多尺寸多结构工件的荧光磁粉表面缺陷成像检测系统的制作方法

本发明涉及磁粉无损检测技术，具体涉及一种多尺寸多结构工件的荧光磁粉表面缺陷成像检测系统。

背景技术：

磁粉检测技术是指在不破坏检测工件的条件下识别出铁磁性工件表面和近表面中的缺陷，如裂纹、发纹、气孔、夹杂、折叠等，具有很高的检测灵敏度，且能直接显示缺陷的形状、位置等信息，检测结果直观，检测成本低廉。

传统的荧光磁粉检测依靠工人人工操作完成，工人的劳动强度大，检测经验也不同，精神状态易受工作环境影响，导致检测效率不高，检测结果的一致性较差，且不可避免存在错检、漏检的现象。此外，检测所使用的光源对人体皮肤有一定的刺激性，长期暴露在该环境中容易引发皮肤病，影响工人健康。

为了克服这些缺点，研究者结合将自动控制技术、图像处理技术应用到磁粉检测系统当中，通过上位机对工件位置与喷淋操作进行控制，利用ccd等图像采集设备获取检测工件表面缺陷图像，并进行分析与处理，从而对铁磁性工件表面缺陷进行定性和定量分析；然而，这类设备主要是针对火车轮等单一对象进行检测的，对不同几何尺寸、含有不规则结构如存在曲面与台阶面的工件适应性低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种多尺寸多结构工件的荧光磁粉表面缺陷成像检测系统，以解决不同结合尺寸、存在曲面与台阶面等结构工件的磁粉检测的技术问题，达到铁磁性工件表面缺陷尺寸与位置等参数的定量目的。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种多尺寸多结构工件的荧光磁粉表面缺陷成像检测系统，包括检测床身、工件对中夹持装置、工件运动机构、磁悬液喷淋与回收装置、磁化装置、紫外光源、自动检测控制单元、图像采集设备、多自由度运动机构和图像处理单元，其中：

工件运动机构包括第一工件旋转运动机构、第二工件旋转运动机构、工件平移运动机构，第一工件旋转运动机构固定于检测床身的检测槽内，第二工件旋转运动机构随工件平移运动机构进行平移运动，以适应不同尺寸的工件，磁化装置包括磁化线圈和导电铜网，图像采集设备包括相机与激光位移传感器，多自由度运动机构包括电动垂直位移台、电动水平位移台、电动旋转台和龙门架脚轮；

磁化装置提供周向、纵向、复合磁化方式及退磁功能，工件对中夹持装置设置在磁化装置的导电铜网上，由可调卡盘构成，与图像采集设备的激光位移传感器配合使得检测工件的轴线与相机光心垂直一致；

磁化装置与工件对中夹持装置设置在第一工件旋转运动机构与第二工件旋转运动机构的内侧，上述各部件轴线一致；第二工件旋转运动机构位于工件平移运动机构的上方，工件平移运动机构根据检测工件的尺寸调节第一工件旋转运动机构与第二工件旋转运动机构的间隔距离；

工件运动机构设置在检测床身的检测槽内，磁悬液喷淋与回收装置设置于检测槽的一侧，喷淋范围覆盖工件平移运动机构的整个行程，适应不同长度检测工件的喷淋；

图像采集设备位于工件运动机构正上方，其周围安装有紫外光源，图像采集设备的激光位移传感器位于相机的一侧，相机通过连杆与多自由度运动机构的电动旋转台连接，电动旋转台由第三电机驱动旋转；电动旋转台通过连杆固定于电动垂直位移台的底部，电动垂直位移台由第二电机驱动进行上下垂直运动；电动垂直位移台设置在电动水平位移台上，电动水平位移台由第一电机驱动进行水平位移运动，电动水平位移台固定于龙门架上，龙门架通过龙门架脚轮控制移动；

紫外光源包括环形光源和方形光源，环形光源以相机轴线为中心，安装于电动旋转台的连杆上，方形光源数量为2个以上，以相机轴线为中心，在图像采集设备周围呈均匀分布，其中心线与相机轴线呈一定夹角，使得各光源交汇处覆盖整个图像采集区域。

