本發明涉及一種檢測裝置，具體的涉及一種基于3D視覺的沖孔角鋼的檢測裝置及其檢測方法。

　　背景技術：

　　鐵塔是我國重要的基建，是特高壓電網，5G通信的上游重要載體，也是我國的一帶一路的重要內容。角鋼鐵塔作為鐵塔的主要形式占據總量的近2/3，而其中關鍵部件生產——角鋼的沖孔加工的準確性與精確性將影響到整個角鋼鐵塔的建造成功與否，因此角鋼沖孔檢測當前已經成為“GBT 2694-2018輸電線路鐵塔制造技術條件”國家標準中的重要內容，是整個鐵塔生產制造鏈中標準環節。

　　但是當前我國鐵塔制造企業中，對角鋼的沖孔檢測主要依靠傳統的人工檢測(目視與操作工具結合)。而人工檢測一般具有對于測量工具使用的專業性，主觀性、易疲勞、速度慢、強度大等缺點，尤其在當代制造業招工越來越難，人工招聘與培訓成本越來越高的情況下已越來越不適應，并且在國家智能制造2025的大背景下，對于企業生產全面質量管理過程中，更需要先進的、智能的并且能夠支持大數據匯總的檢測系統與方法。

　　在《角鋼沖孔尺寸檢測技術研究》和《邊緣檢測技術在角鋼沖孔在線檢測中的應用》學術論文中以及在公開號為CN102393181B，發明名稱：基于機器視覺的角鋼自動在線檢測系統及方法的發明專利中，皆揭示一種采用基于傳統2D機器視覺方法：即采用工業相機+光源+光柵尺移動機構+2D圖像處理的方式來完成。首先角鋼鐵塔屬于需要適應不同地理環境的基建，其往往需要定制化，因此每批鐵塔的角鋼設計參數變化較大，并且組成鐵塔的角鋼本身都會采用從大到小不同變化的來適應鐵塔從低到高的大小變化，因此角鋼沖孔設備本身就是對角鋼進行寬范圍適應的標準系列化設備，這樣可以適應每次需要加工的角鋼的大小厚度變化，以及沖孔大小、位置、間距的變化，并且角鋼沖孔設備當前保有量也比較大，所以對于使用者，如果不是具有再布局或者充分場地資源的情況下，一般都會要求檢測設備具備與其適應相配套的能力，因此如果采用該種2D機器視覺的方案，則在對于檢測對象的具有大小位置變化的情況下，其測量精度與可靠性與適應性較差，每次設備上換型新角鋼后，會涉及到相機軟件硬件重調，甚至標定重新做，十分不方便。另外方案中采用兩個攝像機分別斜照+光源的方式，除了前述確定外，另外導致檢測頭體積較大不方便，多相機協調控制相對困難，并且成本相對較高等缺點。

　　另外在公開號為CN102393181B，發明名稱為角鋼幾何參數自動在線檢測方法及裝置的發明專利中，其揭示一種采用2臺三維掃描儀并結合拼接靶標的方式，首先該方案兩臺三維掃描儀成本過高，無法適應當前鐵塔企業的對于設備成本的實際需求，因此一般只能作為特殊的專用設備，另外該方案并沒有揭示沖孔在線檢測等實施方式。

　　技術實現要素：

　　為此本申請旨在解決上述存在的至少一個問題，提供一種基于3D視覺的沖孔角鋼的檢測裝置及其檢測方法。該檢測裝置能夠在較為簡便的情況下，最大程度的對單一角鋼沖孔線上的一定范圍內變化的沖孔角鋼進行寬適應性的檢測。

　　為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案，

　　一種基于3D視覺的沖孔角鋼的檢測裝置，其特征在于，包含3D相機、裝置本體、輔助架、檢測控制器，所述3D電性連接檢測控制器，其通過連接件連接至所述裝置本體，所述裝置本體包含第一連接裝置，其可拆卸的連接所述輔助架，所述裝置本體基于指令移動帶動其連接的所述3D相機沿所述輔助架直線移動，所述3D相機基于檢測控制器的指令對角鋼拍攝并將拍攝的信息反饋至檢測控制器。

