CN1720742A - 用于检测诸如轧制/拉制金属条的工件上的表面缺陷的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明用于解决与检测金属条表面缺陷相关的问题以及与将金属扁板检测系统应用于对金属条进行无损伤表面缺陷检测相关的问题。为了这一目的，开发了一种特别设计的成像系统，其包括计算单元、线性光装置和高数据频率行扫描照相机。应用目标为具有以下特征的金属条，(1)当横截面积对于给定形状是均匀的时，其具有等于或小于4.25的周长/横截面积的比，(2)其横截面为圆形、椭圆形或多边形，以及(3)其通过机械地使横截面减缩的过程制成。所述金属可以是钢、不锈钢、铝、铜、青铜、钛、镍等等、以及/或它们的合金。所述金属条在制造时处于一定温度下。

Description

用于检测诸如轧制/拉制金属条的工件上的表面缺陷的装置和方法

关于联邦基金资助项目的声明

本发明是根据国家标准和技术学会(NIST)资助的合作项目No.70NANBOH3014在美国政府的支持下完成的。美国政府对本发明享有一定的权利。

相关申请的交叉参考

本申请要求2002年3月12日提交的美国临时专利申请No.60/430,549的优先权，因此引入该申请的全部内容作为参考。

技术领域

本发明总体上涉及一种能够对诸如轧制/拉制金属条的工件的表面细节进行成像的成像系统。

背景技术

众所周知通过诸如轧制或拉制的机械加工过程来生产金属条。这种金属条不同于金属板、金属锭或金属带(下文称作金属扁板)之处在于其横截面具有更小的周长/截面积比率，使得该金属条可绕纵向轴线旋转/扭转，同时纵向地向前移动。例如，当横截面积对于给定形状是均匀的时，图2中所示的金属条的形状具有等于或小于4.25的周长与横截面积的比率。当只考虑横截面时这种金属条的形状可以是圆形、椭圆形或多边形，如图2所示的六边形、八边形或正方形。这种类型的金属条在相关行业内常常被称为“长型制品”而不是“扁平制品”。如在本公开的内容中使用的并且在下文被称作减缩(reducing)过程的轧制、拉制、挤压等描述了通过适当的工具，诸如辊压机和拉模机与工件的机械接触而减小金属工件的横截面尺寸的方式。这些减缩过程通常是连续的，或实质上是基本连续的。

在金属制造行业内，表面缺陷的存在与否是对金属产品进行评价时所依据的相关标准。例如，在钢条和钢筋行业内表面缺陷占外部不合格品(即被用户拒收)的一半。然而，常规技术没有提供任何检测上述缺陷的可靠手段。有几个常规检测方法不能克服的、急待解决的问题。

第一，在金属条产品“过热”，温度高达1,100℃时对其进行检测的情况下，妨碍了许多检测工艺的使用。第二，上述这种金属条的运行速度目前能快达100m/s，比最快的金属条的速度还要高几倍，而比金属板或金属锭的速度快将近100倍。另外，近期内其运行速度有望提高到150-200m/s的范围内。单纯常规检测方法不能适应如此高的运行速度。第三，常常将上述高温金属条限定在分段的管道内，以便金属条不会成为半轧废品。过热的高速金属条在管道外自由运行时，就会出现半轧废品。因此，对于任何检测设备，空间都非常有限。

虽然应用各种成像方法对铸件或辊轧的金属扁板进行检测是公知的，但目前在长型制品(即金属条)的检测中还没有使用成像技术。由于金属条的几何形状使得为了突出/获取平面上缺陷而执行的照明和成像设计变得无用，因此常规成像系统不被认为能够用于检测金属条等。图4显示了在平型工件与在圆型工件上施加照明和获取图像的差异。对于非平型工件，当感兴趣的目标不具有平表面时，光学排列方式和光学工作范围的自由度消失。诸如在图4所示的示例方式中显示的，如果将光或照相机倾斜，则图像线和照明线不会重叠。而且，金属条通常比金属扁板处于更高的温度。物体的散热与其接触到冷却介质，诸如周围空气或喷水的面积成比例。假设金属扁板和金属条是由同样的材料制成，且二者具有同样的纵向单位密度和横截面积，则金属扁板的面积比金属条的面积大几倍。

