TWI302855B

TWI302855B - An apparatus and method for detecting surface defects on a workpiece such as a rolled/drawn bar

Info

Publication number: TWI302855B
Application number: TW095128303A
Authority: TW
Inventors: Tzyy-Shuh Chang; Daniel Gutchess; Hsun-Hau Huang
Original assignee: Og Technologies Inc
Priority date: 2005-08-02
Filing date: 2006-08-02
Publication date: 2008-11-11
Also published as: CA2617158C; CA2617158A1; EP1913520B1; CN101258510B; RU2376586C2; PL1913520T3; TW200732057A; US20060002605A1; ZA200800948B; JP4875704B2; US7324681B2; RU2008104563A; KR20080040756A; WO2007016544A2; EP1913520A4; UA94236C2; WO2007016544A3; EP1913520A2; CN101258510A; AU2006275457A1

Description

1302855 九、發明說明：【發明所屬之技術領域】本發明大體而言係關於一種可使諸如經軋/拉製金屬桿之工件的表面細節成像之成像系統。【先前技術】已知藉由諸如軋製或拉製之機械方法製造金屬桿。該金屬桿與金屬板、塊或條（下文稱為扁平金屬）之不同之處在於該桿之橫截面具有較小之周長/橫截面積比以使得該桿當縱向向前移動時可繞-縱向軸旋轉/扭轉。舉例而言，當橫截面積對於給定形狀而言為一單位時，圖2所展之桿形狀的周長與橫截面積之比等於或小於4 25。當取橫截面夺忒金屬才干之形狀可為圓形（項1〇2)、橢圓形（項⑽）或多邊形，如圖2中所示之六邊形（項106)、八邊形（項108)或方开/(項110) Jt外’該金屬桿具有較大長度。長度與周長之比一般大於10且長度與橫截面關鍵尺寸（諸如圓桿之直二？：才干之邊寬)大於30。此類型之金屬桿在相關工業中身又稱為，長產品"而非"层。" 、局十產°口。如本揭示案中所用及後文稱為減縮製程之軋萝、 "拉I、擠出專描述經由將諸如滚二：拉棋之適用工具與工件機械接觸而減縮該金屬工件大體上連續。 ”上，此等減縮製程一般連續或在金屬製造工業中，六製造金屬產品進行呼估H 表面缺陷為據以對所為鋼棒/線工業中半數外t相關標準。舉例而言’表面缺陷賓中+數外部不合格品（意即由消費者拒絕）之 113378.doc 1302855 原因。然而，習知技術未提供可靠方法以偵測該等缺陷。存在習知檢測方法已不能克服之若干挑戰。首先，在當金屬桿產品”熱”時進行檢測之狀況下，溫度可高達l，100°c，從而阻止使用多種檢測技術。第二，如上 ^ 文所述该金屬桿沿其縱向軸之行進速度目前可高達100 ^ m/s，較最快金屬薄板之速度高若干倍且較金屬板或塊高近100L。此外，預期在不久的將來速度增加在15〇至 φ 2〇〇m/s範圍内。習知檢測方法完全不能適應該等高行進速度。第二，諸如上文所述之高溫金屬桿一般經限制於一可組合管道中，以使得該桿將不能堆鋼（c〇bMe)。堆鋼為其中熱、高速金屬桿無阻地行至該管道外之事件。因此，任何檢測器件之空間極其受限。最後，該金屬桿之長度連同其縱向運動之事實使得桿難以處理且成本高。儘管已知將各種成像方法應用於經鑄造或軋製扁平金屬之在線（in line)檢測中，但可見光成像技術迄今為止尚未 • 用於在線長產品（意即較長金屬桿）之檢測中。由於該等金屬桿之幾何形狀使得用於增強/截取平面表面上之缺陷之 • 照明及成像設計無效，因此咸信習知成像系統不能用於檢；測金屬桿及其類似物。圖4說明扁平工件上施加照明及截省取〜像（忍即，影像線3 18會聚於平面3 16上之照明線上）對 Q形工件之差異。關於非扁平工件，當目標物件不具有平面表面時，光學對準及光學工作範圍中之自由度消失。舉例而言，如圖4中以例示性方式所展示，若燈或相機傾斜，則影像線18與照明線18，可不重疊。一種先前技術方法 113378.doc 1302855 採用使用面相機以檢測桿表面。然而，其需要桿在成像期間固定。另一種先前技術方法採用使用行掃描相機，但歸因於其平面照明設計，其仍需桿旋轉以用於掃描。為應對向縱向行進速度，另-先前技術中使用感光二極體代替成 • 冑感應11。感光二M之使用使_能力限制為桿表面上 " <短、橫向缺陷。此方法不能摘測長、細小缺陷，諸如鋼棒上之裂縫。 # 為避免照明問題’有報導使用紅外(IR)成像器件。在此方法中，IR相機用於截取來自長產品之自身輕射光。此方法限於僅基於表面溫度偵測表面缺陷。