磁痕成像系統(tǒng)自動(dòng)無(wú)損探傷與判別技術(shù)探討

秦春林，孫寶民，任 帥

（神華鐵路裝備有限責(zé)任公司包頭車輛維修分公司，內(nèi)蒙古包頭 014060）

0 引言

磁粉探傷的效果較為明顯，其技術(shù)的成熟程度和運(yùn)行成本具有較好效果，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)鐵鑄件的質(zhì)量檢測(cè)環(huán)節(jié)?；跈C(jī)器視覺的表面檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中較為常見的技術(shù)之一。一般情況下，對(duì)于磁痕的觀察與檢測(cè)都是通過(guò)人工的觀察和識(shí)別進(jìn)行缺陷判別手段來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其探傷結(jié)果受到人工的主觀或?qū)I(yè)水平影響而出現(xiàn)判斷失誤和判斷缺陷，無(wú)法保證探傷效果的精準(zhǔn)性、可靠性和一致性。而且在探傷人員進(jìn)行磁痕觀察時(shí)，由于視覺受到紫外線輻照和強(qiáng)磁場(chǎng)的輻射影響以及長(zhǎng)時(shí)間處于暗室環(huán)境中進(jìn)行操作，會(huì)對(duì)工作人員的身體健康帶來(lái)極為重大的影響。所以，對(duì)于磁痕的探傷和判別技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)化技術(shù)的研究有著極為重要的意義。通過(guò)利用具備高性能的紫外線光纖燈、高清分辨率的工業(yè)用相機(jī)和高水平的智能化圖像處理技術(shù)、缺陷識(shí)別技術(shù)等，集中光、機(jī)電控制技術(shù)于一體的自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行人工觀察與檢測(cè)識(shí)別，讓電腦操作代替人工檢查來(lái)實(shí)現(xiàn)磁粉探傷檢測(cè)的全過(guò)程操作，以降低人工檢測(cè)與觀察所帶來(lái)的誤差率，實(shí)現(xiàn)高精度的質(zhì)量檢測(cè)。

1 磁粉探傷的原理概述

磁粉探傷，學(xué)術(shù)角度稱為磁粉檢測(cè)，是屬于工業(yè)鐵鑄件當(dāng)中所常用的無(wú)損檢測(cè)方法之一，常用于鐵鑄件、鐵磁性材料和生產(chǎn)制品的磁痕檢測(cè)，從專業(yè)角度闡述原理可以概括為:利用鐵鑄件或鐵磁性材料的缺陷處漏磁場(chǎng)與磁粉之間的相互作用力，讓鑄件和磁性材料的工件表面或近表面的缺陷位置存在的磁力線產(chǎn)生一定程度的畸變，該畸變狀態(tài)下部分磁力線溢出，并在工件表面位置形成具有一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)，當(dāng)工件表面被噴灑磁粉時(shí)，磁粉在缺陷處被強(qiáng)大的磁場(chǎng)所磁化，磁粉吸附在工件表面的缺陷部位，并沿磁感線按照磁場(chǎng)形成的規(guī)律進(jìn)行排列分布，由此形成一條較為明顯的磁痕。磁痕的無(wú)損探傷原理主要利用磁場(chǎng)和磁粉的磁化，使其在形成磁場(chǎng)情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面缺陷的檢測(cè)與探查，即為磁粉探傷技術(shù)，如果沒有漏磁場(chǎng)的存在，磁粉檢測(cè)就無(wú)法對(duì)工件缺陷做出準(zhǔn)確的檢測(cè)[1]。目前磁痕成像技術(shù)在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，其檢測(cè)結(jié)果常受到人為操作和主觀判斷等因素的影響，存在的誤差會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)精準(zhǔn)度下降。因此，實(shí)現(xiàn)磁痕成像系統(tǒng)的自動(dòng)無(wú)損探傷與自動(dòng)判別技術(shù)具有十分重要的意義和作用。

2 磁粉探傷技術(shù)的特點(diǎn)