　　優選的，該3D相機可旋轉的通過連接桿固定于所述裝置本體，所述裝置本體移動帶動所述3D相機沿所述輔助架直線移動。

　　優選的，該3D相機包含結構光3D相機或TOF3D相機。

　　優選的，該檢測裝置還包含第二連接裝置，其通過連接件連接所述3D相機，所述裝置本體呈四方體狀，所述第一連接裝置配置于所述裝置本體的一側、其上配置有連接件，通過所述連接件連接所述輔助架。

　　優選的，該輔助架包含一引導組件，其連接所述裝置本體，所述裝置本體基于指令移動帶動所述3D相機沿所述引導組件直線移動。

　　優選的，該輔助架包含第一限位裝置、第二限位裝置，其配置于所述輔助架的端部且分別電性連接檢測控制器，用以限制裝置本體的移動幅度，使其在第一限位裝置與第二限位裝置間移動。

　　優選的，該監測控制器配置有HMI接口，其用以接收檢測信息，或無線模塊，其用以連接外部設備，用以接收檢測信息。

　　本申請實施方式還提供一種基于3D視覺的沖孔角鋼的檢測裝置，其特征在于，包含3D相機、輔助架、檢測控制器，所述輔助架包含與其滑動連接的引導組件，所述3D相機通過連接件連接至所述輔助架，所述引導組件基于指令移動帶動其上的角鋼沿所述輔助架直線移動，所述3D相機電性連接檢測控制器并基于其指令對角鋼拍攝并將拍攝的信息反饋至檢測控制器。該實施方式中，3D相機固定，通過直線移動沖孔后的角鋼，在角鋼移動時對其拍攝并將拍攝的信息反饋(或傳輸)至檢測控制器。

　　本申請實施方式還提供一種基于3D視覺的沖孔角鋼的檢測方法，其包含上述的檢測裝置，該方法包含如下步驟：

　　S1.檢測設備控制器接收的角鋼參數信息；

　　S2.檢測設備控制器的角鋼沖孔CAM解析模塊接收并響應所述參數信息解析獲取模型參數并將所述模型參數傳輸至角鋼檢測及運動規劃模塊；

　　S3.檢測設備控制器的角鋼檢測及運動規劃模塊接收并響應所述模型參數規劃其完成全部角鋼沖孔覆蓋式的檢測所需要運動軌跡；

　　S4.直線運動機構控制模塊基于指令移動進行點云采樣并依據點云采樣的信息進行數據處理及將處理后的檢測數據傳輸至沖孔特征數據匯總模塊；

　　S5.沖孔特征數據匯總模塊基于角鋼沖孔解析模塊解析的模型參數與3D相機檢測的檢測數據進行對比判斷并將對比結果通過預設裝置顯示。

　　優選的，該S4中還包含：

　　S41.角鋼起始邊檢測模塊通過在搜索指定方向的點云邊沿，并且對該邊沿進行內外角判斷其有效性，并將檢測的數據輸入沖孔特征數據匯總模塊；

　　S42.角鋼楞邊檢測模塊通過進行點云空間面分割與空間平面擬合實現，計算出兩個面相交線作為角鋼楞邊的實際值，以作為來計算圓孔準據的參數值輸入至沖孔特征數據匯總模塊；

　　S43.角鋼圓孔點云檢測模塊在獲得角鋼面所在的點云集以及結合CAM所預測的圓孔位置區域附近中進行圓孔搜索檢測，若成功搜索到圓孔數據則通過圓擬合可以得到圓心與孔徑大小，并且將被輸入至沖孔特征數據匯總模塊，若沒有搜索到有效圓孔，則將“圓孔缺失”結果，輸入至沖孔特征數據匯總模塊。