已知歸因於空腔原理，即使熱物件之表面空隙與其相鄰者處於相同溫度下’，、但此等空隙似乎較其相鄰者更熱。由於帅射之聚焦解析度限制，此方法進一步受限於其债測能力。熟習此項技術者已知光學聚焦解析度與輻射波長成反比。m相機-般較可見光相機責近10倍且IR相機因感應器特性而受限於其成 ’料度。因此’此方法將不能適應當今長產品之速度。溫度亦使得長產品不同於其扁平對應物。金屬桿一般處 •⑥較扁平金屬更高之溫度下。物件之熱耗散與暴露於諸如 ,肖圍空氣或水噴霧之冷卻介質中之面積成比例。假定扁平 ’ I屬^金屬桿均由相同材料製成且均具有相同縱向單位密二及橫截面積’則扁平金屬之面積較金屬桿之面積大數 ',、、，[知在減縮製程中採用基於成像之器具以用於桿規心里測/控制（陰影量測）、桿存在及桿行進速度量測。 H3378.doc 1302855 亦已知在長產品評估中採用諸如基於渦流探傷之電磁器件。基於屑流之感應系統在減縮製程中用於價測表面缺陷而用於在線檢測。此方法具有高響應速率，能夠在高產量生產線環境（例如每分鐘丨千米熱鋼桿）中進行。然而，此方法具有若干缺點。首先，其感應器必須非常接近熱表面 (一般小於2·5 mm)。因此，其對振動和溫度敏感。此外，其並非定量方法，在該意義上其不能描述所偵測缺陷之性質。最後，渦流法不能偵測某些類型之缺陷。因此，來自渦流器件之檢測結果無法經金屬工業使用以供對特定產品之品質作確定性判斷。渦流探傷設備之輸出僅在減縮製程中用於定性分析，諸如"此批次鋼桿大體上較上週所製造之批更差π。此項技術中嘗試之另一種方法採用超音波感應。此為一種以超音波感應器替代渦流感應器之方法。然而，與渦流探傷設備相關聯的多種限制，諸如短工作距離等，同等存在。此項技術中所用之其他檢測技術包括磁性滲透、環流及以感應加熱紅外成像。然而，此等技術之使用受限。首先，此等技術僅可用於，，冷，，金屬桿上。亦即，此等技術不可用於在熱軋應用期間或其後不久即用於在線檢測。又，金屬桿在檢測之前必須除垢。此外，使用磁性滲透棘手且麻煩。此方法一般依賴於人類以紫外線照明觀察，而非自動成像及偵測。環流器件為經設計具有旋轉偵測頭之潤流探傷設備。該旋轉機制以高行進速度使此器件在金屬桿偵 113378.doc 1302855 測中之應用受限，-般在約3 m/s下使用。歸因於移動感應頭設計，該裝置亦昂貴。感應加熱與紅外成像之組合係基於以下事實··感應電流僅形成於金屬桿之表面上且金屬桿上之表面缺陷將導致更高電阻。因此，具有表面缺陷之點 ·/ 將較其他區域更快變熱。存在與此方法相關聯之問題，其 / 為（a)該較快變熱為瞬間作用且因此時間選擇（拍攝影像之時間）非常關鍵；及（b)紅外感應器不可用於極高資料速率 _ 且因此無法支持具有高行進速率之金屬桿。 §然，可能在製造金屬桿之後進行檢測。然而，由於產品如此長且經捲繞使得桿表面不易於冷檢測技術接取，因此製造後檢測通常不可行。當前’以減縮製程製造之金屬桿的實時檢測極其受限。即使習知在線渦流檢測系統發出缺陷信號，金屬桿一般仍自製造商載運至消費者。由於金屬桿產品上之表面缺陷並非即刻呈現給消費者，因此消費者控訴可出現於3至6個月 • 後。該等控訴使得金屬桿供應商（意即製造商）遭受損失。該等金屬桿供應商將退還消費者整圈/批次之款額或共同 • 支付檢測由金屬桿圈/批次製成之零件的額外勞務費。 • 因此需要使上文所闡明之問題的一或多種減至最少或消、除之裝置及方法。【發明内容】本發明之一目標在於克服與適用於在線或離線（〇ff_line) 偵測經軋/拉製金屬桿上之表面缺陷之以成像為基礎之裝置的習知方法相關聯的上述問題之一或多種。 113378.doc -10· 1302855 本發明係關於經由使用一成像系統解決一或多種與習知金屬桿檢測系統相關聯之問題以及與將金屬平面檢測系統應用於金屬桿用以非破壞性撿測金屬桿上之表面缺陷相關聯之問題。 • 本發明之一優點在於其可有效地在具有前述特徵之金屬才干的製造中使用’即在可處於製造溫度下，甚至可能足夠熱以產生自發輻射之彼等金屬桿之製造中使用，以及在經 • 受相對於縱向軸之旋轉且可潛在地以極高之速度行進之彼等金屬桿的製造中使用。本發明之其他優點包括⑴有效用於使非平面表面上之缺陷成像且對其進行伯測；⑼用於私則金屬扣，而不官其溫度；（Hi)用於檢測以❹或更快之速度行進之金屬桿；（iv)提供增加之距金屬桿表面之工作距離’因此使先前技術中所闞明之以渦流為基礎之器具的問題減至最少或消除；（v)提供包含具有可驗證缺陷位點影像之定量資料之輸出；（vi)甚至在工件之表面上形成 # ㈣之前檢測該工件，·⑽適用於在減縮製程之任何階段 (在減縮台（reducing stand)之間或生產線末端）進行檢測， ,^瞬間作用影響或依賴於瞬間作用；（viii)提供實時或近時表面M質資訊；（ix)提供無任何移動感應頭之系統， 1 I此使先前技術中所闡明之移動配件之問題減至最少或消齡僅需極小P0_、於5G mm)能夠在金屬桿導向刀之間運作的系統；及（xi)無需額外桿處理機制/裝二而’裝置及/或方法不需具有前述優點之全部或甚夕數本發明僅受所附申請專利範圍限制。 