一种变压器线圈绕制过程工艺尺寸的在线视觉检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及变压器技术领域，特别涉及一种变压器线圈绕制过程工艺尺寸的在线视觉检测装置及检测方法。

背景技术

变压器是重要的电气设备，其中铁芯和线圈是变压器的基本组成部分。线圈绕制过程中的工艺尺寸(如段间距、长轴、短轴)是影响变压器电性能和机械结构稳定性的重要因素，目前线圈绕制中主要依靠人工进行工艺尺寸的校验和测量。

当前，在变压器高压线圈绕制过程中，传统的尺寸测量方法主要依赖于人工测量。但是手动方式存在以下问题：

1、精度低：由于人员素质、操作环境等原因，手工测量的精度常常存在误差，无法满足在线生产的精度要求。

2、测量效率低下:手动测量的效率低下,无法适应大批量、快速化的生产模式和数据分析的需要。

3、不可持续:依赖人工测量方式，在生产线上会引入更多的变压器成本及用户委托验收时间，实时反馈和校正难度大。

专利申请202310117914.5公开了一种线圈尺寸检测平台，包括移动架，所述检测台一侧连接有竖直测量尺，且检测台上连接有与竖直测量尺相互垂直的水平测量尺，所述竖直测量尺上滑动设置有竖直调节滑块，竖直调节滑块的末端连接有第一挡板，所述水平测量尺上滑动连接有水平调节滑块，且水平调节滑块上连接有第二挡板。该发明电动导轨带动托板下降时，竖直测量尺上的竖直调节滑块和水平测量尺上的水平调节滑块可同时在对应的配重金属块的重力作用下沿着对应方向滑动，分别依靠第一挡板和第二挡板接触待测量的线圈，用于同时完成线圈厚度以及宽度尺寸的测量。还不能够实现在线对线圈段间距、长轴、短轴等关键工艺尺寸进行测量，效率季质量水准受到影响。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种变压器线圈绕制过程工艺尺寸的在线视觉检测装置及检测方法，通过安装于龙门架上的六轴机器人、跟踪式三维扫描系统及光学跟踪器配合，从龙门架一端位置移动到另一端位置，进行全覆盖数据跟踪拍摄，根据工控机端预设部署检测程序，自动地对变压器线圈相关尺寸参数进行实时检测并反馈数据，大幅度消减人力投入和操作时间，提高生产效率和产品质量。

为达到实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种变压器线圈绕制过程工艺尺寸的在线视觉检测装置，包括龙门架2，所述龙门架2的立杆之间设有变压器线圈绕制机构3，龙门架2上方设有支撑架4，支撑架4上平行设置有前支撑杆4-2和后支撑杆4-3，前支撑杆4-2上滑动连接有第一滑块4-1，滑块4-1下端连接悬吊有六轴机器人5的末端，六轴机器人5的前端安装有跟踪式三维扫描系统6，支撑架后支撑杆4-3上通过第二滑块4-4连接有光学跟踪器7；所述跟踪式三维扫描系统6的数据输出端通过PLC与工控机1的数据接收端相连，工控机1上设置显示屏，实时显示跟踪式三维扫描系统的拍摄数据和识别结果。

所述支撑架前支撑杆4-2和后支撑杆4-3均为直线滑轨。

所述工控机1预先部署有深度学习算法，将收集到的数据通过工控机1进行处理和分析，对线圈绕制过程中的关键尺寸参数，包括段间距、长轴长度、短轴长度进行实时识别和检测。

所述变压器线圈绕制机构3包括龙门架2的立杆中间的线圈轴3-1，线圈轴3-1两端安装有转盘3-2，线圈轴3-1的动力输入端连接有电机3-3的动力输出端。

所述跟踪式三维扫描系统6配置有3D相机，3D相机安装在六轴机器人5的机械臂夹爪5-1的末端。

一种基于变压器线圈绕制过程工艺尺寸的在线视觉检测装置的检测方法，具体包括以下步骤：

步骤1：对工控机1初始化，PLC与MES系统下发工艺参数至工控机1，MES系统数据主要为工艺参数包括线圈绕制圈数，绕制张力，绕制顺序，PLC系统数据主要为设备参数包括设备绕制速度，设备运行状态；工控机1通过HTTP协议与MES进行对接，将产品ID通过工控机传递给MES系统，MES系统通过ID号搜索相关的需要测量位置的测量标准值和允许偏差值，并传输给工控机1；

