基于机器视觉技术的棒材自动计数分离系统

童明胜

(山东省冶金科学研究院,山东 济南 250014)

1 引言

钢筋棒材是我国消费量最大的钢材品种,据统计,2008年我国钢材产量58488.1万t,其中钢筋棒材产量为14379.46万t,占全年钢材总产量的24.6%。面对良好的需求市场,众多棒材生产厂通过不断提高装备技术水平来提高产品的产量和质量。然而目前我国大部分棒材生产中仍采用人工计数,劳动强度大,容易忙中出错,易出现包装质量异议,且与自动化轧钢不相配套,影响生产效率的提高。棒材自动计数分离,是提高棒材生产自动化水平的重要技术,对于轧钢厂实现棒材生产负偏差轧制、按理论重量交货、与国际市场接轨具有十分重要的意义。

2 目前各种棒材计数分离技术的比较

为解决棒材自动计数分离的问题,一些钢厂也相继开发应用了各种相应的技术,下面对目前几种计数分离技术的优缺点做简要介绍。

1)传统的人工计数和手工分离。其存在的问题是工人劳动强度大,计数误差较大。

2)引进国外公司产品。近年一些国外公司研制了多种钢筋计数装置,国内个别钢厂也有购买使用,但引进价格昂贵,环境要求严格,若生产线精度达不到要求,则影响生产的正常进行。

3)国内研制的机械分离和光电计数系统。例如,利用高低速两组传送链将棒材强制分离,然后利用光电装置进行计数;或者再增加一组分离螺杆装置,提高分离的可靠性。其缺点是机械机构复杂,使用成本高。而且光电装置易受到温度和现场氧化铁屑的影响,降低计数准确度。

4)国内研制的利用光栅和脉冲信号计数。其缺点是多个棒材没有间隙移动时会产生累计误差,降低计数准确度。重叠棒材也会产生计数误差。

5)国内研制的利用线阵摄像机拍摄棒材之间的间隙漏出的光线产生的明暗变化计数。该技术虽然能够对交叉的棒材计数,但如果有较大数量的棒材无隙漏堆叠在一起时,将无法计数。而且,交叉的棒材很难分离。

3 棒材在线视觉自动计数分离系统介绍

棒材在线视觉自动计数分离系统基于机器视觉技术,打破了传统机械式和光线遮挡型光电计数的设计思路。机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉是一项综合技术,包括数字图像处理技术、控制技术、光源照明技术、光学技术、传感器技术、模拟与数字视频技术、计算机软技术、人机接口技术等。机器视觉强调实用性,能够适应工业现场恶劣的环境,要有合理的性价通用的工业接口、较高的容错能力和安全性,并具有较强的通用性和可移植性,同时它更强调实时性,要求高速度和高精度[1]。

整套系统分为2个子系统,即棒材自动计数系统和棒材自动分离系统。棒材自动计数系统采用非接触式机器视觉技术和计算机比较控制技术,完美地实现了高精度计数的目的,统计精度可优于0.01%;棒材自动分离系统由精密机械分离装置、液压装置、链轮传动装置及计算机控制系统组成,该系统能精确分离任意规格、任意设定支数的棒材。

3.1 棒材自动计数系统

3.1.1 自动计数系统组成及功能

该子系统由视频采集、图像处理、目标识别、多目标实时跟踪、容错计数、操作控制等硬件和软件模块构成。采用计算机视觉技术对随移钢机运动的棒材进行计数。

棒材自动计数系统主要由图象采集监控系统计算机控制系统组成。该系统分为:VA40机器视觉系统、VA30视觉伺服控制与位置控制系统、计算机控制单元、图像显示单元几部分。VA40机器视觉系统包括光源、光学镜头、CCD摄相机、图像采集卡、图像处理单元、机器视觉处理软件、监视器、通讯/输入输出单元等。视觉系统工作原理为:由光源发出的平行光束照射到随移钢机运动的棒材横截面上,其边缘轮廓经过显微光学镜组成像在摄像机的面阵CCD像面上,计算机通过图像增强、数据编码和传输、平滑、边缘锐化、分割、特征抽取、融合、匹配等不同的算法来对图像进行处理[2],进行图像处理后获得被测对象边缘轮廓的位置,进而通过计算达到棒材计数的目的。

系统功能包括:从移钢机一侧采集运动棒材端面图像,经图像检测、图像识别、目标跟踪后实现实时计数,当捆计数值达到所设定值后,指导或控制移钢机启停。可用于实时显示分钢位置指导工人进行人工分钢。系统布局示意图见图1。

图1 棒材自动计数系统布局示意图Fig.1 The sketch map of steel bar automatic counting system

3.1.2 自动计数系统工作流程

高速视觉摄像头对运动中的钢材进行摄像,拍摄到的彩色视频信号经过图像采集卡数字解码器、模/数转换器、比例缩放、裁剪、色空变换等处理,通过PCI总线输入到计算机中对钢材进行计数,当计数到达一捆的数目时,发送一个命令给继电器,使传送装置停下来,同时跟踪计数的最后一根钢材的位置。当传送装置完全停下时,CRT显示器显示分钢位置,等分钢完成后,按启动按钮或自动(自动分钢)重新开始计数。系统工作流程拓扑图见图2。