113378.doc 1302855 提供一種用於使沿縱向軸展延之伸長桿成像之系統。該系統包括一影像擷取組件、一線型燈組件及一計算單元。該影像擷取組件具有一經組態以使第一預定寬度在桿表面之圓周上成像以界定影像帶之視野。該影像擷取組件進一步經組態以產生對應於所擷取影像帶之影像資料。該線型燈組件經組態以將一具有第二預定寬度之光線帶才又；5V至彳干表面上。该線型燈組件經（例如）相對於影像操取組件對準而安置以使得該影像帶在光線帶範圍内。該線型燈組件進一步經組態以使得當光經每一影像擷取感應器收集時沿該影像帶之光強度大體上均一。為達成封裝目的，該線型燈組件可包括諸如鏡之反射元件之總成以獲得所設計之投影角。為適用起見，該反射元件之總成經設計以可拆卸。最後’該計算單元與該影像擷取組件耦接且經組態以接收當桿沿縱向軸移動時經該影像擷取組件所擷取之複數個〜像帶之影像資料。該計算單元進一步經組態以處理該影像 > 料以偵測桿之預定表面特徵。在一較佳實施例中，該 4 4貞測特徵為表面缺陷且該影像擷取組件包括η個經配置以使得相機之組合視野對應於影像帶之數位相機，其中η 為整數3或更大。亦提供一種使金屬桿成像之方法。【實施方式】本發明允許當金屬桿經軋製、拉製及其類似方法製造 (意即’本發明之先前技術中所述之減縮製程）時，自動檢 113378.doc -12·

1 4·能夠偵測關鍵尺寸小 5.能夠報告諸如尺寸、之缺陷性質； 1302855 測金屬桓夕主in 一立表面缺陷而無需對該等桿進行額外處理。不思性說明根據本發明之一較佳實施例。 ” 在、、。口諸圖進行詳細描述本發明之前，冑闡明一般性概迷。本發明提供以下特徵：夠用於經由減縮製程以不同橫截面幾何形狀製造之金屬桿； 2·能夠在線用於處於高達！，㈣。c之桿溫度下之金屬桿 3.能夠用於以10〇m/s或更高速度行進之金屬桿；干至0.025 mm之表面缺陷；位置（桿上）、影像及其類似性質 6·能夠經最小調整適應5咖至⑽匪（僅舉例而言）之不同尺寸之桿； ° 7·能夠提供即時或幾近即時檢測結果； 8·能夠以目標物件之小接取窗（小於5〇瓜叫工作； 9·檢測時無移動部分； 10 ·對桿不進行額外處理；及 11.在商用、重工業金屬生產研磨機中連續運作。圖1為根據本發明之系統之簡化示意及方塊圖。圖丨展示可包括至少-光源2、-《管道4、i數個線賴6及相應複數個光學增強器8之線型型組件。圖丨另外展示一計算單元10及一可包括複數個各自具有一相應透鏡14之相機12之影像擷取組件。繼續參看圖1，其展示處於檢測下之工件或物件，諸如 113378.doc -13- 1302855 /〇縱向軸展延之伸長金屬桿16，當桿16經受減縮製程時其沿縱向方向20以高達100m/s或更高之速度移動。金屬桿“ 可自選自包含下列各物之群之—者形成：鋼 '不錄鋼、鋁、鈦、鎳、銅、青銅或任何其他金屬及/或其合金。桿 16可為實心或中^該金屬桿16-般在-管道内行進，如圖1中未展示之圖5中管道24更詳細展示。圖5中所展示之 f«26界定於兩相鄰管道24之間，且—般極小，例如在金 • 屬桿16高速通過之軸向方向上介於約20至50 mm之間。應瞭解對於熱軋製程，金屬桿16可處於例如熱至^啊之高酿下。亦應瞭解當金屬桿16在方向2〇上行進時，考慮到其幾何形狀，其傾向於在由圖i中箭頭21所指示之方向上不可控地繞其縱向軸扭轉/旋轉。在其他項中，此不可控旋轉之可月匕f生對習知成像系統造成問題。如下文將更詳細描述，本發明克服此問題以提供一對扭轉及/或旋轉穩固之成像系統。籲為舶li桿16上之表面缺陷’須提供具有如下文所述之某些特徵的根據本發明之成像系統。繼續參看圖i，該成像系統包括一較佳包含η個成像相機12(其中η為整數3或更大）：之影像操：組件。基於下文所閣明之分析，參數η選定為3 1 或更大每相機12經配置以便覆蓋至少120。之圓周範圍以使才干16之整個表面成像。亦即，該影像操取組件具有經組態以使桿16之表面之整個圓周成像以界定-影像帶18的複合或組合視野。如下文進一步描述，該影像擁取組件進 ν、呈、以基於該影像帶i 8產生影像資料。現將闊明對 113378.doc -14- 1302855 相機數目之參數η所作之分析。如圖6中所展示，一與相機12相關聯之標準透鏡14將具有一由兩條自透鏡14之焦點展延至桿16之表面的切線視線 28所形成之視角（視野）。當此視角投影至一諸如圖6中所展示之非平表面上時，其將產生一小於18〇。之圓周覆蓋3〇且僅以兩個透鏡/相機單元（其中透鏡為非焦闌透鏡）將不足以覆蓋360°。圖7展示具有一焦闌透鏡14，之配置。即使使用收集平行視線之真實焦闌透鏡，但由於弧長變化，其實際上並不提供兩-透鏡/相機系統。詳言之，在為透鏡14增加焦闌透鏡 14的情況下，視線28平行。在該種狀況下，圓周覆蓋％為 360°。理論上而言，僅使用兩個透鏡/相機單元可覆蓋圓形才干16之整個表面。然而，如上文所暗示，產生非均一像素尺寸之問題。如圖8中所說明，如得自具有複數個像素之均勻間隔之成像感應器32的均勻間隔之視線34可在桿16之表面上產生像素對像素不均勻弧長36。