步骤2：PLC通过TCP/IP协议下发开启动信号给六轴机器人5；

步骤3：六轴机器人5运动到指定位置；

步骤4：六轴机器人5通过TCP/IP协议将到位信号传输至工控机1；

步骤5：工控机1控制跟踪式三维扫描系统的3D相机进行拍摄，获取3D点云信息并用3D算法对图像进行处理，得出变压器高压线圈坐标点位，并将图片传输至工控机1；

步骤6：工控机1根据坐标点位信息并针对线圈产品，自动添加偏移量，规划六轴机器人5的机械臂的运动路径，控制六轴机器人5的机械臂按规划运动路径移动；

步骤7：六轴机器人5的机械臂到位后，将到位反馈信号通过TCP/IP协议传递给工控机1；

步骤8：工控机1通过TCP/IP协议控制跟踪式三维扫描系统6，给跟踪式三维扫描系统6发送开始信号；

步骤9：工控机1通过TCP/IP协议控制六轴机器人5按照预设的轨迹运行扫描，得到工件的点云数据；

步骤10：扫描后六轴机器人5运行到3D相机预设的拍照位姿，获取到工件距离相机的远近距离，再次规划六轴机器人5的机械臂的运动路径；

步骤11：六轴机器人5运行完成后，六轴机器人5通过TCP/IP协议将运行信号传递给PLC；

步骤12：PLC通过TCP/IP协议将六轴机器人5运行完成信号传递给工控机1；

步骤13：PLC控制变压器线圈绕制机构3的电机3-3带动转盘3-2及线圈轴3-1，旋转设定的角度后，模具跟着转盘3-2及线圈轴3

-1旋转，六轴机器人5从上到下扫描整个线圈；

步骤14：循环步骤3～步骤13；

步骤15：循环完成后，工控机1关闭三维扫描系统6，点云数据落盘；三维扫描系统6扫描完整个线圈后，点云数据自动保存并本地磁盘中，工控机1自动读取本地磁盘的数据进行检测；

步骤16：工控机1将步骤15的点云数据进行解析测量并显示结果。

步骤9中所述运行扫描采用在变压器线圈绕制工作区设置标记点协助扫描起始定位。

步骤16中所述解析的具体方法为：

步骤16.1点云滤波：采用滤波算法对点云数据进行去噪和平滑处理，以减少噪声和数据不一致性；

步骤16.2点云采样和降采样：当需要精细详细信息，则提高3D扫描点云的密度，进行采样；当需要大范围场景的快速浏览，则降低3D扫描点云的密度，进行采样；

步骤16.3点云配准：对步骤16.2采样结果，利用刚体假设，对点云数据进行刚体变换，如平移、旋转和缩放，以对齐点云和实际物体之间的几何关系；

步骤16.4特征提取：在步骤16.3点云配准后，从点云数据的包括表面法线、曲率和边缘的特征信息中，提取用于识别和分析物体形状、边界和纹理的信息；

步骤16.5数据分割与建模：对步骤16.4提取的点云数据进行分割，并进行模型拟合、曲线拟合和面片拟合，获得更具体的几何形状信息；

步骤16.6数据分析与应用：对步骤16.5处理后的点云数据结合工况进行测量、检测、配准、建模操作，获得所需的具体数据信息。

相较于现有技术，本发明具有如下技术效果：

1、高效性：采用跟踪式三维扫描系统6及光学跟踪器7，能够在生产过程中实时采集原始数据，并通过部署在工控机上的深度学习算法进行处理和分析，实现在线检测，提高生产效率，减少装配时间和监管难度。高精度：

2、自动化：采用机械手臂和跟踪式三维扫描系统相互配合的方式，自动地对变压器高压线圈相关尺寸参数进行实时检测，无需依赖人工，从而降低了劳动成本，同时也确保了测量结果的一致性和稳定性。

3、灵活性：针对不同尺寸物料，预先设置机器手臂初始拍摄点位，根据图纸，将不同种类的线圈进行分类，尺寸相近的线圈进行归纳整理，通过机器人路径规划，保证扫描系统与机器人系统紧密配合，对线圈进行全域扫描，弥补原有手动检测的人员素质和操作环境等不稳定因素，降低工厂管理风险及产品客诉率。

