Система и способ для обнаружения поверхностных дефектов удлиненного прутка, перемещаемого в направлении его продольной оси

Система для обнаружения поверхностных дефектов удлиненного прутка, перемещаемого в направлении его продольной оси содержит устройство формирования изображения, имеющее поле зрения, используемое для создания изображения первой предопределенной ширины по окружности поверхности указанного прутка, чтобы определить полосу изображения и создать данные изображения, соответствующие этой полосе. При этом указанное устройство формирования изображения включает n цифровых кинокамер, где n является целым числом 3 или большим числом. Кинокамеры размещены так, что их общее поле зрения соответствует указанной полосе изображения. Также система содержит блок создания световой линии, предназначенный для проецирования полосы световой линии и имеющий вторую предопределенную ширину, на поверхность указанного прутка, который расположен относительно указанного устройства формирования изображений таким образом, что полоса изображения находится в пределах указанной полосы световой линии, а также вычислительный блок, соединенный с указанным устройством формирования изображения и служащий для получения данных изображения для множества полос изображения, захваченных указанным устройством формирования изображения по мере движения прутка в направлении его продольной оси. При этом указанный вычислительный блок обеспечивает обработку указанных данных изображения для обнаружения поверхностных дефектов указанного прутка. Технический результат - эффективное использование в производстве металлических прутков при высокой температуре; контроль изделий, вращающихся относительно продольной оси и перемещающихся с очень высокой скоростью; эффективное использование для обнаружения дефектов на криволинейных поверхностях и формирования изображений этих дефектов; обеспечение увеличенного рабочего расстояния до металлической поверхности прутка; использование технологической линии в процессе обжатия, не создавая побочных эффектов; выдача информации о качестве поверхности в реальном времени; создание системы, в которой отсутствуют какие-либо подвижные измерительные головки; создание системы, которой требуется только очень небольшой зазор (менее 50 мм) и которая может работать между направляющими секциями металлического прутка. 3 н. и 27 з.п. ф-лы, 15 ил.

 

ЗАЯВЛЕНИЕ ОТНОСЩЕЕСЯ К ФЕДЕРАЛЬНО-ФИНАНСИРУЕМЫМ ИССЛЕДОВАНИЯМ

Настоящее изобретение было сделано с поддержкой Правительства Соединенных Штатов по совместному соглашению №70NANBOH3014, заключенному с Национальным институтом стандартов и технологий (NIST). Правительство Соединенных Штатов имеет определенные права на это изобретение.

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА "РОДСТВЕНЫЕ" ЗАЯВКИ.

Настоящая заявка составлена по предварительной заявки США серийный номер 60/430549, зарегистрированной 12 марта 2002 года, которая включена здесь в качестве ссылки.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

Настоящее изобретение, в основном, относится к системе, которая может отображать детали поверхности заготовки типа катаного/тянутого металлического прутка.

Поверхностные дефекты являются причиной половины внешнего брака (т.е. конечного продукта (стального прутка), забракованного заказчиком). Однако существующая техника не обеспечивает надежных средств для обнаружения таких дефектов. Возникает несколько проблем, которые обычные способы проверки не могут преодолеть. Во-первых, если проверка осуществляется, когда металлические прутки находятся в "горячей зоне", где их температура может достигать 1100°С, невозможно использовать многие технологии проверки качества.

Во вторых, продольная скорость такого металлического прутка в настоящее время может достигать 100 м/с, что в несколько раз выше скорости самой быстрой металлической полосы и почти в 100 раз выше скорости перемещения металлического сляба или блюма. В ближайшем будущем ожидается увеличение скорости в диапазоне от 150 до 200 м/с. Обычные средства проверки просто не могут проследить такие высокие скорости перемещения. Третьей трудностью является то, что высокотемпературный металлический пруток типа описанного выше, как правило, заключен в направляющие в виде трубопровода, чтобы избежать его искривления. Искривление является предпосылкой к аварийной ситуации, когда высокоскоростной металлический пруток свободно выходит из направляющих.

Следовательно, пространство для размещения любого контрольного устройства чрезвычайно ограничено.

