基于机器视觉的压力容器气密性检测系统设计.docx

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1、 学 科 门 类 : 工 学分 类 号 : :TP23TP23单位代码: :1033810338 密级:公开专 业 硕 士 学 位 论 文基于机器视觉的压力容器气密性检测系统设计作 者 姓 名 ： 安 云 凤学 位 级 别 ： 硕 士学 科 专 业 ： 控 制 工 程研究方向：工业过程控制与综合自动化指 导 教 师 ： 潘 海 鹏 教 授浙江理工大学机械与自动控制学院20162016 年 3 3 月A A ThesisThesis forfor MasterMaster DegreeDegreeDesignDesign ofof AirAir TightnessTightness Detect

2、ionDetection SystemSystem ofof PressurePressure VesselsVesselsBasedBased onon MachineMachine VisionVisionByByAnAn Yun-fengYun-fengSupervisor:Supervisor: Prof.Prof. PanPan Hai-pengHai-pengSchoolSchool ofof MachineryMachinery andand AutomationAutomationZhejiangZhejiang Sci-TechSci-Tech UniversityUnive

3、rsityHangHang Zhou,Zhou, ChinaChinaMarch,March, 20162016浙江理工大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工 作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 浙江理工大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。学位论文作者签名：签字曰期：山J J年 多 月 忿 曰学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解浙江理工大学有权保留并向国家 有关 部

4、门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权浙江理工大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关 数据库进行检索和传播，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名： He 2- 签字曰期：A AJ J年3月豸 曰签 字 曰 期 ： 年 ； 月8曰摘要随着科学技术的不断发展和工业规模化生产的不断提高，密闭容器的气密性检测己 越来越受到生产厂家的重视。为避免密闭容器因发生泄漏而引起爆炸、火灾甚至伤及人 身安全的事故发生，对密闭容器的漏气检测提出了更高的要求。由于许多厂家不再满足 基于人工的传统检测方法，

5、且现有的检测仪器价格高昂，因此，研制一套检测功能强、 价格低、自动化程度高的气密性检测系统满足工业生产需求十分必要。本文以嘉兴压力 容器厂小型压力容器的气密性自动检测为目标，以满足生产厂家的漏气检测需求为目的， 结合机器视觉与传统水检法的特点，研宄了运动气泡检测和模糊图像复原算法，开发了 一套基于机器视觉的压力容器气密性检测系统，对提高企业生产效率、节省企业劳动力、 提高产品质量、降低企业成本具有现实意义。本文的研究得到了浙江省科技计划项目及浙江理工大学研究生创新项目的资助。主 要研宄工作和成果如下：(1) 综述了气密性检测的国内外研宄现状和发展趋势，分析了机器视觉在气密性检 测上的应用优势，

6、介绍了气密性检测的工艺过程，针对常用方法在气密性检测中的不足， 确立了基于机器视觉的气密性检测方案。根据系统整体的功能需求与技术指标要求，确 定了检测方案的实现思路，提出了气密性检测系统的整体架构。(2) 设计了气密性检测的机械系统，包括支撑架、横向传送装置、纵向传送装置和 固定夹紧装置等。进行了气缸、电机等驱动设备的参数计算与分析，给出了电气控制柜 和PLC硬件接线原理图，完成了电气控制系统的软硬件设计，实现了漏气检测的自动横 移、自动浸水和自动出水等功能。(3) 针对容器浸水过程中所拍摄图像出现模糊的问题，建立了匀速直线运动模糊点 扩散函数，结合边缘正则化，提出了将先验辨识与联合辨识相结合

7、的半盲图像复原方法， 并仿真验证了该方法的有效性。针对运动气泡的检测，提出了结合Kirsch边缘检测和背 景差分的改进的三帧差运动目标检测算法，有效地消除了传统三帧差分带来的“重影” 和目标轮廓不完整现象，提取了关于运动气泡更为完整的区域，实现了基于机器视觉的 运动气泡的识别与检测。(4) 完成气密性检测样机的制作，并在实验室的环境条件下进行了功能与性能测试。结果表明，本系统实现了小型压力容器的自动检测功能，具有检测效率高、检测成本低、 自动化程度高等特点，能有效避免人工检测时出现的误检和漏检情况，可在中小压力容 器生产行业推广应用。关键词：小型压力容器；气密性检测；机械设计；运动目标检测；图

8、像复原DesignDesign ofof AirAir TightnessTightness DetectionDetection SystemSystem ofof PressurePressure VesselsVesselsBasedBased onon MachineMachine VisionVisionABSTRACTABSTRACTWith the development of science and technology and the improvement of industrial production, the air tightness detection of co

