CC BY
244
Применение систем технического зрения для контроля технологических параметров и оборудования на производстве
Кульчицкий А.А, Булатов В.В., Бойков А.В., Комарова Т.Ю., Бажин В.Ю.
Санкт-Петербургский горный университет, aakul@spmi.ru, bulatov-vitaly@yandex.ru, boykov_av@spmi.ru, komaroff@spmi.ru, bazhin-alfoil@mail.ru
Аннотация
В статье представлены результаты научных исследований, проводимых кафедрой автоматизации технологических процессов и производств Санкт-Петербургского горного университета. Обобщены работы, связанные с применением систем технического зрения для контроля технологических параметров и оборудования на машиностроительных и металлургических предприятиях.
1 Введение
Принципиальная особенность оптико-электронных систем (ОЭС) бесконтактного измерения заключается в том, что измерительная информация передается световым потоком, проходящим через объектив. Условия его прохождения от различных точек пространства предметов неодинаковы и, следовательно, энергетические характеристики изображения (яркость, освещенность, контрастность) изменяются от одной точки объекта к другой.
С точки зрения получения измерительной информации оптико-электронными системами все задачи контроля и мониторинга можно разделить на 3 группы: определение геометрических параметров объектов по их изображению (или изображениям), распознавание нестационарных областей и оценка их параметров, колориметрия.
Для оценки геометрических параметров объектов в настоящее время находят широкое применение системы технического зрения (СТЗ).
Современная СТЗ включает в себя три основных компонента:
1) устройство получения изображения (камера);
2) интерфейс для передачи данных от камеры до устройства обработки информации;
3) устройство обработки информации (ПК) со специализированным программным обеспечением (например, NI Vision Builder), на основе которого пишется алгоритм обработки изображения.
Получение изображения объекта (изделия, детали, заготовки) обеспечивается камерами в сочетании с оптическими элементами и устройствами освещения.
Точность восприятия измерительной информации КТЗ существенно зависит от совершенства оптической части. Современные объективы проектируются с использованием компьютеров для проведения сложных расчетов и моделирования высокого уровня, но это не дает возможности полностью устранить все искажения.
Поэтому особое внимание при внедрении систем технического зрения нужно уделять метрологической оценке измерений и проведении калибровки с применением тест-объектов.
Наиболее перспективным является метод калибровки камеры по снимкам специального тест-объекта. Сущность метода - получение калибровочных коэффициентов, учитывающих влияние всех систематических искажений, существующих при реальной съёмке. И дальнейшая программная компенсация искажений на основе математической модели, описывающей искажения. Данный метод калибровки является наиболее распространённым на данное время и легко реализуемым на практике.
Анализ существующих сведений о методах компенсации погрешностей и создание обобщенной модели передачи информации в ОЭС позволили разработать алгоритм для комплексной компенсации погрешностей оптико-электронной системы контроля геометрических параметров [2]. Алгоритм включает в себя следующие этапы: вычитание фона, фильтрацию шумов матрицы камеры технического зрения, процедуру калибровки с использованием тест-объектов, пороговую бинаризацию изображения (рис.1).
Рис.1. Последовательность обработки в алгоритме компенсации погрешностей оптико-электронной системы
Выбор компонентов СТЗ зависит от точности оценки параметра (дефекта, температуры, цвета объекта и тд.), технических и финансовых возможностей производства.
Рассмотрим методики оценки технологических параметров с применение технологии технического зрения, разработанные на базе лаборатории «Робототехника и оптические системы контроля» кафедры автоматизации технологических процессов и производств Санкт-Петербургского горного университета.
Выбранным направлением исследований является применение преимущественно пассивных систем проекционного типа, для контроля геометрических параметров и поверхностных дефектов.
2 Контроль дефектов стекла
Проблема автоматизированного контроля качества листового стекла давно стоит на предприятиях стекольной промышленности и машиностроения. Огромная конкуренция заставляет предприятия, производящие листовое стекло и изделия из стекол (стеклопакеты), обращать самое пристальное внимание на качество изготавливаемой продукции. Следует отметить, что за последние 10 лет в России ужесточились требования к измеряемым дефектам листового стекла. Так, минимальный размер детектируемого дефекта по ГОСТ 111-2014 составляет 0,2 мм.
Основными проблемами в данном направлении являются:
1) разработка алгоритмов поиска связных объектов анализируемого изображения;
2) система освещения объекта контроля;
3) обеспечение требуемой метрологической точности систем промышленного контроля;
4) организация процесса контроля дефектов на предприятиях, применяющих листовое стекло в своих изделиях.
Контроль пороков осуществляется по ГОСТ 32557-2013 визуально при освещенности 300 лк. Видимость объекта контроля (степень различимости пороков стекла при их наблюдении) зависит от продолжительности просматривания, контраста, яркости, цвета, угловых размеров объекта, резкости контуров и условий освещённости.