4、根据工控机端预设部署检测程序自动地对变压器线圈相关尺寸参数进行实时检测并反馈数据，可以在3D空间内高精度地提取干式变压器线圈绕制过程工艺尺寸参数，如段间距、长轴、短轴等关键参数并进行分析处理，又精确又快速。

5、扩展性：由于本发明通过跟踪式三维扫描系统结合工控机收集点云数据，对点云数据解析计算，该技术方案的应用范围并不限于变压器高压线圈绕制过程尺寸检测，而且可适用于其它生产领域中的物件尺寸测量，如内燃机、轮套、发动机等的自动化复杂尺寸测量。

综上所述，本发明能够自动地对变压器高压线圈相关尺寸参数进行实时检测并反馈数据，大幅度消减人力投入和操作时间，提高生产效率和产品质量，可广泛应用于干式变压器线圈生产中。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2本发明的龙门架结构示意图。

图3是本发明的检测流程图。

图中：1、工控机；2、龙门架；3、变压器线圈绕制机构；3-1、线圈轴；3-2、转盘；3-3、电机；4、支撑架；4-1、滑块；4-2、前支撑杆；4-3、后支撑杆；4-4、第二滑块；5、六轴机器人；5-1、机械臂夹爪；6、跟踪式三维扫描系统；7、光学跟踪器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

一种变压器线圈绕制过程工艺尺寸的在线视觉检测装置，包括龙门架2，所述龙门架2的立杆之间设有变压器线圈绕制机构3，龙门架2上方设有支撑架4，支撑架4上平行设置有前支撑杆4-2和后支撑杆4-3，前支撑杆4-2上滑动连接有第一滑块4-1，滑块4-1下端连接悬吊有六轴机器人5的末端，六轴机器人5的前端安装有跟踪式三维扫描系统6，支撑架后支撑杆4-3上通过第二滑块4-4连接有光学跟踪器7；所述跟踪式三维扫描系统6的数据输出端通过PLC与工控机1的数据接收端相连，工控机1上设置显示屏，实时显示跟踪式三维扫描系统的拍摄数据和识别结果。

所述支撑架前支撑杆4-2和后支撑杆4-3均为直线滑轨。

所述变压器线圈绕制机构3包括龙门架2的立杆中间的线圈轴3-1，线圈轴3-1两端安装有转盘3-2，线圈轴3-1的动力输入端连接有电机3-3的动力输出端。

所述跟踪式三维扫描系统6配置有3D相机，3D相机安装在六轴机器人5的机械臂夹爪5-1的末端。

所述工控机1预先部署有3D扫描点云计算，从3D扫描仪中获取的原始数据并将收集到的数据通过工控机1进行处理和分析，对线圈绕制过程中的关键尺寸参数，包括段间距、长轴长度、短轴长度进行实时识别和检测。

所述的3D扫描点云计算为常规点云计算方法，包括数据预处理，特征提取，点云配准及点云分割及分类。

基于上述在线视觉检测装置的检测方法，具体包括以下步骤：

步骤1：对工控机1初始化，PLC与MES系统下发工艺参数至工控机1，MES系统数据主要为工艺参数包括线圈绕制圈数，绕制张力，绕制顺序，PLC系统数据主要为设备参数包括设备绕制速度，设备运行状态；工控机1通过HTTP协议与MES进行对接，将产品ID通过工控机传递给MES系统，MES系统通过ID号搜索相关的需要测量位置的测量标准值和允许偏差值，并传输给工控机1；