Хотя уже известны различные способы проверки качества литья или полосового проката путем формирования изображений поверхности, эта технология пока не используется для контроля качества длинных изделий (например, металлических прутков). Считается, что обычные устройства формирования изображений не годятся для использования при проверке металлических прутков и тому подобных изделий, поскольку геометрия металлических прутков не позволяет обеспечить должное освещение и использовать устройства формирования изображений для захвата и увеличения изображения дефектов на плоских поверхностях.

На фигуре 4 показана разница в использовании устройства освещения и формирования изображения плоской заготовки и круглой заготовки. В случае круглой заготовки, возможность оптического совмещения и выбора оптических рабочих диапазонов исчезает, когда объект, представляющий интерес, имеет криволинейную поверхность. Например, строка изображения и строка освещения не могут накладываться друг на друга, если источник световых линий или кинокамера имеют наклон, как показано на примере фигуры 4. Кроме того, металлические прутки, как правило, находятся в области более высокой температуры, чем полосовой металл. Рассеивание тепла объекта пропорционально площади, подвергнутой воздействию охлаждающей среды типа окружающего воздуха или струи воды.

Площадь металлической полосы в несколько раз больше площади металлического прутка при условии, что полоса и пруток сделаны из одного и того же материала и имеют ту же самую единицу плотности в продольном и поперечном направлении. Однако известно, что для того, чтобы использовать приборы, основанные на формировании изображения для измерения и контроля обработки прутка (измерение теневым методом), наличие прутка в технологической линии и измерение скорости перемещения прутка в процессе обжатия. Также известно использование электромагнитных устройств, таких как приборы, основанные на вихревых токах, для оценки длинных изделий. Системы, основанные на измерении вихревых токов, используются для обнаружения поверхностных дефектов для контроля процесса обжатия заготовки в технологической линии. Этот метод обеспечивает высокую скорость регулирующего воздействия, возможность работы в поточной линии высокой производительности (например, один километр горячих стальных прутков в минуту). Однако этот метод имеет несколько недостатков. Во-первых, датчик должен находиться вблизи горячей поверхности (как правило, на расстоянии менее 2,5 мм). Соответственно, он чувствителен к вибрации и к воздействию высокой температуры. Кроме того, этот способ не является количественным в том смысле, что он НЕ МОЖЕТ описать характер обнаруженного дефекта.

В конечном счете, способы, основанные на измерении вихревых токов, не могут обнаружить некоторые виды дефектов. В результате, проверка, основанная на применении дефектоскопия вихревыми токами, не используется в области металлопродукции для детерминированного суждения о качестве определенных продуктов. Скорее, выходные данные приборов, основанных на измерении вихревых токов, используются только для качественного анализа, типа рассуждения, что, мол, эта партия стальных прутков, в основном, хуже партии, произведенной на прошлой неделе. В процессе обжатия указанные приборы могут использоваться, например, для целей управления этим процессом.

Другим способом, используемым в промышленности, является способ ультразвукового контроля материалов. Этот способ основан на замене датчиков вихревых токов сверхзвуковыми датчиками. Однако многие ограничения, связанные с использованием приборов для измерения вихревых оков, например, связанные с коротким рабочим расстоянием, в равной мере распространяются и на ультразвуковые приборы. Другие способы проверки качества, используемые в данной области техники, включают магнитный пенетрант, циркумфлекс и инфракрасное изображение при индукционном нагреве. Однако использование этих технологий весьма ограничено. Во-первых, эти методы могут использоваться только на "холодных" металлических прутках. Иными словами, эти технологии не могут использоваться для оперативного контроля во время или вскоре после горячей прокатки. Кроме того, перед проверкой металлические прутки должны быть очищены от окалины. В заключение отметим, что использование магнитного пенетранта связано с загрязнением рабочего места и неудобно в использовании. Этот процесс, как правило, основан на наблюдении человеческим глазом при ультрафиолетовом освещении, вместо автоматического отображения и обнаружения. Циркумфлексное устройство основано на измерении вихревых токов с помощью датчика с вращающейся головкой.