　　有益效果

　　采用本申請實施方式的檢測裝置，其搭載面陣3D相機，在其檢測視野范圍中，能夠對大小，厚度以及尺寸參數變化的角鋼起始邊與沖孔特征進行空間范圍內寬適應性檢測，并且初始參數設定好，現場參數不需要反復調節即可直接適應，對于加工對象較為差的表面工況有相當好的適應性，增加整個設備的可靠性。該檢測裝置所采集的信息可傳輸至檢測控制器和/或遠端服務器，這樣為整個企業后續的全面的質量監控與大數據分析提供數據基礎。

　　附圖說明

　　下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述：

　　圖1所示為本發明實施例角鋼沖孔的檢測功能示意圖，

　　圖2,圖3所示為本發明實施例的3D相機安裝于裝置本體的示意圖，

　　圖4,圖5,圖6所示為本發明實施例的檢測裝置的示意圖。

　　圖7所示為本發明實施例的3D相機的功能示意圖；

　　圖8所示為本發明實施例的角鋼結構的示意圖；

　　圖9所示為本發明實施例的基于3D視覺的沖孔角鋼檢測功能模塊示意圖，

　　圖10所示為本發明實施例的基于3D視覺的沖孔角鋼的檢測裝置的流程示意圖。

　　具體實施方式

　　以下結合具體實施例對上述方案做進一步說明。應理解，這些實施例是用于說明本發明而不限于限制本發明的范圍。實施例中采用的實施條件可以如具體廠家的條件做進一步調整，未注明的實施條件通常為常規實驗中的條件。

　　本申請提出的應用于鐵塔的角鋼檢測裝置，其用以對加工后的角鋼沖孔的“個數”與“形位”進行檢測，如對加工后的角鋼的孔徑，孔距、準距、端距等。其利用一個面陣3D相機并結合3D視覺處理(點云檢測)的方式，該方式能夠在檢測機構較為簡便的情況下，最大程度的對單一角鋼沖孔線上的一定范圍內變化的角鋼(例如，一種常見類型的角鋼沖孔設備，如：其能夠應用于63×63×4-200×200×20mm范圍內的角鋼)進行寬適應性的檢測?；谀Ｐ偷?D視覺處理，使得在線角鋼特征檢測簡便，高效，可靠。申請中提及的面陣3D相機是“具有上/下端截斷的金字塔體的空間檢測視野，如圖7所示，3D相機10拍攝角鋼20，并能夠獲取該視野中的對象表面的三維點云的一個視覺部件”。較佳的，可選結構光3D相機或TOF3D相機。

　　如圖1所示為本申請提出的角鋼檢測系統功能示意圖，其包含

　　角鋼加工設備100、檢測裝置200、放置待檢測角鋼的支架300，經過角鋼加工設備100加工后的角鋼400放置在支架300的預定位置，利用檢測裝置200對其檢測。較佳的，該檢測裝置200對角鋼的沖孔的“個數”與“形位”進行檢測。該檢測裝置200利用移動機構在其輔助架移動，以檢測角鋼。本實施方式中，檢測裝置包含面陣3D相機在其檢測視野范圍中，能夠對角鋼的大小，厚度以及尺寸參數變化的角鋼起始邊與沖孔特征進行空間范圍內寬適應性檢測。若初始參數設定好，現場參數不需要反復調節而可直接適應，對于加工對象較為差的表面工況有相當好的適應性，增加整個設備的可靠性。較佳的，該檢測設備用于在線檢測鐵塔用角鋼沖孔狀態。檢測后(判斷合格)的角鋼通過傳輸部件轉運至預定的地點。