自动检测控制单元与工件对中夹持装置、工件运动机构、磁悬液喷淋与回收装置、磁化装置、紫外光源、图像采集设备及其多自由度运动机构相连，用于实现各部分工作的开启与关闭，以及控制检测工件检测流程；

图像采集设备与图像处理单元相连，将所采集的含有工件表面缺陷信息的图像输入至图像处理单元，由图像处理单元进行图像预处理、缺陷分割及分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明采用的激光位移传感器轴线与相机轴线呈一定夹角，使得二者轴线的交汇处刚好位于检测工件的表面，可解决相机与工件轴线垂直调节及距离控制双重需求；(2)本发明采用的紫外光源位于图像采集设备的四周，最大限度的利用了检测照明强度，避免紫外光源位于一侧或暗室顶部等区域的检测设备所可能造成的遮挡问题、光照不均或不足问题，并降低由此所带来的后续图像处理的复杂度；(3)本发明所采用的工件运动机构与多自由度运动机构相互配合，提高了系统对不同几何尺寸、轴类、长方体类、多台阶、曲面等多种结构工件的适应性，增强了系统的通用性。

附图说明

图1是本发明多尺寸多结构工件的荧光磁粉表面缺陷成像检测系统的原理框图。

图2是本发明多尺寸多结构工件的荧光磁粉表面缺陷成像检测系统的结构图。

图3是图像采集设备局部构造图。

图4是图像采集设备中相机与激光位移传感器在检测距离为235mm时的安装方式示意图。

图5是含多层台阶的塔形件某段圆轴检测区域旋转位置示意图。

图6(a)和图6(b)是含多层台阶的塔形件台阶面的检测方式示意图。

图7是含多层台阶的塔形件某台阶面的检测结果示意图。

具体实施方式

结合图1、图2、图3和图4，一种多尺寸多结构工件的荧光磁粉表面缺陷成像检测系统，包括检测床身9、工件对中夹持装置13、工件运动机构、磁悬液喷淋与回收装置7、磁化装置、紫外光源19、自动检测控制单元、图像采集设备21、多自由度运动机构和图像处理单元，其中：

工件运动机构包括第一工件旋转运动机构11、第二工件旋转运动机构16、工件平移运动机构17，第一工件旋转运动机构11固定于检测床身9的检测槽18内，第二工件旋转运动机构16随工件平移运动机构17进行平移运动，以适应不同尺寸的工件，磁化装置包括磁化线圈12和导电铜网15，图像采集设备5包括相机22与激光位移传感器23，多自由度运动机构包括电动垂直位移台4、电动水平位移台6、电动旋转台20和龙门架脚轮8；

磁化装置提供周向、纵向、复合磁化方式及退磁功能，工件对中夹持装置13设置在磁化装置的导电铜网15上，由可调卡盘构成，与图像采集设备5的激光位移传感器23配合使得检测工件14的轴线与相机22光心垂直一致；

磁化装置与工件对中夹持装置13设置在第一工件旋转运动机构11与第二工件旋转运动机构16的内侧，上述各部件轴线一致；第二工件旋转运动机构16位于工件平移运动机构17的上方，工件平移运动机构17根据检测工件14的尺寸调节第一工件旋转运动机构11与第二工件旋转运动机构16的间隔距离；

工件运动机构设置在检测床身9的检测槽18内，磁悬液喷淋与回收装置7设置于检测槽18的一侧，喷淋范围覆盖工件平移运动机构17的整个行程，适应不同长度检测工件14的喷淋；

图像采集设备5位于工件运动机构正上方，其周围安装有紫外光源19，图像采集设备5的激光位移传感器23位于相机22的一侧，相机22通过连杆与多自由度运动机构的电动旋转台20连接，电动旋转台20由第三电机21驱动旋转；电动旋转台20通过连杆固定于电动垂直位移台4的底部，电动垂直位移台4由第二电机3驱动进行上下垂直运动；电动垂直位移台4设置在电动水平位移台6上，电动水平位移台6由第一电机2驱动进行水平位移运动，电动水平位移台6固定于龙门架1上，龙门架1通过龙门架脚轮8控制移动；