Такой вращающийся механизм ограничивает применение этого устройства при проверке металлического прутка, движущегося с высокой скоростью, как правило, около 3 м/с. Такое устройство также дорого из-за использования сложного подвижного механизма. Сочетание индукционного нагрева и формирование инфракрасных изображений основано на том факте, что поток индукции формируется только на поверхности металлического прутка, и поверхностные дефекты на металлическом прутке приводят к повышению электрического сопротивления. Следовательно, пятна с поверхностными дефектами нагреваются быстрее, чем другие участки. Возникают трудности, связанные с тем, что (а) такой быстрый нагрев является переходным процессом и, следовательно, очень критичен по ограничению во времени (времени, необходимого для формирования изображения) и (b) пока не разработаны инфракрасные датчики для очень высоких скоростей передачи данных, и, следовательно, они не могут контролировать металлические прутки, перемещающиеся с высокой скоростью.

Конечно, можно осуществить проверку после изготовления металлических прутков. Однако постпроизводственная проверка часто невозможна, потому что изделие является очень длинным и намотанным на барабан, делая поверхности прутка недоступными для технологии холодных измерений.

В настоящее время, возможность осуществления проверки металлических прутков, изготовленных по технологии обжима в реальном времени весьма ограничена. Металлические прутки, как правило, сразу отправляются от изготовителя к заказчику, даже если обычной электроиндуктивной системой дефектоскопии были зарегистрированы сигналы о дефектах.

В результате, претензии заказчика могут быть получены только через 3-6 месяцев, когда будут обнаружены поверхностные дефектов на металлических изделиях, которые заказчик не смог обнаружить сразу. Такие рекламации компенсируются поставщиком металлического прутка (т.е. изготовителем). Поставщики металлического прутка либо возмещают заказчикам расходы путем поставки нового рулона, либо оплачивают стоимость дополнительной проверки деталей, сделанных из партии прутков или прутка, намотанного на барабан.

Следовательно, имеется потребность в устройстве и способе для сведения к минимуму или устранения описанных выше проблем.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Одной целью настоящего изобретения является преодоление одной или нескольких проблем, связанных с обычными способами применения устройств для отображения поверхностных дефектов металлических прутков, изготавливаемых способом прессования или вытяжки.

Настоящее изобретение направлено на решение проблем, связанных с применением обычных систем проверки качества металлических прутков, так же как и проблем, связанных с использованием систем проверки качества плоских металлических полос с помощью неразрушающего контроля поверхностных дефектов на металлических прутках с помощью системы формирования изображений.

Одно преимущество настоящего изобретения состоит в том, что оно может быть эффективно использовано в производстве металлических прутков с вышеупомянутыми характеристиками, возможно, при температуре производственного процесса, которая является достаточно высокой, чтобы самопроизвольно испускать излучение. Изобретение также применимо для контроля изделий, вращающихся относительно продольной оси, и могут потенциально перемещаться с очень высокой скоростью. Другие преимущества настоящего изобретения включают: (i) эффективное использование для обнаружения дефектов на криволинейных поверхностях и формирования изображений этих дефектов; (ii) использование для проверки металлических прутков независимо от их рабочей температуры; (iii) использование для проверки металлических прутков, перемещающихся со скоростями, равными или выше 100 м/с; (iv) обеспечение увеличенного рабочего расстояния до металлической поверхности прутка, таким образом, сводя к минимуму или устраняя проблемы, приведенные выше при описании недостатков систем, основанных на использовании вихревых токов; (v) обеспечивает выход, содержащий количественные данные с переменными изображениями дефектных участков; (vi) обеспечивает проверку заготовки даже до того, как на ее поверхности образуется окалина; (vii) система подходит для использования при проверке на любой стадии (между обжимной клетью или в конце технологической линии) в процессе обжатия, не создавая побочных эффектов; (viii) осуществляется выдача информации о качестве поверхности в реальном времени или почти в реальном времени; (ix) создание системы, в которой отсутствуют какие-либо подвижные измерительные головки, таким образом, сводя к минимуму или устраняя проблемы, связанные с подвижными компонентами, о которых упоминалось выше, и (х) создание системы, которой требуется только очень небольшой зазор (менее 50 мм), и которая может работать между направляющими секциями металлического прутка. Тем не менее, устройство и/или способ не обязательно должно иметь какое-либо из этих преимуществ или даже большинства их. Изобретение ограничено только объемом, приведенным в приложенной формуле изобретения.

