CN111837011A - 用于电缆的表面缺陷检测的表面扫描仪、布置结构和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于电缆(1)的表面缺陷检测的表面扫描仪，包括测量部分(3)和分析部分(4)，测量部分(3)包括非接触式距离测量传感器(6)，电缆(2)可定位在传感器(6)之间使得传感器的波束(7)可被引导到电缆(2)的外表面(8)的采样区域以提供测量数据，上述采样区域在电缆的圆周处、在电缆(2)的延展方向(x)上达电缆(2)的外表面的一长度(L)，并且分析部分(4)包括用于测量数据的接收器(9)、用于处理测量数据以提供缺陷检测数据和电缆的外表面的连续3D形态图的处理器(10)，分析部分包括经训练以检测电缆的表面缺陷并将表面缺陷检测数据输出的神经网络。本发明还涉及用于电缆的表面缺陷检测的布置结构和方法。

Description

用于电缆的表面缺陷检测的表面扫描仪、布置结构和方法
技术领域
本发明涉及如所附独立权利要求的前序部分所述的用于电缆的表面缺陷检测的表面扫描仪、布置结构和方法。
背景技术
质量控制和满足产品规格在电力电缆生产中非常重要。例如，高压电缆用于电力分配和电力传输的超长连接。高压电力电缆中由于电介质击穿的故障会导致电力供应中断。
在电缆制造线中使用挤出(extrusion：挤压成形、压出)来制造电力电缆。在电缆制造线的操作期间监测制造质量，以确保最终产品的质量。已知的是使用X射线系统，该X射线系统适于测量电缆内部的不同层的深度以及绝缘体内部的导体的偏心率。然而，现有的X射线系统是复杂的系统，其中，典型的X射线系统包括若干部件，像X射线管、高压发生器、冷却器和图像捕获装置。X射线系统能够测量平均层深度，但不提供所挤出的表面的质量的详细信息。因此，需要能够连续监测所挤出的表面的质量的装置，即能够监测电缆的表面的缺陷并自动地检测缺陷的装置。
发明内容
本发明的目的是提供克服以上问题的表面扫描仪、布置结构和方法。本发明的目的由通过独立权利要求中所陈述的内容表征的表面扫描仪、布置结构和方法来实现。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。
用于电缆的表面缺陷检测的表面扫描仪，包括测量部分和分析部分，测量部分包括至少一个支撑部分和非接触式距离测量传感器，传感器包括被布置到支撑部分的激光位移传感器，电缆可以被定位在传感器之间，使得传感器的波束可以被引导到所述电缆的所述外表面的采样区域以提供测量数据，上述采样区域在电缆的圆周处、在电缆的延展方向上达电缆的外表面的一长度，并且分析部分包括用于测量数据的接收器和用于处理测量数据以提供缺陷检测数据的处理器，其中，非接触式距离测量传感器的波束可以被引导以覆盖所述电缆的整个圆周，并且传感器被布置成通过将从电缆的外表面反射的光聚焦在包括光接收元件的接收器上来计算到电缆的外表面的距离，其中，处理器被配置成创建电缆的外表面的连续3D形态图(topographic map：等高线图)，并且其中，分析部分包括经训练以用于检测电缆的表面缺陷并将电缆的表面缺陷检测数据输出的神经网络。
一种用于电缆的表面缺陷检测的布置结构，包括表面扫描仪和电缆制造线，该电缆制造线包括放线器、挤压布置结构和卷线器，其中，表面扫描仪被安装在电缆制造线中位于放线器与卷线器之间的位置，使得电缆可以从所述放线器通过表面扫描仪的测量部分被引导到卷线器。
在所附的从属权利要求中呈现了布置结构的优选实施方式。
