基于機(jī)器視覺的金屬棒材自動(dòng)無損檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳怡凡

（陜西服裝工程學(xué)院，陜西 西安 712046）

近年來，我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了自動(dòng)無損檢測技術(shù)的發(fā)展，社會(huì)市場對于此項(xiàng)技術(shù)的要求也逐步擴(kuò)大。而且中國鋼鐵與計(jì)算機(jī)等行業(yè)在很大程度上促進(jìn)了自動(dòng)檢測技術(shù)的進(jìn)一步改善與發(fā)展。對于鋼筋的檢測主要選擇超聲波與渦流自動(dòng)檢測技術(shù)，以保障檢測效率。為切實(shí)滿足市場的多元化需求，研究人員一直致力于創(chuàng)新優(yōu)化自動(dòng)無損檢測技術(shù)，以此推動(dòng)中國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定長遠(yuǎn)發(fā)展[1]。

1 金屬棒材自動(dòng)無損檢測技術(shù)

1.1 焊接自動(dòng)無損檢測技術(shù)

一般而言超聲波檢測方法在鋼鐵焊縫自動(dòng)檢測中的應(yīng)用比較廣泛，準(zhǔn)確性較高但是需消耗很長時(shí)間。若是檢測焊縫的時(shí)候發(fā)現(xiàn)其中存在故障問題，可以發(fā)送超聲波向傳感器傳輸故障信息，以便科學(xué)精確地評估。在檢測時(shí)，可選擇自動(dòng)無損檢測技術(shù)，以保障焊接結(jié)構(gòu)的合理性與完整性，從而提升自動(dòng)檢測效率，推動(dòng)工業(yè)健康發(fā)展[2]。

1.2 復(fù)合材料自動(dòng)無損檢測技術(shù)

隨著科技革新發(fā)展，中國鋼鐵工業(yè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)展。在部分重工業(yè)領(lǐng)域，尤其是鋼鐵，需要消耗大量復(fù)合材料，所以需要對材料進(jìn)行批量化生產(chǎn)。在對復(fù)合材料進(jìn)行自動(dòng)無損檢測過程中，需確保檢測質(zhì)量以及檢測的全面性。另外，多數(shù)工業(yè)采用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，尺寸也非常大，這在一定程度上加大了檢測工作的難度。

隨著自動(dòng)無損檢測技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，檢測的要求也逐漸提高，所以檢測設(shè)備的性能也需要逐步優(yōu)化?，F(xiàn)階段，常見復(fù)合材料主要采取超聲波檢測方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無損檢測，而在實(shí)際檢測時(shí)，所注重的方面非常多，尤其是材料結(jié)構(gòu)特征方面，需要以先進(jìn)的檢測設(shè)施與數(shù)控技術(shù)確保檢測工作的科學(xué)合理性與精確性。在復(fù)合材料自動(dòng)無損檢測過程中，主要選擇超聲穿透法與反射法。而超聲穿透法主要基于入射聲波能量變化實(shí)現(xiàn)對復(fù)合材料問題的實(shí)時(shí)檢測，多數(shù)企業(yè)會(huì)選擇通過超聲波傳感器安裝實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，從而提升無損檢測整體效率。此外，超聲反射法在無損檢測時(shí)無法準(zhǔn)確識(shí)別超聲波，所以需進(jìn)一步采用新型檢測設(shè)備，以保障換能器超速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 金屬棒材自動(dòng)無損檢測工藝流程

金屬棒材自動(dòng)無損檢測工藝流程具體如圖1所示。

圖1 無損檢測工藝流程

無損檢測領(lǐng)域最為常見的檢測技術(shù)分別具備各自獨(dú)特優(yōu)勢與缺陷。單一的測試技術(shù)長期以來無法滿足全面的底盤和設(shè)備測試需求。復(fù)合材料自動(dòng)無損檢測技術(shù)是一種結(jié)合兩種或多種技術(shù)的技術(shù)，通過各技術(shù)之間彼此彌補(bǔ)的形式良性結(jié)合，從而提升檢測準(zhǔn)確性與完整性。其中超聲波可檢測到金屬棒材內(nèi)部缺陷，渦流則可檢測到表面缺陷，二者的結(jié)合可在很大程度上滿足金屬棒材檢驗(yàn)的整體性[3,4]。

