CN106770635B - 一种钢材/坯表面缺陷场涡流热成像检测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钢材/坯表面缺陷场涡流热成像检测系统和方法，该系统可作为一个自动检测和标记模块嵌入钢材/坯成形生产线中，包括如下步骤：a）被检对象经送料机架进入调心装置；b）在加热区域，用高频感应加热设备使钢材/坯表面温度瞬间加热；c）接着进入红外热像仪检测区域；d）之后，红外热像仪将信号传输给PC机，获得图像温差数据，对图像进行后处理；e）当图像温差大于或小于某一指定值时，PC机报警，并将信号传送给标记用自动喷枪，实现缺陷位置的自动标记。本发明检测速度快，效率高，避免了加热不均匀和环境因素带来的影响，可以准确识别和标记钢材/坯表面缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测和产品质量控制等领域，特别是指一种钢材/坯表面缺陷场涡流热成像检测系统和方法。
背景技术
自经济危机以来，钢铁行业面临着巨大的挑战，很多钢铁企业面临亏损。身处钢铁行业的寒冬，面对利润下滑，产能过剩，行业内恶性竞争等种种窘境，谋求企业转型，研发高新产品，由粗放型的以量取胜，转向高精尖的以质取胜成为唯一出路。
近20年来，国内外的一些钢铁企业和设备供应商积极致力于钢材/坯表面质量在线检测技术的研究，实现对表面缺陷进行非人工的连续的准确检测、分类和记录，并加以实时控制。然而在国内的实际工业生产过程当中，由于技术条件等原因的限制，很大一部分企业依然在采用人工检测的方法对产品进行检测，虽然其生产成本较低，然而效率低下，误检率高，且耗费大量人力，因此开发一套拥有自主产权的检测系统成为当务之急。
涡流热成像检测采用载有高频交流电的感应线圈在导体材料表面或内部感应出涡流；根据焦耳定律，部分涡流将转化为焦耳热；该热量会在物体内部进行传播，并导致材料表面的温度变化；采用红外探测器记录分析材料表面的温度变化，就可以达到缺陷检测的目的。
目前，国内多家机构对涡流热成像检测系统和方法展开了深入研究，但具体应用于工业生产当中，仍然存在以下缺点：
第一，现有的涡流热成像检测系统和方法不能实现钢材/坯在线、连续、动态、高速、准确检测，也不能实现钢材/坯横纵各个方向同时全面检测。
第二，现有的涡流热成像检测系统和方法只针对某一单一目标个体检测，无法满足一套系统和方法实现对不同材质、形状和尺寸产品的检测。
第三，涡流热成像检测对热源的均匀性要求甚高。实际检测过程中，很容易导致被检对象加热不均匀，造成成像效果差，缺陷检测精度低。
第四，现有的涡流热成像检测系统和方法只针对被检对象缺陷的识别，未能实现缺陷准确自动标记。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种钢材/坯表面缺陷场涡流热成像检测系统和方法，旨在实现多种不同形状和尺寸的钢材/坯在线、连续、动态、高速、准确、全面检测和自动标记。降低热源不均匀和环境因素的影响，提高检测精度。
本发明装置和系统构成为：可根据实际要求调节速度，将被检对象送入调心装置的送料机架；用于保证被检对象进入感应加热区域和红外热像仪检测区域时，横截面中心位置始终不变的调心装置；高频感应加热设备；用于提取温度数据和对图像进行后处理操作的PC机；用于对被检对象表面拍摄图片和录制视频的红外热像仪；用于红外热像仪360°角度调节和上下左右位置调节的红外热像仪固定调节机架；用于缺陷位置标记的标记用自动喷枪。
其中，所述红外热像仪固定调节机架固定在预先找平的水泥地上；所述送料机架和调心装置设置在所述红外热像仪固定调节机架入料端的一侧，且所述送料机架、调心装置和红外热像仪固定调节机架三者的横截面纵向对称轴位于同一平面且相互平行；调心装置固定在送料机架的出口处，所述高频感应加热设备设置在所述调心装置和所述红外热像仪固定调节机架之间；若干所述红外热像仪以等角度间隔固定在红外热像仪固定调节机架上，所述标记用自动喷枪固定在红外热像仪固定调节机架上的焊接支架上，PC机与红外热像仪和标记用自动喷枪电连接。
进一步，所述进料机架为强制滚筒传送带，强制滚筒传送带的传送速率为1m/min-10m/min。