磁粉探傷技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在于其能夠直觀顯現(xiàn)工件表面的缺陷。在LED 紫光燈的照射下觀察磁粉依附的缺陷，對(duì)缺陷的形狀、大小和具體位置做出明確檢測(cè)，并且依據(jù)工件表面缺陷的呈現(xiàn)形態(tài)以及加工技術(shù)原理確定缺陷分類。磁粉探傷具有極高的檢測(cè)靈敏度，利用磁粉可以仔細(xì)觀察工件表面的細(xì)微缺陷，當(dāng)缺陷裂紋寬度過(guò)大或者裂紋深度太淺等情況，會(huì)降低檢測(cè)的準(zhǔn)確度和靈敏度。但磁粉探傷技術(shù)不會(huì)受到工件大小和形狀的局限，其原理上的優(yōu)勢(shì)能夠?qū)ぜ捎煤线m的磁化方法以及磁化強(qiáng)度進(jìn)行磁化，大部分狀態(tài)下都能夠檢測(cè)出工件表面的缺陷和傷痕。

磁粉探傷的傳統(tǒng)操作較為簡(jiǎn)單，主要依靠人工進(jìn)行視覺上的觀察和檢測(cè)，操作較為簡(jiǎn)單、時(shí)間短，成本投入比較低，但人工觀察和操作存在一定程度的人為誤差。磁粉探傷所檢測(cè)的工件必須是鐵磁性材料或制品，其裂紋的深度不可以超過(guò)1～2 mm。一些不具備磁化條件的材料無(wú)法進(jìn)行磁粉檢測(cè)，例如鋁制工件、鈦工件等非磁性材料。此外，磁粉探傷的靈敏度與磁化方向也具有一定聯(lián)系，如果裂紋方向與磁化方向保持近似平行的狀態(tài)，工件的表面裂紋是極為不容易顯現(xiàn)出來(lái)的。而且表面較淺的劃傷或較深的孔洞，磁粉也無(wú)法做到較為明顯地吸附，同樣無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)顯現(xiàn)。還有一種情況是工件的表面如果經(jīng)過(guò)涂層處理，會(huì)在較大程度上降低工件的磁性，導(dǎo)致檢測(cè)的靈敏度下降，而且工件表面涂層越厚，其磁性和檢測(cè)靈敏度就越低[2]。最后一點(diǎn)在于工件如果是利用電流來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)進(jìn)行磁化的，那么檢測(cè)結(jié)束后還需要進(jìn)行退磁處理。

3 磁粉探傷技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 磁粉探傷檢測(cè)方法的現(xiàn)狀

磁粉探傷是工業(yè)用工件缺陷檢測(cè)極為常用的檢測(cè)技術(shù)之一，其應(yīng)用的時(shí)間較長(zhǎng)，技術(shù)方法的運(yùn)用也較為成熟，絕大多數(shù)工廠和生產(chǎn)磁性工件的制造廠都在使用磁粉探傷技術(shù)進(jìn)行鐵磁性零部件的表面和近表面缺陷檢測(cè)?？茖W(xué)技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)一直在不斷地研究與發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步促使所生產(chǎn)的工件質(zhì)量提升、缺陷存在率逐漸降低，缺陷的尺寸與形狀也越來(lái)越小?；诖它c(diǎn)，發(fā)達(dá)國(guó)家研制了一種利用脈沖式磁化與退磁技術(shù)進(jìn)行巨大尺寸的工件檢測(cè)，并設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出質(zhì)量較輕、方便攜帶的針對(duì)小型工件檢測(cè)的磁粉探傷設(shè)備，其設(shè)計(jì)理念是基于交叉和正交線圈相結(jié)合的工件磁化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)尺寸較大工件和特異形狀工件進(jìn)行檢測(cè)的功能[3]。

就技術(shù)性來(lái)講，目前國(guó)內(nèi)具有世界級(jí)影響力和競(jìng)爭(zhēng)力的磁粉探傷設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)的企業(yè)和制造商數(shù)量極少，具有頂尖競(jìng)爭(zhēng)力的磁粉探傷設(shè)備生產(chǎn)和研發(fā)技術(shù)的企業(yè)多數(shù)分布在歐美等國(guó)家，如德國(guó)、意大利、美國(guó)等。而在缺陷檢測(cè)的識(shí)別方法上，我國(guó)的一些科研機(jī)構(gòu)嘗試研究將技術(shù)成熟的機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到磁粉探傷領(lǐng)域中，其主要涉及數(shù)字圖像處理和識(shí)別技術(shù)模式的融合應(yīng)用，并且取得了一定成果，但還無(wú)法做到推廣應(yīng)用，仍需完善。