Таким образом, некоторые даже крупные пороки стекла не могут быть обнаружены глазом из-за малого контраста на поверхности детали. По этой причине возникает проблема точного определения линейных размеров дефекта и его классификации. Для автоматизации процесса контроля предлагается использовать СТЗ [1].
Для проведения исследований разработана лабораторная установка автоматизированного детектирования пороков стекла (АДПС), которая представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Устройство АДПС: 1 - каретка камера технического зрения (КТЗ); 2 - крепление КТЗ; 3 - КТЗ; 4 -каретка диафрагмы; 5 - диафрагма; 6 - каретка объекта контроля; 7 - держатель объекта контроля; 8 -объект контроля (листовое стекло); 9 - светильник; 10 - каретка светильника; 11- экран; 12 - держатель экрана; 13 - светильники; 14 - скамья; 15 - объектив камеры
в)
Рис.3. Изображение объекта контроля при оптимальном варианте освещения: а) царапина, б) камень, в) пузырь
По ГОСТ оценивается только линейный размер. Другие параметры, например глубина залегания дефекта, в процессе контроля не учитываются.
Если задача контроля заключается только в выделении дефектных областей на изображении и выводе сигнального сообщения на экран, то это может значительно упростить конструкцию и снизить материальные затраты по внедрению.
Например, для контроля дефектов «выщелачивание» не требуется дополнительной системы освещения, а в качестве приемника изображения достаточно использовать веб-камеру, например, А4ТеЛ PK-8G (CMOS-матрица), которая устанавливается на АДПС (рис. 4). Результаты эксперимента представлены на (рис.5).
Рис.5. Результаты обработки изображения с дефектом «выщелачивание» в разработанной программе
Программная составляющая СТЗ может быть реализована на базе библиотек Open CV.
В ходе проведенных исследований получены следующие результаты:
1. экспериментально доказана необходимость применения фильтрации изображения для детектирования пороков стекла с использованием наборов масочных фильтров;
2. экспериментально установлена зависимость степени детектирования от коэффициентов фильтров, что позволило определить оптимальный набор фильтров для разных классов пороков;
3. в соответствии с предложенным алгоритмом и методикой разработана экспериментальная оптико-электронная установка АДПС, которая обеспечивает коэффициент выделения дефекта от 0,92 до 0,99.
3 Контроль валов
На машиностроительных предприятиях существует проблема автоматизации измерения и контроля параметров изделий. Замеры производятся последовательным путем, что приводит к значительным временным затратам. В основном применяются статистические методы оценки качества, что повышает вероятность брака.
Повышение точности и быстродействия процедуры контроля может быть достигнуто путем внедрения СТЗ.
Рассмотрим пример применения СТЗ для комплексного контроля наружных поверхностей формообразующей геометрии деталей типа «тела вращения» при обработке на токарных станках.
Контролируемые объекты являются осесимметричными, поэтому целесообразно осуществлять контроль 2D-геометрии одноканальной пассивной ОЭС с фиксированным положением объекта контроля.
Для оценки точности системы контроля разработан экспериментальный стенд, основными элементами которого являются: источник освещения, измерительная скамья; устройство фиксации объекта контроля; КТЗ. (рис. 6).
Рис. 6. Лабораторный стенд для контроля деталей типа «тела вращения»
После получения полутонового изображения в Pylon Viewer в среде NI Vision Assistant производилась калибровка камеры технического зрения, оценка перспективных искажений и дисторсии (рис.7).
Рис. 7. Процесс калибровки тест-объекта
После бинаризации изображения осуществляется калибровка КТЗ при помощи сетки точек. Полученные результаты калибровки автоматически применяются к открываемым изображениям и все замеры деталей будут проводиться в миллиметрах, а не пикселях (по умолчанию).
а)
Рис.8. а) проведение измерений объекта контроля; б) бочкообразная дисторсия на изображении
Предложенный метод калибровки камеры технического зрения с использованием тест-объекта обеспечивает погрешность Д=±1пиксель, что соответствует 0,05 мм для поля зрения в 130 мм.
4 Контроль технологических параметров в металлургии
Ограниченность применяемых методов контроля технологических процессов в металлургии заставляет искать новые направления в получении технологической информации.
Одним из таких направлений может быть развитие оптико-электронных систем контроля, позволяющих регистрировать поверхностные свойства объектов контроля. К таким задачам могут быть отнесены: контроль состояния и точности установки токоподводящих стержней электролизеров, степени герметизации (наличия «дымков»), целостности корки, мониторинг цвета пламени дожигаемых анодных газов, состава веществ и многие другие [5].
