用于探测诸如轧制/冷拉金属杆的工件上的表面缺陷的装置和方法

专利名称：用于探测诸如轧制/冷拉金属杆的工件上的表面缺陷的装置和方法
用于探测诸如轧制/冷拉金属杆的工件上的表面缺陷的装置和方法有关联邦资助的研究的声明本发明或其部分是根据国家标准与技术研究院(NIST)授予的合 作协议70NANBOH3014号在美国政府的资助下完成的。美国政府具 有本发明的某些权利。相关申请的交叉引用本申请是题目为"AN APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING SURFACE DEFECTS ON A WORKPIECE SUCH AS A ROLLED/DRAWN BAR"的2005年8月2日申请的美国申请系列 11/194985号(其现在未决)的部分继续申请(CIP)，该未决申请依 次是题目为"APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING SURFACE DEFECTS ON A WORKP正CE SUCH AS A ROLLED/DRAWN BAR"的2002年12月27日申请的美国申请系列 10/331050号(现在为US 6950546)的部分继续申请(CPI)，US 6950546 依次要求2002年3月12日申请的美国临时申请系列60/430549号的 权利，这里通过参考它们的全部并入了它们每个的公开。发明背景1. 相关领域本发明总体涉及能够对工件的表面细节成像的成像系统，该工件 比如是轧制/冷拉金属杆。2. 相关技术描述通过诸如轧制或冷拉的机械工艺生产金属杆是已知的。该金属杆 不同于金属板、锭、或带(以下称作金属扁平物(metal flat))，因为该杆具有较小的周长/横截面面积比率，使得该杆在向前纵向地移动 时可以绕其纵轴旋转/扭转。例如，对于给定的形状当横截面面积为1时，示于图2中的杆形状的周长与横截面面积的比率等于或小于4.25。 当在横截面截取时，该金属杆的形状可以是圆形(产品102)、椭圆 形(产品104)、或多边形(如在图2中示为六边形(产品106)、八 边形(产品108)、或正方形(产品110))。此外，该金属杆长度大。 长度与周长的比率典型地超过10并且长度比横截面关键尺寸(比如 圆形杆的直径或方形杆的侧面宽度)超过30。此类型的金属杆在相 关工业中典型地称作"长产品"而不是"扁平产品"。如本公开中使 用的并且以下称作减小工艺的轧制、冷拉、挤压等描述用于通过诸如 轧辊、冷拉模的可应用的工具与工件的机械接触来减小金属工件的横 截面尺寸的方法。这些减小工艺本质上通常是连续的或基本连续的。在金属生产工业中，出现或不出现表面缺陷是据以对金属产品作 出评估的相关标准。例如，表面缺陷占钢杆和棒工业的外部废品(即 被客户除去的)的一半。然而，传统的技术不能提供探测该缺陷的可 靠的方法。存在传统的检查方法不能克服的的多个挑战。首先，在当金属杆产品是"热的"时进行检査的情况，温度会高 达IIO(TC，阻碍了许多检查技术的使用。其次，该金属杆沿如上述 的其纵轴的行进速度目前可以快达100m/s，比最快的金属带的速度 快数倍并且比金属板或锭快几乎100倍。此外，在近的将来速度的增 长预期在150m/s到200m/s的范围。传统的检査方法完全不能实现这 么高的行进速度。第三，诸如上述的高温金属杆典型地限制在组合的 导管中以便杆不是拙劣地放在一起(cobble)。拙劣地放在一起是其中 热的、高速金属杆在导管外自由延伸的事件。因此，用于任何检查设 备的空间是极有限的。最后，该金属杆的长度和其纵向移动的事实一 起使得其处理难并且成本高。虽然使用多个成像方法在线检查铸件或轧制的金属扁平物是已知 的，但是迄今为止可见光成像方法没有用于在线长产品(即具有大长 度的金属杆)的检查中。传统的成像系统被认为不可能用于检査金属 杆等，因为金属杆的几何形状使得用于增强/俘获扁平的表面上的缺陷的照明和成像设计失效。图4示出在扁平的工件(即，图像线318 会聚在扁扁平物316上的照明线上)与圆的工件上应用照明和俘获图 像的差异对比。至于非扁平的工件，当感兴趣的物体不具有扁平的表 面时，在光学对准和光学工作范围中的自由度消失了。例如，如果光 或相机倾斜，则图像线18和照明线18'可能不交叠，如图4中以示例 方式示出的。 一个现有技术方法利用区域相机的应用来检査杆表面。 然而，其要求在成像时杆静止。另一现有技术方法利用线扫描相机的 应用，由于其扁平的照明设计，仍然需要杆旋转用于扫描。为了克服 高的纵向行进速度，在另一现有技术中使用光敏二极管，而不是成像 传感器。光敏二极管的使用限制了对杆表面上短的、横向缺陷的探测 能力。此方法不能探测长的、薄的缺陷，诸如钢杆中的裂缝。为了避免照明问题，报道了红外(IR)成像设备的应用。在此方 法中，IR相机用于俘获来自长产品的自辐射光。此方法限于仅基于 表面温度的表面缺陷探测。