基于机器视觉的电缆护套拉伸长度测量装置的制造方法

文档序号:10953079阅读:1044来源:国知局
基于机器视觉的电缆护套拉伸长度测量装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及基于机器视觉的电缆护套拉伸长度测量装置,包括拉力传感器、拉力传动机构和伺服电机,其特征在于该测量装置还包括上位机、嵌入式控制器和工业相机,嵌入式控制器、工业相机、拉力传感器、拉力传动机构和伺服电机构成下位机;所述嵌入式控制器包括触摸屏显示模块、拉力传感器处理模块、相机图像处理模块、数据处理模块和上位机通信模块,触摸屏显示模块的输入端、相机图像处理模块的输出端和上位机通信模块的输入端均与数据处理模块连接,所述数据处理模块同时通过拉力传感器处理模块与拉力传感器相连接,相机图像处理模块的输入端通过USB线和工业相机相连接;上位机通信模块通过网线和上位机相连接。
【专利说明】
基于机器视觉的电缆护套拉伸长度测量装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及用于材料力学参数测量装置技术领域,尤其涉及一种基于机器视觉的电缆护套拉伸长度测量装置。
【背景技术】
[0002]电作为当今社会的主要能源之一,已经渗透进了我们生产和生活的各个方面,用电安全的问题也随之而来。电缆护套作为人们用电安全的第一道防线,发挥着至关重要的作用。电缆护套就是包裹在金属导线外部的绝缘橡胶护套。如果电缆护套的质量不过关,在使用年限内或规定的最大外力内发生破损变形导致漏电,进而引起人员触电或火灾,会对广大人民群众的生命财产安全带来巨大的损失。因此电缆护套的性能保障至关重要。对电缆护套性能的检测主要在电缆护套拉伸长度测量装置上进行,反映电线电缆绝缘层材料的抗张强度和断裂伸长率两项指标。检测标准要求5个样本的实验结果,取中间值与标准中数值进行对比判断,从而出具检测报告。
[0003]传统拉力试验机在测量电缆护套拉伸长度时,需要使用拉力机将电缆护套拉伸一定的距离,再用拉力计测出电缆护套所受拉力和用游标卡尺测量电缆护套的拉伸长度,然后继续拉伸,重复以上操作,直到电缆护套被拉断为止。这样会对被检测材料造成先天压痕,导致实验过程中被检测材料多数在压痕处出现断裂,不满足国家对电缆护套拉力实验检测的要求,需要重复多次才可以得到相对满意的实验数据,实验效率差,实验数据不够准确。采用游标卡尺手动测量被检测材料断裂时的拉伸长度,人为判断电缆护套断裂时机困难而且不准确,测量结果因人而异,人为误差大,且单人单次只能处理一个样本,工作强度较大,效率低下,采用书写方式记录试验数据,原始数据记录时间长,采用人工计算器计算抗张强度和断裂伸长率,效率低。如果直接废弃传统的拉力试验机开发新型的拉力试验机,开发成本大,开发周期长,传统拉力试验机的电机传动装置利用率差,造成原材料的浪费,不符合节约资源充分回收利用的原则。
[0004]如解涑转等人(解涑转,李杰,王欣伟.一种新型电子拉力机系统的设计与实现[J].山西电力,2015(5):25-27.)设计的电子拉力试验机只能测量被检测材料的拉力并不能测量被检测材料的拉伸长度。卞吉(卞吉.实用型微控式电子拉力机[J].中国橡胶,2003
(9):26-27.)设计的实用型微控式电子拉力机使用编码器测量被检测材料的拉伸长度,需要在被检测材料上安装跟踪夹,会影响拉力的测量。
【实用新型内容】
[0005]针对现有技术的不足,本实用新型拟解决的技术问题是:提供一种基于机器视觉的电缆护套拉伸长度测量装置及方法。该装置在传统拉力试验机基础上进行改进,引入嵌入式控制器和工业相机,采用模块化设计的方式节约成本,显著提高传统拉力机的实验效率和测量精度。