均勻間隔為在諸如CCD晶片之成像感應态上之極其典型配置。弧長3 6可使用如下方程式 (1)計算： EQN(l) ： S = p/〇〇s(0) 其中s為映射至位置y上之像素的弧長36，p為像素陣列之間距或像素尺寸，且Θ為可得自以下方程式之投影角： EQN(2) ·1 = _ίη〇;/Γ)，其中少☆，且4金屬桿16之半徑。自圖8可認識到當時，θ~>9〇。。基於EQN(l)，當 H3378.doc -15· 1302855 時S即弧長36將接近無限大。事實上，8仍將為一有限數字。然而，S將大體上大於像素尺寸？(若干倍）。亦 &域中之衫像解析度將劣化以使得此方法不可行。 . 睛注意相同弧長分析可應用於圖8中之下半部分，在此情；況下少月使用三個相機，β可確定為60。。當扣60。時，s即弧長刊（圖8中12點及6點位置處）僅為2p，即影像解析度中可接 • 爻且可控之劣化。若需較佳影像解析度，則可使用四個相機或五個相機或甚至更多相機（意即，±文所提及之參數n 可為等於4、5或更大之整數）。如圖！中所說明之所有透鏡 14/相機丨2組合較佳經配置以使得所有該等透鏡/相機組合 $沿與例示性金屬桿16之圓形幾何形狀同心之圓形軌跡22 定位，從而使得對於所有透鏡/相機組合，工作距離、即自每一透鏡14至最近金屬表面之距離相同或幾乎相同。請注意為達成大體上適用於相同製造線之目的，若金屬桿為釀#圓形即六邊形，則軌跡22可保持圓形。熟f此項技術者可瞭解若需要，軌跡22可經製成與實際桿幾何形狀一致之 . 形狀。 .* 為適應金屬桿16之潛在極高之行進速度，較佳使用高資 ’ 料速率相機12。因此該系統中之相機12較佳為具有至計算單元U)之數位輸出之數位相機。此數位輸出格式為適應信號保真度之苛刻環境所需。此數位格式影像信號可由計算單元10經由諸如！EEE-1394(亦稱為FireWire) '相機鏈路= USB埠或稱為框接收器之特定介面之標準通信通道接收。 113378.doc -16 - 1302855 每一相機^每秒較佳能夠產生至少1〇,〇〇〇,〇〇〇(或10兆）個像素以使知可識別G G25 mmxG 5麵之缺陷特徵。然而，應瞭解為偵測較大特徵，將需要降低之解析度且因此需要降低之貝料速率（像素/秒）。即使當桿I6並未快速行進時可 . j吏用漸進式(非隔行式)面掃描相機，行掃描相機仍為較彳圭。行掃描相機優於面掃描相機之優點在於行掃描相機僅要東…、明行，而非一照明區域。此將簡化由非平面表面 Φ 所致之照明複雜性。在使用行掃描之狀況下，圖丨中之所有相機將經對準以使得其成像線將在桿16上形成圓周環即〜像帶1 8。此對準為解決扭轉及/或旋轉（項2丨）問題所必需。若未保持此對準，則扭轉或旋轉運動可導致桿表面之不完全覆蓋。再次返回參看圖1，每一相機將具有一透鏡14以收集自桿表面反射之光。即使可使用標準透鏡，但對於更均一弧長分佈而言，焦闌透鏡（如圖7所說明，收集平行影像光線 • 之透鏡）為較佳。此外，相機12可經組態以包括一透鏡光圈以控制曝光，且另外，其較佳經使用預定透鏡光圈（若包括）而組態，該預定透鏡光圈為應用中經改良之聚焦/視 • 野程度而設定。，繼續參看圖1，根據本發明之成像系統亦包括一經組態以將一光線帶投影至金屬桿16之表面上之線型燈組件。該線型燈組件較佳包括複數個線型燈6。如圖1中所展示，此等線型燈6可為諸如雷射之個別光源，或諸如光纖燈之光傳送器件。如圖1中所展示，該等光傳送器件須與至少一 113378.doc -17- 1302855 光源一起工作。若照明需較高光密度，則可使用一個以上光源。對於以極高速度行進之金屬桿16，由於極高之線/ 幀速率等同於相對短之曝光時間，因此相機可為乏光的。因此一光學增強器8可用於每一線型燈以集中光且增加光強度。此增強器8可為圓柱形透鏡或半圓柱形透鏡。為將根據本發明之成像系統用於處於高溫下之金屬桿16，該等線型燈及增強器須由經組態以耐受該等高溫之特殊材料製成。舉例而言，每一線型燈6可經組態以具有其自身玻璃窗以用於此目的。在光纖線型燈之狀況下，將光纖結合在一起之材料須能夠耐高溫，諸如高溫環氧樹脂。增強器8 亦須由可耐高溫之材料製成。可用材料包括玻璃、耐熱玻璃、水晶、藍寶石及其類似物。圖9為圖1中所展示之較佳實施例之俯視圖。為應對光缺乏，線型燈與相機之間的對準係重要的。如圖9中所說明，在減縮製程之後，在例如除垢製程之前，金屬桿丨6之表面可經處理為反射性表面。因此，方程式（3)中所闡明之光學定律應用： EQN(3) : π入射角=反射角’’ EQN(3)車乂佳用於一較佳實施例中以使由複數個相機12所截取之反射光最大。線型燈6將各自發出經增強器8增強且投影至金屬桿16表面上之光線4〇。光線4〇經反射成軌跡42 且由透鏡14接收且最終由相機12接收。請注意在圖9中，金屬桿16在方向20上行進。經投影及反射之光線4〇及42形成一經金屬桿16之表面之法線均等分開的角44。由於如圖 113378.doc -18- 1302855 4中所說明，上文所述鱼一非千面表面相關聯之照明問題，因此此角44必須盡可能小。 .1〇f , 圓4中，在一非平面表面上光線18與影像線18將重羼。