基于机器视觉的链篦机台车侧板偏移检测.pdf

自动化技术与应用 Automation Technology and Application2023.7 今日制造与升级 510引言随着工业4.0的到来，我国钢铁工业发展突飞猛进，铁矿被大量开采，含铁矿石日益减少，球团矿作为一种人工合成的矿石，具有含铁品位高、粒度均匀、强度及还原性好等优点，逐渐成为当前中国高炉炼铁的主要原料。链篦机回转窑球团工艺是当今中国钢铁企业普遍采用的球团生产方法，包含链篦机、回转窑和环冷机组成。链篦机是一种常用的输送设备，广泛应用于矿山、冶金、建材、化工等工业生产领域。链篦机具有输送能力大、距离长、结构简单、运行稳定、维护方便等特点。其主要作用是将散装物料从一个地点输送到另一个地点，完成物料的储存、装卸和混合等操作，如图1所示。链篦机台车行进方向预热与氧化链篦机回转窑球团矿球团矿成品球团矿001001环冷机生球台车干燥焙烧冷却图1 链篦机回转窑球团工艺设备运转功能链篦机台车侧板偏移检测现状如下。（1）偏移现象。在链篦机长时间运行过程中，由于物料摩擦、链条磨损、托辊失效等原因，可能导致台车侧板出现偏移现象。侧板偏移会影响链篦机的输送效率，甚至可能引发设备损坏或事故。（2）检测方法。目前，链篦机台车侧板偏移的检测主要依赖于人工巡检，这种方法不仅耗时耗力，而且容易出现疏漏，难以实现实时监测和预警。基于机器视觉的链篦机台车侧板偏移检测方法可以有效解决这些问题。通过采用先进的图像处理技术和算法，如 LSD 算法进行边缘检测，可以实现连续、实时的侧板偏移监测。同时，利用机器学习和人工智能技术，可以提高对不同工况下侧板偏移的检测准确性。这将有助于提高链篦机的运行安全性和稳定性，降低设备故障风险。1 方法论述1.1 LSD算法简介LSD（LineSegmentDetector）算法是一种用于图像边缘检测的先进方法。它可以在图像中快速、准确地检测出直线段。LSD 算法的基本原理是通过局部梯度和灰度一致性来检测图像中的直线段。1.1.1 优点（1）鲁棒性。LSD 算法对噪声和光照变化具有较强的鲁棒性，即使在图像质量较差的情况下，仍能保持较好的检测性能。（2）精确性。LSD 算法可以检测出图像中较短、较细的线段，具有较高的检测精度。此外，LSD 算法可以直接输出线段的起点和终点坐标，便于后续处理和分析。（3）实时性。LSD 算法的计算复杂度较低，可以实现实时边缘检测。这对于需要快速响应的应用场景（如自动驾驶、机器人导航等）非常重要。（4）可控性。LSD 算法允许用户调整参数，如线段长度阈值、灰度容差等，以满足不同应用场景的需求。通过合理调整参数，可以达到较好的检测效果。摘要文章提出了一种基于机器视觉的链篦机台车侧板偏移检测方法，旨在解决链篦机台车在工业生产中出现的侧板偏移问题。为实现实时监测与分析，采用 LSD 算法进行边缘检测，以提取链篦机台车侧板的轮廓。在系统框架中，硬件部分主要包括摄像头、计算机等设备，软件部分则涵盖图像处理、边缘检测和偏移计算等功能模块。采用 LSD 算法，能够提供有效的侧板偏移监测，从而提高链篦机运行的安全性。文章通过实际生产现场采集的图像数据进行实验，验证所提方法的有效性，并与传统方法进行对比分析，结果表明，LSD 算法在侧板偏移检测方面具有优势。关键词机器视觉；侧板偏移；台车；链篦机；LSD 算法中图分类号TP391.41 文献标志码A基于机器视觉的链篦机台车侧板偏移检测殷华林（常州庚源机械科技有限公司，江苏常州213000）自动化技术与应用 Automation Technology and Application52 今日制造与升级 2023.71.1.2 局限性（1）只能检测直线段。