由于腔理论，热物体的表面空隙(void) 显得比其近邻热，即使这些空隙与其近邻在相同的温度，这是已知的。 由于IR辐射的聚焦分辨率限制，此方法还受限于其探测能力。本领 域技术人员已知，光学聚焦分辨率与辐射的波长成反比。典型地，IR 相机比可见相机贵几乎IO倍并且由于传感器的性质，IR相机在成像 速度上受到限制。因此，此方法不能适应今天的长产品的速度。温度也使得长产品不同于它们的扁平对应物。金属杆典型地在比 金属扁平物高的温度。物体的热耗散与暴露于诸如环境空气或水雾的 冷却介质的面积成比例。假定金属扁平物和金属杆由相同材料制成并 且都具有相同的纵向单位密度和横截面面积，则金属扁平物的面积比 金属杆的面积大数倍。然而，在减小工艺中使用基于成像的仪器用于杆的规格测量/控制 (赝品测量)、杆的存在/出现、以及杆的行进速度测量是己知的。在长产品的评估中使用诸如基于涡流的仪器的电磁设备也是己知 的。在减小工艺中使用基于涡流的感测系统来探测表面缺陷用于在线 检查。此方法具有高的响应速率，能够在高吞吐量的生产线环境(例 如，每分钟一千根热钢杆)中工作。然而，此方法具有数个缺点。首先，它必须非常靠近热的表面(典型地小于2.5mm)。因此，它是摆 动敏感的和温度敏感的。此外，它不能描述探测到的缺陷的性质，在 此意义上来说它是不能定量的。最后，涡流方法不能探测某些类型的 缺陷。因此，来自涡流设备的检查结果不被金属工业用于对特定产品 的质量的确定性判断。相反，基于涡流的仪器的输出仅用于定性分析， 比如"这批钢杆总体比上周生产的那批差"，例如在减小工艺中仅为 工艺控制目的。本领域尝试的另一个方法使用超声检测。这是用超声传感器代替 涡流传感器的方法。然而，许多与基于涡流的仪器相关的限制，比如 短的工作距离，施加了相等的约束。本领域使用的其它的检査技术包括磁性穿透(magnetic penetrant),环流、以及利用感应热的红外成像。然而，这些技术的使用受到限制。 首先，这些技术仅能够在"冷的"金属杆上使用。也就是说，不能将 这些技术用于热轧制应用期间或短时间后的在线检查。还有，检查前 必须将金属杆去掉氧化层。此外，磁性穿透麻烦和不方便。该过程典 型地依赖于人对紫外照明的观察，而不是自动成像和探测。环流设备 是基于涡流的单元，设计有旋转探测头。该旋转机构限制此设备在具 有高的行进速度(典型地3m/s)的金属杆的检査中的应用。由于移 动检测头的设计，这种设备还是昂贵的。感应热和红外成像的组合基 于感应电流仅在金属杆的表面形成并且金属杆上的表面缺陷会导致 较高的电阻的事实。因此，具有表面缺陷的点将比其它区域加热快。 存在与此方法相关的问题，因为(a)该较快的加热是瞬时效应并且 因此时限(采集图像的时间)非常关键；和(b)红外传感器不能用 于非常高的数据速率并且因此不能支持具有高行进速度的金属杆。当然，在金属杆制造后检查是可能的。然而，制造后检查经常是 不可能的，因为产品很长并且盘绕起来了，使得冷检査技术不易接近 杆的表面。当前，对以减小工艺制造的金属杆的实时检查非常有限。即使通 过传统的在线涡流检査系统标示了缺陷信号，金属杆也通常从制造商 运到用户。由于金属杆产品上的表面缺陷对用户不是立即明显的，因此3至6个月后会出现用户抱怨。这些抱怨使金属杆供应商(即制造 商)受到损失。金属杆供应商将针对整巻/批给用户退款或分担检查 该杆巻4比外的部分的附加的劳动的花费。因此，需要一种装置和方法以最小化或消除上面提出的问题的一 个或多个。发明内容本发明的一个目的是克服与用于基于成像的装置的传统方法相关 上述问题的一个或多个，该装置适于在线或离线使用，以探测轧制/ 冷拉金属杆上的表面缺陷。本发明致力于解决与传统的金属杆检查系统相关的问题和与应用 金属扁平物检查系统到金属杆上以通过使用成像系统来对金属杆上 的表面缺陷进行无损检查相关的问题的一个或多个。本发明的一个优点是它可以有效地在具有上述特点的金属杆的生 产中使用，所述金属杆即，可以在制造温度、或许甚至足够热以致产 生自发辐射的那些以及相对纵轴易受旋转并可以潜在地以高速度行 进的那些。本发明的其它优点包括(0有效地应用于对非扁平的表 面上的缺陷进行成像和探测；(ii)不管金属杆的温度而对其进行捡查 的使用；(iii)用于检查以100m/s或更快的速度行进的金属杆；(iv) 提供了到金属杆表面的增加的工作距离，因此最小化或消除了在背景 技术中针对基于涡流的仪器提出的问题；(v)提供包括具有可验证的 缺陷位置图像的定量数据的输出；(vi)甚至在氧化层在工件表面上 形成之前对工件进行检査；(vii)适于在减小工艺中任何阶段(在减 小台架之间或在工艺线终端)的检查中使用，而不会受到瞬时效应的 影响或依赖瞬时效应；(viii)提供实时或近实时表面质量信息；(ix) 提供没有任何移动检测头的系统，由此最小化或消除了在背景技术中 提出的移动元件的问题；(x)提供仅需要非常小间隙(小于50mm) 的能够在金属杆导引管截面之间操作的系统；以及(xi)无需另外的 杆处理机构/装置。然而，装置和/或方法不必具有前述优点的每一个， 或甚至它们的主要部分。