3.2 其他無(wú)損檢測(cè)探傷的研究

目前，我國(guó)對(duì)于磁粉探傷技術(shù)的研究通過(guò)對(duì)國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)技術(shù)的借鑒和實(shí)際的檢測(cè)方法研究，在磁粉耗材和設(shè)備儀器上都做出了很大水平的改善。國(guó)外國(guó)家大多習(xí)慣使用具有較高濃度的磁懸液進(jìn)行稀釋配置來(lái)實(shí)現(xiàn)磁化標(biāo)準(zhǔn)和磁粉附著效果的實(shí)現(xiàn)，而國(guó)內(nèi)目前所使用的是干磁粉兌油基進(jìn)行磁懸液的配置。由于磁粉處于長(zhǎng)時(shí)間在磁懸液的浸泡下，其表面的染料會(huì)自行脫落，并導(dǎo)致熒光粉的效果降低，以致無(wú)法實(shí)現(xiàn)磁粉檢測(cè)過(guò)程中相關(guān)精準(zhǔn)度的提升。國(guó)內(nèi)的設(shè)備儀器在穩(wěn)定性上也與發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定的差距，國(guó)外的磁粉探傷設(shè)備多數(shù)是由美、德、日等發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)和研制的，其技術(shù)相比國(guó)內(nèi)的領(lǐng)先程度較高。整體來(lái)講，國(guó)內(nèi)目前具有較高技術(shù)水平和高質(zhì)量設(shè)備的制造商較少，對(duì)于磁粉探傷設(shè)備的研究方向也各有不同[4]。目前，我國(guó)位于上海的企業(yè)已經(jīng)逐漸向磁粉檢測(cè)設(shè)備的便攜化方向研究，自動(dòng)化水平和自動(dòng)判別技術(shù)已經(jīng)取得一定成果，在很大程度上改善和提升了磁粉探傷檢測(cè)技術(shù)的精度、效率和檢測(cè)效果。

3.3 當(dāng)前人工視覺檢測(cè)方法的問(wèn)題與難點(diǎn)分析

目前的人工視覺檢測(cè)方法仍存在很多問(wèn)題，首先是工件的磁化方面受到很多因素的限制，尤其是工件的材質(zhì)要求較高，只能針對(duì)部分磁化程度較高的金屬工件進(jìn)行檢測(cè)；其次是人工視覺檢測(cè)會(huì)受到人為因素、視覺疲勞和檢測(cè)環(huán)境的影響，人眼的視覺識(shí)別存在長(zhǎng)時(shí)間觀察下所形成的視覺差，對(duì)檢測(cè)精度造成較大影響。

4 自動(dòng)無(wú)損探傷和自動(dòng)判別技術(shù)構(gòu)成

4.1 磁痕成像系統(tǒng)自動(dòng)無(wú)損探傷的磁粉采集部分

磁粉采集和磁痕成像系統(tǒng)的構(gòu)成主要是依靠LED 紫外光燈、以太網(wǎng)口交換機(jī)、高清晰分辨率的工業(yè)用相機(jī)和工業(yè)鏡頭所組成的。紫外光照明燈由多個(gè)紫外光LED 照明燈燈珠組成，采用的紫外燈必須達(dá)到較高的照明度才能滿足磁痕成像的光照度要求。另一方面，工業(yè)用高分辨率的工業(yè)相機(jī)的分辨率不能低于1920×1080，要求其攝像速率必須達(dá)到一定幀率，并具有較廣的視角、成像精度和良好的成像質(zhì)量，可以按照不同現(xiàn)場(chǎng)、不同工件表面狀態(tài)進(jìn)行鏡頭的選擇和設(shè)定，相機(jī)接口要以以太網(wǎng)口為佳，配合交換機(jī)和電腦同時(shí)連接多臺(tái)高清相機(jī)，以提升成像速度，確保磁粉檢測(cè)和磁粉的采集精度[5]。