9、ntainers has been paid more attention by the manufacturer. Greater demands were being placed on the leakage detection, in order to avoid the explosion, the fires and the accidents caused by the leakage. No longer can manufacturers be content with traditional detection method and high price of instru

10、mentation. Therefore, it is necessary to develop a device which has virtue of strong function, low price and high automation to satisfy the industrial demand. For the sake of automatically detection of pressure vessels in Jiaxing and demand for leak detection, a moving bubbles detection method and a

11、 blurred image restoration algorithm is proposed in this thesis. The air tightness detection system of pressure vessels based on machine vision has been designed, which can raise the productivity, save labor and improve product quality.This work was partially supported by the Science and Technology

12、Department of Zhejiang Province and Graduate Innovation Project of Zhejiang Sci-Tech University. The main research contents and achievements are as follows:(1)First of all the current situation and the developing trend of air tightness detection are reviewed. And then describe the advantages of the

13、machine vision. The air tightness detection scheme based on machine vision is designed after introduction of the process of the air tightness detection and analysis of the drawbacks of the common detection methods. According to the functional requirements of the system and the specifications, the ov

14、erall structure of the air tightness detection system is presented.(2)The article designs the mechanical system of the air tightness detection, which includes the supporting frame, the horizontal transmission device, the vertical transmission device and the fixed device. And then the parameters of t

15、he cylinder and the motor are calculated andanalyzed. Besides, the schematics of the electrical control cabinet and the PLC hardware are designed. Finally, the software design of the electrical control system is accomplished, and the control system has the function of automatic movement.(3)The point

16、 spread function of uniform linear motion blur is introduced to deal with the degradation of detection images. And an image semi-blind restoration method with edge regularization is proposed, the effectiveness of the method is verified by the simulation results. Besides, a moving target detection al

17、gorithm is studied for the moving bubbles in leak detection. An improved frame difference method on the basis of the Kirsch edge detection and the background difference is presented, which is designed for dealing with the exists of the overlapped parts and the incomplete object contours. The target

18、regions detected by this method are more completed , and then the recognition and detection of moving bubbles based on machine vision is realized.(4)A prototype system is built in this paper. After that the functional and performance testing is conducted in the laboratory. The results show that the

19、automatic detection function is implemented. So, the system is characterized by high efficiency, low cost and high degree of automation. It can effectively reduce the mistake rate and miss rate of the air tightness detection. As a result, it has very wide popularization and application prospects in

20、the companies of pressure vessel.KeywordsKeywords: Small pressure vessels; Air tightness test; Mechanical design; moving objects detection; Image restorationIV目录 .IABSTRACT.Ill胃 1 $雜.11.1 课题研宄的背景及意义 .11.2 气密性检测技术国内外研宄现状与发展趋势 .21.3 研宄内容与章节安排 .41.3.1 本文主要研究内容 .41.3.2 论文结构 .5 第 2 章气密性检测系统的总体设计 .72.1 工艺

21、过程简介 .72.2 系统整体功能需求分析 .72.2.1 常用检测方法分析 .72.2.2 基于机器视觉的气密性检测方案的确立 .92.2.3 功能需求与技术指标 .102.3 检测方案的实现思路 .112.4 关键技术的解决 .112.5 本章小结 .12第 3 章机械与电气控制系统设计 .133.1 气密性检测机械系统设计 .133.1.1 气密性检测机械系统的总体设计 .133.1.2 机械系统的支撑架设计 .143.1.3 传送装置设计 .153.1.4 固定夹紧装置设计 .163.2 气密性检测控制系统的设计 .173.2.1 气密性检测控制系统的总体设计 .173.2.2 控制柜

22、设计与电控系统设计 .183.3 气动、电动元件与定位装置的选型设计 .213.3.1 气动元件的计算选型 .213.3.2 电动元件的计算选型 .223.3.3 定位装置的计算选型 .233.4 本章小结 .24第 4 章气泡图像的预处理 .254.1 弓丨 W.254.2 半盲图像复原方法的基本原理 .254.3 基于半盲图像的气泡检测与复原方法 .264.3.1 运动模糊点扩展函数的建立.264.3.2 边缘正则化.284.3.3 正则化参数的选取.294.4 实验结果及分析 .304.5 本章小结 .32第 5 章基于改进三帧差法的运动气泡检测 .335.1 弓丨 W.335.2 三帧

