专利名称：微细管道管内缺陷及形貌测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及微细管道管内缺陷测量、光学测量，具体讲涉及微细管道管内缺陷及形貌测量装置及方法。
背景技术：
随着先进制造业和科学技术的发展，微细管道或小尺寸特征内孔在航空航天、汽车、能源及冶金、化工等领域中的应用越来越广泛，如航空航天飞行器散热、气流场的控制管路，汽车发动机缸体、缸盖及变速箱，核反应堆、蒸汽发生器的热交换管、冷凝器，以及化工应用中反应釜、反应塔中都分布着大量形状复杂的微细管道或小尺寸特征内孔。在上述部件或装置的精密铸造过程中，由于灰尘或气隙的存在，在微细管道内壁表面常常会产生一些微小的凹坑等缺陷，有时在微细管道的内部也会存在一些微小的气室，经后续机加工或经过长期使用，可能使内部的微小气室暴露形成小凹坑或出现裂纹、划痕等缺陷，从而引起部件内部尤其是连接处高压气体或液体的泄漏，造成设备性能的降低，甚至酿成安全事故。为此需要对微细管道管内缺陷及形貌进行测量，以对零部件的合格性和安全性进行评价，这对于提高产品性能质量、减少浪费、避免事故尤其是灾难性事故的发生都具有十分重要的现实意义。目前，常用的管道或孔内壁检测技术主要有漏磁法、超声波法、涡流法、光环截面法、内窥镜法以及CXD摄像机图像采集法。这些方法主要针对内径尺寸大于10_的管道或特征内孔检测，而对于IOmm或更小尺寸内径特征孔或微细管道的检测方法较少。随着光电技术和微细加工技术的发展，工业内窥镜的外径已经缩小到4mm，甚至更�。虼丝梢圆捎霉ひ的诳导觳釯Omm左右的特征内孔或管道。但采用内窥镜只能定性地判断管道内表面是否存在瑕疵和裂纹等缺陷，而不能定量地给出缺陷的尺寸和具体位置，尤其是需要人工手动操作，因此应用上具有很大的局限性。另外，现有方法对于微细管道或孔壁的检测还存在精度较低、检测速度慢、自动化程度低等缺点，不能满足柔性、自动化、快速检测的实际生产需求。
发明内容
本发明旨在解决克服现有技术的不足，提供一种微细管道管内缺陷及形貌测量装置及方法，具有柔性、自动、快速、可在线等性能特点，以满足现代工业对小尺寸特征内孔或微细管道管内缺陷及形貌的测量要求。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，微细管道管内缺陷及形貌测量装置，由光学传输部件、照明光源、摄像机组成微细管道管内缺陷及形貌测量传感器，并与工业机器人的末端关节固定联接，管内360°柱面环带全景图像数据经光学传输部件传输、摄像机拍摄、图像采集卡采集到计算机进行处理。光学传输部件顶端设置有360°锥镜，光学传输部件能够沿微细管道前进或后退。微细管道管内缺陷及形貌测量方法，借助于前述装置实现，并包括下列步骤(I)将待测管道精确定位；
(2)工业机器人驱动测量传感器的光学传输部件进入待测管道一截面位置，并保持光学传输部件与待测管道的同轴性；(3)开启照明光源，并由计算机控制图像采集卡实现摄像机输出环形图像数据的米集；(4)沿被测管道轴向方向，重复步骤(3)和步骤(4)，完成被测管道管内全部区域的图像数据采集；(5)将获取的环形图像展开并拼接组成所测孔壁的完整图像，采用图像信息处理技术对其进行处理，进行缺陷的判别及缺陷位置、大小等参数测量及管内形貌的构建，从而实现被测管道管壁内的缺陷及形貌测量。本发明的技术特点及效果本发明方法与装置可实现微细管道管内缺陷及形貌的测量，该方法操作方便、实现简单，具有高度的柔性，同时具有测量速度快、测量精度高、自动化程度高等特点，可满足航空航天、汽车、能源等装备或零部件中微细管道管内缺陷及形貌在线测量的要求。