　　圖2.圖3所示為本本申請實施方式的檢測裝置的示意圖，

　　檢測裝置200，其包含裝置本體，與裝置本體固定連接的指示裝置202，安裝于裝置本體一側端的第一連接裝置203，通過該第一連接裝置203連接至輔助架(圖未示)，3D相機201，安裝于裝置本體一側端的第二連接裝置204，該3D相機201通過連接桿204第二連接裝置204。較佳的，第一連接裝置203配置有第一連接件2031，第二連接件2032，用以連接至輔助架(圖未示)。較佳的，該第一連接件2031與第二連接件2032(大致)垂直。在其他的實施中，該第一連接件2031與第二連接件2032不在所連接的輔助架的同一側面。這樣以提高連接的穩定性。在其他的實施方式中，該第一連接裝置203與第二連接裝置204一體設置。較佳的，該3D相機可為結構光3D相機，TOF3D相機。該檢測裝置可以直接部署于原角鋼沖孔設備處，這樣可做到沖孔設備加工完成一個角鋼立刻檢一個。也可以通過設置檢測緩沖區，將加工完角鋼推入到檢測緩沖區，進行一邊加工一邊檢測流水線在線復合工作方式。其工作時通過3D相機作為對角鋼檢測，通過各種可以完成直線運動移動機構(齒輪齒條，直線電機等)帶動3D相機即可完成對所需要適應長度的所有角鋼進行覆蓋式檢測，最終檢測裝置的檢測控制器(也稱視覺處理控制器)所檢測結果可傳輸至現場終端以供靠近現場的人員對生產管控。較佳的，檢測結果還可以通過網絡傳輸至遠端服務器，可供生產設計與管理部門清晰獲得當前角鋼加工質量信息以對生產進行優化等。

　　接下來圖4,圖5,及圖6來描述檢測裝置安裝于輔助架的實施方式，

　　如圖4所示為檢測裝置安裝于輔助架的示意圖，檢測裝置200安裝于輔助架2000上并沿輔助架2000上的引導組件2001來回往復的直線移動。該檢測裝置200移動的過程中基于其3D相機201以檢測角鋼400(如圖6所示)的沖孔的信息(如，沖孔的位置，形狀，數量等)，將檢測的信息與預設的信息做比較，若檢出異常時通過警報裝置202發出提示信息。輔助架2000的一端配置有第一限位裝置2002，與該一端相對的端配置有第二限位裝置2003，該第一限位裝置2002及第二限位裝置2003，用以限制檢測裝置200的移動幅度，使其在第一限位裝置2002與第二限位裝置2003間(往復)移動。檢測裝置200通過第一連接裝置203(如圖5所示)連接至輔助架2000。較佳的，在一實施方式中，該3D相機電性連接檢測控制器，其將檢測的信息反饋至檢測控制器，該檢測控制器將接收的檢測信息傳輸至遠端服務器。檢測控制器可通過硬件網絡(有線/無線)外連至遠端服務器，這樣用戶通過智能終端可訪問獲和/或獲取該數據?？蛻艨呻S時訪問到角鋼沖孔批量加工質量信息。較佳的，該檢測控制器為外置控制器。

　　作為上述實施方式的變形，在一實施方式中，可為3D相機固定于輔助架(輔助支架)，所述輔助架(輔助支架)其包含，引導部件，該引導部件可滑動的連接于該輔助架，3D相機通過連接件連接至輔助架，該引導部件基于指令移動進而帶動其上的(加工后)角鋼沿輔助架直線移動。這樣3D相機固定于輔助架上，引導部件帶動其上的角鋼直線移動時，3D相機拍攝角鋼信息并將其傳輸至檢測控制器。

　　在一實施方式中，基于該3D相機檢測的信息以獲得角鋼沖孔實際加工質量信息(如：是否漏孔，孔徑、準距，端距等參數及誤差范圍)。準距，端距的定義描述如圖8所示。準距是指角鋼的楞線至沖孔中線間的距離L1。端距指角鋼的一側端與(最近其的)沖孔中心的距離L2。

　　在一實施方式中，支架與輔助架可為一體設計。

　　在一實施方式中，該監測控制器配置有HMI(人機接口)接口，通過該接口可以對接接受來自生產規劃部門的CAM加工信息，這樣可以適應不同加工任務派遣，另外該設備主要對角鋼沖孔加工設備加工完后的角鋼進行檢測，因此可以直接部署與原角鋼沖孔設備于一體，做到加工完成一個立刻檢一個，也可以通過設置檢測緩沖區，將加工完角鋼推入到檢測緩沖區，進行一邊加工一邊檢測流水線在線復合工作方式。工作時，則是通過3D相機作為對角鋼檢測的主要部件，通過各種可以完成直線運動移動機構(齒輪齒條，直線電機等)帶動3D相機即可完成對所需要適應長度的所有角鋼進行覆蓋式檢測，最終檢測設備視覺處理控制器所檢測結果可以傳輸至現場終端，可供靠近現場的生產人員對生產異常進行監控與快速動作。檢測整體結果也可通過網絡傳輸至用戶本身的遠端(云端)服務器，可供生產設計與管理部門清晰獲得當前角鋼加工質量信息以對生產進行優化等。