用于检测电缆的表面缺陷的方法，包括表面扫描仪，在该方法中，在电缆制造线中制造电缆，其中，使电缆在放线器处退绕，在挤压布置结构中向电缆提供一个或多个挤压层，在卷线器处卷绕电缆，并且将表面扫描仪定位在放线器与所述卷线器之间，并且电缆以电缆制造线的运行速度行进通过表面扫描仪的测量部分，其中，将非接触式距离测量传感器的波束引导到电缆的外表面的采样区域，上述采样区域覆盖电缆的整个圆周、在电缆的延展方向上达电缆的外表面的一长度，非接触式距离测量传感器计算到电缆的外表面的距离并提供测量数据，分析部分的接收器接收测量数据并且所述处理器处理测量数据并创建其电缆的外表面的连续3D形态图，3D形态图提供来自电缆的缺陷检测数据，并且分析部分的经训练的神经网络检测电缆的表面缺陷并输出电缆的表面缺陷检测数据。
在所附的从属权利要求中呈现了方法的优选实施方式。
本发明的表面扫描仪、布置结构和方法的优点在于它们能够连续地监测所挤出的表面的质量，即能够监测电缆表面的缺陷并自动地检测缺陷。
附图说明
在下文中，将参考附图借助于优选实施方式较详细地描述本发明，在附图中
图1示出了表面扫描仪的侧视图；
图2示出了表面扫描仪的测量部分的前视图；
图3示出了用于电缆的表面缺陷检测的布置结构；以及
图4示出了用于电缆的表面缺陷检测的布置结构。
具体实施方式
图1示出了用于电缆2的表面缺陷检测的表面扫描仪1的侧视图。可以称为3D表面扫描仪的扫描仪1包括测量部分3和分析部分4。测量部分3包括至少一个支撑部分5和非接触式距离测量传感器6。非接触式距离测量传感器6被布置于支撑部分5。待检查的电缆2可定位在非接触式距离测量传感器6之间，使得传感器的波束7可被引导到电缆2的外表面8处的采样区域22。采样区域22在电缆2的圆周处、在电缆的延展方向x上达电缆的外表面8的一长度L。波束在电缆2的延展方向x上的长度是薄平面。非接触式距离测量传感器6的波束7提供测量数据。分析部分4包括用于测量数据的接收器9和用于处理测量数据以提供缺陷检测数据的处理器10。
3D表面扫描仪1检测可从电缆2的外表面8检测到的缺陷。3D表面扫描仪1测量电缆2的外表面8上的水平差，以提供测量值。3D表面扫描仪1能够检测缺陷并提供检测到的缺陷的准确尺寸，例如缺陷的宽度、长度和深度。因此，3D表面扫描仪1检查电缆2的外表面8的形状。3D表面扫描仪能够提供对电缆的形状、电缆2的直径及它们的变化的详细描述。3D表面扫描仪1的输出，即缺陷检测数据，可以用于控制电缆制造过程。
电缆2中严重缺陷的示例是由于氧化聚合物的过早交联产生凝胶颗粒即聚簇而导致的焦化。熔化的交联凝胶在电缆上产生粗糙的表面。因此，电缆2的外表面8中的缺陷揭示了电缆内部的缺陷。焦化是在电缆2的制造期间生成的缺陷的示例。在电缆制造的不同阶段之间、电缆2的输送期间也会生成缺陷。例如，包括经绝缘的导体的电缆在硫化线中被制造然后被输送到脱气过程，从此处其被输送到电缆包覆护套线。电缆2的外表面上的不同缺陷的示例是切口、隆起和凹痕。
3D表面扫描仪还能够检测电缆2的外表面22的特性。特性的示例是用于一目的的被形成到电缆2的分模线(die line，模痕、刀模线)。
3D表面扫描仪还可以根据测量数据并且根据检测到的缺陷数据来计算物理大小和质量度量。
与电缆制造中使用的现有X射线系统相比，3D表面扫描仪1提供了对电缆2的外表面8的几何形状的准确监测。X射线系统适于测量电缆内部的不同层的深度以及绝缘体内部的导体的偏心率。因此，3D表面扫描仪1和X射线系统可适用于同一电缆制造线。