Система предназначена для отображения удлиненного прутка, проходящего по продольной оси.

Система включает устройство формирования изображения, блок создания световой линии и вычислительный блок. Устройство формирования изображения имеет поле зрения, конфигурированное для отображения первой предопределенной ширины по окружности поверхности прутка, чтобы создать полосу изображения.

Устройство формирования изображения служит для получения данных изображения, соответствующих полученной полосе изображения.

Блок создания световой линии проецирует полосу световой линии, имеющей вторую предопределенную ширину, на поверхность прутка. Блок создания световой линии устанавливается в определенном положении по отношению к устройству формирования изображения таким образом, что полоса изображения находится в пределах полосы световой линии. Блок создания световой линии сконфигурирован таким образом, что интенсивность света является, в основном, равномерной по полосе изображения, когда свет собран в каждом из датчиков формирования изображения.

Вычислительный блок соединен с устройством формирования изображения и предназначен для получения данных изображения для множества полос изображения, полученных устройством формирования изображения по мере движения прутка по продольной оси. Вычислительный блок также служит для обработки данных изображения, чтобы распознать определенные особенности поверхности прутка. В предпочтительном варианте, обнаруженные особенности представляют собой поверхностные дефекты, и устройство формирования изображения имеет цифровые кинокамеры, где fa представляет собой целое число 3 или большее число, расположенные так, чтобы общее поле зрения кинокамер соответствовало полосе изображения.

Изобретение также включает способ отображения изображения металлического прутка.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение далее описывается на примере конкретных вариантов со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых аналогичные позиции идентифицированы одинаковыми цифровыми обозначениями на нескольких чертежах, на которых:

Фигура 1 - блок-схема одного варианта настоящего изобретения.

Фигура 2 - поперечный разрез примерных геометрий заготовок, подходящих для проверки по одному варианту настоящего изобретения.

Фигура 3 - вид в поперечном разрезе на плоский металлический лист.

Фигура 4 - схема обычного устройства контроля листового проката и прутка с помощью лучей света.

Фигура 5 - упрощенный перспективный вид на пруток, ограниченный направляющими во время его перемещения, и зазор между смежными направляющими, в котором может быть размещен датчик, согласно одному варианту настоящего изобретению.

Фигура 6 - вид в плане, на котором показано формирование изображения на металлическом прутке, при использовании одной кинокамеры.

Фигура 7 - вид в плане, на котором показано формирование изображения на металлическом прутке, при использовании одной кинокамеры и телецентрического объектива.

Фигура 8 - упрощенный вид в плане, показывающий изменение длины дуги, основанное на проецировании сеток одного размера типа строки элементов изображения на профиль прутка.

Фигура 9 - упрощенный вид в плане, показывающий устройство для освещения поверхности прутка в соответствии с настоящим изобретением.

Фигура 10 - упрощенный план, на котором устройство для освещения поверхности прутка Фигуры 9 показано более подробно.

Фигура 11 - упрощенный перспективный вид на металлический пруток в сочетании с устройством освещения по настоящему изобретению.

Фигура 12 - упрощенный вид в плане, показывающий устройство освещения, расположенное по окружности к поверхности прутка.

На фигуре 13А показан поверхностный дефект вместе с некоторым поверхностным шумом.

На фигуре 13В показан примерный результат операции обработки изображения после обработки изображения, показанного на фигуре 13А.

На фигурах 14А-14С показаны примеры поверхностных дефектов удлиненных заготовок, которые могут быть найдены на металлических прутках и которые могут быть обнаружены устройством по одному варианту настоящего изобретения.

На фигурах 15А-15С показаны относительно короткие поверхностные дефекты, которые может быть найдены на металлических прутках и которые могут быть обнаружены устройством по настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение позволяет осуществить автоматическую проверку металлических прутков на наличие поверхностных дефектов, когда металлические прутки проходят через прокатный станок, волочильный станок и тому подобное механическое устройство (т.е. осуществляется процесс обжима, описанный выше в разделе "Предпосылки создания изобретения"). На фигуре 1 схематично показан предпочтительный вариант устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Прежде чем перейти к подробному описанию настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, следует дать общий краткий обзор.

