一种基于机器视觉的TBM滚刀磨损监测装置及监测方法

技术领域

本发明属于TBM设备监测技术领域，尤其涉及一种基于机器视觉的TBM滚刀磨损监测装置及监测方法。

背景技术

随着我国城市交通，铁路，公路，水利，市政工程等建设事业的高速增长，我国的掘进机械得到飞速发展，TBM(硬岩掘进机)施工因其具有自动化程度高、施工速度快、节约人力、安全经济等优点而被广泛地应用于隧道工程施工领域。TBM前端的可旋转刀盘是设备的关键部位，滚刀过度磨损会造成掘进效率降低，施工成本增加等问题，因此，监测其滚刀磨损状态成为确保TBM施工安全有效进行的关键问题。

现有技术中的滚刀磨损监测装置大多采用传感器系统、声波、红外线或激光监测等手段，监测时会受到滚刀表面异物的影响,不能进行有效测量,缺乏可靠性，且很难全面地检测刀圈的磨损情况。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出了一种基于机器视觉的TBM滚刀磨损监测装置及监测方法。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

第一方面，本发明提出了一种基于机器视觉的TBM滚刀磨损监测装置，包括微控制器、移动装置、滚刀监测装置和弧形轨道；所述的滚刀监测装置安装在移动装置上，控制器控制移动装置沿着弧形轨道移动，从而带动滚刀检测装置移动，当滚刀监测装置达到指定位置时，微控制器控制滚刀监测装置对滚刀进行拍摄，所述滚刀监测装置对TBM滚刀刀圈磨损情况进行全面监测。

第二方面，本发明基于机器视觉的TBM滚刀磨损监测装置，还提出了一种监测方法，如下：

A、将未磨损的滚刀装入TBM刀盘上，移动装置和滚刀监测装置进行工作，当滑座移动到距离传感器处，微控制器控制滚刀监测装置进行拍摄，滚刀监测装置拍摄未磨损的彩色滚刀图像，图像通过图像采集卡由模拟信号变为数字信号，然后传送到操作室的工控机；

B、工控机对未磨损的滚刀图像预处理，首先将彩色图像进行灰度化处理转换为灰度图像，此时工作人员可直观地观察到刀圈偏磨情况，然后采用中值滤波法对图像进行降噪处理，最后对图像进行二值化处理将灰度图像转换为黑白图像；

C、对预处理后的滚刀图像进行边缘检测处理，提取滚刀轮廓并储存滚刀轮廓图像，边缘检测处理可选择Canny边缘检测算法、Sobel边缘检测算法或Roberts边缘检测算法；

D、TBM滚刀工作时，滚刀刀圈会产生磨损，对于磨损滚刀图像的采集和处理同步骤A-C；

E、利用图像匹配法将磨损的滚刀图像与储存的未磨损的滚刀图像进行匹配融合，可获得滚刀刀圈轮廓磨损区域，图像匹配法可选择灰度匹配法或特征匹配法；

F、利用最小外接矩形算法，根据图像尺寸和实际尺寸的关系，结合最小外接矩形的宽度，求出滚刀磨损图像的实际磨损值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的滚刀监测装置可以沿着弧形导轨移动，可以获取滚刀刀圈两侧完整的磨损图像，对TBM滚刀刀圈磨损情况进行全面监测，能够有效地监测到滚刀刀圈偏磨和边缘磨损情况。

(2)本发明中在弧形轨道两端分别焊接有一块固定基座，两个固定基座中间安装有透明保护罩，用于隔离岩渣，防止滚刀监测装置被破坏。

(3)本发明弧形轨道上对称设置有一对距离传感器，两距离传感器均与微控制器电连接，两距离传感器通过向滑座发出信号检测滑座的移动位置，当滑座移动到上方或下方的距离传感器处时，微控制器控制电机的正反转，从而控制滑座的移动方向。

(4)滚刀监测装置将拍摄的图像通过图像采集卡传送到操作室的工控机进行图像处理，工作人员可以直观地观察到滚刀的偏磨情况，通过将磨损图像与未磨损图像进行匹配融合，利用最小外接矩形算法可计算得到滚刀边缘磨损值，便于工作人员及时掌握滚刀磨损情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的整体结构图。

图2是本发明的移动装置和滚刀监测装置结构图。

为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。其中：1微控制器电路板，2工业相机，3滚刀刀圈，4滑座，5弧形轨道，6弧形齿条，7减速电机，8齿轮，9固定板，10限位轮，11灯源，12距离传感器，13电源，14固定基座，15透明保护罩，16防水胶垫，17刀盘，18冲洗喷嘴，19喷嘴座。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