23、差分法 .335.3 结合边缘检测与背景差分的改进三帧差法 .355.3.1Kirsch 边缘检测 .355.3.2 改进三帧差法.365.4 实验结果和分析 .395.4.1 性能评价.395.4.2 检测结果完整度对比.395.5 本章小结 .46第 6 章气密性检测系统调试及测试结果 .486.1 软件调试环境及系统的调试 .486.2 测试结果 .506.3 本章小结 .51第 7 章总结与展望 .527.1 全文总结 .527.2 研宄展望 .53参考文献 .55至夂i射 .61攻读硕士学位期间的研宄成果 .62浙江理工大学硕士学位论文基于机器视觉的压力容器气密性检测系统设计第 1

24、1 章绪论1.11.1 课题研究的背景及意义压力容器作为储存气体的一种常见设备，如煤气储气罐、天然气储气罐、氧气瓶、 乙炔钢瓶等，广泛应用在居民生活与工业生产中。它采用金属的储气结构对压缩后的气 体进行储存，通过阀门控制出气量，以满足人们和工业生产对气体的需求。其生产工艺 为：首先冲压两端半球形钢帽，然后与圆柱形钢桶进行焊接，从而形成密闭容器；根据 其出气位置的不同，再焊出出气接口，以形成满足不同需求的储气设备。但由于钢板质 量问题或带有沙眼，受焊接工艺的限制，焊缝处有时出现不严密等问题，常常会产生漏 气现象。对于空气储存压力容器，其气体泄漏往往造成空压机工作压力低，导致设备不 能正常工作；而

25、对于可燃气体储气设备，其泄漏至关设备和生命安全，如氧气瓶的泄漏 可直接引起爆炸，甚至伤及人身安全；煤气罐的泄漏可直接引起火灾等，因此，对密闭 容器气体泄漏的检测已成为公共安全与社会发展领域的重要研究课题。近年来，随着压 力容器行业生产技术的不断进步，机器换人步伐的不断加快，压力容器微量泄漏安全检 测技术特别是批量检测技术逐渐受到国内外的关注，如何用机器取代人工进行检测，成为 泄漏检测领域研宄的热点之一1。而泄漏检测的规模化生产需要高效、智能、简便的检 测设备。许多生产厂家不再满足基于人工的传统泄漏检测方法，而引进国外成套的检测系 统又价格昂贵，因此，针对上述情况，研制一套适合我国国情的、性价比

26、好、自动化程 度高的检测设备势在必行。机器视觉在器件无损检测、机械手定位、产品三维尺寸自动检测、字符检测、质量 检查和医学细胞形状检测等方面都有了较为深入研究，在军事、工业、医学、交通等领 域均有广泛应用，提高了诸多领域的智能化和自动化程度2,3。若能将机器视觉引入漏气 检测领域，并与传统水检法结合，实现密闭容器的漏气检测，对推动该领域的自动化程 度的提高，加快机器换人的步伐将具有重要作用。本文受浙江省公益技术研宄社会发展项目“密闭容器漏气自动检测系统研制 (2014C33109)”资助，针对合作企业嘉兴压力容器厂在产品出厂前对每只密闭容器的1浙江理工大学硕士学位论文基于机器视觉的压力容器气密

27、性检测系统设计焊接点与整体进行检测时，采用高压气罐与密闭容器的一个开孔点连接并使用螺母将其 余开孔点封堵，然后浸入水中向罐内充气，人工观测是否产生气泡以判断其密闭性状态， 在广泛调研与企业实践的基础上，提出了基于机器视觉的漏气检测方法，研制了漏气自 动检测装置，并经实际测试验证了该方法与装置的有效性。该装置的研制，对企业节省 劳动力，减轻劳动强度，提高工作效率及工厂经济效益具有现实意义，有较高的实用价 值。1.2气密性检测技术国内外研究现状与发展趋势气密性检测技术是气体泄漏检测的一种，气体泄漏检测还包括毒性气体泄漏检测、 可燃气体泄漏检测及气密性检测。气密性检测技术在汽车制造、压力容器生产等行

28、业得 到了广泛应用，是保证产品质量、安全生产的重要手段。根据不同的气体检测原理，气 密性检测方法主要分为湿式检测法和干式检测法4。湿式检测法主要包括泡沫法、涂抹 法、玻璃U管法和水检法等。干式检漏法通常采用空气作为检测介质，但有些情况也采 用氦气进行泄漏检测，如氦气检测仪。干式检漏法还包括压力检测、红外检测、卤素检 测和光学检测等5。由于我国气密性检测技术起步较晚，早期的各个行业和研宄机构多采用传统的气泡 法和涂抹法进行气密性检测，这种方法虽然对操作人员的技术没有较高的要求，且不需 要配备特殊设备，但容易受人为主观性影响而造成误判，而且在浸水检测后还需对工件 做处理，增加了工人的工作强度和检测