[0006]本实用新型解决所述技术问题采用的技术方案是:提供一种基于机器视觉的电缆护套拉伸长度测量装置,包括拉力传感器、拉力传动机构和伺服电机,其特征在于该测量装置还包括上位机、嵌入式控制器和工业相机,嵌入式控制器、工业相机、拉力传感器、拉力传动机构和伺服电机构成下位机;
[0007]所述嵌入式控制器包括触摸屏显示模块、拉力传感器处理模块、相机图像处理模块、数据处理模块和上位机通信模块,触摸屏显示模块的输入端、相机图像处理模块的输出端和上位机通信模块的输入端均与数据处理模块连接,所述数据处理模块同时通过拉力传感器处理模块与拉力传感器相连接,相机图像处理模块的输入端通过USB线和工业相机相连接;上位机通信模块通过网线和上位机相连接,所述拉力传感器安装在拉力传动机构上,拉力传动机构与伺服电机连接;拉力传动机构由伺服电机控制。
[0008]—种基于机器视觉的电缆护套拉伸长度测量方法,使用上述的测量装置,步骤是:拉力传动机构先与拉力传感器连接,然后再与夹具连接,夹具用来固定电缆护套;拉力传动机构通过对夹具上下移动完成电缆护套进行拉伸动作;在试验之前,在被检测的电缆护套上用记号笔进行标记,用标记点之间的距离作为电缆护套的拉伸长度,通过工业相机采集电缆护套的图像信息,计算标记点之间的距离,从而得到电缆护套的拉伸长度;通过嵌入式控制器将采集的数据进行处理,并将计算所得的数据显示在嵌入式控制器的触摸显示屏上,通过网线将数据传输给上位机;上位机通过对接收到的数据进行处理绘制出电缆护套所受拉力和拉伸长度对应的二维曲线,填写报表。
[0009]与现有技术相比,本实用新型的有益效果为:
[0010]传统拉力机使用游标卡尺人工测量电缆护套拉伸长度,误差大,且通过人工计算试验结果,效率低,而本申请测量装置采用工业相机采集图像,通过USB线传输给下位机,计算拉伸长度,自动化程度高,且本申请测量装置通过网线将下位机与上位机连接,进行数据传输,能够自动计算,效率高。
[0011]本实用新型测量装置通过工业相机获取图像并使用计算机进行图像处理的方法获取样本的拉伸长度,一是对传统拉力机进行改装,实现传统拉力机伺服电机和拉力传动机构等昂贵零部件的回收利用,降低成本;二是采用嵌入式控制器作为主控制器,既可以满足机器视觉算法运行速度的要求,又比通用计算机的成本低,稳定性高,软件保密性强;三是采用机器视觉的方法,即拉伸长度的测量通过工业相机拍摄拉伸过程的图像,通过USB数据线传输给嵌入式控制器,通过相机图像处理部分锁定电缆护套标记点位置,从而计算得到拉伸长度,而不用传统的卡尺测量,实现样本拉伸长度的无接触测量,不会对样本造成损害或形变,也不会影响样本所受拉力的测量。四是采用拉力传感器不会对被检测样本产生压痕,保证了实验数据的可靠性,并且可以通过拉力传感器的串口将实验数据传输给嵌入式控制器,实现了样本所受拉力的自动采集;五是可以绘制样本拉伸长度和所受拉力的对应曲线图,提供对数据更直观的分析;六是可以记录每个样本断裂时的拉力和拉伸长度,自动计算得出实验结果,提高了试验效率。
[0012]传统拉力机直接将拉力传感器与电缆护套相连接,会对电缆护套造成先天压痕,人工读数,效率低。本实用新型测量方法先将拉力传感器与夹具连接,然后再与电缆护套连接,夹具对电缆护套有保护,不会产生先天压痕,拉力传感器通过串口实时地将拉力值传输给下位机控制器,不用人为操作,方便快捷。
【附图说明】
[0013]图1是本实用新型基于机器视觉的电缆护套拉伸长度测量装置一种实施例的硬件设备结构示意图;
[0014]图2为本实用新型基于机器视觉的电缆护套拉伸长度测量装置一种实施例的嵌入式控制器I的结构框图;
[0015]图3为本实用新型基于机器视觉的电缆护套拉伸长度测量装置一种实施例的拉力传感器模块12的软件流程图;