采用外部光源导入、内部图像导出新思路，将照明光源和图像采集器件放置在待测管道外部，通过光学传输部件将外部照明光导入管内待测区域，同时由同一光学传输部件将待测区域的光学图像导出，结合图像信息处理技术等实现微细管道管内缺陷及形貌的非接触、自动测量，突破了传统管道管内缺陷及形貌测量方法中传感器内置的实现模式，可以适应尺寸更小的微细管道管内缺陷的测量；同时，可靠、灵活的工业机器人技术的引入保证了测量过程的快速性及高度自动化。本发明方法与装置操作方便、实现简单、精度高、测量速度快、自动化程度高，可以推广应用。
图I是微细管道管内缺陷及形貌测量传感器示意图；图2是管内全景图像处理流程不意图；图3是微细管道管内缺陷及形貌测量装置示意图。其中I :被测管道 2 :光学传输部件(含360°全景锥镜)3 :外部光源 4 :摄像机5:工业机器人 6:测量传感器7 :被测工件。
具体实施例方式本发明采用的技术方案是突破已有管道管内缺陷及形貌测量方法中传感器内置的传统模式，提出外部光源导入、内部图像导出新思路，将照明光源和图像采集器件放置在待测管道外部，通过光学传输部件将外部照明光导入管内待测区域，同时由同一光学传输部件将待测区域的光学图像导出，结合图像信息处理技术等实现微细管道管内缺陷及形貌的非接触、自动测量；在此基础上，将工业机器人技术引入微细管道精密测量应用领域，为实现柔性、快速、在线的微细管道管内缺陷及形貌测量提供运动控制及支撑平台。以上技术方案需要借助于工业机器人(如ABB公司IRB2400型工业机器人)、照明光源(如Sight-Pipe公司PLI-28SR)、光学传输部件(如Sight-Pipe公司P/N 3198930)、摄像机(如 Baumer公司TXG12)、图像采集卡(如Matrox公司MeteorII)、计算机实现,并进一步包括如下步骤(I)由光学传输部件、照明光源、摄像机组成微细管道管内缺陷及形貌测量传感器，并与工业机器人的末端关节固定联接。(2)被测工件精确定位。(3)工业机器人驱动测量传感器的光学传输部件进入待测管道一截面位置，并保持光学传输部件与待测管道的同轴性。(4)开启照明光源，并由计算机控制图像采集卡实现摄像机输出环形图像数据的米集。(5)沿被测管道轴向方向，重复步骤(3)和步骤(4)，完成被测管道管内全部区域的图像数据采集。(6)将获取的环形图像展开并拼接组成所测孔壁的完整图像，采用图像信息处理技术对其进行处理，进行缺陷的判别及缺陷位置、大小等参数测量及管内形貌的构建，从而实现被测管道管壁内的缺陷及形貌测量。下面结合实施例附图对本发明的一种全新的微细管道管内缺陷及形貌测量装置与方法做出详细说明。本发明的一种微细管道管内缺陷及形貌测量装置与方法，其独特之处在于突破已有管道管内缺陷及形貌测量方法中传感器内置的传统模式，提出外部光源导入、内部图像导出新思路，将照明光源和图像采集器件放置在待测管道外部，通过光学传输部件将外部照明光导入管内待测区域，同时由同一光学传输部件将待测区域的光学图像导出，结合图像信息处理技术等实现微细管道管内缺陷及形貌的非接触、自动测量；在此基础上，将工业机器人技术引入微细管道精密测量应用领域，为实现柔性、快速、在线的微细管道管内缺陷及形貌测量提供运动控制及支撑平台。如图I所示为微细管道管内缺陷及形貌测量传感器示意图。测量传感器出)由光学传输部件(含360°全景锥镜)(2)、外部光源(3)和摄像机(4)组成。外部光源(3)通过光学传输部件(2)将照明光均匀投射在管内被测区域，并通过光学传输部件(含360°全景锥镜)(2)由摄像机(4)采集微细管道管内测量区域360°柱面环带全景图像。