在实施方式中，非接触式距离测量传感器6包括激光位移传感器。在激光位移传感器中，从激光器发射的激光波束被施加到电缆2的外表面8。从电缆2的外表面8反射的光被接收器透镜收集并聚焦在光接收元件上。所使用的方法是激光三角法，其中，激光位移传感器通过将从电缆的外表面反射的光聚焦在光接收元件上来计算到电缆2的外表面8的距离。
在另一实施方式中，非接触式距离测量传感器6被布置成环。在图2中，传感器6以基本上均匀的间隔布置。通过将采样区域22布置在电缆2的圆周处以基本上覆盖整个圆周，并且使用高测量频率(50...20000Hz)，可以获得电缆2的外表面8的详细测量数据。
在另外的实施方式中，处理器10被配置成创建电缆2的外表面8的形态图。形态图借助于颜色或轮廓线以及纵向和径向位置数据揭露测量数据，例如电缆2的外表面8上的水平差。形态图在视觉上呈现了电缆2的技术信息。
在又一实施方式中，分析部分4包括传输器11，该传输器用于将经处理的数据和/或缺陷检测数据传输到云存储器12。例如，用于预防性维护的计算机化维护管理系统或用于生产优化的设备制造商可以访问本地存储器或云存储器12中的经处理的数据和/或缺陷检测数据。另外，所存储的经处理的数据和/或缺陷检测数据可以经由云存储器12作为电缆质量的证据被传输到终端客户。
在再一实施方式中，处理器10被配置成计算电缆2的波度、椭圆度和/或平坦度。电缆2的波度、椭圆度和平坦度是描述生产质量的参数。对几何形状的持续和准确的监测揭露了电缆2的外表面质量的逐渐变化。平坦度、椭圆度或直径变化的逐渐增大可能表明在生产期间需要某些维护或最晚在下一次生产运行之前需要某些维护。
3D表面扫描仪1的分析部分4包括用于从经处理的测量数据中检测缺陷的神经网络。分析部分4的处理器10或单独的传输器可以将经处理的测量数据传输到分析部分4的神经网络。神经网络被训练以输出缺陷存在或不存在。经训练的神经网络输出缺陷检测数据。缺陷检测数据还可以包括根据缺陷检测数据确定的结论。
神经网络能够从训练示例的集合中学习复杂的非线性关系。在受监督的训练中，提供输入和输出两者。在无监督的训练中，网络被提供输入，但不被提供期望的输出。在无监督的训练中，神经网络根据在电缆2生产过程运行期间获取的测量数据进行学习。因此，分析部分4的神经网络能够从测量的数据中辨识缺陷。神经网络优于基于规则的缺陷检测系统，因为在电缆2的外表面8中存在具有变化的几何形状的多种类型的缺陷，这些变化的几何形状在仅使用分析规则的情况下难以被预先限定。
用于电缆的表面缺陷检测的布置结构包括3D表面扫描仪1。布置结构包括电缆制造线13、14，所述电缆制造线包括放线器15、挤出布置结构16和收线器17，其中，3D表面扫描仪1被安装在电缆制造线13、14中位于放线器15与收线器17之间的位置，使得电缆2能从放线器15被引导通过3D表面扫描仪1的测量部分3到达收线器17。
3D表面扫描仪在电缆制造线中的定位取决于3D表面扫描仪提供的功能。3D表面扫描仪可以检查电缆制造线的结果电缆，或者3D表面扫描仪可以检查进入电缆制造线的电缆。当3D表面扫描仪正在检测电缆的新的外表面中的缺陷时，将3D表面扫描仪安装到下述位置处是有利的：在该位置处电缆温度已经降低到电缆不会发生塑性变形的温度。
适用的电缆制造线的示例是芯线绝缘线、包覆护套线、硅烷线、硅酮线和橡胶连续硫化线。
挤出布置结构16可以包括能够挤出一个或多个挤出层的一个或多个挤出机。挤出层可以是分步形成的，或者可以使用一个或多个挤出头同时地形成。