但在减缩过程中采用基于成像的测量装置进行金属条规格的测量/控制(影像测量)以及金属条存在与否、金属条运行速度的测量是众所周知的。

采用电磁装置，诸如基于涡流的测量装置进行长型制品的鉴定也是众所周知的。基于涡流的传感系统用于在减缩过程中在线检测表面缺陷。此方法具有较高的灵敏度，能够在具有较高吞吐量的生产线工况(即每分钟通过1千米的热钢条)下工作。然而，该方法有几个缺点。首先，采用这种方法必须与工件热表面非常接近(通常小于2.5毫米)。由此，该方法对振动和温度是敏感的。而且该方法不能描述所检测到的缺陷的属性，在这个意义上说其是不定量的。最后，涡流方法不能检测某些类型的缺陷。因此，涡流装置的检测输出不能被金属行业用于对特定产品的质量进行定性的判断。而基于涡流的检测装置的输出仅能被用于在减缩过程中，诸如仅仅为了过程控制的目的所进行的定性分析，诸如“本批钢条总体上比上周生产的那批钢条质量更差”这样的结论。

本领域内所试图采用的另一种方法是超声波感测。这是一种用超声波传感器代替涡流传感器的方法。然而，与基于涡流的检测装置相关的许多限制，诸如工作距离短的问题，在此同样会出现。

本领域所使用的其它检测技术包括磁渗透、环流和用感应加热进行的红外成像。然而对这些技术的使用是有限制的。首先，这些技术仅能被用于“冷”金属条。即，这些技术不能被用于在热辊轧应用期间或之后不久进行在线检测。而且，在检测前还必须对金属条进行除锈。此外，磁渗透技术的使用是麻烦和费事的。这一过程通常要依靠操作人员用紫外线照明来观察，而不是自动地成像和检测。环流设备是一种基于涡流的单元，其设计为具有旋转探测头。该旋转机构限制了这种设备应用于对高速运行的金属条的检测，通常用在大约3m/s运行速度的金属条上。由于这种移动探测头的设计，该设备也是昂贵的。感应加热与红外成像组合使用是基于感应电流仅形成在金属条的表面上，且金属条上的表面缺陷会导致更高的电阻这一现象。因此，具有表面缺陷的区域将比其它区域更快地变热。这种方法存在的问题在于(a)这种快速变热是一个瞬时效应，因此计时(采集图像的时间)非常关键；(b)红外传感器不能用于高的数据频率，因此不能支持具有较高运行速度的金属条。

当然，也可以在金属条制造完成后进行检测。但制造后的检测经常是行不通的因为制品太长并已盘绕起来，从而使得金属条表面对于冷检测技术难以接近。

目前，对减缩加工制造的金属条的实时检测非常有限。尽管通过常规在线涡流检测系统标出了缺陷标记，但金属条通常还是被从制造商运送到用户。由于金属条制品上的表面缺陷用户不是立刻能看到的，因此在3-6个月后才会出现用户的投诉。那样的投诉使金属条供应商(即制造商)付出很大代价。金属条的供应商或者赔偿给用户整个一卷/批金属条，或者共同承担额外的对由上述金属条制造的部件进行检测的劳动力的费用。

因此需要一种装置和方法来减轻或避免以上提出的一个或多个问题。

发明内容

本发明的一个目的是克服上述的一个或多个与用在基于图像检测装置中的常规方法有关的问题，所述的检测装置适于离线或在线检测轧制/拉制金属条上的表面缺陷。

本发明用于解决一个或多个与常规金属条检测系统有关的问题、以及与对金属条采用金属扁板检测系统以通过使用成像系统对金属条进行无损伤表面缺陷检测相关的问题。

本发明的一个优点是其可有效地用于具有上述特征的金属条的生产中，即那些处于制造温度或许足够热以至于能产生自发辐射的金属条，以及那些相对纵向轴线旋转并可能以非常高的速度运行的金属条。本发明的其它优点包括：(i)有效地用于成像和检测非平表面上的缺陷；(ii)用于对金属条进行检测而不必考虑其温度；(iii)用于对处于或高于100m/s运行速度的金属条进行检测；(iv)相对金属条表面提供了增大的工作间距，因此减轻或避免了在基于涡流的检测装置的背景技术中所提到的问题；(v)提供了包括具有可检测的缺陷位置图像的定量数据的输出；(vi)甚至在工件表面上形成氧化皮之前就可对其进行检测；(vii)适于在减缩过程中的任何阶段(在减缩开始或在生产线末工序之间)进行检测，不受瞬时效应的影响或不依赖于它；(viii)提供实时或近乎实时的表面质量信息；(ix)提供一种可不使用任何移动探测头的系统，因此减轻或避免了在背景技术中所提到的移动元件的问题；以及(x)提供了一种仅需要非常小的间隙(少于50mm)就能够在金属条引导管道段之间操作的系统。然而，一种装置和/或方法不需要具备上述每个优点，或者甚至大多数优点。本发明通过权利要求来限定。