[0016]图4为本实用新型基于机器视觉的电缆护套拉伸长度测量装置一种实施例的相机处理模块13的软件流程图。
[0017]图5为本实用新型基于机器视觉的电缆护套拉伸长度测量装置一种实施例的数据处理模块14的软件流程图。
[0018]图6为本实用新型基于机器视觉的电缆护套拉伸长度测量装置一种实施例上位机通信模块15的软件流程图。
[0019]图7为本实用新型基于机器视觉的电缆护套拉伸长度测量装置一种实施例的上位机内的机器视觉软件的软件流程图。
[0020]图中,6上位机、I嵌入式控制器、2工业相机、3拉力传感器、4拉力传动机构、5伺服电机,11触摸屏显示模块、12拉力传感器处理模块、13相机图像处理模块、14数据处理模块、15上位机通信模块。
【具体实施方式】
[0021]下面结合实施例及附图进一步叙述本实用新型,具体实例仅用于详细叙述本实用新型,不构成对本申请权利要求保护范围的限制。
[0022]本实用新型基于机器视觉的电缆护套拉伸长度测量装置(简称测量装置,参见图1-7)包括拉力传感器3、拉力传动机构4、伺服电机5、上位机6、嵌入式控制器I和工业相机2,嵌入式控制器1、工业相机2、拉力传感器3、拉力传动机构4和伺服电机5构成下位机;
[0023]所述嵌入式控制器I包括触摸屏显示模块11、拉力传感器处理模块12、相机图像处理模块13、数据处理模块14和上位机通信模块15,触摸屏显示模块11的输入端、相机图像处理模块13的输出端和上位机通信模块15的输入端均与数据处理模块14连接,所述数据处理模块14同时通过拉力传感器处理模块12与拉力传感器3相连接,拉力传感器处理模块12从拉力传感器3获取的拉力值发送给数据处理模块14进行处理,同时数据处理模块向拉力传感器处理模块发送是否断裂的系统消息;相机图像处理模块13的输入端通过USB线和工业相机2相连接,获得图像信息,传送给数据处理模块14,从而进行数据处理,计算出电缆护套的拉伸长度;上位机通信模块15通过网线和上位机6相连接,将实验数据传输到上位机做进一步处理;所述拉力传感器3安装在拉力传动机构4上,拉力传动机构4与伺服电机5连接;拉力传动机构4由伺服电5机控制,有独立的控制按钮;所述上位机6内存有机器视觉软件。
[0024]所述触摸屏显示模块11主要完成软件界面的设计与显示,提供直观的操作方式及数据交换,触摸屏显示模块11的系统操作界面包括控制按钮区域、数据显示窗口和图像显示窗口。控制按钮区域可以控制整个试验的过程,包括开始图像采集、停止图像采集、退出程序、标记点颜色选择;数据显示窗口主要显示电缆护套拉伸长度和所受到的拉力;图像显示窗口主要完成试验过程中采集的图像、感兴趣区域、标记点位置的显示。
[0025]所述拉力传感器处理模块12主要实现与拉力传感器3相关的所有功能,包括:拉力传感器数据采集、拉力值数据处理和依据拉力值判断电缆护套是否断裂。拉力传感器数据采集能实现的功能有初始化串口、设定采集模式、设定采集数据范围、设定采集频率。拉力值数据处理包括各通道数据分离、数据滤波处理、数据变换、数据存储和数据交互。此模块实现的另一个重要功能是依据拉力值数据实时地判断电缆护套是否已经断裂。在判定断裂后会自动停止数据采集。
[0026]本实用新型测量装置中拉力传感器处理模块12的软件程序流程(参见图3)是:首先对嵌入式控制器的拉力传感器处理模块12的串口进行初始化,即波特率、校验位、数据字节长度和停止位的初始化,然后发送请求拉力传感器传输数据,采集一组拉力传感器传输的数据,对数据进行变换,将计算所得的拉力值存放入数据处理模块14作为拉力数据缓冲区,之后数据处理模块向拉力传感器处理模块发送是否断裂的系统消息,判断电缆护套是否已经断裂,如果被拉断,那么停止采集拉力值并发送停止采集操作的系统消息,系统停止;如果没被拉断,则需判断是否需要手动停止,如果需要手动停止试验,停止采集拉力值并发送停止采集操作的系统消息,系统停止,如果不需要手动停止试验,则重新返回采集一组拉力传感器传输的数据。