在实施方式中，布置结构包括连续硫化线13。连续硫化线13是生产经绝缘的导体类型电缆的电缆制造线的示例。电缆的化学交联称为硫化，并且可以通过聚合物与交联剂之间的借助于热诱导的反应来完成。最常用的XLPE材料，可交联的聚乙烯，用于电缆2的绝缘。图3示出了硫化线13尤其是竖向连续硫化线的原理性布局。所示出的线包括放线器15、挤出布置结构16、硫化管21、冷却段18和收线器17。挤出布置结构16向导体提供一个或多个挤出层。通过使经绝缘的导体经过长加压管来进行硫化，所述长加压管例如由蒸汽或氮气加热。导体从放线器15被引导到收线器17而通过硫化线13。图3仅示出了线的最基本的元件。硫化线13还可以包括另外的元件，例如用于导体元件的预热器、后加热器以及计量绞盘或计量履带。连续硫化线13包括被布置成在电缆2的延展方向x上位于挤出布置结构16之后的冷却段18，其中，3D表面扫描仪1被布置成在电缆2的延展方向x上位于冷却段18之后。
另外，冷却段可以包括冷却管和密封该冷却管的端部密封件19，其中，3D表面扫描仪1被布置成在电缆2的延展方向x上位于端部密封件19之后。
在另一实施方式中，电缆制造线包括电缆包覆护套线14。图4中示出的电缆包覆护套线14包括在电缆的延展方向上在挤出布置结构16的前面的放线器15，其中，3D表面扫描仪1被定位成在电缆2的延展方向x上位于放线器15与挤出布置结构16之间。电缆制造线14的前端中的缺陷检测的目的是确保待被包覆护套的电缆2在包覆护套开始之前满足质量要求。质量检查节省了制造成本，因为如果待被包覆护套的电缆2含有严重缺陷，则可以中断包覆护套。
在另外的实施方式中，3D表面扫描仪1的分析部分4包括用于将经处理的数据和/或缺陷检测数据传输到控制电缆制造线13、14的过程监督单元20的装置。控制电缆制造线的过程监督单元20能够基于检测到的缺陷的数据来改变电缆制造线的过程参数。过程参数的示例是挤出机布置结构的转数、绝缘层厚度、交联区域的温度和挤出机布置结构中的温度分布。另外，包含某些类型的缺陷的缺陷检测数据可以表明电缆制造线的部件的阻塞或故障。然后，取决于缺陷类型，操作员可以立即采取措施来解决导致缺陷的问题，或者停止电缆制造线以避免生成不必要的废料。
用于检测电缆的表面缺陷的方法包括3D表面扫描仪1。在该方法中，在电缆制造线13、14中制造电缆2，其中，使电缆2在放线器15处退绕，在挤出布置结构16中向电缆提供一个或多个挤出层，以及在收线器17处卷绕电缆。将3D表面扫描仪1定位在放线器15与收线器17之间，并且电缆2以电缆制造线13、14的运行速度行进通过3D表面扫描仪1的测量部分3。将非接触式距离测量传感器6的波束7引导到电缆2的外表面8的采样区域22，上述采样区域在电缆的圆周处、在电缆2的延展方向x上达电缆2的外表面的长度L。非接触距离测量传感器6提供测量数据，并且分析部分4的接收器9接收测量数据，并处理器10处理测量数据以提供缺陷检测数据。
在实施方式中，在该方法中，3D表面扫描仪1的分析部分4将经处理的数据和/或缺陷检测数据传输到控制电缆制造线的过程监督单元20。
在另一实施方式中，在该方法中，控制电缆制造线13、14的过程监督单元20基于检测到的缺陷的数据来改变电缆制造线13、14的过程参数。
在另外的实施方式中，在该方法中，电缆制造线是连续硫化线13或电缆包覆护套线14。