提供了一种用于对沿纵向轴线延伸的细长金属条进行成像的系统。该系统包括图像获取组件，线性光组件(line light assembly)，以及计算单元。图像获取组件具有视场，其被构造成对金属条表面外周上的第一预定宽度进行成像以限定图像带。图像获取组件还被构造成产生对应获取的图像带的图像数据。

线性光组件被构造成能够将具有第二预定宽度的光线带投射到金属条的表面上。光线组件例如通过相对于图像获取组件排列而布置，以便使图像带处于光线带内。光线组件还被构造成当光被每个图像获取传感器采集时，光密度沿图像带是基本均匀的。

最后，计算单元与图像获取组件相连，并被构造成当金属条沿纵向轴线移动时，其接收由图像获取组件获得的多个图像带的图像数据。计算单元还被构造成能够对图像数据进行加工以检测金属条的预定表面特征。在优选的实施例中，所检测的特征是表面缺陷，图像获取组件包括n个数码照相机，其中n为等于或大于3的整数，将这些数码照相机布置成照相机的组合视场与图像带相对应。

同时也提出了对金属条进行成像的方法。

附图说明

现在参照附图通过示例对本发明进行描述，而在不同附图中相同的附图标记代表同样的部件，其中：

图1是本发明一个实施例的示意和结构图。

图2是适于通过根据本发明的一个实施例检测的工件的示例性几何形状的剖面图。

图3表示金属扁板的截面几何形状。

图4是表示施加到金属扁板和金属条上的常规照明方案的示意图。

图5是表示由管道限制的金属条在其运行过程中的简化透视图，以及将根据本发明一实施例定位在其中的相邻管道之间的间隙的简化透视图。

图6是表示用照相机对金属条进行成像时覆盖范围的简化平面图。

图7是表示用一个照相机和焦阑透镜对金属条进行成像时覆盖范围的简化平面图。

图8是表示基于相同尺寸的栅格，诸如一列像素投影在金属条轮廓上时弧长变化的简化平面图。

图9是表示根据本发明用于金属条表面的照明布置的简化平面图。

图10是进一步更详细地表示图9中的照明布置的简化平面图。

图11是与本发明采用的照明布置相连的金属条的简化透视图。

图12是表示沿投射向金属条表面的周向方向的照明布置的简化透视图。

图13A表示表面缺陷以及一些表面噪声。

图13B表示施加到图13A的图像上的根据本发明的图像处理步骤的示意性结果。

图14A-14C表示可能在金属条上发现的并能由根据本发明的实施例检测到的长表面缺陷的示例。

图15A-15C表示可能在金属条上发现的并能由根据本发明的实施例检测到的短表面缺陷的示例。

具体实施方式

本发明能够在金属条进行轧制、拉制等加工(即在本发明背景技术中描述的减缩过程)的同时自动检测其表面缺陷。图1示意性地表示了根据本发明的一个优选实施例。

在按照附图对本发明进行详细的描述之前，先提出一个总体的概述，本发明具有以下特征：

1.能够对通过减缩过程制造的具有不同横截面几何形状的金属条起作用；

2.能够在线对温度达到1,650℃的金属条起作用；

3.能够对以100m/s或更高的速度运行的金属条起作用；

4.能够对临界尺寸小到0.025mm的表面缺陷进行检测；

5.能够报告缺陷特性，诸如其大小、位置(在金属条上的)、图像等等。

6.能够适应不同尺寸的金属条，例如从5-250mm且具有最小调整量；

7.能够提供实时或近乎实时的检测结果；

8.能够用较小的观测窗口(小于50mm)对目标对象起作用；

9.在检测时没有移动部件；以及

10.可在商业、重工业金属加工厂内连续操作。

图1是根据本发明的系统的简化示意和结构图。图1显示了线性光组件，其可包括至少一个光源2、光导管4、多个线性光装置(line light)6以及相应的多个光学增强器8。图1还显示了计算单元10和包括多个照相机12的图像获取组件，所述的每个照相机都具有相应的透镜14。