图2 棒材自动计数系统工作流程拓扑图Fig.2 Work flow diagram of steel bar automatic counting system

3.2 棒材自动分离系统

3.2.1 自动分离系统组成及功能

3.2.1.1 视觉反馈分钢子系统

该子系统在视觉计数系统的基础上增加分钢机械、分钢控制模块和基于视觉反馈模块的决策模块等硬件和软件构成。

系统功能包括:在每捆额定支数计数满时,自动停止移钢机,系统根据视觉反馈模块的反馈棒材分布信息,进行分钢动作决策,选择合适的分钢动作,由分钢控制模块控制分钢机械动作。在分钢过程中,视觉反馈模块实时跟踪棒材的运动,根据棒材变化调整分钢策略,准确控制在一头分离棒材,实现计数分钢自动化。可通过启动下一节链床继续拉开前后捆棒材间的间距。

3.2.1.2 视觉反馈随动分钢子系统

该子系统在视觉计数分钢系统的基础上增加随动分钢机组、视觉反馈随动分钢控制模块和基于视觉反馈模块的决策模块等硬件和软件。

系统功能包括:在分钢机械从一头分开前后捆棒材之后,通过顶部摄像装置获得棒材在移钢机上的摆放情况,找出分钢机动作后产生的豁口走向,控制随动分钢机组各随动分钢楔在合适的豁口位置依次向上顶开棒材,实现棒材全部分离。系统布局示意图见图3。

图3 棒材自动分离系统布局示意图Fig.3 The sketch map of steel bar automatic separating system

3.2.2 自动分离系统工作流程

剪切后的螺纹钢/圆钢,经过一头对齐整理后,依次经过精密自动分隔器和计数视觉摄像机系统,在达到打包数量时,传送链A停止,精密自动分隔器启动,准确分隔前后两捆钢材。然后一组液压分隔器和传送链B相继动作,最终完成分隔。液压分堆挡板放下,让已分堆钢捆通过。传送链C启动,将分堆钢捆运送到打包机,完成一次分隔计数。系统工作示意图见图4,系统工作流程拓扑图见图5。

图4 棒材自动分离系统工作示意图Fig.4 The work sketch map of steel bar automatic separating sy stem

图5 棒材自动分离系统工作流程拓扑图Fig.5 The work flow diagram of steelbar automatic separating sy stem

4 棒材在线视觉自动计数分离系统的特点和技术指标

4.1 系统特点

1)打破机械加光电以及用CCD做透光检测的传统计数思路,针对普遍采用的成批剪切工艺提出了切实可行的在线视觉棒材点支的方案。

2)提出了K级容错计数算法和基于运动估计的评判表决错误校正算法,保证任何情况下的正确计数。排除了因棒材在链床上的不规则晃动,很容易出现错识别和跟踪错位的现象,计数精度高,对/12～/14多层钢筋计数误差率小于0.01%,粗钢计数误差率更低。

3)通过视觉传感器从无遮挡的端部获取棒材数字图像,在计算机中采用灵活的图像处理技术,分析并提取棒材截面的特征,进行检测、计数,具有速度快、精度高、适应性强等许多优点,能灵活处理各种复杂的变化情况。

4)生产线在线计数,可对生产线上多层堆积钢筋直接计数。

5)可拆分为独立计数系统和全自动计数分捆系统。

6)独立计数系统具有无机械分捆,不需对生产线进行改造,安装调试不影响生产的正常运行。不影响生产线的大、中、小修,不影响行车正常运行的特点。

7)全自动计数分捆系统需要对生产线进行小范围的改造、安装调试不影响生产的正常运行。不影响生产线的大、中、小修,不影响行车正常运行的特点。

8)基本无易损件,工作稳定可靠,可长时间连续运转。

9)复核检测系统有两种方案备选:一种采用携带方便、体积小的便携式成捆棒材复核检测装置。一种是在线式复核检测系统,采用静态棒材侧面图像识别技术二次校验计数,使最终分堆准确率再次上升1到2个数量级,几乎无差错。

4.2 系统技术指标

1)独立计数系统允许在线钢筋堆积厚度＜80 mm。

2)生产线传动链速度可控,最大速度＜600 mm/s。

4)最大允许斜度≤15°。

5)设备安装空间:传送链方向3 m。

5 结论

基于机器视觉技术的棒材自动计数分离系统,解决了我国棒材生产线最后一个环节的自动化难题。目前,该系统已在涟源钢铁集团棒材一厂、棒材二厂,济南钢铁集团第一小型轧钢厂成功投用。该系统的应用在轧钢自动化领域具有积极意义,不仅大大减少了棒材生产线职工的劳动强度,且提高了工作效率和产品质量,受到了使用单位的一致好评,具有较好的应用前景和推广价值。

[1]陈梅兰.机器视觉关键技术与应用实例分析[J].现代计算机,2006(1):21-25.

[2]曹国斌,刘雪蛟,王花.图像和机器视觉技术概述[J].电子工业专用设备,2008,37(8):27-31.