直缝不锈钢焊管焊缝噘嘴检测与识别技术研究分析

 直缝不锈钢焊管在生产过程中主要靠钢板受外力挤压而成型，因此当所受外力不均匀时，不锈钢焊管的成型缝，即焊缝容易出现质量问题，因此需要对焊缝进行质量检测，焊缝的质量直接影响到管道现场的施工质量和施工进度。焊缝主要的质量指标包括管端直径与椭圆度、焊缝大小、焊缝噘嘴等情况，其中焊缝噘嘴属于焊缝质量检测的最大瓶颈。有效的控制噘嘴可以提高不锈钢焊管的外观质量，降低加工成本，提高管线的使用寿命。

 目前，国内国内不锈钢焊管生产线主要靠人工手动检测，其精度和效率都难以满足生产工艺的要求。国外较成熟的成套设备价格昂贵，引进成本高，因此研究直缝不锈钢焊管焊缝噘嘴检测技术是十分必要的。浙江至德钢业有限公司通过在总结目前常用的直缝不锈钢焊管焊缝噘嘴检测方法之后，对直缝焊管焊缝噘嘴检测技术做了进一步研究。具体成果与结论主要有以下几个方面：

 1. 二维激光扫描技术可以得到焊管径向横截面的二维轮廓数据，通过在径向方向移动不锈钢焊管，可以实现对焊管三维轮廓数据的采集，将得到的数据图形化，通过观察拟合模型可以发现，点云数据中存在大量的冗余点，特别是在焊缝正下方，需要对这些数据进行剔除。通过简单的去噪算法，去除了冗余点之后，通过观察焊管的二维轮廓拟合图可以发现，采集到的数据平滑效果非常差。经过多次实验对比，最后选择利用平滑参数为50的粗糙平滑惩罚算法来对数据进行平滑，得到了比较理想的效果；

 2. 检测噘嘴的前提是要拟合出不锈钢焊管横截面所在圆的圆心和半径，这时需要用到随机Hough变换检测圆。通过实验得知对预处理过后的数据直接应用随机Hough变换检测圆并不能得到理想的效果，这是由于随机Hough变换对被测数据无目标的随机采样，而焊缝处的数据并不在所需拟合的圆上，所以这部分数据对拟合结果造成了影响；

 3. 为了避免随机Hough变换无目标的随机采样，这时需要将焊缝处的数据和焊缝两侧的圆弧数据划分开，利用K均值聚类即可达到目的，但是需要对K均值聚类进行一些优化。通过实验可知，直接对数据点应用K均值聚类的结果并不理想。根据数据的特点，焊缝两侧的圆弧数据由于是在同一个圆上，所以其曲率相近，而焊缝处数据的曲率则和上述曲率有很大的差别，通过对所有数据点计算其离散曲率，所得到的结果也证明了这一点。将数据点的离散曲率作为聚类对象进行K均值聚类，通过实验可知，其聚类效果比较理想，远远优于直接对数据点进行聚类的结果；

 4. 经过聚类之后，利用干净的圆弧数据拟合标准圆，得到不锈钢焊管横截面二维轮廓所在圆的圆心和半径，将焊缝处的最高点或最低点到圆心的距离与半径做差，所得到的结果就是该处的噘嘴值，经过实验，证明了该方法的准确性，不仅可以判断出焊缝的噘嘴值，还能根据噘嘴值的正负来判断其噘嘴类型；

 5. 设计了一个直缝不锈钢焊管焊缝噘嘴检测系统，该界面的主要功能是实现直缝焊管焊缝噘嘴的检测。通过实际噘嘴检测验证，该界面能够对直缝焊管焊缝是否存在噘嘴缺陷进行可靠判断。

 浙江至德钢业有限公司虽然对直缝不锈钢焊管焊缝噘嘴检测技术进行了研究和分析，取得了一定的成果，但是由于目前国内外对直缝不锈钢焊管焊缝噘嘴检测技术的研究还不成熟，研究还不多，加上作者水平的限制，仍然存在着许多不足和需要解决的一些问题。至德钢业技术人员基于对本课题的研究，认为对直缝不锈钢焊管焊缝噘嘴检测技术的研究可以从以下几个方面做更深入的研究：

 1. 对于直缝不锈钢焊管来说，噘嘴缺陷不仅仅是内噘和外噘，还会出现一侧内噘一侧外噘、一侧缺陷一侧正常、一段存在缺陷一段正常等情况。需要提高检测算法的效率，让其适应更多的故障情况，来准确判断噘嘴类型，降低检测的误判率，提高多种噘嘴类型检测的准确性；

 2. 对于完整的直缝不锈钢焊管来说，所采集到的点云数据的数据量十分庞大，在处理这种庞大的点云数据时，如何提高算法的运行时间，并保持相当高的运算准确性，需要进一步更深入的理论和实际研究；差分曲率法优化K均值聚类算法中，对于初始聚类中心的选取需要进一步的研究，来充分发挥K均值聚类算法的优势。