继续参照图1，其显示了处于检测下的工件或物体，诸如沿纵向轴线延伸的细长金属条16，它沿其纵向20以高达100m/s或更高的速度移动同时进行减缩过程。金属条16由选自钢、不锈钢、铝、钛、镍、铜、青铜或其它金属，和/或它们的合金中的一种制成。金属条16可以是实心或中空的。通常该金属条16在如图5详细所示的管道24内运行，该管道24在图1中没有显示。在图5中所示的间隙26限定在两个相邻管道24之间，并且通常非常小，例如为了金属条16的高速传输而通常在轴向设置为大约20-50mm。应理解，金属条16可以处于高温状态，例如用于热辊轧加工的1,100℃的温度。也应该认识到，在设定的几何形状下，金属条16在沿方向20运行的同时也容易绕其纵向轴线按图1中箭头21指示的方向扭转/旋转。除了其它条件外，这种旋转的可能性给常规成像系统带来了问题。正如以下所做的详细描述，本发明克服了这个困难以提供一种对于扭转和/或旋转仍可行的成像系统。

为了检测金属条16上的表面缺陷，根据本发明的成像系统必须具备以下所述的某些特征。继续参照图1，所述的成像系统包括图像获取组件，其优选地包括n个成像照相机12，其中n为大于等于3的整数。基于以下做出的分析选择参数n为等于或大于3。为了对金属条16的整个表面成像，将每个照相机12布置成覆盖至少120°的圆周范围。即，图像获取组件具有复合或组合的视场，其被构造成对金属条16的表面的整个外周进行成像以限定图像带18。如下文进一步的描述，图像获取组件还被构造成基于图像带18产生图像数据。以下将对照相机数量的参数n进行分析。

如图6所示，与照相机12相连的常规透镜14具有由从透镜14的焦点延伸到金属条16的表面的两条观测切线28形成的视角(视场)。当投向如图6所示的非平面上时，该视角会产生小于180°的周向覆盖范围30，并且仅用两个其中透镜为非焦阑的透镜/照相机单元不足以覆盖360°。

图7显示了具有焦阑透镜14’的布置。即使使用聚集平行视觉线的真正的焦阑透镜，因为弧长的变化其实际上也不能用于双透镜/照相机系统。特别是，由于给透镜14增加了焦阑透镜14’，两条视觉线28平行。在这种情况下，周向覆盖范围30是360°。理论上而言，仅用两个透镜/照相机单元就可将圆形金属条16的整个表面覆盖。然而，如上所述，会产生非均匀像素尺寸的问题。

如图8所示，来自均匀间隔的具有多个像素的成像传感器32的均匀间隔视觉线34能导致在金属条16的表面上产生像素到像素的非均匀弧长36。均匀间隔在成像传感器，诸如CCD芯片上是一个非常典型的配置。弧长36可通过以下的公式(1)计算：

公式(1)：S＝p/cos(θ)

其中，S是在位置y处映射到像素上的弧长36，p是像素阵列或像素尺寸的间距，而θ是从公式(2)中得到的投影角度，

公式(2)：θ＝arcsin(y/r)

其中y≤r，而r是金属条16的半径。

从图8中能够得出结论，当y→r时，θ→90°。当θ→90°时，根据公式(1)，弧长S将接近无穷。实际上，S仍然是一个有限数。但实质上，S要比像素尺寸p更大(几倍)。也就是说，在这一区域的图像分辨率将会变差，从而使这种方法是不可行的。注意同样的弧长分析也可以应用到图8的下半部分，其中y→-r。

通过三个照相机可将θ设置为60°。当θ＝60°时，表示弧长36的S(在图8中12点和6点钟的位置)仅是2p，这种分辨率的变差是容许且可控制的。如果要得到更好的分辨率，可使用四个、五个甚至更多的照相机(即上述提及的参数n可以是大于等于4、5的整数)。如图1所示，优选的是将所有的透镜14/照相机12组合布置成使上述透镜/照相机组合沿圆形轨迹22设置，所述的圆形轨迹22与示例的金属条16的圆形几何形状同心，以便对于所有的透镜/照相机组合，从每个透镜14到最近的金属表面的工作距离是相同的或近似相同的。注意，如果金属条是非圆形的例如六边形的，通常为了适用于同样的生产线，轨迹22也可以保持为圆形。如果需要，本领域的技术人员能够认识到也可将轨迹22设置为与实际的金属条的几何形状相一致。

