熒光磁粉表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)

高敏杰，卜雄洙，孫 斌，王正成，張 振

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094；2.南京晨光集團(tuán)有限責(zé)任公司,南京 210094)

熒光磁粉表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)

高敏杰1，卜雄洙1，孫 斌1，王正成1，張 振2

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094；2.南京晨光集團(tuán)有限責(zé)任公司,南京 210094)

介紹了熒光磁粉檢測(cè)缺陷自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)及數(shù)字圖像處理技術(shù)，包括從CCD相機(jī)中提取原始圖像、中值濾波、邊緣檢測(cè)和圖像二值化等；同時(shí), 分析了熒光磁粉的物理特性和光源的特性及其打光方式，介紹了系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。使用該系統(tǒng)對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效識(shí)別出直徑0.5 mm的圓形缺陷和長(zhǎng)度1.5 mm的線性缺陷。

熒光磁粉檢測(cè)；數(shù)字圖像處理；中值濾波；二值化

金屬軸(見圖1)是支撐和動(dòng)力傳遞的重要零件，其質(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和操作人員的安全。熒光磁粉方法是檢測(cè)金屬軸外表面質(zhì)量的重要手段。

圖1 金屬軸外觀

目前，國(guó)內(nèi)熒光磁粉檢測(cè)的全自動(dòng)化設(shè)備還處于發(fā)展階段，存在漏檢、誤檢、系統(tǒng)適用面窄及可靠性低等問(wèn)題[1]。

文章介紹的檢測(cè)系統(tǒng)利用機(jī)器視覺(jué)代替人眼來(lái)進(jìn)行缺陷識(shí)別與分類，利用計(jì)算機(jī)控制CCD相機(jī)進(jìn)行圖像采集，并將圖像實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)界面上。然后，利用上位機(jī)的圖像處理軟件系統(tǒng)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理和缺陷識(shí)別與分類，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行保存；同時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的格式化輸出。

這種基于機(jī)器視覺(jué)的缺陷檢測(cè)系統(tǒng)可以在不破壞受檢試件的條件下檢測(cè)出受檢試件表面的缺陷,且靈敏度高、檢測(cè)方便，能非常直觀地顯示缺陷的大小、形狀和位置等缺陷特征[2];有效解決了傳統(tǒng)質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程中，由于檢測(cè)人員疲勞和經(jīng)驗(yàn)積累水平等差異造成的誤檢、漏檢及效率低等問(wèn)題。

1 系統(tǒng)工作原理及方案設(shè)計(jì)

該檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)對(duì)象——金屬軸具有如下特點(diǎn)：① 軸向尺寸長(zhǎng)，直徑相對(duì)較小(見圖1)；② 表面缺陷以裂紋、發(fā)紋等居多，而在各類缺陷中以線形裂紋為主。

1.1 系統(tǒng)檢測(cè)的工作原理

金屬軸被磁化后，在金屬軸上會(huì)建立一個(gè)磁場(chǎng)；當(dāng)金屬軸表面或近表面有缺陷時(shí)，缺陷部位的磁力線會(huì)部分逸出,從而在缺陷部位形成漏磁場(chǎng)。金屬軸上噴灑熒光磁懸液后，磁粉將被吸附在漏磁場(chǎng)處，從而形成磁痕[3-4]。在紫外光的照射下，熒光磁粉中的熒光物質(zhì)受激發(fā)而發(fā)射出熒光，再由高像素的CCD對(duì)其攝像，并將采集到的圖像傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理[5]。最后，通過(guò)對(duì)檢測(cè)結(jié)果與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的比對(duì)，得出被檢金屬軸的檢測(cè)結(jié)果[6]。

1.2 檢測(cè)系統(tǒng)的總體方案

檢測(cè)系統(tǒng)主要包括：① 圖像獲取模塊，包括CCD相機(jī)、光源以及光學(xué)鏡頭等；② 圖像處理模塊，包括圖像采集、預(yù)處理和缺陷檢測(cè)等；③ 人機(jī)接口模塊以及系統(tǒng)與轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的通信模塊。

檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖2所示[7]。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)框圖