LSD 算法主要针对直线段进行检测，对于曲线边缘的检测效果较差。在应对复杂场景中的曲线边缘时，可能需要采用其他检测方法。（2）参数调整。虽然 LSD 算法具有较好的可控性，但参数调整仍然是一个挑战。在实际应用中，往往需要根据图像特点和任务需求进行多次尝试，以找到合适的参数设置。（3）受梯度信息影响。LSD 算法的检测性能受梯度信息的影响较大。对于梯度较弱、边缘不明显的图像，LSD算法的检测效果可能不理想。（4）纹理影响。在纹理复杂的图像中，LSD 算法可能会受到纹理的干扰，导致误检或漏检，这需要在后处理阶段对检测结果进行筛选和优化。1.2 链篦机台车侧板偏移检测系统框架链篦机台车侧板偏移检测系统框架是一种用于自动监测链篦机台车侧板偏移状况的系统，旨在确保设备的正常运行和提高生产效率。1.2.1 链篦机台车侧板偏移检测系统主要组成（图2）（1）传感器。用于实时监测链篦机台车侧板的位置和偏移情况，常见的传感器类型包括激光位移传感器、超声波传感器等。（2）数据采集模块。负责收集传感器采集的数据，将其转换为计算机能够识别和处理的数字信号。（3）数据处理模块。对采集到的数据进行预处理、分析和判断，如滤波、噪声消除、偏移量计算等。（4）控制模块。根据数据处理模块的分析结果，对链篦机的运行进行控制，如调整链篦机的速度、方向等，以减小侧板偏移。（5）显示和报警模块。将检测结果以可视化的形式展示给操作人员，并在侧板偏移超过预设阈值时发出报警信号。（6）通信模块。用于与上位机或其他设备进行数据交互，实现远程监控和控制。1.2.2 系统原理链篦机台车侧板偏移检测系统采用传感器实时监测侧板的位置和偏移情况，通过数据采集模块将采集到的数据传输至数据处理模块。数据处理模块对数据进行分析和判断，如计算侧板偏移量、判断是否超过预设阈值等。若侧板偏移超过阈值，控制模块将介入调整链篦机的运行参数，以减小侧板偏移。同时，显示和报警模块会向操作人员展示检测结果并发出报警信号。链篦机台车行进方向侧板002001导轨光纤光纤电源光纤光纤支架侧板号码牌侧板偏移检测摄像机侧板号牌记录摄像机车架边框补光装置显示终端交换机图2 链篦机台车侧板偏移检测系统示意图1.2.3 系统优势（1）提高生产效率。通过实时监测和控制侧板偏移，降低故障发生的概率，提高链篦机的运行效率。（2）减少人工干预。自动检测和控制侧板偏移，减少人工巡检的频率和工作量。（3）增强安全性。实时报警和控制，避免因侧板偏移导致的安全事故。（4）提高检测精度。采用先进的传感器和处理技术，提高侧板偏移检测的准确性和可靠性。1.2.4 图像处理与边缘检测图像处理是计算机视觉领域中的一个重要研究方向，其目的是对图像数据进行处理、分析和解释，以便在计算机系统中实现对图像内容的理解和利用。边缘检测是图像处理中的一个关键技术，它可以帮助识别图像中的物体边界和轮廓，从而为后续的图像分析和识别任务提供基础信息。2 偏移计算与分析基于边缘检测结果的侧板偏移计算、偏移程度分析与实时监控主要应用于工业生产线、仓储管理等场景，用于检测和分析侧板（如机械设备、货物堆放等）的位置偏移情况。这些技术可以有效提高生产效率、确保生产安全，以及降低人工巡检成本。2.1 侧板偏移计算基于边缘检测结果的侧板偏移计算是通过对侧板的边缘检测结果进行分析，计算侧板的实际位置和理论位置之间的偏差，具体步骤如下。