更且理想狀況為圖9中角44為0。。由於此僅藉由使用一光蚩公尤束刀先态才可能，因此當系統因藉由（例如m用-光束分光器所致之固有功率損失而缺乏光時如此操作較不可行。假定傳輪損失為〇%，則光束分光器可達収最高功效為25%n㈣較佳經選擇以適度J諸如1或在其附近。若必要’可使用-反射鏡38 =於將相機與光封裝成—小角44。此為在此應用中使用行掃描相機之另—原因^行掃描相機僅需要諸如$至別微米之小寬度影像軌跡42。角44可以此小影像軌跡特徵保持非常小。圖10更詳細展示圖9之照明設置之一部分。如上文所提及，除非使用一光束分光器，否則角44將不為〇度。因此，每一線型燈6必須具有較大寬度w(圖1〇中之項41)。圖 10中可見金屬桿16具有一中心線46。線48指示在桿表面上如圖10中所展示自桿之左側切線邊界起始且向右侧增加之 60。標記。一相機須能夠使金屬桿16之上半部分成像為此 60°標記線48。在三個相機實施例中，應用上述計算。若使用更多相機，則對於四個相機系統而言，線48可表示 45° ’對於五相機系統，表示36。等。若經對稱性設計，則相機亦可使金屬桿16之下半部分成像為6〇。。為實現此覆蓋’光線寬度W須大於基於以下方程式之臨限值： EQN(4) ' -(l-coseO^-sina 113378.doc -19- 1302855 、其中Γ為桿半徑且α為入射角（角44之-半）。若本發明之成像系統中使用不同於3之數目之相機，貝彳6〇。可由另一角代替。此觀點在圖11中進一步說明，其中影像線42經明顯 .· +同地彎曲，但仍經光線40覆蓋。換言之，影像掏取組件、（例如較佳實施例中之複數個相機）截取具有在桿16之表面 ' 的整個圓周上之第-預定寬度的影像帶18。線型燈組件 (例如較佳實施例中之複數個線光源）將具有第二預定寬度 % 之光線帶投影至桿16表面上。該線型燈組件相對於該影像擷取組件安置且對準以使得影像帶在光線帶之範圍内。經由剷述’非平面表面之問題得以克服。此外，此等線型燈須經定位以使得對於影像帶18(圖1}上之所有點而言，如自桿表面上之一點反射至覆蓋彼點之相機之光強均一。圖12中展示更詳細說明。所有照明均必須遵循EQN(3)中所述之定律。圖12說明一相機之此配置。應瞭解對於在本發明之成像系統中所用之其他相機，該配置藝可經複製。基於EQN(3)，由入射光線40與反射光線42所形成之角須經表面法線5 0均等分開。如圖12中，照明器$ 2較 , 佳包括一曲表面。照明器52為其發射光線（在發射點處垂 • 直於此曲表面）將基於EQN(3)由桿16之表面反射至相機12 ★ 中之成像感應器及透鏡14之器件。請注意曲線52無需為圓形曲線。此曲線5 2視曲線5 2與桿16之表面（意即目標）之間的距離而定。若桿不為圓形，則曲線52可不為平滑曲線。即使具有曲線52之照明器可以現代技術製造，但該照明器僅可用於指定直徑之桿16。在一些應用中，此並不可行。 113378.doc -20- 1302855 ^代為如圖12中所展示以線型燈6及8之陣列模擬該照明線型燈/增強器之每—組合可製成可調式以使得其 •向可如項54所展示重新定向以適應具有不同直徑之目、 &線型燈方法亦有益於桿16不為圓形之狀況。圖13A為根據本發明之系統之另一實施例的簡化示意及方塊圖。此實施例提供極容易使用之盒，其含有經封裝於相對小空間（例如20至50 mm)中以便可在小接取間隙 26(圖5中最佳展示)中、在含有工件/移動桿16且工件，移動桿16在方向20上縱向移動穿過管道24或其類似物的條件下運作之反射元件。圖13A展示線型燈組件6、光學增強器 8、相機12、透鏡14、用於入射/照明光線4〇之反射鏡38、用於表示桿表面之影像之反射（影像）光線42的第二反射鏡 38’及諸如管43之保護器件，管43具有第一部分43a及沿軸 A與弟一部分43a間隔開且偏移以界定接取空間之第一部分43b器件。保護部分43a、43b經組態以保護相對易損壞之成像及照明組件不受源自可處於高溫下（如上文所述）之移動桿16之熱、衝擊（例如接觸）及其他污染（例如顆粒）的損害。零件43a及43b可為圓周型。縫隙43c之尺寸及形狀可經組態以允許照明光線40及反射（影像）光線42進入/ 退出。保護管43可由適於將熱鋼桿16與本發明之系統的其餘部分隔離之金屬或其他耐用材料形成。圖13A進一步展示使用真空吸塵裝置之污染降低機制，其經組態以減少可存在於鄰近或接近保護管43之接取空間 43c之空間内的諸如細粉級粉末或微小水霧之空氣、相對 113378.doc -21- 1302855 小尺寸污染物62(意即，之污染物）之存在。此污自保護管内部之移動金屬桿散發出

Μ跡上之空氣污染物，A 妲宜取你i t W d I