为了尽可能地适应金属条16的高速运行速度，优选地使用高数据频率的照相机12。因此本系统中的照相机12优选采用具有到计算单元10的数字输出的数码照相机。为了使信号保真，要求上述数字输出格式适应恶劣的环境。数字格式的图像信号由计算单元10通过标准信道，诸如IEEE-1394(也被称为火线)、照相机连接线或USB端口，或者是被称为帧接收器的专用接口接收。每个照相机12优选地每秒能够产生10,000,000(或10兆)像素，从而能够识别出0.025mm×0.5mm的缺陷特征。然而，能够认识到为了检测更大的特征需要采用降低的分辨率，也即是降低的数据频率(每秒像素)。当金属条16的运行速度不高时，尽管可采用渐进的(逐行)区域扫描照相机，但优选地还是使用行扫描照相机。行扫描照相机与区域扫描照相机相比其优势在于行扫描照相机仅需行照明，而不需要区域照明。因此可简化由非平表面所引起的照明的复杂性。在使用行扫描的情况下，将图1中所有的照相机排列成它们的成像线将会在金属条16上形成周向环，也即图像带18。这种排列对于解决扭转和/或旋转(标号21)问题是必需的。如果不保持这种排列，所述的扭转或旋转运动可导致对金属条表面不完全的覆盖。

再回到图1，每个照相机具有透镜14，用于收集从金属条表面反射来的光线。尽管可使用常规透镜，但为了更加均匀的弧长分布优选地采用焦阑透镜(如图7所示，收集平行成像光线的透镜)。此外，也可将照相机12构造成包括透镜光阑以控制曝光，优选地照相机12还被构造成(如果包括)借助于预定透镜光阑装置以便在应用中获得改进的焦距/区域的深度。

继续参照图1，根据本发明的成像系统还包括线性光组件，其被构造成将光束带投射到金属条16的表面上。优选地，线性光组件包括多个线性光装置6。如图1所示，这些线性光装置6可以是单独的光源，诸如激光，或者是光传输设备，诸如光纤。如图1所示，光传输设备必须与至少一个光源共同工作。如果为了照明需要更高的光密度，可使用多个光源。对于高速运行的金属条16，由于行频/帧频非常高，也即是曝光时间相当短，使照相机可能出现光线不足。因此可为每个线性光装置采用光学增强器8以集中光线并提高光密度。该增强器8可以是柱面透镜或半柱面透镜。为了将根据本发明的成像系统应用在高温金属条16上，线性光装置和增强器必须由能忍受这种高温的特殊材料制成。例如，可将每个线性光装置6构造成具有自己的玻璃窗口以适合于上述目的。在光纤线性光装置的情况下，将光纤结合在一起的材料必须能够耐高温，诸如耐高温环氧树脂。增强器8也必须由耐高温材料制成。可使用的材料包括玻璃、耐热玻璃、晶体、蓝宝石等等。

图9是图1所示的优选实施例的俯视图。为了解决光线不足的问题，线性光装置和照相机之间的排列很重要。如图9所示，减缩过程后例如在除锈过程之前，可将金属条16的表面看作反射面。因此，公式(3)提出的光学定律适用：

公式(3)：“入射角度＝反射角度”

优选将公式(3)用在优选实施例中以使多个照相机12获取的反射光最大。每个线性光装置6发出光线40，所述的光线40通过增强器8增强并被投射在金属条16的表面上。光线40反射到轨迹42并由透镜14接收并最后由照相机12接收。注意在图9中，金属条16沿方向20运行。投射和反射光线40和42形成角度44，被金属条16表面的法线等分。如图4所示，由于上述与非平表面相关的照明问题，角度44必须尽可能的小。在图4中，光线18’和图像线18在非平表面上不会重叠。对于图9中角度44的理想状况是0°。因为这只能通过使用光束分离器才有可能，因此当由于诸如使用光束分离器产生的固有功率损耗而使系统光线不足时，上述手段更不实际。假设传输损失为0％，则光束分离器可达到的最高效率是25％。因此，角度44优选地为相当小，诸如1°或在此值附近。如果需要，也可以使用反光镜38协助来使照相机和光线之间形成小角度44。这也是在该应用中使用行扫描照相机的另一个原因。行扫描照相机仅需较小宽度的图像轨迹42，诸如5-30微米。在这一较小的图像轨迹特征下，角度44可保持得很小。