进一步，所述的调心装置包括：左转轮、右转轮、左支架、右支架、薄齿轮、主轴、左齿条、第二厚齿轮、右齿条和第一厚齿轮；
所述主轴分别与薄齿轮和第一厚齿轮采用键连接，所述第一厚齿轮和所述第二厚齿轮传动连接，所述薄齿轮与所述左齿条传动连接，所述第二厚齿轮与所述右齿条传动连接，所述左支架与所述左齿条通过螺栓相连，所述右支架与所述右齿条通过螺栓相连，所述左转轮装配在所述左支架上，所述右转轮装配在所述右支架上。
进一步，所述红外热像仪固定调节机架包括：涡轮蜗杆升降机、支撑板、起重块、升降板、齿环、小齿轮、套筒、螺杆和圆环；
其中，所述齿环装配在所述套筒上，所述小齿轮和所述齿环传动连接，所述圆环焊接在所述齿环上，四根所述螺杆以等角度间隔装配在所述圆环上，所述红外热像仪固定在所述螺杆头部的固定架上。
所述起重块和所述升降板通过螺栓相连，所述套筒和所述升降板通过螺栓相连，所述涡轮蜗杆升降机中的丝杠尾部插入所述起重块的通孔中。
进一步，所述调心装置和所述红外热像仪固定调节机架距离在15cm-20cm之间。
进一步，所述高频感应加热装置为加热线圈，所述加热线圈采用薄壁方矩形结构，材质为紫铜，提离在5mm-10mm之间。
本发明的另一目的是提供采用上述系统的一种钢材/坯表面缺陷场涡流热成像检测方法，具体步骤如下：
A、预先调节调心装置，具体过程包括：当左转轮和右转轮的初始间距小于被检对象的横截面宽度时，顺时针转动主轴，带动薄齿轮和第一厚齿轮顺时针转动，接着第一厚齿轮带动第二厚齿轮逆时针转动，然后薄齿轮带动左齿条向左运动，同时第二厚齿轮带动右齿条以相同速度向右运动，最终使左转轮和右转轮间距增大，调整间距比被检对象横截面宽度大0-0.2mm；
B、预先调节红外热像仪固定调节机架，具体过程包括：a）打开蜗轮蜗杆升降机电动机开关，带动起重块上下运动，即带动升降板沿支撑板上下运动，最终带动圆环上下运动，根据实际需要，调节被检对象横截面中心和圆环中心重合；b）转动小齿轮，带动齿环反方向转动，最终带动红外热像仪转动，实现红外热像仪与被检对象之间的角度调节；c）调节螺杆，对红外热像仪位置微调，保证四个红外热像仪镜头到被检对象表面的距离相等；
C、根据被检对象形状和尺寸预先选用感应加热线圈，调节线圈位置，使被检对象纵向与线圈垂直，保证线圈提离在5mm-10mm之间；
D、预先调节送料机架到合适速度；
E、同时打开送料机架、高频感应加热设备和红外热像仪的开关，对被检对象自动检测；
F、用PC机采集和处理图像；PC机将信号传输给标记用自动喷枪，标记用自动喷枪对被检对象表面缺陷位置自动标记；
进一步，PC机采集和处理图像的具体方法为：使用温差模式获得钢材/坯表面温度分布数据，取某一无缺陷部位的温度数据为模板，其后每一帧温度数据与该模板温度数据取差值，随时改变模板为其他帧的温度数据，避免加热不均匀和环境温度影响；将得到差值与指定某一温度范围进行比较，当温差高于或低于该温度范围时，报警，PC机传输信号给标记用自动喷枪，对缺陷位置自动标记；否则不进行标记。
本发明中，送料机架的传送速度为1m/min-10m/min。
本发明中，调心装置两个转轮之间可调节距离范围为0-260mm。
本发明中，采用高频感应加热设备，使钢材/坯表面温度瞬间加热到150℃~200℃之间，具体温度不用精确。
本发明中，感应加热线圈根据被检对象形状和尺寸确定，线圈采用薄壁方矩形结构，材质为紫铜，壁厚1mm，提离在5mm-10mm之间。
本发明中，红外热像仪固定调节机架，可实现红外热像仪360°旋转，可调节红外热像仪镜头与被检对象表面的距离范围在10mm-600mm之间。
本发明中，使用温差模式获得钢材/坯表面温度分布数据。以某一无缺陷部位的温度数据为模板，其后每一帧温度数据与模板温度数据取差值，可以随时改变模板为其他帧的温度数据，避免环境温度影响。指定某一温度范围，当温差高于或低于该温度范围时，报警。
本发明中，可将通过温差模式获得的图像进行后处理，包括灰度处理，中值滤波，阈值分割和边部锐化等。
本发明中，可指定某一温度范围，当温差高于或低于该温度范围时，PC机传输信号给标记用自动喷枪，实现缺陷位置自动标记。
本发明与现有的技术相比，所具有的有益效果在于：