空泵72之真空源。真空末端執行器64較佳為如圖中所展示之環形且繞一環軸形成且具有一限定保護管43之接取空間43c内及周圍空間的真空吸入口 7〇。如所安裝，末端執行器64之環軸與金屬杯移動所沿之縱向軸大體上一致。末端執行器64為薄壁結構且為大體上閉合之幾何形狀，該幾何形狀之複數個鄰近外薄壁側界定一内部真空腔室68。在較佳實施例中，環狀真空末端執行器64之特徵在於徑向橫截面為矩形（圖13E 中最佳展示）。然而，應瞭解真空末端執行器64可採用各種形狀’例如一對以協同運作方式配置以提供環繞接取空間43c之周邊之真空覆蓋的半環。此外，真空末端執行器 64可採用環繞接取空間43c周邊配置之複數個直桿之形式°在本發明之精神及範疇内之其他變化係可能的。 113378.doc -22- 1302855 真空源（泵72)經由管道66’、真空腔室68，且最終經由吸入口 7 0運作以為鄰近接取空間4 3 c之包括任何小空氣污染物62之空間施加真空（且因此大體上將其排空）。圖13B為展示經組態於一抽取式盒152中之複數個反射鏡 38(照明導向）之圖示性前透視圖。圖丨3B展示八個由相應數目之鏡座138支撐之反射鏡38。盒152為抽取式且展示為處於安裝位置中（圖13B)及幾乎完全抽取位置中（圖13C中最佳展示）。盒152經展示安置於一諸如板15〇之固持器上。板150可經由一基板154與本發明的成像系統之其他元件相連。在說明性實施例中，板150經組態包括一環繞板150之内周邊之滑動凹槽156。盒152包括在尺寸及形狀上經組態以與凹槽156配對之複數個配合突出部158(四個展示為直徑式相對成對排列）。尺寸公差為使得當盒15 2處於安裝位置時’盒152、尤其其鏡38將與配件14/12及配件6/8完全對準。應瞭解盒152包括被動配件，即照明導向鏡38及影像反射鏡38’（圖13E及13F中最佳展示），且因此其不需要任何經由電纜、電力線或其類似物與盒152之其他外部元件（包 a本發明之照明及成像系統）連接。由於無該等連接，盒 152可相對易於抽離用以清潔且重新安裝，因此此提供優點。孤152可經由使用諸如具有合適配對特徵以亦在凹槽中α動且保持其中之簡單扣合部件丨53(圖丨3B中以假想線展不）（例如扣件）之合適鎖定及保留機制而維持於安裝位置 113378.doc -23- 1302855 中（意即對準）。普通熟習此項技術者將瞭解存在大範圍替代性合適鎖定及保留機制。在圖13B之實施例中，使用四個相機12。圖13B進一步以透視圖展示污染物降低機制之環實施 * · 例。 ·· 圖13C為處於抽離位置中之盒152之簡化圖示。盒152可易於藉由以下步驟抽離：首先克服/禁用可處於使用中之 φ 任何鎖定及保留機制153，及在箭頭160方向上抽離該盒用於（例如）維護（例如清潔、修理、重新對準）。盒丨52可易於藉由逆轉上述程序而重新安置/安裝。圖13D為展示管狀保護器件43a及43b之圖13B之實施例的圖示性前透視圖。圖13D亦展示處於安裝鎖定位置中之鎖疋及保留機制15 3。在如所展示之安裝位置中，照明導向鏡38及影像導向鏡381分別與線型燈組件（光源6及增強器 8)及透鏡14/相機12對準。 • 圖13D進一步展示如經由中部取徑向橫截面（為清楚起見省略半環）之真空末‘執行器64。如展示，末端執行器64 包括界定内部真空腔室68之複數個薄壁側。亦展示吸入口 - 70，其可藉由移除徑向向内朝向角以展現吸入口几而形 - 成。圖13E為盒152處於安裝位置之圖13B之實施例的圖示性側視圖。圖13E展示與透鏡14及相機對準之影像導向鏡 38’。圖13E亦展示界定於保護管部分43&與4313之間的相機檢視間隙43c。 113378.doc •24· 1302855 圖13E進一步展示圖13D之橫截面真空末端執行器“之側視圖。圖13E展示内部真空腔室68及真空吸入口 7〇之側視平面圖。入口 7〇大體上徑向向内朝向以及限定接取空間 4 3 c之周邊。真空末端執行器64可使用習知建構技術及材料（例如，金屬或其他耐用材料）形成。真空連接器66及管道66,亦可包含普通熟習此項技術者已知之習知建構技術及材料。此外’真空栗72亦可包含普通熟習此項技術者已知之習知裝置舉例而吕’真空栗72可為文氏管（venturi)或電類型或此項技術中已知之其他類型。所需預選定之施加真空水平（意即吸入口 7〇處所觀察之真空水平）可藉由小污染物62之特定程度、存在及類型及吸入口 70之幾何形狀、其相對於接取空間43c之方向及鄰近性來測定。真空泵72之相應效能特徵可基於上文所測定之所需施加真空水平，鑒於末端執行器64之特定幾何形狀及尺寸/體積以及連接器66及管道66,之尺寸及長度來測定。圖13F為圖13B之實施例之圖示性後透視圖。圖13F展示盒152中之三個影像導向鏡38，（每一透鏡14/相機12組合一鏡38’）。請注意，圖13F中一鏡38,不明顯，相應透鏡14/相機12組合亦如此。返回參看圖1，一計算單元10與複數個相機12耦接。該計算單元10經組態以接收當桿16沿縱向軸在方向20(圖1中最佳展示之方向20)上移動時由相機12連續擷取之複數個 113378.doc -25- 1302855 影像帶18之影像資料。框接收器可用以接收影像信號。然而，如上文所述，系統中之相機12較佳為數位相機。該計算單元可包含一或多個電腦以具有足夠計算能力以處理影像資料。影像處理硬體可與用於加快計算速度之軟體聯合使用。若使用多個電腦，則此等電腦可經由諸如Tcp/Ip或其類似物之電腦間鏈路連接在一起。