管件表面缺陷高光谱自动检测传送装置的设计*

庞慕妮，陈建勋，梁敏健

（广东省特种设备检测研究院珠海检测院，广东珠海 519002）

0 引言

三通管、异径管、弯头等作为石化行业管道系统常用管件，其质量对于确保承压特种设备安全可靠运行具有重要影响[1-3]。表面裂纹等管件表面缺陷可通过高光谱荧光渗透方法进行检测，其一般过程为：将被检管件表面浸涂带有荧光的渗透液，将表面多余的渗透液清洗掉后进行干燥，随后进行显像处理，显像过程中缺陷处剩余的渗透液将显示出管件表面的缺陷痕迹，最后人工观察被检管件表面缺陷状况，对管件是否合格进行判断[4]。在上述荧光渗透探伤的人工观察检测过程中，观察人员应先在暗室中至少停留5 min，以使人眼适应光线环境，然后再观察被检物体表面缺陷，检测时被检物表面的照度不得低于50 lx。该管件表面缺陷检测方法通常效率低下，劳动强度大，且现场作业环境恶劣[5]。随着计算机视觉的快速发展，其在表面缺陷检测方面得到越来越多的应用[6-8]，可将计算机视觉技术应用于管件表面缺陷高光谱自动检测，依据智能检测算法进行管件表面裂纹、异常缺损等缺陷自动识别，可快速判断缺陷类型和状态，有利于提供检测效率和检测准确性，降低劳动强度。

本文设计了一种用于管件表面缺陷高光谱自动检测的环形传送装置，该装置可用于流水线中管件经荧光显像之后表面缺陷的机器视觉自动识别、不合格管件自动分拣、管件自动计数等功能，有利于提高检测的自动化水平，提高缺陷识别效率、降低无损检测人员作业强度。

1 传送装置结构

图1 传动装置功能分区示意图

传送装置主体为环形分布，有利于节约检测空间，布局如图1所示，共包括5个功能分区，分别为待检区、检测区、报废区、成品区和动力区。待检区用于自动检测前悬挂待检管件，待检区的管件经链条传送装置传送至检测区进行高清拍照分析，随后管件离开检测区。对于计算机视觉表面缺陷检测不合格的管件，管件移动到报废区时进行报废，检验合格的管件则继续随环形流水线前行，最后进入成品区，用于后续回收。

传送装置结构示意图如图2所示，其中支架与导轨上端面连接，用于流水线固定，使传送装置离地一定高度，方便装卸管件操作。链轮与链条啮合装配，可带动链轮沿环形导轨移动。2个滚轮对称设置于环形导轨截面两侧，滚轮与支架连接，滚轮沿导轨滚动带动支架沿导轨横向移动，电磁吸盘固定安装于支架下端，电磁吸盘通电后可吸附管件，链轮转动时即可带动一批管件沿环形导轨匀速运动。检测区的3个相机呈一定夹角分布，可对管件3个方向进行拍照，接近传感器用于检测是否有管件进入检测区，当检测到有管件进入检测区时，接近传感器对测试系统发出一个开关量电信号，测试系统接收到有管件到达检测区的信号后可控制3个相机进行拍照。废品存放区位于报废区导轨的正下方，计算机视觉检测表面缺陷不合格的管件经传送装置运送到报废区后，控制系统使对应的电磁吸盘失电，管件被扔入废品存放区。合格的产品继续被电磁吸盘吸附运送至成品区。接近传感器一方面用于检测是否有管件进入检测区，另一方面可对管件进行计数，当所有管件都经视觉检测结束并到达成品区或进入报废区后，此时计数值等于所有待检测的管件数量，检测系统控制链轮停止运转，本批次管件检测结束。

图2 传送装置结构示意图

2 高光谱自动检测控制原理

2.1 传送装置供电原理

自动检测传送装置供电电路如图3所示，K1为常开型自恢复按键开关，K2为常闭型自恢复按键开关，按下K1时启动继电器J0的线圈通电，J0的常开触点J0-1和J0-2闭合，K1断开后J0线圈保持通电状态，系统运行指示灯L亮，指示当前系统供电正常，同时给直流开关电源RL 提供AC220 V 供电，PLC 电源实现通电。第一继电器常开触点J1与电磁吸盘YH1相连，第二继电器常开触点J2与电磁吸盘YH2相连，所有n个电磁吸盘分别与对应的继电器常开触点相连，电磁吸盘通电后可对铁磁性金属管件进行吸附。报警器BJQ用于实现一批次管件测试结束后的声光报警。