1. 本发明可作为一个自动检测和标记模块嵌入钢材/坯成形生产线中，实现钢材/坯表面缺陷连续在线检测。
2. 本发明可根据被检材料不同形状和尺寸，调节红外热像仪固定的角度和位置，保证四个红外热像仪镜头到被检材料表面的距离相等。
3. 本发明可一次性实现被检材料横纵各个方向同时全面检测。
4. 本发明可根据被检材料不同形状和尺寸，使用薄壁中空铜质方矩形感应加热线圈，尽可能保证被检材料各部分加热均匀。
5. 本发明拍摄的红外热像仪图像采用温差模式，以某一无缺陷部位的温度数据为模板，其后每一帧温度数据与模板温度数据取差值，可以随时改变模板为其他帧的温度数据，避免加热不均匀和环境温度影响。
6. 本发明可通过指定某一温度范围，当红外热像仪拍摄的图像温差高于或低于该温度范围时，PC机传输信号给标记用自动喷枪，实现缺陷位置自动标记。
附图说明
图1是本发明设计的一种钢材/坯表面缺陷场涡流热成像检测装置结构示意图。
图2是本发明设计的一种钢材/坯表面缺陷场涡流热成像检测装置平面图。
图3A是本发明的调心装置主视图。
图3B是本发明的调心装置侧视图。
图4A是本发明的红外热像仪固定调节机架主视图。
图4B是本发明的红外热像仪固定调节机架侧视图。
图5是本发明设计的一种感应加热线圈。
图中：
1-被检对象；2-送料机架；3-调心装置；4-高频感应加热设备；5-PC机；6-红外热像仪；7-红外热像仪固定调节机架；8-标记用自动喷枪；31a-左转轮；31b-右转轮；32a-左支架；32b-右支架；33-薄齿轮；34-主轴；35-左齿条；36-第二厚齿轮；37-右齿条；38-第一厚齿轮；71-蜗轮蜗杆升降机；72-支撑板；73-起重块；74-升降板；75-齿环；76-小齿轮；77-套筒；78-螺杆；79-圆环。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：
如图1、图2、图3A、图3B、图4A、图4B和图5所示，本发明一种钢材/坯表面缺陷场涡流热成像检测系统，该系统包括可根据实际要求调节速度，将被检对象1送入调心装置的送料机架2；用于保证被检对象进入感应加热区域和红外热像仪检测区域时，横截面中心位置始终不变的调心装置3；高频感应加热设备4；用于提取温度数据和对图像进行后处理操作的PC机5；用于对被检对象表面拍摄图片和录制视频的红外热像仪6；用于红外热像仪位置调节的红外热像仪固定调节机架7；用于缺陷位置标记的标记用自动喷枪8；
其中，所述红外热像仪固定调节机架7固定在预先找平的水泥地上；所述送料机架2和调心装置3设置在所述红外热像仪固定调节机架7的入料端，且所述送料机架2、调心装置3和红外热像仪固定调节机架7平行排列；调心装置3固定在送料机架2的出口，且调心装置3与红外热像仪固定调节机架7的距离在15cm-20cm之间；红外热像仪6以等角度间隔固定在红外热像仪固定调节机架7上；标记用自动喷枪8固定在红外热像仪固定调节机架7上的焊接支架上；PC机5与红外热像仪6电连接；PC机5与标记用自动喷枪8电连接。
所述进料机架2为强制滚筒传送带，强制滚筒传送带的传送速率为1m/min-10m/min。
所述的调心装置3包括：左转轮31a、右转轮31b、左支架32a、右支架32b、薄齿轮33、主轴34、左齿条35、第二厚齿轮36、右齿条37和第一厚齿轮38；
所述主轴34分别与薄齿轮33和第一厚齿轮38采用键连接，所述第一厚齿轮38和所述第二厚齿轮36传动连接，所述薄齿轮33与所述左齿条35传动连接，所述第二厚齿轮36与所述右齿条37传动连接，所述左支架32a与所述左齿条35通过螺栓相连，所述右支架32b与所述右齿条37通过螺栓相连，所述左转轮31a装配在所述左支架32a上，所述右转轮31b装配在所述右支架32b上。
所述红外热像仪固定调节机架7包括：涡轮蜗杆升降机71、支撑板72、起重块73、升降板74、齿环75、小齿轮76、套筒77、螺杆78和圆环79；
其中，所述齿环75装配在所述套筒77上，所述小齿轮76和所述齿环75传动连接，所述圆环79焊接在所述齿环75上，四根所述螺杆78以等角度间隔装配在所述圆环79上，所述红外热像仪6固定在所述螺杆78头部的固定架上。