在任何狀況下，計算單元10經組態以處理影像資料以偵測桿16表面之預定特徵。在一較佳實施例中，該等特徵為表面缺陷。因此，將處理缺陷之影像資料，該等缺陷以例示性方式展示於圖14A-14B中。該等影像一般含有真實缺例如項302)及雜訊，諸如刮痕（例如項3〇4)。如3〇6中所展示，以諸如C、C++、機器語言及其類似物之電腦碼所執行或以硬體邏輯所執行之影像處理演算法用以濾除雜訊且用以债測真實缺陷。如圖15A-15C中所示，待識別之缺陷可為長缺陷且具有大縱橫比，其中項3〇8可長1〇〇〇mm，且項310可指示〇·〇5〇 mm之寬度。或，如圖16A-16C中所展示’缺陷可為短缺陷且具有近1比1之縱橫比。儘管此等演算法為此項技術中所已知，但仍將加以一般性描述。第一層處理可涉及諸如藉由將第一預定臨限值與局部對比度比車乂來比較影像中之局部對比度。第二層處理可涉及應用第二預定臨限值以偵測缺陷性質，諸如尺寸、位置、長度及寬度及其類似性質。結合圖1所描述及說明之較佳實施例亦將具有對諸如熱軋研磨機或冷拉研磨機之典型金屬加工設備中之塵埃、 H3378.doc -26- 1302855 水、振動及其他損害因子之防護。 ⑽熟習此項技術者應瞭解在減縮製程線中進一步限制桿及單獨使用二個或更多單_相機系統用於檢測之可能性。 • W此項技術者亦應瞭解覆蓋（例如檢測）小於整個圓周、之桿表面之一部分可充分適用於減縮製程線中之統計方法 / 控制目的。熟習此項技術者亦應瞭解若僅每一面掃描影像之某一部 • 分用於處理，則極高速度（高資料速率及高幀速率）面掃描相機可用於替代行掃描相機。亦可瞭解若金屬桿處於高溫下，則一光學濾光器可與透鏡聯合使用以使得反射光線42(圖12中）中僅某些波長將用以攜帶金屬桿之表面資訊。該等波長為並非由處於該高溫下之金屬桿發出或並非主要由其發出之彼等波長。對於處於或低於1，650。(：下之金屬桿而言，可使用波長436 nm。在該種狀況下，436 nm下干擾濾光器將與透鏡一起使用。此 • 波長可隨溫度改變。若溫度下降，則可使用較長波長。在又一變化中，線型燈組件可經組態以包括一閃光燈， . 其中計算單元1 〇使照明（意即閃光）與由影像擷取組件（例如 • 較佳實施例中之相機12)所執行之影像截取功能同步。 v 在另一實施例中，計算單元1〇經組態以保持所偵測缺陷之連、績冗錄’包括⑴正經由機械式減縮金屬桿橫截面之製程製造之桿16上，每一偵測缺陷各自相對於諸如引導端之 ”起始”位置之位置；（ii)所偵測缺陷之諸如尺寸、形狀、對比度之性質的各自標誌；及（iii)視情況所偵測缺陷位點及 113378.doc -27- 1302855 周圍之實際影像。該記錄可適用於供應商/製造商（例如）確定預先折扣，且可供給消費者（例如在磁片或其他電子構件上）以用於進一步處理例如在其上避免或進行後續工作之桿部分。【圖式簡單說明】圖1為本發明之一實施例之示意及方塊圖。圖2為適於經根據本發明之一實施例檢測之工件的例示性幾何形狀之橫截面圖。圖3說明扁平金屬之橫截面幾何形狀。圖4為說明根據應用於扁平金屬及桿之習知照明方宰之圖示。圖5為說明在行進期間受管道限制之桿及其中可置放根據本發明之一實施例的相鄰管道之間的間隙之簡化透視圖。圖6為說明使用一相機在金屬桿上之成像覆蓋之簡化平面圖。圖7為說明使用一相機及一焦闌透鏡在金屬桿上之成像覆蓋之簡化平面圖。圖8為說明基於將諸如一行像素之相同尺寸柵格投影至桿側面上之弧長變化的簡化平面圖。圖9為說明根據本發明之用於桿表面之照明配置的簡化平面圖。圖10為進一步更詳細說明圖9之照明配置之簡化平面圖0 113378.doc -28· 1302855 圖11為本發明之照明配置所關聯使用之金屬桿之簡化透視圖。圖12為說明如朝向桿表面之圓周方向上之照明配置的簡化平面圖。圖13 A為說明用於根據本發明之桿表面之照明及成像配置的另一實施例之平面圖。圖13B為圖13 A之照明配置之圖示，使得反射元件之集合可易於取回用以清潔且如在安裝位置所展示易於復位用以運行。圖13C為在經部分抽離之位置中所展示之包括反射元件之集合的圖13B之照明配置之圖示。圖13D為展示一保護管之圖13B之實施例的圖示性透視圖。圖13E為圖13B之實施例之圖示性側視圖。圖13F為自相對於圖13D中之相對側面觀看之圖13B的實施例之圖示性透視圖。圖14A說明連同一些表面雜訊一起之表面缺陷。圖14B說明根據本發明如應用於圖14A之影像之影像處理步驟的例示性結果。圖15A-15C說明可見於金屬桿上且可由根據本發明之一實施例偵測之長表面缺陷的實例。圖16A-16C說明可見於金屬桿上且可由根據本發明之一實施例偵測之相對短表面缺陷。