图10更详细地显示了图9中照明设置的一部分。如上所述，除非使用光束分离器，否则角度44不为0。因此，每个线性光装置6必须有相当大的宽度W(图10中标记41)。在图10中可以看到金属条16具有中心线46。线48表示金属条表面上60°标记，从金属条的左侧切线边缘开始向右侧增大，如图10所示。一个照相机必须能对上半部到该60°标记线48使金属条16成像。在三个照相机的实施例中，上述计算适用。如果使用更多的照相机，线48对于四照相机系统代表45°，对于五照相机系统代表36°，以此类推。如果对称设计，照相机也可对金属条16下半部分60°范围进行成像。为了获得这一覆盖范围，光线宽度W必须大于基于公式4的阈值：

公式(4)：W≥2·r·(1-cos60°)·sinα

其中r是金属条半径，α是入射角度(角度44的一半)。如果在本发明的成像系统中使用不同于3个的数量的照相机，则能够用另一个角度替代60°角度。在图11中进一步表示了这一思路，图像线42明显具有不同的弯曲形状，但仍然被光线40覆盖。换言之，图像获取组件(即在优选实施例中的多个照相机)可获取在金属条16表面的整个外周上具有第一预定宽度的图像带18。线性光组件(即在优选实施例中的多个线性光源)将光束带投射在具有第二预定宽度的金属条16的表面上。线性光组件相对于图像获取组件布置和排列，以便图像带可落在光束带的范围内。综上所述，非平表面的问题得以克服。

另外，必须将线性光装置设置成使得从金属条表面上一点反射到覆盖该点的照相机的光密度对于图像带18(图1)上所有点都是均匀的。图12中给出了更详细的显示。所有的照明必须遵循公式(3)所述的定律。图12表示对于一个照相机的这种布置。应该认识到这种布置也可复制到本发明成像系统中的其它照相机。根据公式(3)，由入射光线40和反射光线42形成的角度必须被平面法线50均分。如图12所示，照明装置52优选包括曲面。照明装置52是其发射的光线(与发射点上的曲面垂直)由金属条16的表面按照公式(3)反射到照相机12中的成像传感器和透镜14的装置。注意曲面52不必是圆曲面。该曲面52依赖于曲面52和金属条16(即检测目标)的表面之间的距离。如果金属条不是圆形的，则曲面52可以不是平滑曲面。尽管具有曲面52的照明装置可由现代技术制造，该照明装置也仅能被用于具有指定直径的金属条16。在有些应用中它是不实用的。如图12所示，一种可选方式是用一列光线6和8来模拟上述照明效果。每个光线/增强器的组合是可调节的，以便其方向可如标记54所示重新指向以适应不同直径的检测目标。这种光线方法在金属条16不是圆形的情况下也是有利的。

再回到图1，计算单元10与多个照相机12相连。将计算单元10构造成当金属条16沿纵向轴线在方向20(图1所示的箭头20)移动时可接收照相机12连续获取的多个图像带18的图像数据。帧接收器可用于接收图像信号。但是如上所述，本系统中的照相机12优选地为数码照相机。为了有足够的计算能力来处理图像数据，计算单元可以包括一个或多个计算机。为了更快的计算速度可采用图像处理硬件与软件结合使用。如果使用多个计算机，这些计算机可以通过计算机互联连接，诸如TCP/IP等连接在一起。

在任何情况下，计算单元10被构造成对图像数据进行处理以检测金属条16的表面的预定特征。在优选的实施例中，这些特征是表面缺陷。因此，将为了缺陷，诸如在图13A-13B的示例性方式中显示的这些缺陷对图像数据进行处理。这些图像通常既包括真实缺陷(即标记302)也包括噪声，诸如划痕(即标记304)。在计算机编码诸如C、C++、机器语言等，或在硬件逻辑中执行的图像处理算法用于过滤噪声，并检测如图中所示的标记306的真实缺陷。如图14A-14C所示，要识别的缺陷可以是长条形状并具有较大的纵横比，其中标记308可为1000mm长，标记310代表0.050mm宽。或者，如图15A-15C所示，缺陷是短小的并具有接近1∶1的纵横比。虽然这些算法是本领域公知的，但还要给出总体的描述。第一层处理包括比较图像中的局部反差，诸如将第一预定阈值与局部反差进行比较。第二层处理包括采用第二预定阈值来检测所述缺陷的特性，诸如尺寸、位置、长度和宽度等等。