Настоящее изобретение имеет следующие отличительные особенности:

1. Оно способно работать с металлическими прутками, изготавливаемыми с помощью процесса обжатия и имеющими различную геометрию поперечного сечения;

2. Оно способно работать с металлическими прутками, нагретыми до температуры 1650°С;

3. Оно способно работать с металлическими прутками, перемещающимися со скоростью 100 м/с и более;

4. Изобретение позволяет обнаружить поверхностные дефекты размером всего 0,025 мм;

5. Изобретение обеспечивает выдачу сообщений о характере дефекта, его размере, местоположении (на прутке), формирование изображения и т.д.;

6. Изобретение может работать с прутками различного размера, например от 5 до 250 мм, с минимальной настройкой;

7. Изобретение обеспечивает проверку качества в реальном масштабе времени или выдачу результатов проверки в реальном времени;

8. Изобретение способно работать с небольшим окном доступа (менее 50 мм) к целевому объекту;

9. При проверке не используются никакие движущиеся части;

10. Изобретение используется при непрерывной работе тяжелых агрегатов металлообрабатывающих заводов.

На фигуре 1 показана блок-схема системы в соответствии с настоящим изобретение. На фигуре 1 показан узел освещения, который может включать, по меньшей мере, один источник света 2, световод 4, множество линейных источников света 6 и соответствующее множество оптических усилителей 8. Кроме того, на фигуре 1 показан вычислительный блок 10 и устройство формирования изображения, которое может включать множество кинокамер 12, каждая из которых имеет соответствующий объектив 14.

На фигуре 1 также показана заготовка или другой объект, подлежащий проверке, типа удлиненного металлического прутка 16, движущегося по продольной оси в направлении 20 со скоростью до 100 м/с или еще быстрее в процессе обжатия прутка 16. Металлический пруток 16 может быть выполнен из материала, выбранного из группы, содержащей сталь, нержавеющую сталь, алюминий, титан, никель, медь, бронзу или любой другой металл и/или их сплавы. Пруток 16 может быть сплошным или полым. Как правило, такой металлический пруток 16 проходит внутри направляющей в виде блока 24, показанного на фигуре 5 и не показанного на фигуре 1. Зазор 26, показанный на фигуре 5, определен между двумя смежными направляющими 24 и, как правило, очень небольшой, например порядка 20-50 мм, по осевому направлению для прохода металлических прутков 16 с высокой скоростью. Металлический пруток 16 может обрабатываться при высокой температуре, например порядка 1100°С, для горячего проката. Следует также отметить, что металлический пруток 16 имеет такую геометрию, что он стремится изгибаться по своей продольной оси в направлении, обозначенном стрелкой 21 на фигуре 1, когда он перемещается в направлении 20. Эта возможность изгиба при прокатке, в частности, создает проблемы для обычных систем формирования изображения. Как будет описано ниже более подробно, настоящее изобретение устраняет эту проблему, обеспечивая систему формирования изображения, которая противостоит воздействию крутящего и/или изгибающего момента.

Для того чтобы обнаруживать поверхностные дефекты на прутке 16, система формирования изображения, в соответствии с настоящим изобретением, должна иметь определенные параметры, которые описаны ниже. Снова обращаясь к фигуре 1, мы видим, что система формирования изображения включает устройство формирования изображения, которое предпочтительно содержит n кинокамер 12, где n представляет собой целое число 3 или большее число. Параметр n выбран равным трем или выше на основании анализа, описанного ниже. Каждая кинокамера 12 размещена таким образом, чтобы охватить диапазон по окружности, по меньшей мере, 120°, т.е. всю поверхность прутка 16. Иными словами, устройство формирования изображения имеет составное или комбинированное поле зрения, чтобы отобразить полную окружность поверхности прутка 16 и определить полосу изображения 18. Как описано ниже, устройство формирования изображения выполнено с расчетом создания данных изображения, основанных на полосе изображения 18. После этого выполняется анализ для определения параметра n, отражающего число кинокамер.

