲自動智能發(fā)射（AE）模式，作為一類及時在線實時監(jiān)控方式，十分適合于物質(zhì)材料的實時損傷檢測要求，有較高的性能優(yōu)勢。根據(jù)實際應(yīng)用經(jīng)驗表明這種技術(shù)對金屬鋼絲繩的損傷檢測有明顯的性能優(yōu)勢，且可滿足狀態(tài)監(jiān)控要求，其優(yōu)勢是其他模式無法比擬的，但是，因為聲自動智能發(fā)射檢測機器設(shè)備成本高，且主要是在靜態(tài)條件下進行檢測的，因而有一定應(yīng)用局限性。

2.2 電流檢測方法

目前針對電流檢測技術(shù)的研究已經(jīng)有很多，且取得重要成果，這種技術(shù)中常用的包括一一呼應(yīng)的高功能作用電流檢測應(yīng)用電路。大量的應(yīng)用經(jīng)驗表明，Sense FET電流檢測系統(tǒng)的各方面性能相對均衡，總體性能良好，因而在實際應(yīng)用中受到廣泛關(guān)注。上世紀90年代W.H.K在研究過程中提出了基于Sense FET的電流檢測電路。此后在市場需求等因素促進作用下，依據(jù)Sense FET設(shè)計的電測電路被大量研發(fā)出。不過總體上看都是基于W.H.K的應(yīng)用電路理論思想進一步改善提升的，在實際應(yīng)用中依然存在局限性。2005年，Chi Yat等研發(fā)出一種基于CMOS的檢測電路，且分析發(fā)現(xiàn)其檢測精準(zhǔn)程度比較高，然而因為額外添加了龐雜的計算放大作用設(shè)備，促使本身工作應(yīng)用電路過分龐雜，造成了能耗與速率矛盾問題。

除此之外，根據(jù)Rds Sense相關(guān)技術(shù)設(shè)計形成的各種應(yīng)用電路，在DC-DC工作模式下進行交互操作時，是十分高效的。但是截至今日，并未發(fā)現(xiàn)有這類無損檢測專業(yè)應(yīng)用技術(shù)的具體工作應(yīng)用電路參考數(shù)據(jù)文獻公開發(fā)布。工作電流檢測專業(yè)應(yīng)用技術(shù)在DC-DC交換控制器設(shè)備里的使用也存在許多的應(yīng)用方面，例如過流保護、多相操控交換控制器設(shè)備的相關(guān)應(yīng)用，以及額定電感自動智能輸出交換控制器設(shè)備。

2.3 磁檢測方法

在實際應(yīng)用中基于鐵磁材料特性研發(fā)出的鋼絲繩損傷檢測技術(shù)也有明顯的性能優(yōu)勢，也代表了電磁檢測領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢之一。具體分析可知依據(jù)這種技術(shù)在進行檢測時，相應(yīng)的模式可劃分為漏磁檢測、電磁式檢測等幾種類型，其各有一定優(yōu)缺點和適用范圍，以下進行具體說明。

電磁式檢測。這種技術(shù)是上世紀70年代德國學(xué)者研發(fā)出的，主要應(yīng)用在混料分選領(lǐng)域。隨后80年代，日本也研發(fā)出小微型化的“異材測試實驗控制器設(shè)備”及“金屬物質(zhì)材料簡單判定與探究分析控制器設(shè)備”。前蘇聯(lián)學(xué)者則在大量經(jīng)驗總結(jié)基礎(chǔ)上，研發(fā)出一種電磁無損檢測儀，且應(yīng)用在鑄鐵材料性能的檢測中，此后還應(yīng)用到38CrSi、35SiMo等相關(guān)的檢測中。其中常用的為ΦⅡ-1Y型等。在1985年之后，以萬國慶研究學(xué)者為代表的研究分析課題項目組，讓中國電磁無損檢測技術(shù)也進入迅速發(fā)展階段，有的學(xué)者研發(fā)出一種高性能的“SZGY 型硬度分選儀”和“WGF-1型自動智能分選儀”，在實際應(yīng)用中取得良好的效果。這一整套儀器設(shè)備在全球許多工礦公司里獲取了高效的使用，特別在結(jié)構(gòu)鋼的迅速無損檢測定碳和表層裂縫、心部裂縫等多個層面，獲得了優(yōu)異的作用效果，可作定性的分析。

3系統(tǒng)的設(shè)計

機器視覺系統(tǒng)在工作過程中需要綜合應(yīng)用到信息、光學(xué)、傳感等各方面的技術(shù)，基于一個傳感器對物體的圖像進行采集和傳感，之后對數(shù)字信息展開綜合處置研究并且判定，然后發(fā)送指示來操控機器設(shè)備運動。這種系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)一般是固定的，主要包括視覺處理單元、光學(xué)系統(tǒng)、相機、采集器等。