与图1结合描述和表示的优选实施例也具有防止灰尘、水、振动以及典型的金属加工厂诸如热辊轧厂或冷拉制厂中的其它破坏因素的能力。

本领域的普通技术人员将认识到在减缩生产线上检测过程有进一步限制金属条和独立地使用三个或多个单一照相机系统的可能性。

本领域的普通技术人员也将认识到在减缩生产线上为了统计性的生产过程控制，覆盖(即检测)小于整个外周的金属条表面的一部分就足够了。

本领域的普通技术人员也能够理解到如果仅是每个区域扫描图像的某一部分用于处理，也可使用高速区域扫描照相机代替行扫描照相机。

也可理解到如果金属条处于高温状态，可使用滤光器与透镜的结合，以便仅反射光线(图12中)中的某些波长用于承载金属条的表面信息。这些波长不是在所述高温下的金属条发射或不是其主要发射的波长。对于低于1,650℃温度的金属条，可采用436纳米的波长。在这种情况下，436纳米的干扰滤光器与透镜结合使用。这一波长可随温度变化。如果温度降低，可采用更长的波长。

在又一变化中，将线性光组件构造成包括闪光灯，其中计算单元10使照明装置(即频闪)与通过图像获取组件(即优选实施例中照相机12)进行的图像采集功能同步。

在再一实施例中，将计算单元10构造成保持检测到的缺陷的运行记录，包括(i)每个检测到的缺陷相对于“初始”位置，诸如在金属条16上的前端的相应方位，所述的金属条16通过机械地减缩其横截面积的过程制成；(ii)检测到的缺陷特性的标注，诸如尺寸、形状、对比度；以及(iii)可选地，检测到的缺陷的位置及其周围的真实图像。该记录对供应商/制造商是有用的，诸如用于确定预先的折扣，该记录可提供给用户(即在磁盘或其它电子装置上)，用于进一步的加工过程，诸如金属条卷的哪一部分要避免或可以在其上进行后续加工。

Claims (34)

1.一种用于对沿纵向轴线延伸的细长条状物进行成像的系统，所述系统包括：

具有视场的图像获取组件，该图像获取组件视场被构造成对所述条状物的表面外周上的第一预定宽度进行成像，以限定图像带并产生与所述图像带对应的图像数据；

光线组件，其被构造成将具有第二预定宽度的光线带投射在所述条状物的表面上，所述光线组件相对于所述的图像获取组件布置，以便使所述的图像带位于所述光线带的范围内，所述的光线组件还被构造成使得光密度沿所述图像带是基本均匀的；以及

与所述的图像获取组件相连的计算单元，其被构造成当所述条状物沿所述纵向轴线移动时，能够接收由所述图像获取组件获取的多个图像带的图像数据，所述计算单元还被构造成用于处理所述图像数据以检测所述条状物的预定表面特征。

2.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述图像获取组件包括n个数码照相机，其中n是等于或大于3的整数，所述照相机被布置成其组合视场与所述图像带相对应。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述照相机包括行扫描照相机。

4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述照相机包括区域扫描照相机。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像获取组件与所述计算单元之间的所述连接包括数字格式的帧接收器、IEEE-1394信道、USB端口以及照相机连接端口中的至少一个。

6.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述图像获取组件还包括介于所述照相机与所述条状物之间的滤光器，所述滤光器被构造成选择性地允许预定波长达到所述照相机，以便当所述条状物处于或高于预定温度时所述条状物的所述特征不是模糊的，在该预定温度下所述条状物自己发出特征电磁辐射(EMR)光谱。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光线组件包括多个线性光源。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光线组件包括照明装置，该照明装置包括光纤，光纤布置成传输从一个或多个光源产生的光。

9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述线性光源包括激光器，激光器具有与其相连的线性光产生光学器件。

10.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述光线组件还包括与所述线性光源一起使用的多个光学增强器，其用于增大照明光密度。