Как показано на фигуре 6, объектив 14 кинокамеры 12 будет иметь угол или поле зрения, сформированное двумя тангенциальными линиями прямой видимости 28, отходящими от фокуса объектива 14 к поверхности прутка 16. Этот угол поля зрения, когда он проецируется на не плоскую поверхность типа поверхности, показанный на фигуре 6, приведет к круговому охвату 30, угол которого меньше 180° и будет недостаточен для покрытия 360° только с двумя модулями объектив/кинокамера, где объектив не является телецентрическим.

На фигуре 7 показано устройство с телецентрическим объективом 14'. Телецентрический объектив собирает линии прямой видимости, которые, даже если они используются, всегда параллельны и фактически не дадут создать систему с двумя объективами из-за изменяемой длины дуги. В частности, линии прямой видимости 28 параллельны при добавлении телецентрического объектива 14' к объективу 14. В этом случае, круговой охват 30 равен 360°. С точки зрения теории, может быть охвачена вся поверхность круглого прутка 16, используя только две кинокамеры. Однако, как указано выше, возникает проблема неравномерных элементов изображения.

Как показано на фигуре 8, равномерно распределенные линии прямой видимости 34, вытекающие из равноотстоящего датчика формирователя изображений 32, создающего множество элементов изображения, может привести к неравной длине дуги 36 на поверхности прутка 16. Равностепенное отображение является весьма типичным для датчика формирователя изображений типа интегральной схемы на ПЗС. Длина дуги 36 может быть рассчитана, используя уравнение (1) следующим образом:

Уравнение (1): S=p/cos(θ),

где S - длина дуги 36, нанесенная на элемент изображения в положении у; p - шаг матрицы элементов изображения или размер элемента изображения и θ - проектируемый угол, который может быть получен из уравнения

Уравнение (2): θ=arcsin(у/r),

в котором у<r и r является радиусом металлического прутка 16.

Из фигуры 8 можно видеть, что casey - +r, θ->90. Поскольку θ<90, S или длина дуги 36 приближается к бесконечности, на основании уравнения (1). В действительности S будет иметь конечную величину. Однако S будет, в основном, (в несколько раз) больше р, т.е. размера элемента изображения. Иными словами, разрешающая способность изображения в этой области ухудшится до такой степени, что изображение станет почти нереальным. Отметим, что тот же самый анализ длины дуги может применяться к нижней половине фигуры 8, в которой casey ->-r.

С тремя кинокамерами θ может быть установлено на 60. Когда θ=60, S длина дуги 36 (в положении 12 часов и 6 часов на фигуре 8) равна всего 2р при приемлемом и управляемом ухудшении разрешающей способности изображения. Если требуется более высокая разрешающая способность, желательно установить четыре кинокамеры или пять кинокамер или даже еще большее количество (т.е. упомянутый выше параметр n может быть целым числом, равным четырем, пяти или более). Все объективы 14 в комбинации кинокамер 12, как показано на фигуре 1, предпочтительно размещаются таким образом, что все такие комбинации объектив/кинокамера расположены по круговой траектории 22, которая является концентрической к круговой геометрии примерного металлического прутка 16, так что рабочие расстояния или расстояние от каждого объектива 14 до ближайшей металлической поверхности является одним и тем же или почти одинаковым для всех комбинаций объективов и кинокамер. Отметим, что траектория 22 может оставаться круговой, если металлический пруток не круглый, скажем, шестиугольный, с целью использовать, в основном, ту же самую технологическую линию. Специалисту в данной области понятно, что траектория 22 при желании может быть проложена с таким расчетом, чтобы соответствовать фактической геометрии прутка.