具體系統(tǒng)如圖1所示

本文針對18mm的若干鋼絲繩進行研究，分析了其在0.5m/s運行條件下的工作性能。在運行過程中先采集鋼絲繩的圖像，然后發(fā)送到圖像處理器中，接著進行一定的轉(zhuǎn)換處理后獲得數(shù)字化信號，然后基于視覺系統(tǒng)運算處理這些信息，且提取出相應(yīng)的特征信號，在此基礎(chǔ)上結(jié)合閾值而判斷出鋼絲繩的報廢條件是否滿足。

在進行硬件選擇時，應(yīng)該具體分析鋼絲繩檢測場合的情況，以及對實時性和精度等方面的要求。照明系統(tǒng)對采集圖像數(shù)據(jù)的清晰度會產(chǎn)生直接的影響，適當(dāng)?shù)恼彰飨到y(tǒng)盡可能地增加圖像中目標(biāo)和背景信息的對比度，為其后的圖像分割和辨識提供支持，且滿足準(zhǔn)確度要求。在硬件選擇時，為盡可能消除環(huán)境光干擾，提高采樣效果，需要選擇相機和光源同側(cè)的前向照明;在相機選擇時根據(jù)分辨率要求和相應(yīng)實際應(yīng)用場合，而選擇了Basler scA1400相機。參考依據(jù)有關(guān)解釋說明書，可以得知此相機的辨識率為1392×1040、幀比例30fps，優(yōu)勢體現(xiàn)在數(shù)字信息自動輸送容積大、速率快。CCD芯片采用Sony ICX285CCD，其像素尺寸為6.45×6.45um，其像素位深為12bits，鏡頭接口為C-mount，工作溫度為0～50攝氏度。這些參數(shù)對改善圖像精度有重要的意義，為其后的處理提供支持。圖像采集器和系統(tǒng)的總體性能存在密切關(guān)系，因而也是需要重點研究的。在選擇過程中需要分析攝像頭的分辨率以及相應(yīng)的接口類型，綜合分析各方面因素而選擇了Meteor采集卡，根據(jù)說明書可知其采樣頻率為130MHz，緩存8/16Mbit/s，可以很好地滿足圖像采集要求。在進行缺陷檢測時需要通過軟件對采集的圖像進行分析，為確保相應(yīng)的缺陷檢測目標(biāo)實現(xiàn)，就需要機器視覺系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)性能達到較高水平。因而本文在設(shè)計時，對其硬件單元進行詳細的選擇。

4 虛擬儀器的構(gòu)成

這類儀器設(shè)備，能夠看成一類根據(jù)電子計算機的調(diào)試、衡量儀器設(shè)備，從總體上可劃分為軟硬件兩部分，在運行過程中其中的硬件部分作用是轉(zhuǎn)化目標(biāo)的模擬信號到數(shù)字信號，軟件則可處理、判斷采集的數(shù)字信號，然后基于所得結(jié)果發(fā)送指令。

虛擬儀器的硬件組成單元具體如下：①上位機：這種部分一般都是電子計算機，能夠完成一定探究分析與運算作用功能，與硬件組成設(shè)施的作用功能緊密相互聯(lián)系;②數(shù)據(jù)采集部分：一般為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可轉(zhuǎn)換處理相機采集的圖像為模擬信號，接著轉(zhuǎn)換處理而獲得數(shù)字信號，為其后的分析處理提供支持。在運行過程中其可實現(xiàn)一定的采集、放大和轉(zhuǎn)換功能。在數(shù)據(jù)交互方面選擇了數(shù)據(jù)采集卡/板、GPIB模塊。在進行采樣速率選擇時主要是基于采樣頻率最大值確定;③傳感器：虛擬儀器中傳感器發(fā)揮著重要的作用，總體分析可知其性能對輸出結(jié)果精確度有直接的決定作用。在選擇傳感器過程中，應(yīng)重點分析靈敏度參數(shù)，其反映出輸入變化對輸出變化的影響情況，為了充分符合衡量精確性需求，就應(yīng)當(dāng)提升感應(yīng)設(shè)備的靈活性。

軟件部分包括：①應(yīng)用軟件：主要構(gòu)成如客戶應(yīng)用操作程序，控制中央面板操控應(yīng)用操作程序與相互對應(yīng)的圖像操控應(yīng)用功能軟件;②機器設(shè)備聯(lián)動應(yīng)用操作程序：在應(yīng)用過程中可實現(xiàn)和外部硬件的交互目的，基于計算機圖形處理功能，而轉(zhuǎn)化圖像為編程語言，且在此基礎(chǔ)上建立起相應(yīng)的儀器界面，而在軟件基礎(chǔ)上實現(xiàn)界面控制功能。此外，在儀器界面也設(shè)置了相應(yīng)的按鈕以方便對硬件設(shè)備進行調(diào)節(jié)和控制。現(xiàn)場實際操控管理過程中，可以經(jīng)過鼠標(biāo)來對模擬儀器設(shè)備展開操控。LabVIEW 屬于一種圖形化編程平臺，其中設(shè)置了很多外觀與傳統(tǒng)儀器等同的控件，在進行編程時可方便地調(diào)用。下圖2顯示出本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、檢測相關(guān)的LabVIEW組成情況。