步骤2：PLC通过TCP/IP协议下发开启动信号给六轴机器人5；

步骤3：六轴机器人5运动到指定位置；

步骤4：六轴机器人5通过TCP/IP协议将到位信号传输至工控机1；

步骤5：工控机1控制跟踪式三维扫描系统的3D相机进行拍摄，获取3D点云信息并用3D算法对图像进行处理，得出变压器高压线圈坐标点位，并将图片传输至工控机1；

步骤6：工控机1根据坐标点位信息并针对线圈产品，自动添加偏移量，规划六轴机器人5的机械臂的运动路径，控制六轴机器人5的机械臂按规划运动路径移动；

步骤7：六轴机器人5的机械臂到位后，将到位反馈信号通过TCP/IP协议传递给工控机1；

步骤8：工控机1通过TCP/IP协议控制跟踪式三维扫描系统6，给跟踪式三维扫描系统6发送开始信号；

步骤9：工控机1通过TCP/IP协议控制六轴机器人5按照预设的轨迹运行扫描，得到工件的点云数据；

步骤10：扫描后六轴机器人5运行到3D相机预设的拍照位姿，获取到工件距离相机的远近距离，再次规划六轴机器人5的机械臂的运动路径；

步骤11：六轴机器人5运行完成后，六轴机器人5通过TCP/IP协议将运行信号传递给PLC；

步骤12：PLC通过TCP/IP协议将六轴机器人5运行完成信号传递给工控机1；

步骤13：PLC控制变压器线圈绕制机构3的电机3-3带动转盘3-2及线圈轴3-1，旋转设定的角度后，模具跟着转盘3-2及线圈轴3

-1旋转，六轴机器人5从上到下扫描整个线圈；

步骤14：循环步骤3～步骤13；

步骤15：循环完成后，工控机1关闭三维扫描系统6，点云数据落盘；三维扫描系统6扫描完整个线圈后，点云数据自动保存并本地磁盘中，工控机1自动读取本地磁盘的数据进行检测；

步骤16：工控机1将步骤15的点云数据进行解析测量并显示结果。

步骤9中所述运行扫描采用在变压器线圈绕制工作区设置磁吸黏贴标记点协助扫描起始定位。

步骤16中所述解析的具体方法为：

步骤16.1点云滤波：采用滤波算法对点云数据进行去噪和平滑处理，以减少噪声和数据不一致性；

步骤16.2点云采样和降采样：当需要精细详细信息，则提高3D扫描点云的密度，进行采样；当需要大范围场景的快速浏览，则降低3D扫描点云的密度，进行采样；

步骤16.3点云配准：对步骤16.2采样结果，利用刚体假设，对点云数据进行刚体变换，如平移、旋转和缩放，以对齐点云和实际物体之间的几何关系；

3D扫描点云的密度是指在给定区域内点的数量；密度越高，表示扫描结果中包含更多的点，可以提供更丰富的细节和准确性；密度的测量可以通过计算单位区域内点的数量来实现；一般来说，点云密度可以根据具体应用需求进行选择，高密度适用于需要精细详细信息的应用，而低密度可能更适用于大范围场景的快速浏览；考虑到现场工业节拍和测量精度，我们可选择低密度点云进行图像处理；

步骤16.4特征提取：在步骤16.3点云配准后，从点云数据的包括表面法线、曲率和边缘的特征信息中，提取用于识别和分析物体形状、边界和纹理的信息；

3D扫描点云与刚体之间存在着紧密的关系；刚体是指在物理上保持形状和大小不变的物体；当我们对一个刚体进行3D扫描时，扫描设备会通过激光、摄像头或其他传感器获取物体表面的几何信息，并将其以点云形式表示；

点云是由大量离散点构成的三维几何数据集，每个点都具有自己的位置坐标和其他属性；这些点可以反映扫描物体的表面形状、纹理等信息；通过对点云进行处理和分析，我们可以还原出扫描物体的几何形状、尺寸以及其他特征；

在进行点云处理时，我们可以利用刚体假设，对点云数据进行刚体变换，如平移、旋转和缩放，以对齐点云和实际物体之间的几何关系；这样可以为后续的点云处理任务(如配准、拼接、分割等)提供准确的数据基础；

步骤16.5数据分割与建模：对步骤16.4提取的点云数据进行分割，并进行模型拟合、曲线拟合和面片拟合，获得更具体的几何形状信息；

步骤16.6数据分析与应用：对步骤16.5处理后的点云数据结合工况进行变压器线圈测量、检测、配准、建模操作，获得所需的具体数据信息。

本发明针对在线圈绕制工艺尺寸检测工程中，对于出现线圈旋转180°绕制的情况，通过安装于龙门架2上的六轴机器人5、跟踪式三维扫描系统6及光学跟踪器7配合，从龙门架2从一端位置移动到另一端位置，进行全覆盖数据跟踪拍摄。

根据工控机端预设部署检测程序，对拍照信息和识别结果在显示屏进行实时展示。为排除工件旋转时的上下跳动，或者是由于工件自重导致的转轴的压弯。在上料完成后，在变压器线圈绕制工作区设置磁吸黏贴标记点协助扫描起始定位，供视觉系统参考，针对不同尺寸的物料，提前预设置机器手臂初始拍照点位。