Для того чтобы обеспечить потенциально очень высокую скорость движения металлического прутка 16, предпочтительно используются кинокамеры 12 с высокой скоростью передачи данных. Таким образом, кинокамеры 12, устанавливаемые в системе, предпочтительно цифровые кинокамеры, с цифровыми устройствами вывода, связанными с вычислительным боком 10. Это устройство цифрового вывода желательно разместить в жестких внешних условиях для точности воспроизведения сигнала. Этот цифровой формат сигнала изображения может быть получен вычислительным блоком 10 по стандартным каналам связи типа IEEE-1394 (также известной как шина сверхбыстрой передачи данных). Устройства связи кинокамера могут представлять собой либо порты USB, либо специальный интерфейс, известный как устройство захвата кадра. Каждая кинокамера 12 предпочтительно способна формировать 10.000.000 (или 10 миллионов элементов изображения) в секунду с тем, чтобы можно было бы обнаружить дефект размером 0,025×0,5 мм. Однако следует заметить, что для того, чтобы обнаружить большие дефекты, потребовалась бы меньшая разрешающая способность и, следовательно, меньшая скорость передачи данных (в элементах изображения в секундах). Желательно использовать однострочные кинокамеры даже при том, что кинокамеры с прогрессивной (с нечересстрочной разверткой) могут использоваться только при небольшой поступательной скорости прутка 16. Кинокамеры с однострочной разверткой имеют то преимущество, что такие кинокамерам требуют только одну световую линию, а не целый освещенный участок. Это упрощает сложную систему освещения криволинейной поверхности. В случае использования линейного сканирования, все кинокамеры на фигуре 1 будут выравнены таким образом, что их линии изображения будут формировать круглое кольцо или полосу изображения 18 на прутке 16. Это выравнивание необходимо для решения проблемы изгиба и/или скручивания прутка (позиция 21). Если такое выравнивание не выполнено, скучивающий или изгибающий момент может привести к неполному охвату поверхности прутка.

Снова обращаясь к фигуре 1, мы видим, что каждая кинокамера имеет объектив 14, собирающий свет, отраженный от поверхности прутка. Телецентрические объективы (объективы, которые собирают параллельные лучи света изображения, как показано на фигуре 7) предпочтительны для более равномерного распределения длины дуги, даже если используются линзы геометрически правильной формы. Кроме того, кинокамеры 12 могут быть снабжены объективами с ирисовой диафрагмой, чтобы регулировать выдержку, и с объективами с заданной системой линз для улучшения глубины резкости и увеличения поля изображения.

На фигуре 1 также показано, что система формирования изображения согласно настоящему изобретению также включает блок создания световой линии, служащий для проецирования полосы световых линий на поверхность металлического прутка 16. Предпочтительно, блок создания световой линии включает множество линейных источников света 6. Эти линейные источники света 6 могут быть отдельными источниками света типа лазеров или проводниками света типа оптических волоконных кабелей, как показано на фигуре 1. Линейные световые устройства должны работать, по меньшей мере, с одним источником света, как показано на фигуре 1. Может быть использовано более одного источника света, если требуется более высокая плотность светового потока. Для металлических прутков 16, движущихся с высокой скоростью, кинокамерам может не хватать света из-за очень высокой частоты кадров, что равно относительно короткой выдержке. Следовательно, может быть использован оптический усилитель 8, предусмотренный для каждой световой линии, чтобы сконцентрировать свет и увеличить его интенсивность. Усилителем 8 может быть цилиндрическая линза или полуцилиндрическая линза. Чтобы использовать систему формирования изображения в соответствии с настоящим изобретением для металлических прутков 16, которые обрабатываются при высокой температуре, линейные источники света и усилители должны быть изготовлены из специальных теплостойких материалов. Каждый линейный источник света 6, например, может иметь свое собственное стеклянное окно, чтобы достичь этой цели. В случае оптической волоконной линии, материал, который связывает стекловолокна вместе, должен быть способен противостоять высокой температуре, например высокотемпературная эпоксидная смола. Усилители 8 должны быть сделаны из материалов, которые могут также противостоять высокой температуре. Пригодные для использования материалы включают стекло, пирекс, кристалл, сапфир и т.п.

Фигура 9 - вид сверху на предпочтительный вариант, показанный на фигуре 1. Чтобы компенсировать недостаток света, нужно правильно распределить линейные источники света и кинокамеры. Как показано на фигуре 9, поверхность металлического прутка 16 после процесса обжатия и до удаления окалины может быть обработана для создания отражающей поверхности. Следовательно, закон оптики, сформулированный в уравнении (3), применяется как:

уравнение (3): "угол падения равен углу отражения".

Уравнение (3) желательно использовать в предпочтительном варианте, чтобы максимизировать отраженный свет, который улавливается множеством кинокамер 12. Каждый из линейных источников света 6 будет излучать световой луч 40, который усиливается усилителем 8 и проектируется на поверхность металлического прутка 16.

