三維圖像識(shí)別成形技術(shù)在輥壓機(jī)輥面監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用

黃賀

輥壓機(jī)是基于料床粉碎原理而開發(fā)的一種高效、節(jié)能的粉碎設(shè)備，目前已廣泛應(yīng)用于各類粉磨系統(tǒng)。相比于其他粉磨系統(tǒng)，輥壓機(jī)粉磨系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，一方面可降低系統(tǒng)整體電耗，另一方面可提高系統(tǒng)產(chǎn)量。輥壓機(jī)輥面作為輥壓機(jī)中最重要的部件之一，在運(yùn)行中不可避免會(huì)產(chǎn)生磨損，其磨損情況將直接影響粉磨系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)轉(zhuǎn)率，因此，需經(jīng)常對(duì)輥面進(jìn)行檢查和維護(hù)。但在實(shí)際生產(chǎn)中，輥面的維護(hù)和保養(yǎng)往往是在輥壓機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)異常后才進(jìn)行，此時(shí)，輥面的磨損可能已經(jīng)較為嚴(yán)重，導(dǎo)致維護(hù)成本和周期較長，另一方面，輥面磨損可能造成輥壓機(jī)系統(tǒng)的非計(jì)劃停機(jī)，最終給企業(yè)帶來較大損失。

目前對(duì)輥面的監(jiān)測(cè)手段主要依賴于人工開箱檢查，耗時(shí)費(fèi)力。部分企業(yè)通過分析輥軸軸承、輥縫波動(dòng)或產(chǎn)量波動(dòng)值等來間接觀察輥面狀況，但由于組件較多，干擾較大，很難得到準(zhǔn)確的結(jié)果。我們?cè)O(shè)計(jì)研發(fā)了一套輥壓機(jī)輥面的三維圖像掃描系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輥壓機(jī)輥面的在線監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)利用基于線結(jié)構(gòu)光的主動(dòng)三維圖像識(shí)別成形技術(shù)生成輥面圖像以及位置信息，通過對(duì)圖像和數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析研究，得到輥面的運(yùn)行狀況、磨損程度等信息，并能及時(shí)檢查磨損區(qū)域、統(tǒng)計(jì)磨損量、檢查異常情況并上傳，從而實(shí)現(xiàn)輥壓機(jī)粉磨系統(tǒng)有計(jì)劃的停機(jī)維護(hù)，避免輥壓機(jī)輥面更大范圍或更嚴(yán)重的磨損產(chǎn)生，延長輥壓機(jī)使用壽命。

1 三維圖像識(shí)別成形技術(shù)研究

三維圖像識(shí)別成形技術(shù)在近年來得到了快速發(fā)展，按照識(shí)別對(duì)象的照明條件不同，識(shí)別技術(shù)可分為被動(dòng)和主動(dòng)兩大類。被動(dòng)識(shí)別技術(shù)，如雙目立體圖像識(shí)別技術(shù)，是依靠待識(shí)別物體周圍的光照條件實(shí)現(xiàn)照明。主動(dòng)識(shí)別技術(shù)，如結(jié)構(gòu)光圖像識(shí)別技術(shù)，是使用專門的光

源裝置來提供待識(shí)別物體周圍的照明。由于輥壓機(jī)輥面處于密閉的環(huán)境中，難以提供被動(dòng)照明條件，我們選用了基于線結(jié)構(gòu)光的主動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。此系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單，精度較高，使用單色性好的激光，很少受物體表面紋理的影響，相對(duì)較穩(wěn)定。

