微管視界——微細(xì)管道內(nèi)壁缺陷檢測(cè)儀

摘 要：隨著“中國制造2025”“工業(yè)4.0”的推進(jìn)，先進(jìn)制造、精密設(shè)備、特種設(shè)備的需求與日俱增，對(duì)工業(yè)零部件的質(zhì)量提出了更高要求。微細(xì)管道作為工業(yè)零部件的重要結(jié)構(gòu)，保證其質(zhì)量至關(guān)重要，但目前的微細(xì)管道缺陷檢測(cè)方法自動(dòng)化程度低、精度低、檢測(cè)效率低，無法滿足檢測(cè)需求。團(tuán)隊(duì)研制了一種微細(xì)管道內(nèi)壁缺陷檢測(cè)儀，包括微細(xì)管道內(nèi)壁成像裝置和微細(xì)管道內(nèi)壁缺陷檢測(cè)系統(tǒng)兩部分。該檢測(cè)儀具有檢測(cè)速度快、測(cè)量精度高、檢測(cè)過程智能等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)小口徑微細(xì)管道內(nèi)壁缺陷的精確化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：智能制造；新質(zhì)生產(chǎn)力；微細(xì)管道；缺陷檢測(cè)

1 作品簡介

本項(xiàng)目產(chǎn)品針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)線上大批量、多品種零部件中微細(xì)管道管內(nèi)缺陷及形貌測(cè)量現(xiàn)有方法存在的不足和應(yīng)用局限性，將視覺檢測(cè)技術(shù)、人工智能技術(shù)及視覺測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，圍繞微細(xì)管道管內(nèi)缺陷及形貌進(jìn)行非接觸、自動(dòng)檢測(cè)，設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、快速、在線的高精度、非接觸式微細(xì)管道管內(nèi)缺陷及形貌測(cè)量裝置。

該微細(xì)管道內(nèi)壁缺陷檢測(cè)儀具有檢測(cè)速度快、測(cè)量精度高、檢測(cè)過程智能等優(yōu)點(diǎn)，支持缺陷種類識(shí)別、缺陷尺寸測(cè)量，具有生成管道內(nèi)部全景圖等功能，可滿足管徑小于10 mm工件的微細(xì)管道內(nèi)壁缺陷測(cè)量需求。

該檢測(cè)儀檢測(cè)速度快（單個(gè)管道檢測(cè)時(shí)間為5 s），檢測(cè)精度高，可由計(jì)算機(jī)控制外部位移臺(tái)自動(dòng)完成測(cè)量任務(wù)，測(cè)量精度為0.01 mm。

2 技術(shù)原理

微細(xì)管道內(nèi)壁形貌測(cè)量裝置包括光信息傳輸部件、照明部件、圖像采集部件和高精度位移部件。借助光信息傳輸模塊將外部光源導(dǎo)入微細(xì)管道內(nèi)壁，利用工業(yè)相機(jī)采集微細(xì)管道內(nèi)壁局部圖像，通過控制外部升降臺(tái)位移和Z軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)測(cè)量裝置完成微細(xì)管道內(nèi)壁的圖像采集，使用圖像處理技術(shù)將各部分圖像進(jìn)行拼接，最終得到微細(xì)管道內(nèi)壁的完整形貌信息。

基于深度學(xué)習(xí)的缺陷檢測(cè)算法模型由缺陷判別網(wǎng)絡(luò)和缺陷分割網(wǎng)絡(luò)組成。缺陷判別網(wǎng)格基于輕量化卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)LCNN （Lite Convolution Nerual Network）構(gòu)建，LCNN由特征提取器和特征分類器組成。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于空間信息和語義信息解耦-融合的實(shí)時(shí)缺陷分割網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)驗(yàn)證，微細(xì)管道內(nèi)壁缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的缺陷識(shí)別準(zhǔn)確率為98.5%，缺陷測(cè)量誤差為0.01 mm，單張圖片的檢測(cè)時(shí)間為60 ms。

為解決深孔內(nèi)壁照明效果和成像質(zhì)量差的問題，提出了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像增強(qiáng)算法和基于圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的照明光強(qiáng)自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法、照明光強(qiáng)自動(dòng)優(yōu)化模塊及基于超薄柔性電路的高均勻度照明光源，根據(jù)實(shí)際成像調(diào)整光源光強(qiáng)，使微細(xì)管道內(nèi)壁成像裝置能夠自動(dòng)適應(yīng)管內(nèi)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種材質(zhì)管道內(nèi)壁形貌的完整采集。

為解決視像管傾斜對(duì)于缺陷尺寸測(cè)量結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)了誤差補(bǔ)償和畸變矯正算法，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)視像管與待測(cè)微細(xì)管道的位姿，設(shè)計(jì)針對(duì)斜視投影的誤差補(bǔ)償和矯正算法，從而使裝置能夠自動(dòng)矯正弧面投影畸變，將測(cè)量精度再提高10.8%，將系統(tǒng)誤差影響降至0.26%。

3 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

本文設(shè)計(jì)了基于光路空分復(fù)用系統(tǒng)的成像裝置，將網(wǎng)絡(luò)輸入由單一光強(qiáng)拓展為多維信息，解決了狹窄區(qū)域成像的光干擾問題。團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)光信息傳輸部件，配合光路空分復(fù)用系統(tǒng)，提高了成像質(zhì)量，降低了設(shè)備成本；利用人工智能代替人眼檢測(cè)；開發(fā)了針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)線的在線缺陷檢測(cè)系統(tǒng)。

4 應(yīng)用前景與市場(chǎng)

隨著中國儀器儀表行業(yè)的發(fā)展，政府相繼出臺(tái)了諸多政策扶持行業(yè)發(fā)展。2021年中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布了《儀器儀表行業(yè)“十四五”建議規(guī)劃》，指出加強(qiáng)高端儀器儀表的發(fā)展，優(yōu)先推進(jìn)行業(yè)中具有一定技術(shù)儲(chǔ)備和產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)、市場(chǎng)有一定需求規(guī)模的高端產(chǎn)品的發(fā)展，集中力量解決部分高端儀器儀表“卡脖子”等問題，彌補(bǔ)部分行業(yè)在高端產(chǎn)品領(lǐng)域的短板。