本发明仅由所附权利要求限定。提供了用于对沿纵轴延伸的细长杆进行成像的系统。所述系统包 括图像获得组件、线灯组件、以及计算单元。所述图像获得组件具有 视场，配置为对杆表面的周长上第一预定宽度进行成像以限定图像 带。所述图像获得组件还配置为产生对应于所述获得的图像带的图像 数据。所述线灯组件配置为投射具有第二预定宽度的光线到所述杆的所 述表面上。相对所述图像获得组件设置所述光线组件，例如通过对准， 使得所述图像带在所述光线带内。所述光线组件还配置为使得当通过 图像获得传感器的每个收集光时沿所述图像带的光强基本是一致的。为封装目的，线灯组件可以包括诸如以获得设计的投射角度的反 射镜的反射元件的集合。为了可以维护，所述反射元件的所述集合设 计为可分离的。最后，所述计算单元耦合到所述图像获得组件并且配置为接收在 杆沿纵轴移动时由图像获得组件获得的多个图像带的图像数据。所述 计算单元还配置为处理图像数据以探测杆的预定表面特征。在优选实施例中，探测的特征是表面缺陷并且所述图像获得组件包括n个数码 相机，其中n是整数3或更大，设置为使得相机的组合视场与图像带 对应。还展示了对金属杆成像的方法。


现在将参照附图通过示例的方式描述本发明，其中数个图形中相 同的参考数字标识相同的元件，其中图1是本发明的实施例的示意图和框图视图；图2是适用于通过根据本发明的实施例检查的工件的示例几何形 状的横截面视图；图3示例金属扁扁平物的横截面几何形状；图4是示例应用于金属扁扁平物和杆的传统照明方案的图解视图；图5是示例在行进时受到导管限制的杆和相邻导管之间的间隙的简化的透视图，根据本发明的实施例可以处于间隙中；图6是示例使用一个相机在金属杆上的成像范围的简化的平面视图；图7是示例使用一个相机和远心透镜在金属杆上的成像范围的简 化的平面视图；图8是示例基于投射到杆外形上的相同大小的格子的弧长变化的 简化的平面视图，格子比如是像素线；图9是示例根据本发明的用于感表面的照明设置的简化的平面视图；图10是进一步更详细示例图9的照明设置的简化的平面视图； 图11是与本发明的照明设置结合使用的金属杆的简化的透视图； 图12是示例在周围方向对准杆表面的照明设置的简化的平面视图；图13A是示例根据本发明的用于杆表面的照明和成像设置的另一 实施例的平面视图；图13B是图13A的照明设置的图解视图，其使得反射元件的集合 可以容易地被取回用于清洁并恢复用于运行，如示于安装的位置；图13C是图13B的照明设置的图解视图，包括反射元件的集合， 示于部分地被移除的位置；图13D是图13B的实施例的图解、透视图，示出保护管；图13E是图13B的实施例的图解、侧视图；图13F是相对于图13D中的侧面从相反侧面观察的图13B的实施例的图解、透视图；图14A示例表面缺陷和一些表面噪声；图14B示例应用于图14A的图像的根据本发明的图像处理步骤的 示例结果；图15A-15C示例可能在金属杆上存在并能够通过根据本发明的实 施例探测的长表面缺陷的示例；图16A-16C示例可能在金属杆上存在并能够通过根据本发明的实 施例探测的相对短的表面缺陷的示例。
具体实施方式
本发明容许在金属杆被轧制、冷拉等(即发明背景中描述的减小 工艺)而没有另外的处理施加于它时，对金属杆的表面缺陷进行自动 检查。图l示意性地示出根据本发明的优选实施例。在进行与附图一致的本发明的详细描述前，将提出概述。本发明 提供如下特征1 、能够针对通过减小工艺制造的不同横截面几何形状的金属杆工作；2、 能够针对金属杆在高达165(TC的杆温在线工作；3、 能够针对以100m/s或更高速度行进的金属杆工作；4、 能够探测关键其尺寸小到0.025mm的表面缺陷；5、 能够报告诸如缺陷的大小、位置(在杆上)、图像等的缺陷性质；6、 能够适应不同的杆大小，例如通过最小调整仅从5mm到 250mm;7、 能够提供实时或几乎实时的检査结果；8、 能够利用到目标物体的小的通道窗口 (小于50mm)工作；9、 检査时没有移动部分；10、 不对杆进行另外的处理；以及11、 在商业的、重工业金属生产厂连续操作。图1是根据本发明的系统的简化的示意图和框图。图1显示线灯 组件，其可以包括至少一个光源2、光导管4、多个线灯6和对应的 多个光放大器8。图1还示出计算单元10和图像获得组件，图像获 得组件可以包括多个相机12，每个具有对应的透镜14。继续参照图1，在检查的工件或物体，比如是沿纵轴延伸的细长 的金属杆16，示为当杆16经过减小工艺时沿其纵向方向20以高达 100m/s或更快的速度移动。金属杆16可以是由从包括钢、不锈钢、 铝、钛、镍、铜、青铜、或任何其它金属、和/或它们的合金的组中 选择的一个形成的。杆16可以是实心或空心的。典型地，这种金属杆在16在导管内行进，如在图5中更详细地示出的导管24 (未在图 1中示出)。间隙26 (示于图5中)限定在两个相邻导管24之间，并 且典型地非常小，例如在约20到50mm之间(从高速通行的金属杆 16的轴线方向上取得的)。