如图2所示为管内全景图像处理流程示意图。360°锥镜全景成像遵循“圆锥变换”，即轴向同一深度位置处，360°全景管内信息对应于全景图像中的一个环形区域。由摄像机(4)采集得到的管内360°全景图像，首先进行环形区域划分，然后将环形区域数据抽取出来并进行展开，经过后续的数据拼接、缺陷判别及形貌重建，继而实现微细管道管内缺陷及形貌测量。如图3所示为微细管道管内缺陷及形貌测量装置示意图。该装置主要由工业机器人(5)、测量传感器￠)、及相关的通讯控制系统、图像采集系统、图像处理系统、缺陷判断、 测量及形貌重建系统等组成。被测工件(7)精确定位后，工业机器人(5)驱动测量传感器
(6)的光学传输部件(2)进入待测管道一截面位置，并保持光学传输部件(2)与待测管道的同轴性。开启外部光源(3)，并由摄像机(4)采集管内区域的360°柱面环带全景图像。然后工业机器人(5)驱动测量传感器(6)沿被测管道轴向方向行进一定距离，并由摄像机⑷采集管内区域的360°柱面环带全景图像，直到完成被测管道管内全部区域的图像数据采集。将获取的环形图像展开并拼接组成所测孔壁的完整图像，采用图像信息处理技术对其进行处理，进行缺陷的判别及缺陷位置、大小等参数测量及管内形貌的构建，从而实现被测管道管壁内的缺陷及形貌测量。
权利要求
1.一种微细管道管内缺陷及形貌测量装置，其特征是，由光学传输部件、照明光源、摄像机组成微细管道管内缺陷及形貌测量传感器，并与工业机器人的末端关节固定联接，管内360°柱面环带全景图像数据经光学传输部件传输、摄像机拍摄、图像采集卡采集到计算机进行处理。
2.如权利要求I所述的微细管道管内缺陷及形貌测量装置，其特征是，光学传输部件顶端设置有360°锥镜，光学传输部件能够沿微细管道前进或后退。
3.一种微细管道管内缺陷及形貌测量方法，其特征是，微细管道管内缺陷及形貌测量方法，借助于前述装置实现，并包括下列步骤(1)将待测管道精确定位；(2)工业机器人驱动测量传感器的光学传输部件进入待测管道一截面位置，并保持光学传输部件与待测管道的同轴性；(3)开启照明光源，并由计算机控制图像采集卡实现摄像机输出环形图像数据的采集;(4)沿被测管道轴向方向，重复步骤(3)和步骤(4)，完成被测管道管内全部区域的图像数据采集；(5)将获取的环形图像展开并拼接组成所测孔壁的完整图像，采用图像信息处理技术对其进行处理，进行缺陷的判别及缺陷位置、大小等参数测量及管内形貌的构建，从而实现被测管道管壁内的缺陷及形貌测量。
全文摘要
本发明涉及微细管道管内缺陷测量、光学测量。为提供一种微细管道管内缺陷及形貌测量装置及方法，具有柔性、自动、快速、可在线等性能特点，以满足现代工业对小尺寸特征内孔或微细管道管内缺陷及形貌的测量要求。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，微细管道管内缺陷及形貌测量装置，由光学传输部件、照明光源、摄像机组成微细管道管内缺陷及形貌测量传感器，并与工业机器人的末端关节固定联接，管内360°柱面环带全景图像数据经光学传输部件传输、摄像机拍摄、图像采集卡采集到计算机进行处理。本发明主要应用于微细管道管内缺陷测量。
文档编号G01B11/24GK102608124SQ20121009946
公开日2012年7月25日 申请日期2012年4月6日 优先权日2012年4月6日
发明者吴斌, 薛婷, 韩文强 申请人:天津大学
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