【主要元件符號說明】 113378.doc -29- 1302855 2 光源 4 光管道 6 線型燈 8 光學增強器 10 計算單元 12 相機 14 透鏡 14f 焦闌透鏡 16 金屬桿 18 影像帶/影像線 18f 照明線/光線 20 方向 21 箭頭 22 圓形軌跡 24 管道 26 間隙 28 視線 30 圓周覆蓋 32 成像感應器 34 視線 3 6 弧長 38 反射鏡 38，第二反射鏡 40 光線/照明光線//入射光線 113378.doc -30- 1302855 41 寬度 42 影像線/反射光線 43 保護管 43a 保護管部分 43b 保護管部分 43c 接取空間/檢視間 44 角 46 中心線 48 線 50 表面法線 52 照明器/曲線 54 方向 62 污染物 64 真空末端執行器 66 真空連接器 66，真空管道 68 内部真空腔室 70 吸入口 72 真空泵 102 圓形 104 橢圓形 106 六邊形 108 八邊形 110 方形 113378.doc -31 - 1302855 138 鏡座 150 板 152 盒 153 扣合部件/鎖定及保留機制 154 基板 156 滑動凹槽 158 配合突出部 160 方向箭頭 302 真實缺陷 304 雜訊 306 濾除雜訊之真實缺陷 308 缺陷長度 310 缺陷寬度 316 平面 318 影像線 113378.doc -32-

Claims

1302855 十、申請專利範圍： 1· 一種用於在一製造過程中使一沿一縱向軸展延且移動之伸長桿成像之系統，該系統包含：一影像擷取組件，其具有一經組態以在該桿移動時使一第一預定寬度在該桿之一表面之一圓周上成像以界定一影像帶且產生與其對應之影像資料的視野，該影像擷取組件包括η個數位相機，其中11為3或更大之整數，該^ 個數位相機經配置以使得其之一組合視野對應於該影像帶，該等相機包含線掃描相機；一線型燈組件，其經組態以將一具有一第二預定寬度之光線帶投影至該桿之該表面上，該線型燈組件係經相對於該影像揭取組件安置以使得該影像帶在該光線帶内，該線型燈組件係經進—步組態以使得—沿該影像帶之光照強度大體上均一；一抽取式盒’其具有相對於該盒之—固持器之一安裝 • 位置及一抽離位置’該盒包括⑴在複數個線光源與該桿中間之照明導向鏡；及⑼在該桿與該等相機中間之影像㈣鏡’ #該盒處於該安裝位置時’該等照明鏡及該等 • 影像導向鏡係對準的；及， -與該影像擷取組料接之計算單元，其經組態以接收备該桿沿該縱向軸移動時由該影像練取組件所摘取之複數個影像帶的影像資料竹 Θ冲异早兀係經進一步組態以處理該影像資料以摘測該桿之預定表面特徵。 2 ·如請求項1之系統，直推一止*人八進—步包含一經組態以將該盒保 113378.doc 1302855 ，留在該安裝位置中之鎖定及保留機制。 '3 _ 一種用於在一製造過程中使一沿一縱向軸展延且移動之伸長桿成像之系統，該系統包含：一影像擷取組件，其具有一經組態以在該桿移動時使一第一預定寬度在該桿之一表面之一圓周上成像以界定 '· 一影像帶且產生與其對應之影像資料的視野，該影像擷取組件包括n個數位相機，其中]1為3或更大之整數，其 φ 經配置以使得其之一組合視野對應於該影像帶，該等相機包含線掃描相機；一線型燈組件，其經組態以將一具有一第二預定寬度之光線帶投影至該桿之該表面上，該線型燈組件係經相對於該影像擷取組件安置以使得該影像帶在該光線帶内，該線型燈組件係經進一步組態以使得一沿該影像帶之光照強度大體上均一； _保護器#，其包含一具m分及一第二部分 • 之管，該第二部分沿該縱向軸與該第一部分間隔且偏移以界定-接取空間，該管係經安置在該伸長桿與該等影 • 像擷取構件及該線型燈組件中間，該接取空間之尺寸及 ••形狀係經組態以允許⑴料線帶進人及⑼該影像帶退 % 出；及一與該影像擷取組件耦接之計算單元，其經組態以接收當該桿沿該縱向軸移動時由該影像擁取組件所掘取之複數個影像帶的影像資料，該計算單元係經進—步組態以處理該影像資料以偵測該桿之預定表面特徵。 113378.doc -2 · 1302855 4·如請求項3之系統，其中該管包含金屬。 5·如請求項3之系統，其進一步包括一經組態以降低鄰近該保護管之該接取空間之空間内的污染物存在之污染物降低機制。 6. 如晴求項5之系統，其中該等污染物包含細粉級粉末及水霧中之一者。

7. 如請求項5之系統，其中該污染物降低機制包含一真空吸塵末端執行器，其具有一界定一内部真空腔室之外壁，该末端執行器進一步包括一位於鄰近該保護器件之該接取空間之吸入口，該真空末端執行器係經組態以與一真空源連接。 8·如請求項7之系統，其中該真空末端執行器為一具有一大體上與該縱向軸一致之環軸之環形，該吸入口之尺寸及形狀經組態以限定該接取空間之周邊。 9. ^月求項8之系、统，其中該真空吸塵末端執行器在複向橫截面上大體上為矩形，該吸入口藉由移除該直空末端執行器之一徑向向内角而形成。 10.如請求項7之系統，對半環形主體部分。 11·如請求項7之系統，數個直桿。其中該真空吸塵末端執行器包含一其中該真空吸塵末端執行器包含複 12.如=項7之系統，其中該污染物降低機制進 =於將該真空源與該真空末端執行器連接之㈣; 真空源包含一真空泵。故丧炙&道，該 113378.doc 1302855 13·如請求項12之系統，其中該真空泵為一文氏管（venturi) 類型。

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