3 基于機(jī)器視覺的金屬棒材自動(dòng)無損檢測系統(tǒng)

金屬棒材復(fù)合式在線自動(dòng)無損檢測采用工件螺旋前進(jìn)的方式進(jìn)行檢測，系統(tǒng)包括機(jī)械裝置、無損檢測工位、電氣控制部分等，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 金屬棒材復(fù)合式在線自動(dòng)無損檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 機(jī)械裝置

3.1.1 上下料裝置

上下料裝置具體如圖3所示。

圖3 上料裝置

進(jìn)料臺(tái)的滾道在延伸部和進(jìn)料輥之間呈鋸齒形，并以預(yù)定角度傾斜，滾道以特定順序與承載坯料干涉，滾道下有材料刻度。頂出時(shí)，工件被推出擋板并自動(dòng)朝傳送臂旋轉(zhuǎn)，以此實(shí)現(xiàn)整個(gè)上料流程。

3.1.2 機(jī)械傳動(dòng)裝置

機(jī)械傳動(dòng)裝置可通過不同的推進(jìn)方式完成工作。就超聲檢測工件而言，可實(shí)現(xiàn)螺旋式推進(jìn)。就各種直徑工件而言，轉(zhuǎn)變從動(dòng)輪視角，將螺旋的速度向前轉(zhuǎn)換。對于零件的渦流檢測，滾筒主要用于直線傳動(dòng)，傳動(dòng)方式由程序自主切換。機(jī)械傳動(dòng)裝置具體如圖4所示。

圖4 機(jī)械傳動(dòng)裝置

3.2 無損檢測工位

渦流檢測機(jī)構(gòu)以檢測線圈、充磁裝置和退磁裝置為基礎(chǔ)，安裝在供電側(cè)的發(fā)射裝置表面，記錄儀與超聲波檢測儀一起放置在電氣柜內(nèi)。為保障檢測效果，避免桿件傳動(dòng)時(shí)發(fā)生振動(dòng)，傳動(dòng)裝置上設(shè)定了壓塊機(jī)構(gòu)，通過油缸推出。傳動(dòng)裝置設(shè)定了與壓塊機(jī)構(gòu)類似的缺陷位置標(biāo)記設(shè)備，通過控制器采樣檢測速度與固定距離，從而有效控制標(biāo)記設(shè)備操作。

超聲波探調(diào)裝置安裝在水箱中，并配置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與探頭調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，兩側(cè)安裝了自動(dòng)門，以氣缸驅(qū)使轉(zhuǎn)動(dòng)。在檢測水箱下方設(shè)置補(bǔ)給水箱。在液位檢測相對偏低時(shí)，便會(huì)自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)水處理。而探頭調(diào)節(jié)器的工作是調(diào)整探頭位置、角度、線度。其中內(nèi)部夾緊的時(shí)候，應(yīng)確保對準(zhǔn)聚焦探頭盡可能保持平行。

3.3 電氣控制

作為自動(dòng)化無損檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，控制器的電氣部分在很大程度上直接控制整個(gè)系統(tǒng)的所有動(dòng)作，可與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信，傳輸金屬棒材信息，利于充分掌握整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。電氣控制程序功能具體如圖5所示。

圖5 電氣控制程序功能

工控機(jī)作為上位機(jī)，PLC作為現(xiàn)場控制器，負(fù)責(zé)接收來自現(xiàn)場傳感器和編碼器的相應(yīng)信號(hào)，并與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信。上位機(jī)選擇組態(tài)軟件設(shè)置控制流程，動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)發(fā)現(xiàn)過程，并基于界面按鈕實(shí)時(shí)管理整個(gè)過程和各個(gè)發(fā)現(xiàn)環(huán)節(jié)。