[0027]所述相机图像处理模块13主要完成三个功能:采集相机图像、划定图像感兴趣区域和处理图像数据以找到电缆护套上的标记点。在设定工业相机的参数后,读取工业相机传输来的一幅图像并并进行图像处理。在相机图像处理模块13中首先等待用户在图像上划定感兴趣区域,之后对图像感兴趣区域进行强化标记点颜色信息和二值化处理,找到标记点后,对标记点进行进一步的处理,以排除检测到的干扰点。
[0028]本实用新型测量装置中相机图像处理模块13的软件程序流程(参见图4)是:通过工业相机2采集一幅图像,自动从USB接口读取图像数据,通过工作人员手指在触摸显示屏上滑动手指,设置图像处理的感兴趣区域,即划定感兴趣区域,对图像的感兴趣区域的内容进行标记点颜色信息增强,得到标记点颜色增强图像,找到标记点轮廓,计算标记点间的像素距离,从而得到标记点之间的实际距离,用来作为电缆护套的拉伸长度;上位机6监听拉力传感器是否停止试验的系统消息,如果停止试验,则停止采集图像信息,如果不停止试验,则继续采集一幅图像信息。
[0029]所述数据处理模块14主要完成试验中涉及到的相关数据的存储和计算。在试验中,上位机机器视觉软件程序对试验中的拉力值数据和图像中拉伸长度数据是分别采集的。根据试验对数据的要求,需要将同一时刻的两个数据对应起来,即得到某一时刻电缆护套被拉伸长度和此时电缆护套承受的拉力值。数据处理模块首先完成这一功能。之后,根据得到数据,将数据转换为QString类型和char类型,分别用于文本框的显示和网口的传输。
[0030]本实用新型测量装置中数据处理模块14的软件程序流程(参见图5)是:首先将计算所得的拉力和拉伸长度实时对应起来,然后将对应好的拉力和拉伸长度存储到特定的结构体中,将该结构体存储到对应的缓冲区中,将拉力和拉伸长度转换为QString类型,用于触摸显示屏的显示,将数据传输到文本框显示;然后将拉力和拉伸长度数值转换为char类型,将数据传输给字符串用于网络传输,将数据传输到上位机6;上位机软件监听上位机通信模块是否停止试验信号,如果停止试验,则停止处理数据,否则,继续处理下一组数据,即返回将计算所得的拉力和拉伸长度实时对应。
[0031 ]所述上位机通信模块15主要是通过网口采用UDP协议将测量所得到的电缆护套拉伸长度和所受拉力进行打包传输到上位机6,用于上位机进一步的数据处理。
[0032]本实用新型测量装置中上位机通信模块15的软件流程(参见图6)是:首先进行上位机通信模块的网口初始化,设置目标上位机(PC机)的IP地址和网络端口号,创建socket网络套接字,确定网络类型为UDP协议;然后设置嵌入式控制器的IP地址和网络端口号,将要发送的数据传递给网络字符数组,然后通过网口将测得的电缆护套拉力值和拉伸长度数据发送给上位机(PC机);上位机监听上位机通信模块是否停止试验信号,如果停止试验,则停止传输数据,否则,继续传输下一组数据,通过网口将测得的电缆护套拉力值和拉伸长度数据发送给上位机(PC机)。
[0033]所述上位机6采用通用计算机为硬件平台,搭载Windows7操作系统,使用MFC用户图形界面框架编写软件交互界面,采用UDP协议与嵌入式控制器进行通信。
[0034]所述上位机机器视觉软件的软件流程是(参见图7):首先初始化界面,开辟画图线程和网口接收线程,此时存在主线程,画图线程和网口接收线程三个线程;网口接收线程中首先判断是否连接嵌入式控制器,如果不连接,继续监听此信号;如果连接,则通过网络连接下位机;然后通过网口接收数据,并保存到数据缓冲区;刷新显示拉伸长度和拉力;判断网络断开标志是否为I,如果为I,则马上断开网络连接;否则,判断电缆护套是否断裂;如果电缆护套没有断裂,重复通过网口接收数据,并保存到数据缓冲区;如果电缆护套断裂,则将断裂标志设置为I,然后断开网络;