所发明的用于电缆的表面缺陷检测的3D表面扫描仪1、布置结构和方法可适用于各种电缆2。电缆的示例是高压电缆或超高压电缆，其是用于以高压进行电力传输的电缆。在连续硫化线中制造的电缆包括导体和绝缘体。导体通常包括铜或铝。绝缘体通常包括三个挤出层：导体屏蔽层、交联的聚乙烯绝缘层和电缆屏蔽层。通常同时地共挤出多个层。在交联之后，绝缘体在其整个厚度上具有副产物。为了确保电缆具有正确的特性，需要在电缆包覆护套之前进行脱气过程。通常，高压电缆或超高压电缆包括最高至200mm的电缆直径和最高至80kg/m的电缆重量。
所发明的用于电缆的表面缺陷检测的3D表面扫描仪、布置结构和方法允许实时地测量挤出过程的质量。所发明的用于电缆的表面缺陷检测的3D表面扫描仪和布置结构连续地监测电缆生产中的挤出质量。所发明的用于电缆的表面缺陷检测的3D表面扫描仪、布置结构和方法可以根据电缆的外表面提供详细的测量数据。所发明的用于电缆的表面缺陷检测的3D表面扫描仪和布置结构也可以形成电缆制造工厂中的质量保证系统的一部分。
对于本领域技术人员将是明了的是，随着技术的进步，可以以各种方式来实施本发明的构思。本发明及其实施方式不限于以上描述的示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (13)

1.一种用于电缆(2)的表面缺陷检测的表面扫描仪，所述扫描仪(1)包括测量部分(3)和分析部分(4)，所述测量部分(3)包括至少一个支撑部分(5)和非接触式距离测量传感器(6)，所述传感器(6)包括被布置于所述支撑部分(5)的激光位移传感器，所述电缆(2)能定位在所述传感器(6)之间使得所述传感器(6)的波束(7)能被引导到所述电缆(2)的外表面(8)的采样区域(22)以提供测量数据，所述采样区域在所述电缆(2)的圆周处、在所述电缆(2)的延展方向(x)上达所述电缆(2)的所述外表面(8)的一长度(L)，并且所述分析部分(4)包括用于所述测量数据的接收器(9)和用于处理所述测量数据以提供缺陷检测数据的处理器(10)，其特征在于，所述非接触式距离测量传感器(6)的所述波束(7)能够被引导以覆盖所述电缆(2)的整个圆周，并且所述传感器(6)被布置成通过使从所述电缆(2)的所述外表面(8)反射的光聚焦到包括光接收元件的所述接收器(9)上来计算到所述电缆(2)的所述外表面的距离，其中，所述处理器(10)被配置成创建所述电缆(2)的所述外表面(8)的连续3D形态图，并且其中，所述分析部分(4)包括被训练用于检测所述电缆(2)的表面缺陷并将所述电缆(2)的表面缺陷检测数据输出的神经网络。
2.根据权利要求1所述的表面扫描仪，其特征在于，所述非接触式距离测量传感器(6)以基本上均匀的间隔被布置成环。
3.根据权利要求1或2所述的表面扫描仪，其特征在于，所述分析部分(4)包括传输器(11)，所述传输器用于将经处理的数据和/或所述缺陷检测数据传输到云存储器(12)。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的表面扫描仪，其特征在于，所述处理器(10)被配置成计算所述电缆(2)的波度、椭圆度和/或平坦度。
5.一种用于电缆(2)的表面缺陷检测的布置结构，其特征在于，所述布置结构包括根据权利要求1至4中的任一项所述的表面扫描仪(1)和电缆制造线(13、14)，所述电缆制造线包括放线器(15)、挤出布置结构(16)和收线器(17)，其中，所述表面扫描仪(1)被安装在所述电缆制造线(13、14)中位于所述放线器(15)与所述收线器(17)之间的位置，使得所述电缆(2)能够从所述放线器(15)被引导通过所述表面扫描仪(1)的所述测量部分(3)到达所述收线器(17)。
