Systemy wizyjne 3D w analityce stanu i uszkodzeń lin nośnych

Obrazy trójwymiarowe mogą być wykorzystane w analizach jakości i stopnia zużycia lin nośnych przez pomiary ich średnicy i istotnych parametrów splotu. Ponadto umożliwiają stwierdzenie uszkodzeń powierzchni i ich rodzaju, z dokładnością znacznie wyższą niż w obecnie stosowanych metodach, co z kolei przekłada się na wzrost poziomu bezpieczeństwa ich użytkowania.

Nowoczesne techniki obrazowania 3D znajdują zastosowanie w coraz to nowszych obszarach. Jednym z przykładów może być diagnostyka jakości i stopnia zużycia lin nośnych przez pomiary ich średnicy i parametrów splotu. Liny stalowe i z tworzyw sztucznych są bardzo ważnym elementem decydującym o bezpieczeństwie pracy urządzeń i aplikacji, w których są wykorzystywane, takich jak kolejki linowe, windy kopalniane, dźwigi osobowe i towarowe, dźwigi budowlane, suwnice czy wyciągarki. Najbardziej rozpowszechnione są liny stalowe, przede wszystkim ze względu na bardzo dobrą znajomość ich charakterystyk oraz metod szacowania żywotności (Tytko A., Sioma A., 2011, „Evaluation of the Operational Parameters of Ropes, Solid State Phenomena, Control Engineering in Materials Processing” ISSN 1012-0394, vol. 177, pp. 125134).
Jakość lin mierzona i szacowana jest najczęściej na podstawie ich dwóch podstawowych parametrów roboczych: długości splotu i średnicy liny. Bardzo istotnym elementem jest również ocena wizualna powierzchni lin. Tradycyjnie pomiary dwóch wspomnianych parametrów dokonywane są okresowo, z użyciem przyrządów wymagających zetknięcia z powierzchnią liny. Dotąd nie istniały żadne metody pozwalające na dokonywanie podobnych i zarazem dokładnych pomiarów, bezkontaktowo i w sposób ciągły. Zastosowanie nowych technologii wizyjnych 3D umożliwia właśnie tego typu pomiary i analizy. Dzięki nim możliwa jest bowiem ocena zmian parametrów geometrycznych badanych obiektów, jak również pomiar parametrów jakości obserwowanych powierzchni. Metodologia powstawania obrazów trójwymiarowych w tego typu urządzeniach pomiarowych bazuje na wykorzystaniu kameryi światła laserowego. Analiza zarejestrowanych obrazów pozwala na sporządzenie profili wysokości elementów powierzchni, które z kolei są podstawą budowy jej obrazu trójwymiarowego. Pomiary parametrów liny mogą być prowadzone na bieżąco, na całej jej długości. Dzięki temu możliwa jest ocena ich zmienności wzdłuż liny oraz obserwacja zmian wybranych parametrów w trakcie pracy, eksploatacji liny w maszynie, dźwigu itp.

Konfigurację omawianego w artykule systemu pokazano na rysunku 1. Wiązka laserowa pada na powierzchnię liny pod kątem 90° w stosunku do jej osi. Z kolei obiektyw kamery ustawiony jest pod kątem 45° w stosunku do osi wiązki lasera (diagram). Przy takiej konfiguracji układu wizyjnego, uzyskano następujące rozdzielczości dla kolejnych osi układu 3D: ΔX = 0,15 [mm], ΔY = 0,15 [mm], ΔZ = 0,21 [mm]. Obraz w tym układzie rejestrowany jest w monochromatycznym czujniku CMOS i wskazuje tylko linie promienia laserowego, przesuwającego się po badanej powierzchni, co pozwala na odtworzenie jej kształtu, profilu. Na podstawie tych obrazów z kolei, po odpowiedniej analizie i obróbce, generowane są obrazy trójwymiarowe. Cały układ pomiarowy zbudowany jest z trzech kamer, przesuniętych o 120° między sobą, otaczających w efekcie całą linę. W ten sposób możliwe jest zbudowanie obrazów 3D całej powierzchni liny i jej badanie z częstotliwością kilku tysięcy pomiarów na sekundę.
Zarejestrowane obrazy trójwymiarowe są poddawane wstępnemu przetwarzaniu, głównie w celu usunięcia wszelkiego rodzaju zaburzeń, widocznych niekiedy na powierzchni lin i przygotowania obrazu jako podstawy pomiarów. Algorytm pomiarowy z kolei opiera się na detekcji krawędzi splotów tworzących w rezultacie powierzchnię i strukturę liny i podział jej na segmenty. Dla każdego splotu ustalany jest punkt charakterystyczny, jako najbardziej oddalony od osi głównej liny. Długość skoku splotu liny mierzona jest jako odległość pomiędzy dwoma krawędziami splotu lub dwoma punktami charakterystycznymi. Części splotu widoczne są na obrazach 3D w postaci białych plam.
Inną metoda pomiaru skoku liny jest takie skonfigurowanie układu wizyjnego, by promień lasera był równoległy do osi badanej liny. W tym przypadku powierzchnia liny oddaje ułożenie, uporządkowanie splotów tworzących w rezultacie jej średnicę. Długość skoku splotu może być tu mierzona dla każdego elementu splotu. Szczegółowa analiza długości skoków splotu pozwala na oszacowanie stopnia zniszczenia powierzchni liny lub jej uszkodzeń. Szczególną uwagę należy zwrócić na zarejestrowane w obrazach uszkodzenia włókien splotów liny, widocznych jako wyraźne linie promienia laserowego, wskazujących na uszkodzenie struktury liny.
Średnica liny mierzona jest dzięki odpowiedniej obróbce obrazów rejestrowanych przez wspomniane już trzy kamery. Koordynowane są one odpowiednio względem siebie, umożliwiając uzyskanie i śledzenie przekroju poprzecznego liny. Przy odpowiedniej konfiguracji układu wizyjnego i algorytmów pomiarowych możliwe jest śledzenie zmian średnicy liny co 0,15 mm. Pozwala to z kolei na detekcję pęknięć pojedynczych drutów w splotach, rejestrowanych jako zaburzenia, zmiany średnicy liny.
Obrazy trójwymiarowe w inspekcji lin to dokładne narzędzie pomiarowe, pozwalające na ich monitoring i detekcję uszkodzeń. Uszkodzenia są rejestrowane dla lin stalowych i z włókien syntetycznych. Uszkodzenia lin stalowych przybierają formę przewężeń średnicy lub wgnieceń, przesunięć w uporządkowaniu splotów (rysunek 2A) lubteż pęknięć splotów lub ich pojedynczych drutów (rysunek 2B). W linach z włókien syntetycznych deformacja uporządkowania splotów może mieć postać pokazaną na rysunku 2C lub powierzchnia może być postrzępiona, co widać wyraźnie w obrazie promieni lasera na rysunku 2D. Widoczne są też na nim deformacje powierzchni splotu w dolnej części obrazu.
Autor: dr inż. Andrzej Sioma AGH Kraków
Powyższy artykuł jest tłumaczeniem oryginalnego materiału, który ukazał się pierwotnie w amerykańskiej edycji magazynu Control Engineering pt. „3D vision system performs rope wear analysis”
CE