基于機器視覺的金屬棒材自動無損檢測系統設計

陳怡凡

（陜西服裝工程學院，陜西 西安 712046）

近年來，我國科學技術的發展促進了自動無損檢測技術的發展，社會市場對于此項技術的要求也逐步擴大。而且中國鋼鐵與計算機等行業在很大程度上促進了自動檢測技術的進一步改善與發展。對于鋼筋的檢測主要選擇超聲波與渦流自動檢測技術，以保障檢測效率。為切實滿足市場的多元化需求，研究人員一直致力于創新優化自動無損檢測技術，以此推動中國相關產業的穩定長遠發展[1]。

1 金屬棒材自動無損檢測技術

1.1 焊接自動無損檢測技術

一般而言超聲波檢測方法在鋼鐵焊縫自動檢測中的應用比較廣泛，準確性較高但是需消耗很長時間。若是檢測焊縫的時候發現其中存在故障問題，可以發送超聲波向傳感器傳輸故障信息，以便科學精確地評估。在檢測時，可選擇自動無損檢測技術，以保障焊接結構的合理性與完整性，從而提升自動檢測效率，推動工業健康發展[2]。

1.2 復合材料自動無損檢測技術

隨著科技革新發展，中國鋼鐵工業實現穩定發展。在部分重工業領域，尤其是鋼鐵，需要消耗大量復合材料，所以需要對材料進行批量化生產。在對復合材料進行自動無損檢測過程中，需確保檢測質量以及檢測的全面性。另外，多數工業采用的復合材料結構比較復雜，尺寸也非常大，這在一定程度上加大了檢測工作的難度。

隨著自動無損檢測技術應用范圍的不斷擴大，檢測的要求也逐漸提高，所以檢測設備的性能也需要逐步優化。現階段，常見復合材料主要采取超聲波檢測方法實現自動無損檢測，而在實際檢測時，所注重的方面非常多，尤其是材料結構特征方面，需要以先進的檢測設施與數控技術確保檢測工作的科學合理性與精確性。在復合材料自動無損檢測過程中，主要選擇超聲穿透法與反射法。而超聲穿透法主要基于入射聲波能量變化實現對復合材料問題的實時檢測，多數企業會選擇通過超聲波傳感器安裝實現數字化控制，從而提升無損檢測整體效率。此外，超聲反射法在無損檢測時無法準確識別超聲波，所以需進一步采用新型檢測設備，以保障換能器超速穩定運轉。

2 金屬棒材自動無損檢測工藝流程

金屬棒材自動無損檢測工藝流程具體如圖1所示。

圖1 無損檢測工藝流程

無損檢測領域最為常見的檢測技術分別具備各自獨特優勢與缺陷。單一的測試技術長期以來無法滿足全面的底盤和設備測試需求。復合材料自動無損檢測技術是一種結合兩種或多種技術的技術，通過各技術之間彼此彌補的形式良性結合，從而提升檢測準確性與完整性。其中超聲波可檢測到金屬棒材內部缺陷，渦流則可檢測到表面缺陷，二者的結合可在很大程度上滿足金屬棒材檢驗的整體性[3,4]。

3 基于機器視覺的金屬棒材自動無損檢測系統

金屬棒材復合式在線自動無損檢測采用工件螺旋前進的方式進行檢測，系統包括機械裝置、無損檢測工位、電氣控制部分等，具體結構如圖2所示。

圖2 金屬棒材復合式在線自動無損檢測系統結構

3.1 機械裝置

3.1.1 上下料裝置

上下料裝置具體如圖3所示。

圖3 上料裝置

進料臺的滾道在延伸部和進料輥之間呈鋸齒形，并以預定角度傾斜，滾道以特定順序與承載坯料干涉，滾道下有材料刻度。頂出時，工件被推出擋板并自動朝傳送臂旋轉，以此實現整個上料流程。

3.1.2 機械傳動裝置

機械傳動裝置可通過不同的推進方式完成工作。就超聲檢測工件而言，可實現螺旋式推進。就各種直徑工件而言，轉變從動輪視角，將螺旋的速度向前轉換。對于零件的渦流檢測，滾筒主要用于直線傳動，傳動方式由程序自主切換。機械傳動裝置具體如圖4所示。