[0035]在画图线程中,首先画坐标轴,然后判断是否连接嵌入式控制器,如果连接嵌入式控制器,根据缓冲区内存储的数据(即从嵌入式控制器接收的数据)绘制电缆护套拉伸长度和拉力的二维曲线,判断网络断开标志是否为I,如果为I,直接停止绘制曲线;如果不为I,则判断断裂标志是否为I,如果断裂标志为I,则停止绘制曲线;如果断裂标志不为I,则继续绘制曲线,即返回根据缓冲区内存储的数据绘制电缆护套拉伸长度和拉力的二维曲线;如果不连接下位机,则进入判断网络断开标志是否为I,重复上述过程;
[0036]在主线程中,首先判断是否断开与嵌入式控制器的连接,如果断开连接,则将网络断开标志设置为I,如果没有断开与嵌入式控制器的连接,则不设置,直接判断是否打印报表;网络断开标志设置为I以后,判断断裂标志是否为I,如果不为I,则判断是否打印报表,如果断断裂标志为I,则生成报表;再判断是否打印报表;如果打印报表,则生成打印报表,并打印,否则返回判断是否断开与嵌入式控制器的连接;打印报表后,判断是否退出程序,如果是,则退出程序,否则,继续重复主线程刚开始的操作。
[0037]本实用新型测量装置的进一步特征在于所述嵌入式控制器I采用以1.MX6Q芯片为微处理器的嵌入式平台,移植Linux系统,采用OpenCV开源机器视觉函数库编写图像处理算法,使用QT用户图形框架编写友好用户图形交互界面。
[0038]本实用新型基于机器视觉的电缆护套拉伸长度测量方法,使用上述的测量装置,步骤是:拉力传动机构4先与拉力传感器3连接,然后再与夹具连接,夹具用来固定电缆护套;拉力传动机构4通过对夹具上下移动完成电缆护套进行拉伸动作;在试验之前,在被检测的电缆护套上用记号笔进行标记,用标记点之间的距离作为电缆护套的拉伸长度,通过工业相机采集电缆护套的图像信息,计算标记点之间的距离,从而得到电缆护套的拉伸长度;通过嵌入式控制器I将采集的数据进行处理,并将计算所得的数据显示在嵌入式控制器I的触摸显示屏上,通过网线将数据传输给上位机6;上位机6通过对接收到的数据进行处理绘制出电缆护套所受拉力和拉伸长度对应的二维曲线,填写报表。
[0039]本实用新型测量装置能够实现对电缆护套拉伸长度和拉力的测量,从而得出被测样品的力学参数。拉力的测量主要通过拉力传感器3测量,然后通过RS232传输线将测量的数据传输给拉力传感器处理模块12,通过数据处理模块14最终得到拉力值。拉伸长度的测量则通过工业相机2拍摄拉伸过程的图像,通过USB数据线传输给嵌入式控制器I,通过相机图像处理模块13锁定电缆护套标记点位置,从而计算得到拉伸长度。整个过程通过触摸屏显示模块11提供友好的用户交互界面,通过嵌入式控制器I的触摸显示屏控制,并显示计算出的拉力和拉伸长度的数值。工业相机采集的图像也经过压缩显示在触摸显示屏上,并且可以通过手指选取感兴趣区域。所测量的数据可以通过上位机通信模块15传输到上位机6,用于绘制该电缆护套的拉力和拉伸长度的二维曲线。
[0040]具体实现步骤为:通过USB工业相机采集电缆护套拉伸过程的图像,实时地传输到嵌入式控制器。嵌入式控制器将图像显示在触摸显示屏上。用户可以通过触摸显示屏选取感兴趣区域,嵌入式控制器则通过机器视觉算法对感兴趣区域内的图像进行标记点颜色增强,图像单通道强度值提取,转化为单通道图像,图像二值化,形态学处理,寻找标记点轮廓等操作,从而得到标记点之间的像素距离,从而进一步得到标记点之间的实际距离。同时使用数字拉力计对拉力进行测量,通过串口将测得的数据实时地传输到嵌入式控制器。嵌入式控制器通过数据处理计算出电缆护套在拉伸过程中所受到的拉力和拉伸长度,并将计算结果显示在触摸显示屏的对应位置。嵌入式控制器还通过网口,采用无连接的UDP网络协议将测得的数据按一定的格式传输给计算机,在计算机上打开上位机机器视觉软件,就可以实时地将拉力和拉伸长度的对应曲线绘制出来,并将数值显示在对应的文本框中。可以自动将数据以报表的形式保存起来,并且可以通过打印机将实验数据打印出来。嵌入式控制器并通过对拉力的监控,当拉力突然减少50%时,则判断电缆护套断裂,则记录此时的拉伸长度和拉力,并停止实验的进行。