应当理解，金属杆16可以在升高的温度， 例如对热轧制工艺热达IIOO'C。还应当了解，对于给定几何形状的 金属杆16，当其在方向20上行进时，易于绕其纵轴不可控制地在由 图1中的箭头21所示的方向扭转/旋转。不可控制的旋转的这种可能 性己经呈现了传统成像系统的问题(除了别的问题以外)。如下面更 详细描述的，本发明克服了此问题，提供对扭转和/或旋转鲁棒的成 像系统。为了探测杆16上的表面缺陷，提供的根据本发明的成像系统必须 具有某些特征，如下述。继续参照图1，成像系统包括图像获得组件， 其优选地包括n个成像相机12，其中n是整数3或更大。基于下面 提出的分析将参数n选择为3或更大。将每个相机12设置为覆盖至 少120°的圆周跨度以对杆16的整个表面成像。也就是说，图像获 得组件具有复合的或组合的视场，配置为对杆16的整个圆周表面成像以限定图像带18。如下面进一步描述的，图像获得组件还配置为 基于图像带18产生图像数据。现在将提出对相机的数目的参数n的 分析。如图6中所示，与相机12相关的规则的透镜14会具有由两条相 切的视线28形成的视角(视场)，视线从透镜14的焦点到杆16的表 面延伸。当投射到非扁平的表面时，比如是图6中所示的，此视角将 导致小于180°的圆周范围30并且仅使用两个透镜/相机单元不足以 覆盖360° ，其中透镜不是远心的。图7示出具有远心透镜14'的设置。即使使用了，因为弧长变化， 收集平行视线的真实远心透镜实际上也不会提供两-透镜/相机系统。 尤其是，视线28平行于增加到透镜14的远心透镜14'。在这种情况 下，圆周范围30是360。。理论上讲，仅使用两个透镜/相机单元能 够覆盖圆形杆16的整个表面。然而，如上面提到的，弓l起了不一致 的像素大小的问题。如图8中所示，如来自具有多个像素的均匀地间隔的成像传感器 32的均匀地间隔的视线34能够导致杆16的表面上不均匀的弧长36， 像素到像素。即使间隔是诸如CCD芯片的成像传感器上的非常典型 的设置。能够使用如下述的公式(1)计算弧长36:公式(1): S=p/cos(e)其中S是映射到在位置y的像素的弧长36， p是像素阵列的间距 或像素大小，而0是能够从公式(2): e^arcsin(y/r)推得的投射角， 其中y公并且r是金属杆16的半径。从图8可以知道，随y—r， 0—卯° 。随0—90° ，基于公式(l)， S弧长36将接近无限。实际上，S将仍然是有限数。然而，S会基本 (数倍)比p (像素大小)大。也就是说，此区域的图像分辨率将变 得如此差以致此方法不可行。需要注意，能够对图8中的底部一半应 用同样的弧长分析，在这种情况下，y——r。使用三个相机，e能够确定在60。。当6=60°时，S弧长36(图 8中在12点钟和6点钟位置)仅是2p，其是图像分辨率中可接受和 可控制的变坏。如果期望更好的图像分辨率，可以使用四个相机或五 个相机，或甚至更多的相机(即以上提到的参数n可以是等于四、五 或更大的整数)。如图1中所示，优选地设置所有透镜14/相机12的 组合，以便所有该透镜/相机组合沿与示例金属杆16的圆形几何形状 同心的圆环路径22设置，以便工作距离(从每个透镜14到最近的金 属表面的距离)对所有透镜/相机组合相同或几乎相同。需要注意， 为通常地适合于相同制造线的目的，如果金属杆是非圆形的，比如六 边形，路径22可以保持圆形的。本领域技术人员能够理解，如果需 要，可以使得路径22符合实际的杆的几何形状。为了适应金属杆16的潜在地非常高的行进速度，优选地使用高数 据速率相机12。系统中的相机12因此优选数码相机，具有给计算单 元10的数字输出。为信号保真目的，期望此数字输出格式适用苛刻 的环境。可以通过诸如IEEE-1394 (也称作火线)、相机链接或USB 端口的标准通信信道或称作帧捕获器的专门接口由计算单元10接收 此数字格式的图像信号。每个相机12优选地能够产生至少每秒10000000 (或10百万)个像素，以便能够标识0.025mmx0.5mm的缺陷特征。然而，应当理解，为了探测较大的特征，需要减小的分辨率， 并且因此减小的数据速率(每秒的像素)。当杆16行进不快时，即使 能够使用先进的(非交错的)面扫描相机，也优选线扫描相机。线扫 描相机相对于面扫描相机具有优点，因为线扫描相机仅需要照明线， 而不是照明面。这简化了由非扁平的表面引起的照明复杂性。在使用 线扫描的情况下，将对准图1中的所有相机，以便它们的成像线会在 杆16上形成圆周环，图像带18。为解决扭转和/或旋转(项21)问 题，此对准是必须的。如果不保持此对准，则扭转或旋转运动会导致 对杆表面的不完全覆盖。再次返回参照图1，每个相机可以具有透镜14以收集从杆表面反 射的光。即使能够使用规则透镜，为更一致的弧长分布，优选远心透 镜(收集平行图像光线的透镜，如以图7所示的)。此外，可以将透 镜配置为包括透镜光圈以控制曝光，并且进一步，优选地配置(如果 包括了)为在应用中利用预定的透镜光圈设置以提高焦/场的深度。