4.2 磁痕成像系統(tǒng)自動(dòng)無(wú)損探傷的磁痕缺陷判別部分

缺陷判別是整個(gè)磁痕成像系統(tǒng)自動(dòng)無(wú)損探傷檢測(cè)的重要組成部分，因其檢測(cè)的工件表面所具有的缺陷會(huì)呈現(xiàn)不同性質(zhì)、不同位置和不同的磁痕特征，要求磁痕成像系統(tǒng)自動(dòng)缺陷判別的功能能夠隨位置變化指標(biāo)的缺陷選擇識(shí)別算法，將工件的目標(biāo)位置作為識(shí)別的主要特征，并依據(jù)圖像中的工件區(qū)域預(yù)先分割感應(yīng)區(qū)，針對(duì)不同感應(yīng)區(qū)選取不同算法，確保磁痕特征值和工件缺陷的熒光亮度等因素確定。

5 磁痕成像系統(tǒng)的應(yīng)用分析

5.1 磁痕成像系統(tǒng)自動(dòng)化水平的應(yīng)用

實(shí)現(xiàn)磁痕成像系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，首先需要采集磁粉。根據(jù)磁粉的采集進(jìn)行磁粉探傷結(jié)果的圖像化，對(duì)超過(guò)原有質(zhì)量要求的缺陷磁痕進(jìn)行自動(dòng)篩選和分類，此過(guò)程中需要注意對(duì)其自動(dòng)操作的過(guò)程進(jìn)行記錄、存儲(chǔ)、打印和圖像處理，并按照缺陷磁痕的探測(cè)部位、長(zhǎng)度、形狀、范圍、性質(zhì)等進(jìn)行自動(dòng)篩選、歸類，并按照標(biāo)準(zhǔn)要求判斷是否符合探傷標(biāo)準(zhǔn)，如果達(dá)到輪軸磁粉探傷的自動(dòng)識(shí)別裂紋缺陷和自動(dòng)判傷的標(biāo)準(zhǔn)就能夠確定其缺陷程度，借此來(lái)實(shí)現(xiàn)磁粉探傷檢測(cè)過(guò)程的自動(dòng)化運(yùn)行和精準(zhǔn)效果的達(dá)成。

其主要的應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)在于磁粉的檢測(cè)效果是基于磁痕圖像來(lái)進(jìn)行顯示和判定，磁痕缺陷是否能夠清晰地顯現(xiàn)和檢測(cè)，磁密度的保證極為重要。必須在工件磁化時(shí)選擇最佳的磁化方向，并使工件達(dá)到足夠磁化的強(qiáng)度，使工件得到完全合適的磁化。磁化的方法也是選擇最佳的產(chǎn)生漏磁場(chǎng)的方向，并確保磁化電流值的適當(dāng)調(diào)整和設(shè)置。

5.2 磁粉檢測(cè)的探傷結(jié)果準(zhǔn)確應(yīng)用

按照磁痕成像系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量和對(duì)圖像處理軟件的應(yīng)用，能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)磁痕圖像的自動(dòng)采集，并依據(jù)原始圖像進(jìn)行缺陷的對(duì)比和自動(dòng)判別，這一過(guò)程中要注意對(duì)原始磁痕圖像的采集精度控制設(shè)定，確保其圖像的清晰度和位置的精準(zhǔn)錄入，使其所形成的原始圖像的處理能夠依據(jù)缺陷磁痕的位置、尺寸和形狀進(jìn)行自動(dòng)對(duì)比和判別顯示，并且按照輪軸、輪對(duì)圖形中的分布進(jìn)行精準(zhǔn)的位置確認(rèn)，此功能可避免因人工觀察檢測(cè)而導(dǎo)致的人為誤差，也是對(duì)檢測(cè)效率的有效提升，最大程度上降低因漏報(bào)、錯(cuò)報(bào)缺陷而導(dǎo)致探傷結(jié)果的準(zhǔn)確性下降情況。