控制器選擇PLC，使用SFC進(jìn)行編程。上位機(jī)采用MCGS軟件配置處理，專門分為登錄界面和控制界面兩部分。登錄界面由自動(dòng)渦流檢測、自動(dòng)超聲波檢測、手動(dòng)調(diào)試、退出系統(tǒng)組成。檢測屏模擬實(shí)時(shí)動(dòng)臂操作，并根據(jù)操作狀態(tài)設(shè)置報(bào)警燈。根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置自動(dòng)檢測啟動(dòng)、檢測停止、緊急停止和警示燈。手動(dòng)調(diào)試界面由氣缸電磁調(diào)試、時(shí)間設(shè)置、報(bào)警調(diào)試、發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)試四個(gè)功能模塊組成，每個(gè)模塊為系統(tǒng)硬件設(shè)置相應(yīng)的調(diào)試內(nèi)容[5]。

4 系統(tǒng)調(diào)試及其應(yīng)用分析

超聲波以偏心角入射，波形轉(zhuǎn)換為入射橫波，A掃描顯示無底狀態(tài)。縱波垂直下降，根據(jù)聲路設(shè)置，較低的波向外傳播。進(jìn)行實(shí)時(shí)缺陷試塊檢測，觀察分析偏心探頭波形的狀態(tài)，快門安裝在36mm的聲路中，寬度約12mm。缺陷波形出現(xiàn)在30 mm聲程上，當(dāng)聲程為40 mm時(shí)，振幅趨于最大值。然后幅度逐漸減小，轉(zhuǎn)移出閘門并消失不見。缺陷波形在超出閘門高度的時(shí)候，控制軟件會(huì)及時(shí)告警，發(fā)出聲光以提示。

設(shè)備工裝的現(xiàn)場調(diào)試狀況需要進(jìn)行對應(yīng)處理，即棒材易于發(fā)生彎曲，進(jìn)料時(shí)，頭尾兩端突然彈跳，導(dǎo)致編程錯(cuò)誤。程序中對頭尾兩端的信號(hào)進(jìn)行濾波，以達(dá)到更滿意的結(jié)束效果；精度取決于刀具生產(chǎn)過程中的參數(shù)設(shè)置，這些設(shè)置是在調(diào)試過程中重新校正分析獲得的；在受局部電磁干擾的影響下，檢測信號(hào)不僅在檢測軟件中設(shè)置了閘門報(bào)警延時(shí)修飾，還在控制軟件上安裝了高速計(jì)數(shù)裝置，對同一缺陷信號(hào)進(jìn)行多次采樣和確認(rèn)，以便消除不必要的誤報(bào)現(xiàn)象缺陷。

通過調(diào)試和分析，所有設(shè)備在檢測過程、儀器設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)等方面均符合相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)。

5 金屬棒材自動(dòng)無損檢測系統(tǒng)發(fā)展趨勢

近年來，金屬棒材自動(dòng)無損檢測系統(tǒng)發(fā)展趨勢如下所示：

其一，超高精度檢測要求，降低原材料成本。在嚴(yán)格控制表面脫碳的條件下，實(shí)現(xiàn)熱軋局部替代銀亮材料加以使用，以節(jié)約材料綜合成本；內(nèi)部檢測精確度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以滿足超高精度金屬棒材使用的具體要求。其二，明確劃分各種不同類型金屬的在線高速檢測裝置，從而最大程度上滿足特殊金屬材料的相關(guān)要求。其三，精確且實(shí)用在線測徑裝置，以滿足高檔產(chǎn)品對于同類型材料尺寸偏小范圍波動(dòng)的有關(guān)要求。其四，科學(xué)合理選擇工藝設(shè)計(jì)與設(shè)備選型，進(jìn)而滿足產(chǎn)品市場定位需求。