　　如圖9所示為本申請一實施例的基于3D視覺的沖孔角鋼檢測的功能模塊示意圖，檢測控制器模塊1電性連接直線運行控制模塊進而帶動面陣3D相機移動，該面陣3D相機移動時對角鋼進行拍攝并將拍攝的信息反饋至檢測控制器模塊1，檢測控制器模塊1的角鋼圓孔點云檢測模塊、角鋼楞邊檢測模塊、角鋼起始邊檢測模塊基于運算將運算的信息傳輸至沖孔特征檢測數據匯總模塊，該沖孔特征檢測數據匯總模塊接收并相應該信息傳輸至其連接的顯示模塊或智能設備，這樣現場人員通過查看顯示模塊或智能設備獲取檢測信息。本實施方式中，預先將檢測信息傳輸至檢測控制器模塊的角鋼沖孔CAM導入解析模塊，通過其解析出的檢測參數及角鋼檢測的運動軌跡，該運動軌跡被傳輸至直線運動控制模塊；解析出的檢測參數還被傳輸至沖孔特征檢測數據匯總模塊，用以將拍攝處理的參數與解析出的參數進行比較判斷。若判斷出異常時，發出提示信息。較佳的，該沖孔特征檢測數據匯總模塊將信息傳輸至遠端服務器。

　　本申請還提供一種基于3D視覺檢測的在線鐵塔角鋼沖孔檢測方法，圖10所示，該方法包含如下步驟：

　　S1.檢測設備控制器接收的角鋼參數信息(角鋼沖孔的參數信息)，如：根據專用軟件生成的角鋼沖孔CAM生產文件。該文件還可通過網絡或者移動存儲介質傳輸至角鋼加工設備。

　　S2.角鋼沖孔CAM解析模塊接收并響應該信息解析獲取檢測參數(也稱為模型參數，如：角鋼沖孔的序號、孔徑、位置(即X坐標為端距，Y坐標為準據)，以及所在角鋼面。)并將該信息傳輸至角鋼檢測及運動規劃模塊。

　　作為S2的變形，在一實施方式中，檢測設備控制器接收的多種(多批次的)角鋼參數信息，這時基于檢測控制器的交互終端選擇相應CAM生產文件，文件被選擇導入時，則“角鋼沖孔CAM解析模塊”將會解析獲取角鋼沖孔的序號、孔徑、位置(即X坐標為端距，Y坐標為準據)，以及所在角鋼面。并將該信息傳輸至角鋼檢測及運動規劃模塊。這時更換角鋼類型時，僅需基于檢測控制器的交互終端選擇相應CAM生產文件可切換至相應的角鋼。做到快速切換。

　　S3.角鋼檢測及運動規劃模塊接收并響應該信息并根據3D相機的檢測視野(3D相機出廠時自身所具備的參數)規劃其完成全部角鋼沖孔覆蓋式的檢測所需要運動軌跡。即檢測所需要運動到所有的位置點，{Pi＝(Xi，Di)|i＝0…N}，其中{Xi|i＝1…N}表示運動機構每次所需要運動去檢測角鋼沖孔特征的位置控制值(一般如果采用伺服控制系統，這個值為伺服電機所達到的位置編碼器控制值)，而X0則是每次對角鋼的起始邊進行檢測預設位置(一般由機械零點所確定)，該整個{Xi|i＝0…N}數據將被傳輸至“直線運動機構控制模塊”；而Di則表示在該檢測位置值下，3D相機所需要檢測與模型所預期一致的特征對象ID及其參數值，對于D0則表示進行角鋼邊沿特征，而{Di|i＝1…N}則表示所有待測的沖孔特征，而整個{Di|i＝0…N}將被傳輸至“面陣3D相機模塊”。