紫外光源包括环形光源和方形光源，环形光源以相机22轴线为中心，安装于电动旋转台的连杆上，方形光源数量为2个以上，以相机22轴线为中心，在图像采集设备21周围呈均匀分布，其中心线与相机22轴线呈一定夹角，使得各光源交汇处覆盖整个图像采集区域。

自动检测控制单元与工件对中夹持装置13、工件运动机构、磁悬液喷淋与回收装置7、磁化装置、紫外光源19、图像采集设备21及其多自由度运动机构相连，用于实现各部分工作的开启与关闭，以及控制检测工件检测流程；

图像采集设备5与图像处理单元相连，将所采集的含有工件表面缺陷信息的图像输入至图像处理单元，由图像处理单元进行图像预处理、缺陷分割及分析。

进一步的，系统还包括手动控制单元10，手动控制单元10与工件对中夹持装置13、工件运动机构、磁悬液喷淋与回收装置7、磁化装置及多自由度运动机构相连，采用手动按键形式控制各部分工作的开启与关闭。

进一步的，激光位移传感器23个数至少为1个。

进一步的，相机22轴线严格垂直于检测工件14表面，激光位移传感器23轴线与相机22轴线呈一定夹角，使得二者轴线的交汇处位于检测工件14的表面，满足距离控制需求。

进一步的，磁悬液喷淋与回收装置7的喷淋设备数量为多个。

为了详细说明本发明的技术内容，实现目的及效果，以下结合实施例并配合附图进行详细说明。

实施例

如图1、图2、图3所示，一种多尺寸多结构工件的荧光磁粉表面缺陷成像检测系统，包括工件对中夹持装置13、工件运动机构、磁悬液喷淋与回收装置7、磁化装置、紫外光源19、自动检测控制单元、图像采集设备21及其多自由度运动机构和图像处理单元；

其中工件运动机构包括第一工件旋转运动机构11、第二工件旋转运动机构16、工件平移运动机构17，第一工件旋转运动机构11直接固定于检测槽18内，第二工件旋转运动机构16随工件平移运动机构17进行平移运动，以适应不同尺寸的工件，磁化装置包括磁化线圈12以及导电铜网15，图像采集设备5包括相机22与激光位移传感器23，其多自由度运动机构包括电动垂直位移台4、电动水平位移台6、电动旋转台20、龙门架脚轮8；

磁化装置提供周向、纵向、复合磁化方式及退磁功能，工件对中夹持装置13安装于磁化装置的导电铜网15上，由可调卡盘构成，与图像采集设备5的激光位移传感器23配合使得检测工件14的轴线与相机22光心垂直一致；

磁化装置与工件对中夹持装置13安装于第一工件旋转运动机构11与第二工件旋转运动机构16的内侧，上述各部件轴线一致。第二工件旋转运动机构16位于工件平移运动机构17的上方，工件平移运动机构17根据检测工件14的尺寸调节第一工件旋转运动机构11与第二工件旋转运动机构16的间隔距离；

工件运动机构设置在检测床身9的检测槽18内，磁悬液喷淋与回收装置7设置与检测槽18的一侧，喷淋范围覆盖工件平移运动机构17的整个行程，适应不同长度检测工件14的喷淋；

图像采集设备5位于工件运动机构正上方，其周围安装有紫外光源19，图像采集设备5的激光位移传感器23位于相机22的一侧，相机22通过连杆与多自由度运动机构的电动旋转台20连接，电动旋转台20由第三电机21驱动旋转。电动旋转台20通过连杆固定于电动垂直位移台4的底部，电动垂直位移台4由第二电机3驱动进行上下垂直运动。电动垂直位移台4安装在电动水平位移台6上，电动水平位移台6由第一电机2驱动进行水平位移运动，电动水平位移台6固定于龙门架1上，龙门架1通过龙门架脚轮8控制移动。

自动检测控制单元与工件对中夹持装置13、工件运动机构、磁悬液喷淋与回收装置7、磁化装置、紫外光源19、图像采集设备21及其多自由度运动机构相连，用于实现各部分工作的开启与关闭，以及控制检测工件检测流程。系统还提供了手动控制单元10，手动控制单元10与工件对中夹持装置13、工件运动机构、磁悬液喷淋与回收装置7、磁化装置及多自由度运动机构相连，采用手动按键形式控制各部分工作的开启与关闭。