继续参照图1，根据本发明的成像系统还包括线灯组件，配置为 投射光线带到金属杆16的表面上。优选地，线灯组件包括多个线灯 6。这些线灯可以是诸如激光器的单个光源，或诸如光纤灯的光传输 设备，如图1中所示。光传输设备必须利用至少一个光源工作，如图 1中所示。如果照明需要较高的光密度，可以使用多于一个光源。对 于以非常高的速度行进的金属杆16，由于等同于相对短的曝光时间 的非常高的线/帧速率，相机可能会采光不足(lightstarved)。因此可 以对每个线灯使用光放大器8，以聚集光并提高光强。此放大器8可 以是柱形透镜或半柱形透镜。为了对处于升高的温度的金属杆16使 用根据本发明的成像系统，线灯和放大器必须由配置为承受该升高的 温度的专门材料制成。例如，为适应此目的，每个线灯6可以配置为 具有其自己的玻璃窗口。在光纤线灯的情况下，与光纤结合在一起的 材料必须能够承受高温，比如是高iS环氧树脂。放大器8也必须由能 够承受高温的材料制成。可用的材料包括玻璃、耐热玻璃、水晶、蓝 宝石等。图9是示于图1的优选实施例的顶视图。为了克服采光不足，线 灯和相机之间的对准是重要的。如图9中所示，减小工艺后的金属杆 16的表面，在例如去除氧化层工艺之前，可以当作反射表面。因此， 公式(3)中提出的光学定律适用公式(3):"入射角二反射角"公式(3)优选地用于优选实施例中以最大化由多个相机12俘获 的反射光。线灯6的每一个将发射光线40，其由放大器8放大并投 射到金属杆16的表面上。光线40被反射到路径42并且由透镜14并 最终由相机12接收。需要注意，在图9中，金属杆16在方向20上 行进。投射和反射的光线40和42形成角度44，被金属杆16的表面 法线相等地分开。此角度44必须尽可能小，归因于上述与非扁平的 表面相关的问题，如图4中所示。在图4中，光线18'和图像线18 在非扁平的表面上不会交叠。理想的情况是图9中的角度44为0'C。 因为这仅通过使用束分裂器才可能，所以当系统的采光不足归因于由 例如使用束分裂器而施加的内在功率损耗时，这样做是较不实际的。 假定0%的传输损耗，束分裂器能达到的最好效率是25%。因此，优 选地选择角度44以使其合理地小，比如l °或在其附近。如果需要， 可以使用反射镜38以为了小的角度44辅助封装相机和灯。这是在此 应用中使用线扫描相机的另一个原因。线扫描相机仅需要小宽度的图 像路径42，比如从4到30微米。利用小的图像路径特征，角度44 可以保持非常小。图10更详细地示出图9的照明设置的部分。如上述，除非使用束 分裂器，角度44不会是0度。因此，每个线灯6必须具有实际宽度 W (图10中的项41)。能够看见在图10中金属杆16具有中心线46。 线48表示杆表面上60。的分界，从杆的左手侧的相切界线开始并增 加到右侧，如图10中所示。 一个相机必须能够对金属杆16的到此 60°分界线48的上一半成像。在三-相机实施例中，上述计算适用。 如果使用更多的相机，线48对四-相机系统可以表现为45° ，对五-相机系统为36°等等。如果对称地设计，相机还能够以60°对金属 杆的下一半成像。为了获得此范围，光线宽度W必须大于阈值，基于公式(4): <formula>formula see original document page 17</formula>其中，r是杆半径，而a是入射角(角度44的一半)。如果在本发 明的成像系统中使用不同于三的数量的相机，60°可以由其它角度代 替。图11中进一步示例此概念，其中图像线42明显地不同地弯曲， 仍然由光线40覆盖。换句话说，图像获得组件(例如，优选实施例 中的多个相机)俘获杆16的整个圆周表面上具有第一预定宽度的图 像带18。线灯组件(例如，优选实施例中的多个线光源)投射具有 第二预定宽度的光线带到杆16的表面。线灯组件相对图像获得组件 设置和对准，以便图像带落入光线带之内。通过前述，克服了非扁平 的表面的问题。此外，必须设置这些线灯，以便如从杆表面上的点反射到覆盖该 点的相机的光强对图像带18上所有点是一致的(图l)。更详细的示 例示于图12中。所有的照明必须遵守公式(3)中描述的定律。图 12示例对一个相机的此设置。应当理解，可以对本发明的成像系统 中使用的其它相机重复该设置。基于公式(3)，由入射光线40和反 射光线42形成的角度必须被表面法线50均分开。如图12中，照明 器52优选地包括曲表面。照明器52是这样的设备基于公式(3), 其发射的光线(垂直于发射点的此曲面)会被杆16的表面反射到相 机12中的成像传感器和透镜14。需要注意，曲面52不必是圆形曲 面。此曲面52取决于曲面52和杆16 (即目标)的表面之间的距离。 如果杆不是圆的，曲面52可以不是平滑曲面。即使可以利用现代技 术制造具有曲面52的照明器，该照明器也仅能够用于具有设计的直 径的杆16。在一些应用中，这是不实际的。 一种可选是利用光线6 和8的阵列模拟该照明效果，如示于图12中。可以使得光线/放大器 的每个组合可调整，以便其方向能够如由项54所示的重新指向以适 应具有不同直径的目标。