В работе [4] представлена система технического зрения, которая позволяет обеспечить повышение эффективности управления процессом производства алюминия в электролизерах.
Результатом применения СТЗ является разработанная методика регистрации и анализа излучения криолитоглиноземного расплава, которая позволяет определить точное количество корректируемых добавок фторида алюминия и фторированного глинозема в течении 30-45 секунд.
Предложенная система дает возможность интенсифицировать очистку поверхности расплава во время технологических операций (выливка металла, замена анодов), что снижает степень зашлакованности до 10-15 %, обеспечивая устойчивую работу электролизера и снижение потерь металла и электроэнергии (рис.9).
□
шш
а)
4
б)
Рис. 9. а) схема лабораторного стенда для изучения оптического спектра расплава, где: 1 3 - электрод, 4 - СТЗ; б) пример анализируемого изображения
тигель, 2 - ЭВМ,
В электролизерах Содерберга подвод тока анодной ошиновки к аноду осуществляется сверху токоподводящими штырями. Штырь состоит из анодной штанги и стального стержня, соединенных между собой сваркой взрывом. Стержень изготовлен из стального проката, в верхней части имеет цилиндрическую форму, переходящую в конусную в нижней.
В процессе эксплуатации самообжигающегося анода требуется перестановка штырей на электролизере на заданный горизонт с помощью технологического крана.
Важно чтобы сохранялась форма конуса штыря во избежание неравномерного распределения тока в аноде. Критерием износа штырей является уменьшение длины на 110 мм по отношению к исходному размеру и уменьшение диаметра в нижней части на расстоянии 50 мм от торца штыря -до менее 80 мм (рис. 10). Отбраковка штырей производится вручную при помощи шаблонов. Для автоматизации процесса контроля предлагается использовать СТЗ, которая позволит осуществлять контроль геометрических параметров анодных штырей с точностью ± 1 мм. [3]. Наиболее
приемлемое размещение измерительной части системы контроля является ограждение кабины крана. Расстояние до объекта контроля - 6 м. (рис. 11).
Рис.10. Область изменений геометрии штыря при эксплуатации
Рис. 11. Схема расположения элементов системы контроля анодных штырей
Для оценки расслоения анодов и других дефектов поверхности штырей предлагается использовать механизмы фильтрации изображений и методики оценки геометрических параметров, рассмотренные в работе [1].
К проблемам внедрения СТЗ можно отнести следующее:
1) недостаточно проработан математический аппарат описания объектов контроля;
2) отсутствие стандартов и руководящих документов по оценке метрологических характеристик систем технического зрения, которые бы расширили сферы применения оптико-электронных систем контроля;
3) отсутствие разработок, связанных с защитой промышленных камер при контроле технологических параметров высокотемпературных сред;
4) применение оптико-электронных систем контроля на производстве до сих пор является материально затратным. Сказывается стремление предприятий получить быструю прибыль за коротких срок, что в дальнейшем отражается на итоговом качестве изготавливаемой продукции.
Выводы
Представленные методики прошли апробацию на лабораторных стендах. Результаты свидетельствуют о перспективной возможности применения исследований на производстве. Работа лаборатории направлена на разработку методик и рекомендаций по монтажу камер технического зрения, составление каталога комплекта СТЗ, разработку и модернизацию собственного программного обеспечения, обладающего необходимыми функциями для анализа изображений в режиме реального времени.
Список литературы
[1] Булатов, В.В. Автоматизированное детектирование пороков листового стекла на основе технологии
технического зрения [Текст] / В.В. Булатов, И.И. Абакумов, А.А. Кульчицкий,
В.А Шабанов //Вестник Иркутского Государственного Технического Университета №2. - Иркутск: ИрГТУ, 2012 - С.21-26.
[2] Абакумов, И.И. Компенсация погрешностей пассивной оптико-электронной системы контроля геометрии изделий / И.И. Абакумов, А.А. Кульчицкий// Измерительная техника - М: 2016, №8, С. 27-30.
[3] Бажин, В.Ю. Оптический контроль состояния стальных анодных штырей на электролизерах Содерберга / В.Ю. Бажин, Д.Н. Кадров, А.А. Кульчицкий, П.А. Петров // Металлург, №63 (4). 2016, С. 96-100.
[4] Бойков, А.В. Метод бесконтактного измерения криолитового отношения в электролитическом производстве алюминия / В.Ю. Бажин, А.В. Бойков, П.В. Иванов // Измерительная техника и приборы, -М: 2015, №2, С. 71-73.
[5] Комарова, Т.Ю. Автоматизация мониторинга технологического состояния электролизеров Содерберга при помощи систем технического зрения / Т.Ю. Комарова, А.А. Кульчицкий // Международный научно-исследовательский журнал, 2016, № 2 (44) часть 2. С. 25-27.