結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)主要由結(jié)構(gòu)光光學(xué)投射器、相機(jī)、計(jì)算機(jī)組成，如圖1a所示。光學(xué)投射器將結(jié)構(gòu)光投射到待識(shí)別物體表面，在物體表面形成由待識(shí)別物體表面形狀所調(diào)制的光條三維圖像，如圖1b所示。該圖像由位于另一側(cè)的相機(jī)拍攝采集，從而得到光條二維畸變圖像，光條的畸變程度取決于光學(xué)投射器與相機(jī)之間的相對(duì)位置和物體表面的輪廓。將待測(cè)物體旋轉(zhuǎn)一周后，可獲得整個(gè)物體表面的圖像。一旦光學(xué)投射器和相機(jī)位置確定后，計(jì)算機(jī)通過對(duì)拍攝圖像進(jìn)行解算，則可重現(xiàn)物體表面形狀，生成三維圖像，具體解算過程不再贅述。

圖2a為在此技術(shù)上開發(fā)的三維圖像掃描設(shè)備圖，對(duì)此設(shè)備的測(cè)量誤差實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖如圖2b所示。通過對(duì)齒狀面測(cè)試樣塊進(jìn)行測(cè)量，最終得到齒狀面的測(cè)量坐標(biāo)信息，與樣塊的實(shí)際坐標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示設(shè)備的測(cè)量誤差在1mm內(nèi)，測(cè)量結(jié)果對(duì)比情況如圖3所示。除了能滿足一般輥壓機(jī)輥面測(cè)量要求外，其他如具有硬質(zhì)點(diǎn)的堆焊輥面以及具有柱釘?shù)闹斴伱妫ㄖ睆匠叽缫话阍?0～20mm范圍）的測(cè)量也能完全滿足要求。

圖1 結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)

圖2 三維圖像掃描設(shè)備及實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖

圖3 測(cè)試樣塊掃描結(jié)果對(duì)比

2 三維成像技術(shù)研究

基于上述的三維圖像掃描設(shè)備，我們開發(fā)了一套輥壓機(jī)輥面三維圖像掃描系統(tǒng)，此系統(tǒng)包含掃描頭、線性移動(dòng)模組、控制器等，如圖4所示。其中，掃描頭集成了三維圖像掃描設(shè)備和防塵罩等。線性移動(dòng)模組由絲桿導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)掃描頭沿輥?zhàn)虞S向移動(dòng)。由于輥壓機(jī)輥面處于密封的環(huán)境中，空間受限，導(dǎo)致掃描頭不能固定著將輥面全部掃描，一般需沿輥?zhàn)虞S向移動(dòng)2～4次才能完成整個(gè)輥面的掃描?？刂破鲗?shí)現(xiàn)對(duì)掃描頭拍攝啟停、線性模組移動(dòng)以及最終的數(shù)據(jù)上傳等控制。輥壓機(jī)工作時(shí)，會(huì)有較多粉塵和顆粒沖擊，為保障掃描系統(tǒng)正常工作，在輥壓機(jī)開機(jī)后，掃描系統(tǒng)會(huì)控制粉磨系統(tǒng)先不帶料運(yùn)行，待掃描工作完成后，再恢復(fù)正常工作。整個(gè)掃描過程大約5min左右，對(duì)粉磨系統(tǒng)的影響極小。

圖4 設(shè)備原理圖

圖5 為對(duì)輥壓機(jī)堆焊輥面進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，最終得到的輥面三維圖形如圖6所示。通過整體以及局部放大三維圖可見，三維圖像生成結(jié)果具有較高的還原度，堆焊輥面的菱形花紋、硬質(zhì)點(diǎn)顯示清晰，輥面磨損情況一目了然。通過對(duì)成像結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析，可以得到磨損量、磨損區(qū)域大小等信息。

圖5 輥壓機(jī)堆焊輥面掃描

圖6 輥面三維圖

3 結(jié)語

我們通過研究三維圖像識(shí)別成形技術(shù)，開發(fā)了一套用于輥壓機(jī)輥面分析的三維圖像掃描系統(tǒng)，并分析了其測(cè)量誤差。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，利用此系統(tǒng)可獲取輥面的三維圖像等信息，可較為直觀地觀察輥面的狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)輥面的監(jiān)測(cè)，提升粉磨系統(tǒng)的智能化水平，具有較廣泛的應(yīng)用前景。