本檢測系統(tǒng)的主要工作過程如下：在鋼絲繩的運行過程中，圖像采集系統(tǒng)可對鋼絲繩初始圖像進行采集，接著發(fā)送到計算機，后者在接受到圖像后接著進行增強對比度、分割和判定等全面處理，之后對加強的圖像經(jīng)過最大類間方差法，來二值化處理運算轉(zhuǎn)化處理。之后使用Canny程序算子全面處理所得最終結(jié)果，而獲取金屬鋼絲繩的分布作用邊緣圖像，判定探究分析在這其中是不是具有一定的問題。

5圖像處理

在進行圖像增強過程中應(yīng)用了最大類間方差法，而獲得滿足對比度要求的現(xiàn)場圖像。接著基于灰度參數(shù)差異對這種圖像進行劃分，而形成背景和目標(biāo)兩部分。二者的灰度差越大則區(qū)別越大，這樣就可以更好地將目標(biāo)從背景中區(qū)分出，為其后的處理提供支持。

根據(jù)灰度梯度的不連續(xù)特征來對背景和目標(biāo)的邊緣進行區(qū)分，如從顏色和紋理特征的突變情況進行判斷。這種邊緣特征主要包括大小和方向兩個參數(shù)，基于一定數(shù)學(xué)算法進行判斷而確定出圖像的邊緣。進行理論分析可知像素值在垂直邊緣的方向灰度變化最顯著，而平行方向的變化慢，可以據(jù)此實現(xiàn)邊緣檢測的目的，然后可進行缺陷檢測。

使用Canny程序算子展開綜合處置研究而選取獲取圖像的分布作用邊緣圖像，有關(guān)實際狀況具體如下所示圖3。

這種系統(tǒng)在運行時需要通過傳感器采集初始圖像，根據(jù)自動輸送體系發(fā)往電子計算機之后，展開綜合處置研究而獲取含缺點特點的金屬鋼絲繩邊緣圖像，接下來經(jīng)過角陷檢測模式展開檢測，而確定出圖像的缺陷部位，然后基于缺陷來分析，確定出磨損率，參考依據(jù)這類最終結(jié)果判定出金屬鋼絲繩是不是產(chǎn)生嚴重的摩擦損失，以及有沒有達到相應(yīng)報廢條件。本文在研究時基于 Lab VIEW 8.6 軟件設(shè)計相應(yīng)的圖形化界面，且以此來實現(xiàn)鋼絲繩斷絲、磨損相關(guān)的判斷功能，虛擬儀器系統(tǒng)可以實現(xiàn)圖像采集、檢測相關(guān)的功能，且確定出鋼絲繩的缺陷情況，判斷出其是否達到了報廢標(biāo)準(zhǔn)。

6實驗過程與分析

在展開模擬仿真探究分析的時候，選用了實際有效直徑為18毫米的金屬鋼絲繩，鋼絲繩的磨損率為公稱直徑與實測直徑之間的差值除以公稱直徑，具體見公式1，當(dāng)磨損率高于10%條件下可認為缺陷很明顯，達到報廢標(biāo)準(zhǔn)。

磨損率=（公稱直徑-實測直徑）/公稱直徑×100% 公式1

圖4顯示出鋼絲繩的缺陷相關(guān)情況，進行判斷分析所得磨損情況結(jié)果如表1：

注：上表結(jié)果包含了磨損率、斷絲、彎曲形變度等各個組成角度數(shù)字信息，屬于整體性判定最終結(jié)果，探究分析上表最終結(jié)果可以得知根據(jù)機器設(shè)備視覺作用感官的這類金屬鋼絲繩缺點檢測體系的作用功能優(yōu)異，在應(yīng)用過程中可以高效地檢測出鋼絲繩的缺陷情況，且據(jù)此判斷出相應(yīng)的鋼絲繩安全性，對應(yīng)的研究目標(biāo)實現(xiàn)。這種系統(tǒng)檢測結(jié)果的精確度高，有一定應(yīng)用推廣價值。

7結(jié)論

本文綜合系統(tǒng)設(shè)計了一個根據(jù)機器設(shè)備視覺作用感官的金屬鋼絲繩缺點檢測體系，這類體系在運行工作過程中，經(jīng)過攝像頭收集金屬鋼絲繩圖像，然后利用Canny算法來增強處理采集的圖像，在灰度判斷基礎(chǔ)上得到圖像的目標(biāo)和背景部分，接著基于二值化邊緣圖像來判斷鋼絲繩的狀況，且進行安全性評價。測試實驗檢測最終結(jié)果說明這類缺點檢測體系作用功能完成，能夠非常好的符合金屬鋼絲繩缺點檢測的有關(guān)需求。比較探究分析可以得知這類金屬鋼絲繩的檢測體系的功能應(yīng)用優(yōu)勢，主要體現(xiàn)到如下幾個方面：

效率高，穩(wěn)定性高，可持續(xù)高效地運行;

非觸碰衡量，圖像的辨識率高，及時在線性好;

在檢測時不需要拆卸鋼絲繩，為檢測提供了很大的便利;

體積小，方便現(xiàn)場應(yīng)用和攜帶。

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