光线方法在杆16不是圆形的情况下也是有 益的。图13A是根据本发明的系统的另一实施例的简化示意图和框图视 图。此实施例提供包含反射元件的可非常容易地维护的盒子，反射元件封装在相对地小的空间(例如，20到50mm)中，以便工件/正移 动的杆16被包含并在通过导管24等的方向20上纵向地移动时可在 小的通道间隙26 (最佳地示于图5中)中操作。图13A示出线灯组 件6、光放大器8、相机12、透镜14、用于入射/照明的光线40的反 射镜38、用于表示杆表面的图像的反射(图像)光线42的第二反射 镜38'、以及诸如具有第一部分43a和第二部分43b的管43的保护设 备，43b沿轴"A"与第一部分间隔开并偏移，以限定通道空间43c。 保护部分43a、 43b配置为保护相对地易碎的成像和照明元件免受起 源于可以处于升高的温度(如上述)的移动杆16的热、冲击(例如 接触)和其它污染(例如微粒)的影响。部分43a和43b可以是圆周 的。孔隙43c可以配置成容许照明光线40和反射(图像)光线42进 入/离开的大小和形状。保护管43可以由适于将热的钢杆16与本发 明的系统的其它部分隔离的金属或其它耐用材料形成。图13A还示出污染减小机构，使用真空，配置为减小空气传播的、 大小相对地小的污染物62的出现，比如是碎屑粉末或微小的水雾， 其可以出现在保护管43的通道空间43c的最近邻或附近空间中(即 从保护管内部的移动金属杆发出的污染物)。该污染减小机构可以结 合通道43c中或附近的空气刀或空气擦等操作，通道43c配置为阻挡 较大污染物完全离开通道空间43c。基于真空的污染减小机构的一个 优点是其保持光学元件相对地无污染，或在减小的污染水平，由此保持它们较干净并改善光学性能(即与脏的光学元件相比)。此外，此 污染减小机构可以用于减小成像路径上的空气传播的污染物，这可以 改善图像获得构件的可见性。污染减小机构包括具有真空连接器66的真空端效应器64、具有 配置为连接到连接器66的第一端的管或其它真空导管66'、以及诸如 真空泵72的耦合到导管66，的另一端的真空源。真空端效应器64优选地是环形的，如图中所示，且绕环轴形成并 具有限定保护管43的通道空间43c中和附近的空间的真空吸入入口 70。如安装的，端效应器64的环轴基本与金属杆沿其移动的纵轴一 致。端效应器64是薄壁结构并且通常是封闭的几何形状，其多个相18邻的、外部薄壁侧面限定内部真空腔室68。在优选实施例中，环形 真空端效应器64的特征在于径向横截面中的矩形形状(最佳地示于 图13E)。然而，应当理解，真空端效应器64可以采取多种形状，例 如，半环对，以协同操作的方式设置以提供绕通道空间43c的周边的 真空范围。此外，真空端效应器64可以采取绕通道空间43c的周边 设置的多个直的杆的形式。其它的变体是可能的，它们在本发明的精 神和范围内。真空源(泵72)通过导管66'、真空腔室68操作，并最终经由吸 入入口 70施加真空(这样基本地排空)于包括任何小的、空气传播 的污染物62的通道空间43c的最近邻空间。图13B是示出配置在可移除的盒子152中的多个反射镜38 (照明 引导)的图解前透视图。图13B示出八个反射镜38，由对应数量的 镜座138支撑。盒子152是可移除的并显示在安装的位置(图13B) 和在几乎完全移除的位置(最佳地示于图13C中)。盒子152示为装 配在诸如板150的支架上。板150可以通过底板154链接到本发明的 成像系统的其它元件。在示例实施例中，板150配置为包含绕板150的内部周边的滑动 沟槽156。盒子152包括多个装配突起158 (示出了以径向地相对的 对设置的四个)，配置为与沟槽156匹配的大小和形状。尺寸公差是， 使得当盒子152在安装位置时，盒子152，特别是其反射镜38,可以 适当地与元件14/12和元件6/8对准。应当了解，盒子152包括无源 元件，即照明引导反射镜38和图像反射镜38，(最佳地示于图13E 和13F)，并且因此不需要经由电缆、电源线等到包括本发明的照明 和成像系统的盒子152外部的其它元件的任何连接。这提供了优点， 因为由于没有这些连接，可以相对容易地将盒子152移除用于清洁并 重新安装。通过使用具有合适的匹配特征以也在沟槽156中滑动并保持在那 里的诸如简单的锁合部件153 (以图13B中的虚线示出)的合适的锁 定和保持机构(例如，固件)，盒子152可以保持在安装位置(即处 于对准)。本领域技术人员会了解，存在可选的合适的锁定和保持机构的广泛变形。在图13B的实施例中，使用四个相机12。 图13B还以透视图示出了污染减小机构的环的实施例。 图13C是在移除位置的盒子152的简化的图解视图。通过首先使 可能在使用的任何锁定和保持机构152失效/无效，并在箭头160所 示的方向移动盒子，可以容易的移除盒子152，例如用于维护(例如 清洁、修理、重对准)。通过反转上述程序，可以容易地重装配/重安 装盒子152。图13D是图13B的实施例的图解、前透视视图，示出管状的保护 设备43a和43b。