所述起重块73和所述升降板74通过螺栓相连，所述套筒77和所述升降板74通过螺栓相连，所述涡轮蜗杆升降机71中的丝杠尾部插入所述起重块73的通孔中。
首先根据被检钢材/坯形状和尺寸，预先调节调心装置3，如图3A和图3B所示，具体过程包括：当左转轮31a和右转轮31b的初始间距小于被检对象的横截面宽度时，顺时针转动主轴34，带动薄齿轮33和第一厚齿轮38顺时针转动，接着第一厚齿轮38带动第二厚齿轮36逆时针转动，然后薄齿轮33带动左齿条35向左运动，同时第二厚齿轮36带动右齿条37以相同速度向右运动，最终使左转轮31a和右转轮31b间距增大，调整间距比被检对象横截面宽度大0-0.2mm；
进一步调节红外热像仪固定调节机架7，如图4A和图4B所示，具体过程包括：打开蜗轮蜗杆升降机71电动机开关，带动起重块73上下运动，即带动升降板74沿支撑板72上下运动，最终带动圆环79上下运动，根据实际需要，调节被检对象横截面中心和圆环79中心重合；进一步转动小齿轮76，带动齿环75反方向转动，最终带动红外热像仪转动，实现红外热像仪与被检对象之间的角度调节；
进一步将被检对象1放上送料机架7，被检对象1头部穿过调心装置3两个转轮间的空隙；进一步通过螺杆78微调红外热像仪6的位置，保证四个热像仪镜头到被检对象表面的距离相等；
进一步调节高频感应加热设备4的位置，选择合适的线圈，使被检对象垂直穿过线圈时，提离控制在5mm-10mm，然后调节线圈与热像仪镜头的横向距离在5cm之内。
所有装置调试完成之后，同时打开送料机架2，高频感应加热设备4和红外热像仪6的开关。然后以某一无缺陷部位的温度数据为模板，其后每一帧温度数据与模板温度数据取差值，其特征在于：可随时改变模板为任意帧频温度数据，并且可以随时调节帧频在0-30Hz之间。
进一步在温差模式下，指定某一温度范围，当温差大于或小于该温度范围时，PC机报警，并将信号传输到标记用自动喷枪，对缺陷位置进行标记。最后可调取有缺陷图像，进行图像处理，包括灰度处理，中值滤波，阈值分割和边部锐化等。
实施例1
选取建筑用Q345方矩管为被检对象，其横截面为125mm×125mm。首先调节左转轮31a和右转轮31b之间距离在125mm-125.2mm之间；接着调节红外热像仪6镜头到方矩管表面距离为600mm；然后调节高频感应加热设备4的位置，选取如图5所示感应加热线圈，保证方矩管横截面中心和线圈中心重合，线圈提离在5mm-10mm之间，线圈与红外热像仪6镜头横向距离在5cm之内。同时打开送料机架，高频感应加热设备和红外热像仪的开关，设定送料机架传送速度为6m/min，方矩管表面温度瞬时加热到160℃-180℃。接着选取5s之后某一帧为模板，调节帧频为20Hz，设定温差大于3℃报警。对方矩管表面缺陷自动检测和标记。
结果该检测系统和方法可对尺寸大于0.5mm的裂纹、刮伤、结疤等表面缺陷自动识别，且能对缺陷位置自动标记，标记误差在3cm之内。
Claims (6)
1.一种钢材/坯表面缺陷场涡流热成像检测系统，其特征在于，该系统包括：将被检对象（1）送入调心装置（3）的送料机架（2）；用于保证被检对象进入感应加热区域和红外热像仪检测区域时，横截面中心位置始终不变的调心装置（3）；高频感应加热设备（4）；用于提取温度数据和对图像进行后处理操作的PC机（5）；用于对被检对象表面拍摄图片和录制视频的红外热像仪（6）；用于红外热像仪位置调节的红外热像仪固定调节机架（7）和用于缺陷位置标记的标记用自动喷枪（8）；
其中，所述红外热像仪固定调节机架（7）固定在预先找平的水泥地上；所述送料机架（2）和调心装置（3）设置在所述红外热像仪固定调节机架（7）入料端的一侧，且所述送料机架（2）、调心装置（3）和红外热像仪固定调节机架（7）平行排列；调心装置（3）固定在送料机架（2）的出口处，所述高频感应加热设备（4）设置在所述调心装置（3）和所述红外热像仪固定调节机架（7）之间；若干所述红外热像仪（6）以等角度或不等角度间隔固定在红外热像仪固定调节机架（7）上，所述标记用自动喷枪（8）固定在红外热像仪固定调节机架（7）上的焊接支架上，PC机（5）与红外热像仪（6）和标记用自动喷枪（8）电连接；