6.根据权利要求5所述的用于电缆(2)的表面缺陷检测的布置结构，其特征在于，所述电缆制造线(13、14)是生产经绝缘的导体类型电缆的连续硫化线(13)，并且所述连续硫化线(13、14)包括被布置成在所述电缆的延展方向(x)上位于所述挤出布置结构(16)之后的冷却段(18)，其中，所述表面扫描仪(1)被定位成在所述电缆(2)的延展方向(x)上位于所述冷却段(18)之后。
7.根据权利要求6所述的用于电缆(2)的表面缺陷检测的布置结构，其特征在于，所述冷却段(18)包括冷却管和密封所述冷却管的端部密封件(19)，其中，所述表面扫描仪(1)被定位成在所述电缆(2)的延展方向(x)上位于所述端部密封件(19)之后。
8.根据权利要求5所述的用于电缆(2)的表面缺陷检测的布置结构，其特征在于，所述电缆制造线(13、14)是电缆包覆护套线(14)，并且所述电缆包覆护套线(14)包括在所述电缆(2)的延展方向(x)上在所述挤出布置结构(16)的前面的所述放线器(15)，其中，所述表面扫描仪(1)被定位成在所述电缆(2)的延展方向(x)上位于所述放线器(15)与所述挤出布置结构(16)之间。
9.根据权利要求7或8所述的用于电缆(2)的表面缺陷检测的布置结构，其特征在于，所述表面扫描仪的所述分析部分包括用于将经处理的数据和/或缺陷检测数据传输到控制所述电缆制造线(13、14)的过程监督单元(20)的装置。
10.一种用于检测电缆(2)的表面缺陷的方法，其特征在于，在电缆制造线(13、14)中制造所述电缆(2)，其中，使所述电缆(2)在放线器(15)处退绕，在挤出布置结构(16)中向所述电缆(2)提供一个或多个挤出层，在收线器(17)处卷绕所述电缆(2)，并且将根据权利要求1至4中的任一项所述的表面扫描仪(1)定位在所述放线器(15)与所述收线器(17)之间，以及使所述电缆(2)以所述电缆制造线(13、14)的运行速度行进通过表面扫描仪(1)的测量部分(3)，其中，将所述非接触式距离测量传感器(6)的所述波束(7)引导到所述电缆(2)的所述外表面(8)的采样区域(22)，所述采样区域覆盖所述电缆(2)的整个圆周、在所述电缆(2)的延展方向(x)上达所述电缆(2)的外表面(8)的一长度(L)，所述非接触式距离测量传感器(6)计算到所述电缆(2)的外表面(8)的距离并提供测量数据，所述分析部分(4)的所述接收器(9)接收所述测量数据，并且所述处理器(10)处理所述测量数据并创建其所述电缆(2)的外表面(8)的连续3D形态图，所述3D形态图提供所述电缆(2)的缺陷检测数据，并且所述分析部分(4)的经训练的神经网络检测所述电缆(2)的表面缺陷并输出所述电缆(2)的表面缺陷检测数据。
11.根据权利要求10所述的用于检测电缆(2)的表面缺陷的方法，其特征在于，所述表面扫描仪(1)的所述分析部分(4)将经处理的数据和/或缺陷检测数据传输到控制所述电缆制造线的过程监督单元(20)。
12.根据权利要求11所述的用于检测电缆(2)的表面缺陷的方法，其特征在于，控制所述电缆制造线(13、14)的所述过程监督单元(20)基于检测到的缺陷的数据来改变所述电缆制造线(13、14)的过程参数。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的用于检测电缆(2)的表面缺陷的方法，其特征在于，所述电缆生产线(13、14)是连续硫化线(13)或电缆包覆护套线(14)。
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