[0041 ]本实用新型基于机器视觉的电缆护套拉伸长度测量装置的使用方法如下:
[0042]I)用串口将拉力传感器和嵌入式控制器相连接,用USB线将工业相机和嵌入式控制器相连,用网线将上位机和嵌入式控制器相连接,将电缆护套固定好,按开机键,连接嵌入式控制器的电源线;
[0043]2)打开上位机运行软件,点击开始采集按钮,触摸屏显示模块11的图像显示窗口就会出现工业相机拍摄到的画面;
[0044]3)用手指按住触摸显示屏图像显示窗口拖动,画出一个恰好能包含电缆护套标记点的小面积的矩形区域,图像显示窗口就会出现一个对应的红色矩形框,这个矩形框就是对应的感兴趣区域;
[0045]4)然后根据标记点颜色点击三个选择标记点颜色按钮中的一个,选择对应的标记点颜色,默认的标记点颜色为红色;
[0046]5)点击伺服电机的向下拉伸按钮,旋转调节速度按钮,调节拉伸速度,并在数据显示窗口中显示对应的拉伸长度和拉力数值;
[0047]6)上位机接收下位机的拉伸长度和拉力数值,并在坐标系内绘制出拉力与拉伸长度二维曲线;
[0048]7)当电缆护套被拉断后,按下电缆护套拉伸部分停止按钮,电缆护套停止拉伸,嵌入式控制器的的触摸屏显示模块中数据显示窗口中“拉伸长度”和“拉力”与上位机的机器视觉软件界面的“当前拉力”和“当前拉伸值”会显示断裂瞬间的数值,可以自动计算断裂伸长率和抗张强度,也可以自动将数据以报表的形式保存起来,并且可以通过打印机将实验数据打印出来。
[0049]8)按下伺服电机向上拉伸按钮,电缆护套夹具会上升,当上升到合适高度时按下停止按钮,夹具停止上升,以便下一次试验使用。
[0050]通过以上过程,完成一个完整的电缆护套拉力试验过程。
[0051 ]本实用新型未述及之处适用于现有技术。
【主权项】
1.一种基于机器视觉的电缆护套拉伸长度测量装置,包括拉力传感器、拉力传动机构和伺服电机,其特征在于该测量装置还包括上位机、嵌入式控制器和工业相机,嵌入式控制器、工业相机、拉力传感器、拉力传动机构和伺服电机构成下位机; 所述嵌入式控制器包括触摸屏显示模块、拉力传感器处理模块、相机图像处理模块、数据处理模块和上位机通信模块,触摸屏显示模块的输入端、相机图像处理模块的输出端和上位机通信模块的输入端均与数据处理模块连接,所述数据处理模块同时通过拉力传感器处理模块与拉力传感器相连接,相机图像处理模块的输入端通过USB线和工业相机相连接;上位机通信模块通过网线和上位机相连接,所述拉力传感器安装在拉力传动机构上,拉力传动机构与伺服电机连接;拉力传动机构由伺服电机控制。2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的电缆护套拉伸长度测量装置,其特征在于所述嵌入式控制器采用以1.MX6Q芯片为微处理器的嵌入式平台。
【文档编号】G01N3/06GK205642294SQ201620517332
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】甄少华, 李静昆, 吴亚鹏, 高振斌
【申请人】河北工业大学
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