所述的调心装置（3）包括：左转轮（31a）、右转轮（31b）、左支架（32a）、右支架（32b）、薄齿轮（33）、主轴（34）、左齿条（35）、第二厚齿轮（36）、右齿条（37）和第一厚齿轮（38）；
所述主轴（34）分别与薄齿轮（33）和第一厚齿轮（38）采用键连接，所述第一厚齿轮（38）和所述第二厚齿轮（36）传动连接，所述薄齿轮（33）与所述左齿条（35）传动连接，所述第二厚齿轮（36）与所述右齿条（37）传动连接，所述左支架（32a）与所述左齿条（35）通过螺栓相连，所述右支架（32b）与所述右齿条（37）通过螺栓相连，所述左转轮（31a）装配在所述左支架（32a）上，所述右转轮（31b）装配在所述右支架（32b）上。
2.根据权利要求1所述的一种钢材/坯表面缺陷场涡流热成像检测系统，其特征在于：所述送料机架（2）为强制滚筒传送带，强制滚筒传送带的传送速率为1m/min-10m/min。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述红外热像仪固定调节机架（7）包括：涡轮蜗杆升降机（71）、支撑板（72）、起重块（73）、升降板（74）、齿环（75）、小齿轮（76）、套筒（77）、螺杆（78）和圆环（79）；
其中，所述齿环（75）装配在所述套筒（77）上，所述小齿轮（76）和所述齿环（75）传动连接，所述圆环（79）焊接在所述齿环（75）上，四根所述螺杆（78）以等角度间隔装配在所述圆环（79）上，所述红外热像仪（6）固定在所述螺杆（78）头部的固定架上；
所述起重块（73）和所述升降板（74）通过螺栓相连，所述套筒（77）和所述升降板（74）通过螺栓相连，所述涡轮蜗杆升降机（71）中的丝杠尾部插入所述起重块（73）的通孔中。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述高频感应加热设备（4）的加热线圈采用薄壁方矩形结构，材质为紫铜，提离在5mm-10mm之间。
5.一种钢材/坯表面缺陷场涡流热成像检测方法，采用权利要求1至4任一项所述的系统，其特征在于：
A、预先调节调心装置（3），具体过程包括：当左转轮（31a）和右转轮（31b）的初始间距小于被检对象的横截面宽度时，顺时针转动主轴（34），带动薄齿轮（33）和第一厚齿轮（38）顺时针转动，接着第一厚齿轮（38）带动第二厚齿轮（36）逆时针转动，然后薄齿轮（33）带动左齿条（35）向左运动，同时第二厚齿轮（36）带动右齿条（37）以相同速度向右运动，最终使左转轮（31a）和右转轮（31b）间距增大，调整间距比被检对象横截面宽度大0-0.2mm；
B、预先调节红外热像仪固定调节机架（7），具体过程包括：a）打开蜗轮蜗杆升降机（71）电动机开关，带动起重块（73）上下运动，即带动升降板（74）沿支撑板（72）上下运动，最终带动圆环（79）上下运动，根据实际需要，调节被检对象横截面中心和圆环（79）中心重合；b）转动小齿轮（76），带动齿环（75）反方向转动，最终带动红外热像仪（6）转动，实现红外热像仪与被检对象之间的角度调节；c）调节螺杆（78），对红外热像仪（6）的位置微调，保证四个红外热像仪镜头到被检对象表面的距离相等；
C、根据被检对象形状和尺寸预先选用感应加热线圈，调节线圈位置，使被检对象纵向与线圈垂直，保证线圈提离在5mm-10mm之间；
D、预先调节送料机架（2）到合适速度；
E、同时打开送料机架（2）、高频感应加热设备（4）和红外热像仪（6）的开关，对被检对象自动检测；
F、用PC机（5）采集和处理图像；PC机（5）将信号传输给标记用自动喷枪（8），标记用自动喷枪对被检对象表面缺陷位置自动标记。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：PC机采集和处理图像的具体方法为：使用温差模式获得钢材/坯表面温度分布数据，取某一无缺陷部位的温度数据为模板，其后每一帧温度数据与该模板温度数据取差值；将得到差值与指定某一温度范围进行比较，当温差高于或低于该温度范围时，报警，PC机传输信号给标记用自动喷枪，对缺陷位置自动标记；否则不进行标记。
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