5.3 提高LED 紫外線燈與高清工業(yè)相機(jī)的組合應(yīng)用

磁痕成像系統(tǒng)的運(yùn)行和高精度圖像的成像處理的基礎(chǔ)，在于LED 紫外線燈與高清工業(yè)相機(jī)的組合使用。LED 紫外線燈的照射能夠使磁粉形成較為明顯的狀態(tài)，并通過(guò)高清晰度的工業(yè)相機(jī)進(jìn)行快速的影像捕捉，由此形成磁粉探傷的原始圖像，才能夠進(jìn)行自動(dòng)探傷的檢測(cè)和探傷的自動(dòng)判別技術(shù)。因此，對(duì)于LED 紫外線燈與高清工業(yè)相機(jī)的組合應(yīng)用，必須要做到高標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)定與調(diào)試，確保LED 紫外線燈光線的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定和冷光源、無(wú)熱輻射、響應(yīng)時(shí)間快和點(diǎn)量無(wú)延遲等標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的具備，而且要能夠?qū)崿F(xiàn)高清相機(jī)與LED 紫外線燈之間的高速同步，使其能夠形成磁痕采集的基本單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)高清晰度、高質(zhì)量磁痕圖像的獲取。

進(jìn)行磁痕影像的快速捕捉時(shí)，注意對(duì)一些工件幾何形狀引起的非相關(guān)顯示的判別準(zhǔn)確性技術(shù)調(diào)整。非相關(guān)顯示主要指不屬于缺陷所引起的，而是與工件材質(zhì)、形狀結(jié)構(gòu)、磁化方式或者加工技術(shù)等因素有關(guān)。一般來(lái)講，存在非相關(guān)顯示不會(huì)影響工件正常投入使用，大多數(shù)存在非相關(guān)顯示的工件在質(zhì)量和安全上都屬于合格品。但值得注意的是，非相關(guān)顯示與相關(guān)顯示較為相似，常會(huì)造成判別技術(shù)中將其與磁痕探傷相混淆，從而造成誤判。所以在應(yīng)用高清成像技術(shù)設(shè)備時(shí)要注意將這一問(wèn)題進(jìn)行有效解決。

5.4 磁粉檢測(cè)探傷結(jié)果的判定依據(jù)

磁痕圖像的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化技術(shù)在線文檔記錄、檢測(cè)時(shí)間、節(jié)點(diǎn)、操作人員、檢測(cè)工件數(shù)、廢品率、合格率以及圖像數(shù)據(jù)查詢等信息數(shù)據(jù)的獲取和存儲(chǔ)，尤其是能夠進(jìn)行磁痕圖像的自動(dòng)粘貼和生成格式的設(shè)定，并形成極為詳細(xì)的磁粉探傷記錄與檢測(cè)報(bào)告，使磁粉檢測(cè)的探傷結(jié)果能夠有據(jù)可查，提供判定依據(jù)的數(shù)據(jù)支持。從技術(shù)層面來(lái)講，磁粉檢測(cè)探傷結(jié)果的判定依據(jù)具有較高的科學(xué)性、精確性和可靠性，從磁粉采集到成像，從判別和最終磁痕探傷的準(zhǔn)確識(shí)別，再到檢測(cè)報(bào)告等一系列的操作可以看出，每一個(gè)環(huán)節(jié)都能夠做到合理和有序，并保留下相關(guān)的操作和流程記錄，確保檢測(cè)結(jié)果的精確程度。

6 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)中的鐵鑄件質(zhì)量檢測(cè)，其工作環(huán)境和工作方式對(duì)質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果和工作人員的身體健康都會(huì)帶來(lái)極大影響。磁痕成像系統(tǒng)的自動(dòng)化技術(shù)研究以及自動(dòng)無(wú)損探傷和自動(dòng)判別技術(shù)的應(yīng)用，能夠在最大程度上提高缺陷磁痕的檢測(cè)結(jié)果和精準(zhǔn)的自動(dòng)捕捉，并進(jìn)行高精度的自動(dòng)識(shí)別與自送判別，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)檢測(cè)效率、檢測(cè)質(zhì)量和檢測(cè)精確度的最大程度提升。磁痕成像系統(tǒng)的自動(dòng)化技術(shù)還能夠廣泛應(yīng)用到多種工業(yè)生產(chǎn)和鐵鑄件的生產(chǎn)檢測(cè)當(dāng)中，能夠全面提高機(jī)械生產(chǎn)和機(jī)械設(shè)備、車輛維修制造等生產(chǎn)質(zhì)量的整體技術(shù)水平，對(duì)制造質(zhì)量和行車安全有著極為重大的作用與實(shí)際意義。