（1）预处理。对原始图像进行预处理，消除噪声、改善对比度等，以便进行更准确的边缘检测。（2）边缘检测。使用边缘检测算法（如 Sobel、Canny 等）对预处理后的图像进行边缘检测，提取侧板的边缘信息。自动化技术与应用 Automation Technology and Application2023.7 今日制造与升级 53（3）轮廓提取。根据边缘检测结果，提取侧板的轮廓信息。（4）偏移计算。通过对比侧板轮廓的实际位置和理论位置（如预设的标准位置），计算侧板的偏移量，如图3所示。导轨侧板3侧板2侧板1D线C线分界线A边界线B边界线台车行走车轮偏移故障区域无偏移故障区域基准区域车架边框（基准线）XY0图3 区域划分示意图2.2 偏移程度分析侧板偏移程度分析主要是对计算出的偏移量进行评估，判断侧板是否超出了允许的偏移范围，具体步骤如下。（1）设定阈值。根据实际应用场景和需求，设定合适的偏移阈值。（2）分析偏移程度。将计算出的偏移量与设定的阈值进行对比，判断侧板的偏移程度。（3）提示报警。如果侧板的偏移程度超过阈值，系统会发出报警提示，提醒操作人员及时进行处理。2.3 实时监控为了实现对侧板偏移的实时监控，需要将上述计算和分析过程集成到一个实时监控系统中，具体步骤如下。（1）图像采集。使用摄像头等设备实时采集侧板的图像数据。（2）边缘检测与偏移计算。对采集到的图像数据实时进行边缘检测和偏移计算。（3）偏移程度分析与报警。实时进行偏移程度分析，如有超出阈值的情况，立即发出报警提示。（4）可视化展示。将实时监控的结果以可视化的形式展示给操作人员，便于了解侧板的实时偏移情况。通过基于边缘检测结果的侧板偏移计算、偏移程度分析与实时监控技术，可以有效地对侧板的位置进行实时监测和调整，提高生产效率，降低安全风险。在实际应用中，可以根据具体需求选择合适的边缘检测算法和阈值设定。3 实验与结果分析对在包钢烧结厂采集整理出的100张图片进行侧板偏移故障检测，程序检测结果见表1，共检测判定出存在低等级侧板偏移故障图片21张、可能同时存在高等级侧板偏移故障图片10张。故障预警提示信息推送给现场工程师确认，工程师依据推送的检测效果图并经过现场勘察，确定存在低等级侧板偏移故障图片20张、同时存在高等级侧板偏移故障图片10张。本次实验中，程序误检率1%，其中，1张无偏移故障图片被程序检测判定为低等级侧板偏移故障，对整体检测工序无影响。表1 程序检测结果图片类型实际数量（张）检测数量（张）无偏移故障7069低等级偏移故障2021同时存在低等级和高等级偏移故障10104 结束语综上所述，基于 LSD 算法的链篦机台车侧板偏移检测技术是一种实时、准确且高效的工业生产线监测方法。通过对链篦机台车侧板位置的监测和分析，可以实现对设备运行状态的实时掌握，及时发现和处理潜在问题，从而提高生产效率、降低设备损坏风险以及保障生产安全。LSD算法在此应用场景中表现出较高的准确性和鲁棒性，使得检测结果更为可靠，有助于为操作人员提供直观的信息反馈。在未来的工业生产中，基于 LSD 算法的链篦机台车侧板偏移检测技术有望在更多领域得到广泛应用，为智能制造和自动化生产提供有力支持。参考文献1 李真如.基于机器视觉的链篦机台车侧板偏移检测D.包头：内蒙古科技大学，2022.2 王月明，李真如，翟容清，等.基于LSD算法的链篦机台车侧板偏移检测J.激光与光电子学进展，2021，58（8）：330-336.