11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述检测到的特征包括表面缺陷。

12.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述计算单元被构造成保持所述检测到的缺陷的记录，包括每个检测到的缺陷相对于所述条状物开始位置的相应位置。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述记录还包括有关每个检测到的缺陷特性的相应标注，诸如尺寸、形状或对比度。

14.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述条状物由通过机械地减缩所述条状物的横截面的工艺制造的金属形成。

15.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述计算单元包括多个计算机。

16.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述计算单元包括以下至少一个：(i)嵌入有计算程序或计算指令的第一硬件单元，诸如ASIC和/或FPGA；(ii)执行软件编码的第二硬件单元，诸如CPU和/或DSP；以及(iii)所述第一和第二硬件单元的组合。

17.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述计算单元被构造成能够将表面缺陷与表面噪声区分开。

18.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述金属条具有与之相关的横截面面积，当横截面面积对于选自圆形、椭圆形和多边形的形状是均匀的时，所述金属条的所述周长与所述横截面面积的比小于或等于4.25。

19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述金属条处于高达1,650℃的高温。

20.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述金属条由选自钢、不锈钢、铝、钛、镍、铜、青铜或任何其它金属，和/或它们的合金中的一种制成。

21.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述金属条是中空的。

22.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述制造工艺包括辊轧工艺。

23.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述制造工艺包括拉制工艺。

24.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述制造工艺包括挤压工艺。

25.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述图像获取组件包括n个数码照相机，其中n是等于或大于1的整数，所述照相机被布置成其组合视场与所述图像带相对应，其中所述图像数据适用于统计性生产过程控制(SPC)目的。

26.如权利要求6所述的系统，其特征在于，当所述条状物的温度处于或低于1,650℃时，所述波长包括436纳米的波长。

27.如权利要求8所述的系统，其特征在于，包括耐高温的材料，诸如高温环氧树脂和玻璃纤维。

28.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述的光增强器包括玻璃、耐热玻璃、或蓝宝石柱形和/或半柱形透镜。

29.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述光线组件包括多个线性光源，每个线性光源以相对于条状物的表面法线成第一预定角度投射，所述光束照射到金属条表面上，并且所述照相机的相应主轴以相对于所述法线成第二预定角度布置，所述第一和第二预定角度相等。

30.如权利要求29所述的系统，其特征在于，所述第一和第二预定角度大约为1度。

31.一种用于对沿纵向轴线延伸的细长条状物成像的系统，所述系统包括：

包括n个数码照相机的图像获取组件，其中n是等于或大于3的整数，所述照相机具有组合视场，用于相对于所述纵向轴线对所述条状物的表面的外周上的第一预定宽度成像以限定图像带，所述图像获取组件还被构造成产生与所述图像带对应的图像数据；

光线组件，其被构造成将相对于所述纵向轴线具有第二预定宽度的光线带投射到所述条状物的表面上，所述光线组件相对于所述图像获取组件布置以便使所述图像带位于所述光线带内，所述光线组件还被构造成以便光密度沿所述图像带是基本均匀的；以及

与所述图像获取组件相连的计算单元，计算单元被构造成当所述条状物沿所述纵向轴线移动时，能够接收由所述图像获取组件获取的多个图像带的图像数据，所述计算单元还被构造成处理所述图像数据以检测所述条状物的预定表面特征，所述检测到的特征包括表面缺陷，所述计算单元还被构造成保持所述检测到的缺陷记录，包括(i)每个检测到的缺陷相对于所述条状物的开始位置的相应位置；以及(ii)有关每个检测到的缺陷特性的相应标注，诸如尺寸、形状或对比度。

32.一种对沿纵向轴线延伸的金属条成像的方法，所述方法包括以下步骤：

(A)将具有第一预定宽度的光线带投射到金属条上；

(B)采集位于所述光线带内的具有第二预定宽度的图像带；

(C)沿纵向轴线移动所述金属条；

(D)重复步骤(A)和(B)以获得金属条表面区域的图像；

(E)根据预定标准分析图像以获取特征。

33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述投射步骤包括以下子步骤：

在光线带投射点上限定金属条表面的法线；

相对于所述法线确定角度；以及

以相对于所述法线确定的角度投射光束，从而限定所述光线带。

34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述图像带采集步骤包括以下子步骤：

设置图像获取组件以便图像获取的主轴等于所述预定角度。

Images