該方案采用計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。系統(tǒng)主要由磁粉檢測(cè)裝置、圖像采集系統(tǒng)、上位機(jī)軟件系統(tǒng)三部分組成，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意(不含上位機(jī))

各部分功能如下：

(1) 磁粉檢測(cè)裝置主要由CDG-6000交直流熒光磁粉探傷機(jī)、控制單元、磁懸液噴淋裝置、夾持工裝等組成。

(2) 圖像采集系統(tǒng)主要包括MER-200-20GM型工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、M0814-MP2型Computar百萬(wàn)像素定焦鏡頭、照明光源以及多自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。

(3) 軟件系統(tǒng)主要包括運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制軟件和上位機(jī)圖像采集處理識(shí)別軟件。

圖像處理軟件流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)圖像處理軟件流程框圖

檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程為：當(dāng)待測(cè)金屬軸與外部硬件設(shè)備連接準(zhǔn)備完畢后，用計(jì)算機(jī)控制采集系統(tǒng)對(duì)金屬軸進(jìn)行磁化噴淋，然后再通過(guò)CCD進(jìn)行圖像拍攝，并將圖像實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)界面上。最后，利用計(jì)算機(jī)上的圖像處理軟件系統(tǒng)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)缺陷的檢測(cè)識(shí)別與量化，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行保存。

2 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，照明的目的就是凸顯被測(cè)物的重要特征，抑制不需要的特征。為避免各類光線的互相干涉，獲取最佳質(zhì)量的原始圖像，系統(tǒng)要求金屬軸表面的磁粉在缺陷處附著均勻，沒(méi)有磁粉淤積的現(xiàn)象。

現(xiàn)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)中的光源質(zhì)量和磁粉熒光的激發(fā)、發(fā)射光譜以及光源的打光方式進(jìn)行如下分析。

2.1 熒光磁粉的特性

為保證較高檢測(cè)靈敏度，系統(tǒng)采用ZnS∶Zn,Pb熒光磁粉；磁粉顆粒大小控制在5～25 μm，磁導(dǎo)率較高且剩磁較低，由球狀和條狀磁粉按一定比例配制[4]。

ZnS∶Zn,Pb熒光磁粉的頻譜特性如圖5所示[5]。

圖5 ZnS∶Zn,Pb熒光磁粉的頻譜特性

從圖5(a)可知，當(dāng)激發(fā)光波長(zhǎng)為350 nm時(shí)，該熒光磁粉的激發(fā)效果最好；考慮到可用光源的實(shí)際情況，仍采用365 nm的紫外光作為激發(fā)光；同時(shí),照射強(qiáng)度要大于10 W·m-2。而由圖5(b)可知，在波長(zhǎng)365 nm激發(fā)光的照射下，該熒光磁粉的發(fā)射光譜峰值約為510 nm。

2.2 光源的特性

文章使用定制的環(huán)形LED紫外燈作為檢測(cè)系統(tǒng)的光源，光譜范圍窄、光色單一、壽命長(zhǎng)。為提高熒光磁粉的激發(fā)特性，系統(tǒng)應(yīng)盡量采用純紫外光作為激發(fā)光；并且，應(yīng)避免其他光線照射到金屬軸上，以免其被反射后與熒光磁粉的激發(fā)光重疊，而影響缺陷識(shí)別的準(zhǔn)確性。故金屬軸和相機(jī)均應(yīng)置于暗室中，進(jìn)行暗場(chǎng)拍攝。為此，筆者在采用的紫外燈前加一塊濾光片，過(guò)濾掉波長(zhǎng)小于300 nm的有害紫外線及波長(zhǎng)大于420 nm的無(wú)用光，對(duì)光譜功率較為集中的365 nm紫外光線也具有較高的透過(guò)率，滿足系統(tǒng)的需要。

為采集到高質(zhì)量的原始金屬軸圖像，系統(tǒng)所選相機(jī)的光譜響應(yīng)的峰值波長(zhǎng)也應(yīng)在510 nm左右。由于CCD相機(jī)對(duì)長(zhǎng)波紫外線有較高的響應(yīng)靈敏度，為避免產(chǎn)生明場(chǎng)干擾，在鏡頭前加裝了波長(zhǎng)為450 nm的短波截止片。