（下转第96页）运行与维护 Running and Maintenance 96 今日制造与升级 2023.7力值在臂架上出现的位置大致相同，均位于迎风面的上端，且与工程实践中的情况一致。与此同时，臂架中所有臂架迎风面的压力值都是相对较大的，而背风面的压力值都是相对较小的，处于中间位置的压力值分布情况较为复杂。结构风载荷的重要来源就是臂架迎风面处的压力值与背风面处的压力值之间的压力差，在工程实践过程中，为提升臂架整体的稳定性能，应对臂架工作状态中风向角为120的位置展开核验。5 履带起重机臂架及其拉管结构流固耦合研究5.1 风载荷对臂架结构的影响为衡量在具体环境中风载荷对履带式起重机臂架结构的影响，分析臂架结构在仅受风载荷条件下，变幅工况为70.52、风向角为90时，臂架结构产生的位移影响。当履带式起重机的臂架结构仅仅受到风载荷的影响时，总位移的峰值为0.271m，且在水平方向上，X 轴位移的最大距离为-0.03545m，Y 轴位移的最大距离为0.01748m，Z轴位移的最大距离为0.2685m。从以上结果可知，在仅受到风载荷的影响下，臂架结构发生位移的方向主要为 Z 轴的正方向，X 轴与 Y 轴方向的位移距离相对较少，造成臂架结构由于风载荷的影响会产生侧向倾覆的趋势。5.2 臂架拉管结构风载荷响应大气边界层的自然风主要有两个组成部分，分别是平均风以及脉动风，在相关起重机的设计规范中，把结构风载荷依照平均风载荷进行处理，并没有将脉动风对结构的动力影响纳入考虑范围。通过分析研究双向流固耦合数值，能够获得流场中拉管结构的风载荷响应现象，前拉管和后拉管由于受到风载荷的影响，都发生了振动的情况，且在结构阻尼的作用下，振动先后变为周期性的振动。因此，可以通过在拉管分布安装小的连接结构，进而改变拉管结构的气动弹性、固有频率和拉管结构附近流场的风的频率，降低风对拉管结构的振动影响。6 结束语通过文章研究发现，臂节整体的阻力系数会伴随风向角的增加而产生波动，臂节前片构件以及后片构建的阻力会伴随充实率的提高而降低，进而造成臂节整体的阻力降低。通过分析不同风向角下履带时起重机臂架结构发生的位移可知，校核风载对臂架结构影响时，选择90风向角来进行校核的正确性，且60和120风向角的风载荷对臂架结构也有较大影响。对臂架拉管结构在顺风时的频率进行研究分析可知，来流风中的频率成分通常分布范围在0.6 0.8Hz，臂架拉管结构的固有频率同样包含在该范围内，同样也是使前拉管、后拉管发生强迫振动的重要因素。因此，设计在履带起重机臂架拉管结构的过程中，应该将改变拉管结构的固有频率来降低风载荷响应引起的振动纳入设计的考虑范围内。参考文献1 奚传峰.履带起重机臂架结构风载荷特性研究D.大连：大连理工大学，2022.2 赵捍宇.桅杆式起重机主臂结构分析与风载特性研究D.长春：吉林大学，2022.3 王小燕.履带起重机臂架金属结构应力仿真与试验研究J.起重运输机械，2021（15）：79-83.作者简介周传林（1989），男，湖北荆州人，本科，工程师，主要研究方向为特种设备检验。边界层网格外域六面体网格内域四面体网格臂架表面网格图2 十二棱柱臂节计算域网格划分示意图（上接第53页）3 王月明，圣园园，黄文鑫，等.两种摄像机链篦机台车侧板裂缝识别比较分析J.内蒙古科技大学学报，2021，40（3）：282-286.作者简介殷华林（1982），男，安徽天长人，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为机械工程及自动化。