现结合附图说明与实施例对本发明进一步说明：

参照图1-图2，本实施例公开了一种基于机器视觉的TBM滚刀磨损监测装置，包括微控制器电路板1、移动装置和滚刀监测装置。微控制器可以控制移动装置，从而带动滚刀监测装置移动，当滚刀监测装置达到指定位置时，微控制器控制工业相机2对滚刀刀圈3进行拍摄，滚刀监测装置可以对TBM滚刀刀圈磨损情况进行全面监测。

本实施例中的移动装置包括滑座4和弧形轨道5，弧形轨道5底部外侧焊接有弧形齿条6，滑座4上端固定有减速电机7，减速电机7的输出轴末端固定有齿轮8，齿轮8与弧形齿条6啮合，输出轴的转动带动齿轮8转动，从而带动滑座4沿弧形轨道5移动，所述齿轮8上侧和滑座4右侧分别设置有一块固定板9，两个固定板9上分别竖直安装有一组限位轮10，两组限位轮10的轮面压紧弧形轨道5两侧的上下表面，使得滑座4可以平稳的沿着弧形轨道移动。

滚刀监测装置固定在滑座4上端，随着滑座4一起沿弧形轨道5移动，滚刀监测装置包括工业相机2和灯源11，工业相机2可选择CCD相机，灯源11可选择LED环形灯，LED环形灯安装在相机镜头前端，LED环形灯能为相机摄取滚刀图像提供适当的光照条件，CCD相机的镜头朝向滚刀所在侧。

弧形轨道5上对称设置有一对距离传感器12，两距离传感器12均与微控制器电连接，两距离传感器12通过向滑座4发出信号检测滑座4的移动位置，当滑座4移动到上方或下方的距离传感器12处时，微控制器控制电机7的正反转，从而控制滑座4的移动方向。

微控制器与电源13连接，所述电源13为所述微控制器供电。减速电机7与微控制器通过数据线连接，减速电机7与电源13通过电源线连接。前面所述的滚刀监测装置与微控制器通过信号线连接，当滑座4移动到距离传感器12处，微控制器控制CCD相机对滚刀进行拍摄。

进一步的，本实施例中在弧形轨道5两端分别焊接有一块固定基座14，两个固定基座14中间安装有透明保护罩15，透明保护罩15位于弧形轨道的内侧(对应图2中的右侧)，用于隔离岩渣，防止滚刀监测装置被破坏，固定基座14与透明保护罩15通过防水胶垫16密封，保证了移动装置和滚刀检测装置的正常工作。同时固定基座14与刀盘17通过螺栓连接，透明保护罩15与固定基座14之间通过螺栓连接。

进一步的，本实施例中滚刀刀圈3的上方和下方的刀盘处均安装有冲洗喷嘴18，冲洗喷嘴18通过喷嘴座19和刀盘17中设置的冲水通道与外部高压管路连接，用于对滚刀的清洗，防止岩渣等异物对采集图像造成影响。

本发明的应用方法如下：

A、将未磨损的滚刀装入TBM刀盘上，移动装置和滚刀监测装置进行工作，当滑座移动到距离传感器处，微控制器控制相机进行拍摄，工业相机拍摄未磨损的彩色滚刀图像，图像通过图像采集卡由模拟信号变为数字信号，然后传送到操作室的工控机；

B、工控机对未磨损的滚刀图像预处理，首先将彩色图像进行灰度化处理转换为灰度图像，此时工作人员可直观地观察到刀圈偏磨情况，然后采用中值滤波法对图像进行降噪处理，最后对图像进行二值化处理将灰度图像转换为黑白图像；

C、对预处理后的滚刀图像进行边缘检测处理，提取滚刀轮廓并储存滚刀轮廓图像，边缘检测处理可选择Canny边缘检测算法、Sobel边缘检测算法或Roberts边缘检测算法；

D、TBM滚刀工作时，滚刀刀圈会产生磨损，对于磨损滚刀图像的采集和处理同步骤A-C；

E、利用图像匹配法将磨损的滚刀图像与储存的未磨损的滚刀图像进行匹配融合，可获得滚刀刀圈轮廓磨损区域，图像匹配法可选择灰度匹配法或特征匹配法；

F、利用最小外接矩形算法，根据图像尺寸和实际尺寸的转换关系，结合最小外接矩形的宽度，求出滚刀磨损图像的实际磨损值。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

(1)滚刀监测装置可以沿着弧形导轨移动，可以获取滚刀刀圈两侧完整的磨损图像，对TBM滚刀刀圈磨损情况进行全面监测，能够有效地监测到滚刀刀圈偏磨和边缘磨损情况。

(2)滚刀监测装置将拍摄的图像通过图像采集卡传送到操作室的工控机进行图像处理，工作人员可以直观地观察到滚刀的偏磨情况，通过将磨损图像与未磨损图像进行匹配融合，利用最小外接矩形算法可计算得到滚刀边缘磨损值，便于工作人员及时掌握滚刀磨损情况。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。