2.3 光源的打光方式

光源的安裝方式直接影響著被檢金屬軸的可辨識(shí)度和對(duì)比度，不合理的打光方式會(huì)造成金屬軸表面大面積亮斑，掩蓋相應(yīng)區(qū)域的缺陷，造成缺陷的漏檢。

筆者綜合現(xiàn)有的技術(shù)條件和光源照明的實(shí)際效果，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后決定采用紫外燈環(huán)形打光方式，可得到對(duì)比度較好、缺陷明顯的金屬軸原始圖像，為后續(xù)的圖像處理提供了有力的基礎(chǔ)。

3 圖像處理與分析

由于在圖像采集過(guò)程中，金屬軸往往攜帶水跡、表面污染等干擾信息；同時(shí)，受光源照度、溫度的波動(dòng)和CCD相機(jī)自身因素的影響，計(jì)算機(jī)采集到的原始圖像不可避免地存在一些噪聲。為使背景和缺陷之間的對(duì)比更加明顯，提高圖像的對(duì)比度，必須去除噪聲和干擾信息。

筆者根據(jù)金屬軸特征和實(shí)際采集到的原始圖像，設(shè)計(jì)了如下的圖像處理流程：首先，對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波，抑制噪聲和散粒狀干擾信息；然后，用邊緣檢測(cè)算子對(duì)經(jīng)平滑處理后變模糊了的圖像進(jìn)行邊緣提取，將圖像的邊緣凸現(xiàn)出來(lái)；最后，通過(guò)圖像的閾值分割，得到一個(gè)去除了噪聲和干擾信息的可疑缺陷圖像[5]。

3.1 中值濾波

中值濾波是一種非線性濾波方式。具體操作時(shí)，用一個(gè)窗口在圖像上進(jìn)行像素級(jí)掃描，將窗口中包含的像素按灰度值升序或降序排列起來(lái)，取灰度值居中的像素灰度值為窗口中心像素的灰度進(jìn)而消除噪聲[2]。中值濾波相比均值濾波而言，能夠更有效地消除隨機(jī)噪聲和脈沖噪聲。但是在降噪的同時(shí)，也會(huì)平滑圖像的邊緣，導(dǎo)致圖像邊緣模糊，故需要對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)[8]。

圖6 中值濾波的效果

中值濾波時(shí)中值的大小受窗口的階次和形狀影響。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)采用方形窗口，對(duì)于一些復(fù)雜的圖像，還可以多次使用不同形狀和階次窗口的中值濾波器，以獲得更好的降噪效果，并達(dá)到保護(hù)邊緣的效果。中值濾波的效果如圖6所示。

3.2 邊緣提取

圖像經(jīng)過(guò)平滑降噪以后，不可避免地會(huì)造成邊緣出現(xiàn)一定程度的模糊，而邊緣提取則可以將圖像中模糊了的邊緣重新提取出來(lái)，勾勒出圖像中的目標(biāo)對(duì)象，便于后續(xù)進(jìn)行缺陷檢測(cè)和特征提取。

圖像邊緣可分成凸緣型、階躍型和房頂型。文章實(shí)際檢測(cè)的缺陷邊緣主要屬于房頂型和凸緣型邊緣，其一階方向?qū)?shù)在邊緣處呈零交叉，二階方向?qū)?shù)在邊緣處取極值；通過(guò)檢測(cè)一階方向?qū)?shù)的零點(diǎn)就可以確定邊緣的位置[9]。

Laplacian算子是各向同性的二階微分算子，因此，筆者采用Laplacian算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)以得到較好的處理效果。文章借助模板來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能，采用的模板如下[10]：

采用Laplacian算子的作用效果如圖7所示。

圖7 采用Laplacion算子的邊緣檢測(cè)圖像

3.3 圖像二值化

圖像在經(jīng)過(guò)前面預(yù)處理以后，目標(biāo)缺陷已經(jīng)很明顯了，但是仍有少量噪聲和偽缺陷。為了提取目標(biāo)缺陷，同時(shí)抑制不需要的圖像特征，需要對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理。圖像二值化以后，數(shù)據(jù)量減小，目標(biāo)特征更加明顯，有助于提高圖像處理和缺陷檢測(cè)的效率[2]。