图像采集设备5与图像处理单元相连，将所采集的含有工件表面缺陷信息的图像输入至图像处理单元，由图像处理单元进行图像预处理、缺陷分割及分析等。

本实例中，第一工件旋转运动机构11与第二工件旋转运动机构16由两台110byg350b三相混合式步进电机带动旋转，采用tmx00三相混合式步进电机驱动器同步驱动；工件平移运动机构17是在tm1000系列交流伺服驱动0.75kw的lb系统电机进行平移运动，总行程为2000mm，使得系统可检测长度在0-2000mm范围内的工件；磁悬液喷淋与回收装置7的喷淋设备设置为11个，喷淋设备间间隔200mm；磁化线圈直径为450mm，导电铜网直径为300mm；紫外光源采用两台方形光源，其型号产品为s3840-4k型led黑光灯，对称安装于相机22两侧；图像采集设备设计检测区域为200mm×200mm，检出精度达φ0.5mm，要求相机22分辨率高于1200×1200，故本发明实例相机22采用mer-200-20gm型工业数字摄像机，激光位移传感器23采用1个panasonichg-c1200微型激光位移传感器，在检测距离为235mm的情况下，此时相机焦距已调整好，激光位移传感器23轴线与相机22轴线呈8.5°夹角，其角度示意图如图4所示。电动水平位移台6由同步带导轨及第一电机2组成，行程为2000mm，第一电机2采用700w的lb系统电机伺服电机，电动垂直位移台4中的第二电机3采用的是400w的lb系统电机伺服电机，其行程为400mm，电动旋转台20的第三电机21为57byg250h型号电机，旋转行程为正负50°。

下面结合含有多层台阶结构的塔形类工件的检测流程对成像检测系统的工作过程进行说明，工作环境必须为暗室，检测流程如下：

第一步，首先将塔形件置于工件对中夹持装置13内，调整好中心位置后，运行工件平移运动机构17使塔形件紧密的与两侧的导电铜网15接触，并通过工件平移运动机构17位置确定塔形件总长度；

第二步，由自动检测控制单元根据塔形件总长度选择打开喷淋设备的数目，并控制第一工件旋转运动机构11与第二工件旋转运动机构16进行旋转运动，保证磁悬液在工件表面分布的均匀性；

第三步，自动检测控制单元在喷淋完成后迅速打开磁化装置，对塔形件进行通电磁化，磁化过程分为3次，每次2s，使得磁悬液能在缺陷处马上聚集；

第四步，塔形件经喷淋、磁化等处理后，即进入图像采集检测阶段，首先由自动检测控制单元控制多自由度运动机构进行平移或垂直运动，带动相机到达位于第一工件旋转运动机构11处的工件一端，通过激光位移传感器23反馈值调整相机停留在工件235mm处的正上方，使相机对焦；

第五步，对塔形件分段检测，自动检测控制单元采用相机22拍摄——工件旋转60°角——相机22拍摄依次循环的模式，其拍摄位置如图5所示，该位置检测完成后控制相机22向前运动，获取下一区域或下一台阶圆周侧面图像，直至检测完整个圆周侧面，这里注意，若某个检测区域由两个台阶构成，则将该区域分为两部分进行检测，并根据移动时激光位移传感器23的反馈值突变确定台阶面所处位置；

第六步，圆周侧面检测完成后，自动检测控制单元控制电动旋转台20顺时针旋转45°，根据台阶面位置，控制电动垂直位移台4、电动水平位移台6到达距离被拍摄台阶平面约235mm的距离上，然后对台阶面进行拍摄。塔形件在第一工件旋转运动机构11与第二工件旋转运动机构16带动下旋转3次，每次120°，如图6(a)所示，直至检测完所有台阶面，图6(b)中虚线为相机轴线至台阶面的距离，实线区域为相机视场；

第七步，检测完成后，自动检测控制单元将图像输送至图像处理单元进行图像展开、畸变校正、缺陷分割与分析处理，从而实现整个塔形工件表面缺陷的定性定量测量的目的，如图7所示台阶面中的缺陷，该缺陷为一个长1.6mm，宽4mm的线性缺陷，方向角为28.6°。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则和精神之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。