29、成本。90 年代后，干式检漏法逐渐代替了传统的 湿式检测法。干式检漏法无污染、易操作，很大程度上满足了科研生产的需要，也因此 在多个领域得到了极为广泛的应用6。植木孝7通过分析大型设备漏气时所产生超声波的声波范围，研宄了超声波式漏气 检测器，克服了漏气检测过程中的时滞问题。朱德忠8等人通过采用二氧化碳作为示踪 气体发展了光学法、浓度法和气压检测法用于测量车灯的气密性，实现了从粗到细地检 测泄漏的情况。随着工业化的迅速发展，气密性检测技术也得到了进一步的改善，自动 定量检测技术逐步成熟。傅晓云9等人采用充入被测对象的气体压力变化规律与理论分 析的一致性原理，结合DSP技术和气动技术开发了一种气密

30、性自动检测装置。周思林1() 等人结合模糊综合评判模型研制了一种自动检测仪，使检测结果更加智能化和合理化。浙江理工大学硕士学位论文基于机器视觉的压力容器气密性检测系统设计苏小平11等人提出了极限泄漏率的概念，建立了密封容器的微泄漏模型，从而提高了产 品气密性检测的准确率。近年来，压力变化检测法得到了较广泛的应用。压力变化法包括绝对压力式1213和 压差式14，15两种。主要根据压力的变化判断是否发生泄漏。被测容器如果发生泄漏，则 会由于气体泄漏而造成气压降低，通过计算容器内的压差来推断气体的泄漏量，从而实 现被测容器中气体的泄漏检测。在使用上述差压原理的基础上基于神经网络、热成像技 术以及声波

31、技术进行气密性检测也已有很多研宄，近几年发展也很迅速。文献16-18描 述了使用神经网络对检漏过程中的数据进行训练，实现气密性定位检测。文献19-20利 用压力容器泄漏前后的能量梯度的分布不同来检测物体的泄漏位置。文献21，22通过测 试发射的超声波和反射的超声波之间的差值来检测工件是否发生泄漏。文献23,24设计 了气密性检测软件以及自动检测的机器人，加快了气密性检测技术的发展。随着工业生产的不断深化，在己获得成就的基础上国内一些科研机构和厂家对气密 性检测仪进行了开发研制，利用压力变化的原理，不少单位推出了针对产品气密性检测 的自动化测试仪器。中国科学院合肥智能机械研宄所25进行了高精度中

32、压型智能测漏仪 的研制；辽宁工程大学26设计了一种新型便携式差压气密性检测仪；中国计量学院27 对小型压力容器微量泄漏检测装置做了研宄。相较于国内，国外的气密性检测技术较为成熟，在密封性检测理论研宄方面， H.L.GuntUr28人对差压检测法进行了研究，模拟仿真结果表明，检测过程中引起的温 度变化是造成测量误差的主要因素。JhnSn.C.H29等人提出了基于声学的无损检测，实 现了对汽车制动钳的气密性检测。新加坡南洋理工大学的P.Chen3()等人研宄发现有密封 缺陷的液压缸会产生明显的声泄露（AE)，通过对声泄漏信号的研究，能够评估出液压 缸泄露的情况。西班R.Gil.Pita31等人提出

33、了使用颈项基函数网络（RBFN)的超声波探 伤方案。在气密性检测仪器方面，美国的USON公司生产了多种类型的测漏仪，它的 6000 系列可实现连网控制，通过一个主控制器控制多个检测站，可实现同时或分布地进行泄 漏检测。日本的COSMOS公司生产包括毒气检测仪和天然气检测仪在内的特殊化学气 体泄漏检测设备。法国的ATEQ公司己成为国际上专门设计和制造气密性测试仪器的生 产厂家，它的产品涉及汽车、家电、航空和医药等众多领域32。随着检测技术的不断发展，传统的气密性检测方法逐渐被淘汰，其他一些利用气体3浙江理工大学硕士学位论文基于机器视觉的压力容器气密性检测系统设计化学特性或物理特性的变化来进行气密

34、性检测的方法如超声波法、压力检测法、示踪气 体法等大多局限于定性检测，检测效率不高，而机器视觉的应用给气密性检测技术带来 了新的发展契机。哈尔滨工业大学33通过分析机器视觉检测系统的结构、原理和性能， 提出将机器视觉检测技术应用在钢板表面缺陷的无损检测中。四川大学34应用机器视觉 原理对航空接头实现了高精度气密性检测。河北科技大学35将机器视觉应用在承压零件 的气密性检测上，通过提取零件承压时检测图片是否产生气泡的信息达到检测承压零件 气密性状态的目的，该方法提高了检测效率和检测精度。德国不来梅哈芬应用技术大学 36研宄了基于光流法的泄漏检测，将机器视觉技术应用于石油输送管道的泄漏检测。澳 大