圖4 機械傳動裝置

3.2 無損檢測工位

渦流檢測機構以檢測線圈、充磁裝置和退磁裝置為基礎，安裝在供電側的發射裝置表面，記錄儀與超聲波檢測儀一起放置在電氣柜內。為保障檢測效果，避免桿件傳動時發生振動，傳動裝置上設定了壓塊機構，通過油缸推出。傳動裝置設定了與壓塊機構類似的缺陷位置標記設備，通過控制器采樣檢測速度與固定距離，從而有效控制標記設備操作。

超聲波探調裝置安裝在水箱中，并配置傳動機構與探頭調節機構，兩側安裝了自動門，以氣缸驅使轉動。在檢測水箱下方設置補給水箱。在液位檢測相對偏低時，便會自動進行補水處理。而探頭調節器的工作是調整探頭位置、角度、線度。其中內部夾緊的時候，應確保對準聚焦探頭盡可能保持平行。

3.3 電氣控制

作為自動化無損檢測系統的關鍵部件，控制器的電氣部分在很大程度上直接控制整個系統的所有動作，可與上位機實時通信，傳輸金屬棒材信息，利于充分掌握整個系統的運行狀況。電氣控制程序功能具體如圖5所示。

圖5 電氣控制程序功能

工控機作為上位機，PLC作為現場控制器，負責接收來自現場傳感器和編碼器的相應信號，并與上位機實時通信。上位機選擇組態軟件設置控制流程，動態呈現發現過程，并基于界面按鈕實時管理整個過程和各個發現環節。

控制器選擇PLC，使用SFC進行編程。上位機采用MCGS軟件配置處理，專門分為登錄界面和控制界面兩部分。登錄界面由自動渦流檢測、自動超聲波檢測、手動調試、退出系統組成。檢測屏模擬實時動臂操作，并根據操作狀態設置報警燈。根據實際需要設置自動檢測啟動、檢測停止、緊急停止和警示燈。手動調試界面由氣缸電磁調試、時間設置、報警調試、發動機調試四個功能模塊組成，每個模塊為系統硬件設置相應的調試內容[5]。

4 系統調試及其應用分析

超聲波以偏心角入射，波形轉換為入射橫波，A掃描顯示無底狀態。縱波垂直下降，根據聲路設置，較低的波向外傳播。進行實時缺陷試塊檢測，觀察分析偏心探頭波形的狀態，快門安裝在36mm的聲路中，寬度約12mm。缺陷波形出現在30 mm聲程上，當聲程為40 mm時，振幅趨于最大值。然后幅度逐漸減小，轉移出閘門并消失不見。缺陷波形在超出閘門高度的時候，控制軟件會及時告警，發出聲光以提示。

設備工裝的現場調試狀況需要進行對應處理，即棒材易于發生彎曲，進料時，頭尾兩端突然彈跳，導致編程錯誤。程序中對頭尾兩端的信號進行濾波，以達到更滿意的結束效果；精度取決于刀具生產過程中的參數設置，這些設置是在調試過程中重新校正分析獲得的；在受局部電磁干擾的影響下，檢測信號不僅在檢測軟件中設置了閘門報警延時修飾，還在控制軟件上安裝了高速計數裝置，對同一缺陷信號進行多次采樣和確認，以便消除不必要的誤報現象缺陷。

通過調試和分析，所有設備在檢測過程、儀器設計、控制系統等方面均符合相關檢測標準。

5 金屬棒材自動無損檢測系統發展趨勢

近年來，金屬棒材自動無損檢測系統發展趨勢如下所示：

其一，超高精度檢測要求，降低原材料成本。在嚴格控制表面脫碳的條件下，實現熱軋局部替代銀亮材料加以使用，以節約材料綜合成本；內部檢測精確度符合相關標準，以滿足超高精度金屬棒材使用的具體要求。其二，明確劃分各種不同類型金屬的在線高速檢測裝置，從而最大程度上滿足特殊金屬材料的相關要求。其三，精確且實用在線測徑裝置，以滿足高檔產品對于同類型材料尺寸偏小范圍波動的有關要求。其四，科學合理選擇工藝設計與設備選型，進而滿足產品市場定位需求。