二值化的效果取決于閾值。通常由于非均勻照明、輸入設(shè)備參數(shù)不一致等因素的影響，單一閾值的處理效果不太好。在這種情況下，使用變化的閾值進(jìn)行分割可以得到較好的處理效果，這時(shí)的閾值是局部圖像特征的函數(shù)，其在圖像范圍內(nèi)是變化的，稱為自適應(yīng)閾值化。

文章采用自適應(yīng)閾值處理，避免固定閾值對(duì)不同亮度的圖像產(chǎn)生不適應(yīng)性，提高閾值分割的通用性。同時(shí)，對(duì)圖像采用填充算法處理得到較為清晰的缺陷圖像，閾值分割的效果如圖8所示。

圖8 閾值分割圖像

3.4 缺陷提取

文章采用LabVIEW及其視覺(jué)開發(fā)模塊作為程序開發(fā)語(yǔ)言，通過(guò)IMAQ Particle Analysis VI等函數(shù)對(duì)預(yù)處理圖像進(jìn)行逐行掃描，最終實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)缺陷的面積、周長(zhǎng)、方向角、質(zhì)心和外切矩形等特征參量的檢測(cè)、量化和顯示[7]。為使檢測(cè)結(jié)果顯示更加簡(jiǎn)潔和直觀，對(duì)缺陷進(jìn)行了編號(hào)，同時(shí)，將缺陷所有特征參量的結(jié)果都顯示在表格中；并且，可以以查表的形式，由用戶選擇系統(tǒng)當(dāng)前標(biāo)識(shí)的缺陷，通過(guò)矩形框在圖像顯示界面中將對(duì)應(yīng)缺陷標(biāo)出，單獨(dú)顯示出該缺陷的具體結(jié)果。

對(duì)具有不同缺陷的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，顯示界面如圖9所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)直徑φ0.5 mm的圓形缺陷和長(zhǎng)度1.5 mm的線性缺陷的準(zhǔn)確識(shí)別，并且相對(duì)誤差小于5%，滿足最初的要求。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)試件缺陷檢測(cè)的結(jié)果顯示

4 結(jié)語(yǔ)

由CCD相機(jī)、計(jì)算機(jī)及圖像處理軟件構(gòu)成的熒光磁粉表面缺陷圖像檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)金屬軸表面缺陷的全自動(dòng)化檢測(cè)、量化和定位，可以很好地識(shí)別金屬軸表面的裂紋等缺陷。系統(tǒng)不僅大大改善了磁粉檢測(cè)人員的工作環(huán)境，同時(shí)也降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，有效防止了漏檢事故的發(fā)生，對(duì)生產(chǎn)效率的提高和質(zhì)量檢測(cè)具有重大意義。

最后，感謝熒光磁粉檢測(cè)圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)校級(jí)重點(diǎn)課題的極力支持。

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The Surface Defect Detection System of Fluorescent Magnetic Particle

GAO Min-jie1, BU Xiong-zhu1, SUN Bin1, WANG Zheng-cheng1, ZHANG Zhen2

(1.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;2. Nanjing Chenguang Group Co., Ltd., Nanjing 210094, China)

The working principle, the structure and the digital image processing technology of a fluorescent magnetic particle testing defect automatic recognition system were introduced in this paper, including extracting the original image from CCD camera, median filtering, edge detection and image binarization. Moreover, the optical structure was analyzed, the physical characteristics, excitation spectra and emission spectra of the fluorescent magnetic powder and the lighting methods of light source were included. The system can effectively identify the circular defects of 0.5 mm diameter and the linear defects of 1.5mm in length.

Fluorescent magnetic particle inspection; Digital image processing; Median filter; Binarization procession

2016-06-31

高敏杰(1992-)，男，碩士研究生，主要從事無(wú)損檢測(cè)圖像處理方面的工作。

卜雄洙，E-mail:buxu105@njust.edu.cn。

10.11973/wsjc201702017

TG115.28

A

1000-6656(2017)02-0067-04