图13D还示出在安装、锁定位置的锁定和保持机构 153。在如示出的安装位置，照明引导反射镜38和图像引导反射镜 38，分别与光线组件(光源6和放大器8)和透镜14/相机12对准。图13D还示出真空端效应器64，如通过中间在径向横截面上取得 的(为清楚起见省去了环的一半)。如所示，端效应器64包括限定内 部真空腔室68的多个薄壁侧面。也示出了吸入入口70，其可以通过 移开径向地向内朝向的角以暴露吸入入口 70而形成。图13E是图13B的实施例的图解、侧视图，盒子152在安装位置。 图13E示出与透镜14和相机12对准的图像引导反射镜38'。图13E 还示出限定在保护管部分43a和43b之间的相机观察间隙43c。图13E还示出图13D的横截的真空端效应器64的侧视图。图13E 作为侧平面视图示出内部真空腔室68和真空吸入入口 70。入口 70 通常径向地向内朝向，并限定通道空间43c的周边。可以使用传统的构造技术和材料(例如金属或其它耐久材料)形 成真空端效应器64。真空连接器66和导管66'也可以包括本领域技 术人员所知的传统的构造技术和材料。此外，真空泵72可以包括本 领域技术人员所知的传统装置。例如，真空泵72可以是本领域所知 的文氏管或电气类型或其它类型。可以通过小污染物62的特定的度数、出现和类型，以及吸入入口 70相对于通道空间43c的方向和附近的几何形状来确定期望的、预 选择的应用的真空水平(即，在吸入入口 70观察的真空水平)。可以基于上述确定的期望的应用的真空水扁平，并考虑端效应器64的特 定几何形状和大小/体积以及连接器66和导管66'的大小和长度，来 确定真空泵72的对应的性能特性。图13F是图13B的实施例的图解后透视图。图13F示出盒子152 中的三个图像引导反射镜38，(每个透镜14/相机12组合用一个反射 镜38')。需要注意，图13F中一个反射镜38'被遮掩了，其是对应的 透镜14/相机12组合。返回参照图l，计算单元IO耦合到多个相机12。计算单元10配 置为接收在杆16沿纵轴在方向20 (方向20最佳地示于图1中)上 移动时由相机12连续获得的多个图像带18的图像数据。可以使用帧 捕获器接收图像信号。然而，系统中的相机优选地是数码相机，如上 述。计算单元可以包括一个或多个计算机以便具有足够的计算能力来处理图像数据。图像处理硬件可以与软件结合使用以获得较快的计算 速度。如果使用多个计算机，则这些计算机可以通过诸如TCP/IP等 的计算机间链接链接到一起。在任何情况下，计算单元10配置为处理探测杆16的表面的预定 特征的图像数据。在优选实施例中，特征是表面缺陷。这样，将针对 缺陷处理数据，在图14A-14B中以示例方式示出了该缺陷。图像典 型地包含真实的缺陷(例如，项302)和噪声，比如刮痕(例如，项 304)。使用用诸如C、 0+ +的机器语言等的计算机代码实施的，或 在硬件逻辑中实施的图像处理算法来过滤噪声，并探测真实的缺陷， 如306中所示。要标识的缺陷可以是长的并具有大的纵横比，如图 15A-15C中所示，其中项308可以是100mm长，而项310可以表示 0.050mm的宽度。或者，缺陷可以是短的并具有接近l比1的纵横比， 如图16A-16C中所示。这些算法是本领域所知的，但是将被概要地 描述。处理的第一层可以包含图像中局部差异的比较，比如将第一预 定的阈值与局部差异比较。处理的第二层可以包括应用第二预定的阈 值以探测缺陷的性质，比如是大小、位置、长度和宽度等。结合图1描述和示例的优选实施例也会具有保护以防止灰尘、水、 摆动、以及诸如热轧制工厂或冷拉工厂的典型金属处理工厂中的其它损坏因素。本领域技术人员应了解，在减小工艺中进一步限定杆并分 离地使用三个或更多个单-相机的系统用于检查是可能的。本领域技术人员还应了解，覆盖(例如，检査)杆的表面的少于 整个圆周的部分对减小工艺线中统计工艺控制目的是足够有用的。本领域技术人员还应当理解，如果仅使用每个面扫描图像的某一 部分用于处理的话，也能够使用非常高速(高数据速率和高帧速率) 的面扫描相机代替线扫描相机。还可以理解，如果金属杆处于升高的温度，可以结合透镜使用滤光器，以便仅反射光线42 (图12)中某些波长会用于携带金属杆的 表面信息。该波长不是由在所述升高的温度的金属杆发射的那些或主 要由其发射的那些。对于比在165(TC或比其冷的金属杆，能够使用 436nm的波长。在这种情况下，将使用436nm处的干涉滤光器和透 镜。波长可以随温度变化。如果温度降低，可以使用较长波长。在另一变体中，光线组件可以配置为包括闪光灯，其中计算单元 10将照明(即闪光)与由图像获得组件(例如优选实施例中的相机 12)执行的图像俘获功能同步。在另一实施例中，计算单元10配置为保持探测的缺陷的延伸记 录，包括(0在通过机械地减小金属杆的横截面面积的工艺制造的 杆16上，每个探测的缺陷相对诸如诱导端的"起始"位置的各自的 位置；(ii)探测的缺陷的性质的各自的标记，性质比如是大小、形状、 差异；以及(iii)可选地，探测的缺陷的和围绕探测的缺陷的位置的 真实图像。该记录对供应商/制造商是有用的，例如，用于确定先期 折扣，并可以提供给用户(例如，在磁盘或其它电子构件上)用于进 一步的处理，例如，杆的哪些部分要避开或进行继续的工作。