35、利亚的莫纳什大学37提出将机器视觉系统应用在零件表面缺陷的检测中。机器视觉对 提高缺陷检测和泄漏检测的检测精度和检测效率有一定的作用，但其在气密性检测上处 理过程比较复杂，在工业生产实际应用中难以实现。目前一种将机器视觉与传统水检法 相结合形成一套多功能的气密性检测设备成为新的发展趋势。利用该设备进行气密性检 测，如果被测工件合格，则完成检测后将工件送出，如果工件泄漏量超标，则将工件送 至不合格区域进行后续处理。1.31.3研宄内容与章节安排1 1. .3.13.1本文主要研究内容本文研宄并设计了一套基于机器视觉的压力容器气密性检测系统，实现了对小型压 力容器的气密性检测。其主要分为机械装置、

36、电气控制系统和图像处理系统三个部分。 首先根据己设定好的检测步骤设计并加工检测装置的机械部分；其次通过分析所要实现 的功能，使用PLC完成气密性检测电气控制系统的设计；最后采用图像处理技术将检测 过程中采集到的气泡图像进行处理，将处理结果转换为漏气检测的结果并通过指示灯直 观的显示出来。整个检测过程系统可自动完成，只需手动安装和拆卸被测工件。基于上述工作机理，对研宄内容进行分解，包含以下几个部分：(1)机械装置设计机械装置主要实现的功能有如下几点：被测工件的安装、固定夹紧、运送以及浸水 检测。根据功能需求将机械结构设计为支撑架、横向传送装置、纵向传送装置、固定夹4浙江理工大学硕士学位论文基于机

37、器视觉的压力容器气密性检测系统设计紧装置以及水箱等五部分。根据功能需求将系统的运行步骤设计为：首先将待测的压力 容器置于气密性固定夹紧装置上，系统自动实现水平传送定位和浸水检测；然后根据拍 摄图像的处理结果判断工件是否发生泄漏，如果工件的检测结果符合标准，则将工件送 至合格产品区;如果工件的泄漏量超标，观察泄漏的具体位置并做好标记以待后续处理。 该装置获实用新型专利 1 项。(2) 电气控制系统设计电气控制系统主要实现的功能有如下几点：待测工件的横向传送运动、纵向传送运 动、电机速度的控制以及检测位置的控制。根据系统的功能需求，采用西门子公司的 S7-1200 PLC实现运动控制；根据检测步骤

38、安排I/O接口及控制内容，并实施气密性检 测的分步控制；按照气密性检测系统的工作流程，使用CAD软件对整个系统进行布线 并绘制电路图；根据机械系统的运行需求，对系统的执行器件进行计算选型。(3) 图像处理算法为保证被测工件在气密性检测过程中的检测精度与效率，研宄了模糊图像复原算法 和运动目标检测算法。对检测过程中所拍摄的气泡图像采用图像复原技术进行图像预处 理，使由于相对运动造成的图像模糊恢复清晰。采用运动目标检测算法对经过预处理的 图像进行运动目标分割，判断被测工件的气密性状态，从而实现气密性的定量与定位检 测。上述算法基于Visual studio 2010 和MATLAB平台进行了仿真，

39、验证了算法的有效 性。该方法发表学术论文 2 篇，获得软件著作权 1 项。1.3.2 论文结构本文的主要结构可分为六个章节，分别如下：第 1 章绪论，首先详细阐述了本课题的研宄背景和意义；然后分析了国内外气密性 检测的现状和发展趋势；最后说明了本课题研宄的主要内容和章节安排。第 2 章气密性检测系统的总体设计，介绍气密性检测系统的工艺过程，分析系统检 测的功能需求，确立检测方案。提出了在实现气密性检测过程中需解决的关键技术。第 3 章机械与电气控制系统设计，根据系统功能要求设计了机械装置的结构与组成， 包括支撑架、横向传送装置、纵向传送装置和固定夹紧装置。根据检测过程及技术指标 设计了气密性检测系统的控制柜和电气控制部分，同时对系统的主要电气元件进行了计5浙江理工大学硕士学位论文基于机器视觉的压力容器气密性检测系统设计算选型。第 4 章气泡图像的预处理，针对检测过程中所拍摄的气泡图像出现模糊的情况，分 析了模糊类型以及造成模糊的影响因素，提出了一种结合先验辨识和联合辨识的半盲图 像复原方法，