图3 自动检测传送装置供电电路

2.2 PLC控制原理

图4所示为自动检测传送装置PLC控制电路，PC机可通过RS485通讯方式与PLC通讯，对PLC进行上位机控制，同时3 个相机XJ1、XJ2和XJ3通过USB 通讯方式与PC连接，可将相机拍摄的管件表面照片上传至PC 机，供PC 机进行缺陷图像分析，同时PC 机可对外控制相机拍照。PLC可通过另一RS485端口控制变频器BPQ，从而控制三相电机M 运转或停转，并设置转速和转动方向，进一步控制管件传送装置运行。

PLC的I0.0 输入端与接近传感器SENSOR 的信号输出端OUT 相连，PLC 的输入公共端IM 与SENSOR的公共端相连，SENSOR 的另一端与开关电源RL 输出的24 V+接线端相连，当接近传感器检测到有管件到达检测区时，接近传感器向PLC的I0.0端发送一开关量信号，PC 机监测到PLC 接收到该信号后通过USB 端口控制3 个相机同时拍照，记录管件表面在3个方向上的数字照片，进行计算机数字分析与缺陷识别。PLC 输出公共端IL 与开关电源RL 直流输出GND 端相连，开关电源RL 的24 V+直流输出端与控制n个电磁吸盘的继电器J1，J2，…，Jn相连，为继电器提供直流工作电源，n个继电器线圈的另一端分别与PLC 输出端Q0.0，Q0.1，…，Qx相连。PLC 的Q0.0输出端与交流继电器J 线圈一端相连，通过控制J 的得失电控制传送装置电机和变频器供电状况，Qx+1输出端用于控制报警器报警。PLC 通过控制内部输出端Q0.1，…，Qx触点闭合状态进而控制继电器J1、继电器J2、…、继电器Jn触点开关的通断，实现对电磁吸盘的控制。

图4 自动检测传送装置PLC控制电路

PLC 通电开机后，除Q0.0和Qx+1外，所有输出触点闭合，各个电磁吸盘处于通电吸附状态，电机带动链轮处于停转状态，检测人员将待测管件挂上电磁吸盘后操作PC机控制PLC使Q0.0输出端闭合，链轮开始运转。若PC机图像分析发现进入检测区的某管件荧光高光谱表面存在表面裂纹等缺陷，认为可报废时，则经过一定时间后PC 机控制PLC 将该管件对应的输出端口断开，控制对应的继电器线圈失电，使图3中继电器常开触点断开，进一步控制该管件相连的电磁吸盘失电，管件掉入废品存放区。

2.3 管件分拣实例

以电磁吸盘YH2 吸附的管件检测为例，若该管件为不合格产品，该产品进入检测区被接近传感器检测到，经相机XJ1、XJ2和XJ3拍照后PC机图像分析发现该管件渗透检验不合格，即荧光高光谱表面分析存在缺陷，则PC 端应用软件判断该管件需报废，经过一定时间t1待该管件刚好被传送到废品存放区时，PC 机通过RS485 通讯方式控制PLC 将该废品管件对应的Q0.2输出端与输出公共端IL断开，控制对应的继电器J2线圈失电，使图3中继电器J2的常开触点断开，则电磁吸盘YH2失电，管件掉入废品存放区，实现废品的分拣。

以电磁吸盘YH1吸附的管件检测为例，若该管件为合格产品，该产品进入检测区被接近传感器检测到，经相机XJ1、XJ2和XJ3拍照后PC机图像分析发现该管件渗透检验合格，即荧光高光谱表面分析未检测出缺陷，则PC 端应用软件判断该管件为成品件，经过一定时间t2（t2＞t1）后该管件刚好被传送到成品区，PLC中该管件对应的Q0.1输出端与输出公共端IL始终闭合，继电器J1线圈通电，图3中继电器J1的常开触点处于闭合状态，电磁吸盘YH1通电，一直吸附该管件进入成品区。

2.4 测试报警原理

测试时，PC 机可控制PLC，进而控制变频器参数，改变电机M 的运转速度，从而控制传动装置的管件传输速度。接近传感器SENSOR通过输出信号给PLC 的I0.0端口提供IO 计数信号，当计数值等于本批次待检管件数量时，经一定时间待最后一个管件进入废品存放区（若检验不合格）或成品区（若检验合格）后，PLC 控制输出端Q0.0断开，电机M 带动链轮停转，本批管件表面缺陷高光谱检验结束，与此同时PLC通过Qx+1端口控制报警器BJQ报警，提示操作人员本批次检测结束。

3 结束语

管件表面缺陷高光谱自动检测传送装置通过PLC自动控制，可用于管件高速自动输送，提高了检测的自动化水平。通过多个相机从不同角度对关键表面拍照，进行机器视觉缺陷判断，有利于提高缺陷判断准确率。传送装置采用环形流水线设计，占用空间小。该检测装置有效避免了人工肉眼检测时效率低下、劳动强度大、作业环境恶劣等问题。