权利要求
1、一种用于对在制造过程中沿纵轴延伸并移动的细长的杆成像的系统，所述系统包括图像获得组件，具有视场，配置为当所述杆在移动时对所述杆表面的周长上第一预定宽度进行成像以限定图像带并产生与其对应的图像数据，所述图像获得组件包括n个数码相机，其中n是整数3或更大，设置为使得其组合视场对应于所述图像带，所述相机包括线扫描相机；光线组件，配置为投射具有第二预定宽度的光线带到所述杆的表面上，相对所述图像获得组件设置所述光线组件，使得所述图像带在所述光线带内，所述光线组件还配置为使得沿所述图像带的光强基本是一致的；可移除的盒子，具有与用于所述盒子的支架相关的安装位置和移除位置，所述盒子包括(i)处于多个线光源和所述杆中间的照明引导反射镜，以及(ii)处于所述杆和所述相机中间的图像引导反射镜，当所述盒子在所述安装位置时，所述照明反射镜和所述图像引导反射镜是对准的；以及计算单元，耦合到所述图像获得组件，且配置为接收在所述杆沿所述纵轴移动时由所述图像获得组件获得的多个图像带的图像数据，所述计算单元还配置为处理所述图像数据以探测所述杆的预定表面特征。
2、 如权利要求1所述的系统，还包括锁定和保持机构，配置为 将所述盒子保持在所述安装位置。
3、 一种用于对在制造过程中沿纵轴延伸并移动的细长的杆成像 的系统，所述系统包括图像获得组件，具有视场，配置为当所述杆在移动时对所述杆表 面的周长上第一预定宽度进行成像以限定图像带并产生与其对应的图像数据，所述图像获得组件包括n个数码相机，其中n是整数3 或更大，设置为使得其组合视场对应于所述图像带，所述相机包括 线扫描相机；光线组件，配置为投射具有第二预定宽度的光线带到所述杆的表 面上，相对所述图像获得组件设置所述光线组件，使得所述图像带 在所述光线带内，所述光线组件还配置为使得沿所述图像带的光强 基本是一致的；保护设备，包括具有第一部分和第二部分的管，所述第二部分被 沿所述纵轴与所述第一部分间隔开并偏移以限定通道空间，所述管 设置于细长的杆和所述图像获得组件和所述光线组件中间，所述通 道空间的大小和形状配置为容许(i)所述光线带进入，以及(ii) 所述图像带离开；以及计算单元，耦合到所述图像获得组件，且配置为接收在所述杆沿所述纵轴移动时由所述图像获得组件获得的多个图像带的图像数 据，所述计算单元还配置为处理所述图像数据以探测所述杆的预定 表面特征。
4、 如权利要求3所述的系统，其中所述管包括金属。
5、 如权利要求3所述的系统，还包括污染物减少机构，配置为 减少在最邻近所述保护管的所述通道空间的空间中污染物的出现。
6、 如权利要求5所述的系统，其中所述污染物包括碎屑粉末和 水雾的一种。
7、 如权利要求5所述的系统，其中，所述污染物减少机构包括 真空端效应器，具有限定内部真空腔室的外壁，所述端效应器还包 括吸入入口，位于所述保护设备的所述通道空间的最近邻，所述真 空端效应器配置为连接到真空源。
8、 如权利要求7所述的系统，其中，所述真空端效应器是环形， 具有与所述纵轴基本一致的环轴，所述吸入入口的大小和形状配置 为限定所述通道空间的周边。
9、 如权利要求8所述的系统，其中，所述真空端效应器在径向 横截面上基本是矩形的，通过移开所述真空端效应器的径向地向内 的角而形成所述吸入入口。
10、 如权利要求7所述的系统，其中所述真空端效应器包括半环 形主体部分对。
11、 如权利要求7所述的系统，其中所述真空端效应器包括多个 直的杆。
12、 如权利要求7所述的系统，其中，所述污染物减少机构还包 括导管，用于连接所述真空源到所述真空端效应器，所述真空源包 括真空泵。
13、 如权利要求12所述的系统，其中所述真空泵是文氏类型。
全文摘要
本发明致力于解决与金属杆上的表面缺陷的探测相关的问题和与应用金属扁平物检查系统于金属杆以进行无损表面缺陷探测相关的问题。一种专门设计的成像系统，其包括计算单元、线灯和高数据速率的线扫描相机，开发用于前述目的。目标应用是金属杆(1)对于给定的形状，当横截面面积是1时，该金属杆的周长/横截面面积的比率等于或小于4.25，(2)其横截面是圆形的、椭圆形的、或是多边形形状，以及(3)通过机械地横截面减小的工艺制作。所述金属可以是钢、不锈钢、率、铜、青铜、钛、镍灯，和/或它们的合金。所述金属杆可以在它们比制造的温度。可移除的盒子包括多个反射镜。保护管将移动金属杆与线灯组件和图像获得相机组件和图像获得相机隔离。污染物减少机构施加真空以移除空气传播的污染物。
文档编号G01B11/30GK101258510SQ200680032274
公开日2008年9月3日 申请日期2006年7月31日 优先权日2005年8月2日
发明者D·葛契斯, 张子恕, 黄洵皓 申请人:Og技术公司