　　S4.直線運動機構控制模塊基于指令移動進行點云采樣樣并進行檢測分析(如，信息的分割、識別、提取)。即直線運動機構控制模塊根據每次所獲得的Xi驅動運動機構及安裝在其上的3D相機值檢測點，并發送命令給“面陣3D相機”完成該處點云拍照采集，在X0處所采樣的點云將被傳輸給“角鋼起始邊檢測模塊”，而在{Xi|i＝1…N}處所采樣的點云數據將被傳輸至角鋼楞邊檢測模塊及角鋼圓孔點云檢測模塊。

　　S5.沖孔特征數據匯總模塊基于角鋼沖孔解析模塊解析的模型參數及檢測估算的檢測數據進行判斷。即沖孔特征數據匯總模塊通過獲得一對{圓孔參數對應集|模型CAM圓孔，點云圓孔檢測數據}進行對比，如果點云圓孔成功檢測到，則進一步根據起始邊與楞邊計算準據，端距，最終進行對應模型參數與檢測數據的相關特征量誤差對比，若超限，則將結果顯示并警告；若點云圓孔未被檢測到，則發出警告或直接將結果顯示并警告。

　　較佳的，該S4中還包含：

　　S41.角鋼起始邊檢測模塊通過在搜索指定方向的點云邊沿，并且對該邊沿進行內外角判斷其有效性。并將檢測的數據輸入沖孔特征數據匯總模塊。

　　S42.角鋼楞邊檢測模塊通過進行點云空間面分割(基于預設的規則進行分割，如基于種子的區域生長以及法向聚類相結合法)與空間平面擬合實現，并且最終計算出兩個面相交線作為角鋼楞邊的實際值，以作為將來計算圓孔準據的主要參數值輸入至沖孔特征數據匯總模塊。較佳的，通過面分割出的角鋼兩個面的點云數據將進一步作為圓孔檢測的輸入數據，以提高孔檢測的效率與可靠性。

　　S43.角鋼圓孔點云檢測模塊在獲得角鋼面所在的點云集以及結合CAM所預測的圓孔位置區域附近中進行圓孔搜索檢測(如：通過面投影降維圓檢測法或者基于區域生長的點云邊緣搜索法進行檢測)，若成功搜索到圓孔數據則通過圓擬合可以得到圓心與孔徑大小，并且將被輸入至“沖孔特征數據匯總模塊”，若沒有搜索到有效圓孔，則將“圓孔缺失”結果，同樣輸入至“沖孔特征數據匯總模塊”。

　　本實施方法中所有的檢測數據通過控制器外連的網絡傳輸至所指定的遠端服務器。這樣以備后續用戶進行回溯或者第一時間獲知。而對于現場生產人員如果獲得異常通知，則可以采取相應措施，而如果整個檢測過程無異常，則可以開啟新的一輪生產檢驗直至所有待加工生產任務完成。

　　在該監測裝置的設計中，采用移動機構上安裝面陣3D相機的實施方式，基于指令移動機構移動帶動面陣3D相機移動并在移動時對角鋼拍攝，并結合基于CAD的運動規劃與點云后處理，這樣來完成在線角鋼沖孔檢測。還可將檢測信息傳輸至云端服務器。該實施方法中基于CAM模型信息的角鋼特征檢測，包括角鋼起始邊檢測，角鋼楞邊檢測以及角鋼沖孔檢測，這樣在3D相機的視野內，更換角鋼批次檢測時僅需調取其對應的CAM模型信息，通過檢測控制器中的角鋼沖孔解析模塊解析出所需參數進行檢測。這樣無需頻繁的調整3D相機，做到快速切換，檢測精度高。

　　上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人是能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。凡如本發明精神實質所做的等效變換或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。