Световой луч 40 отражается по траектории 42 и попадает в объектив 14 и, в конечном счете, в кинокамеру 12. Отметим, что на фигуре 9 металлический пруток 16 движется в направлении 20. Падающие и отраженные световые лучи 40 и 42 формируют угол 44, одинаково разделенный нормалью к поверхности металлического прутка 16. Этот угол 44 должен быть как можно меньше из-за проблем подачи света на криволинейную поверхность, как описано выше и показано на фигуре 4. На фигуре 4 световая линия 18' и линия изображения 18 не будут накладываться друг на друга на криволинейной поверхности. Идеальный случай, если угол 44 на фигуре 9 равен нулю. Поскольку это возможно, только используя расщепитель луча, это практически нецелесообразно, когда система испытывает недостачу света из-за неизбежных потерь мощности, например, при использовании расщепителя луча. Наивысший КПД расщепителя луча может достигать 25%, при условии нулевых потерь при передаче. Следовательно, угол 44 предпочтительно выбирается разумно небольшим, например порядка 1° или около того. В случае необходимости может использоваться отражающее зеркало 38, чтобы обеспечить размещение кинокамеры и источника света с небольшим углом 44. Это еще одна причина использования сканирующей камеры линии в этом применении. Сканирующим камерам нужна только траектория изображения 42 небольшой ширины от 5 до 30 микрон.

Угол 44 может поддерживаться очень небольшим благодаря этой особенности траектории изображения.

На фигуре 10 показано более подробно устройство источника света, показанного на фигуре 9. Как упомянуто выше, угол 44 не будет равен нулю градусов, если не будет использован расщепитель луча.

Следовательно, каждая световая линия источника света 6 должна иметь значительную ширину W (позиция 41 на фигуре 10). Можно видеть, что на фигуре 10 металлический пруток 16 имеет среднюю линию 46. Линия 48 имеет отметку 60 на поверхности прутка, начиная с тангенциальной границы на левой стороне прутка, как показано на фигуре 10, и увеличивается вправо. Одна кинокамера должна отображать металлический пруток 16 для верхней половины к этой отметке 60, линии 48. В варианте с тремя кинокамерами, применяются вышеупомянутые вычисления. Если используется большее количество кинокамер, линия 48 может представлять 45 для системы с четырьмя кинокамерами, 36 для системы с пятью кинокамерами и т.д. При симметричном расположении кинокамеры могут также отображать нижнюю половину металлического прутка 16 для 60. Для достижения такого охвата, ширина световой линии W должна быть больше порога, основанного на уравнении (4): W2-r-(1-cos60)-sinα, в котором r представляет собой радиус прутка и α - угол падения (половина угла 44). 60 может быть заменено другим углом, если предложенной системе для формирования изображения используется число кинокамер, отличное от трех. Это понятие далее показано на фигуре 11, на котором строка изображения 42 ясно изогнута по-другому, но, тем не менее, все еще охвачена световой линией 40. Иными словами, устройство формирования изображения (например, множество кинокамер в предпочтительном варианте) захватывает полосу изображения 18, имеющую первую предопределенную ширину, по полной окружности поверхности прутка 16. Блок создания световой линии (например, множество источников света в предпочтительном варианте) проецирует полосу световой линии на поверхность прутка 16, имеющего вторую предопределенную ширину. Блок создания световой линии расположен и выравнен относительно устройства формирования изображения с тем, чтобы полоса изображения была бы в пределах полосы световой линии. Такое устройство устраняет проблему проверки криволинейных поверхностей.

Кроме того, эти линейные источники света должны быть расположены таким образом, что интенсивность света, отраженного от точки на поверхности прутка и попадающего в кинокамеру, которая охватывает эту точку, является одинаковой для всех точек на полосе изображения 18 (фигура 1). Более подробно это показано на фигуре 12.

Все освещение должно подчиняться закону, описанному в уравнении (3). На фигуре 12 показано такое устройство для одной кинокамеры. Следует отметить, что такое устройство может быть дублировано для других кинокамер, используемых в предложенной системе формирования изображения. Вытекающий из уравнения (3) угол, сформированный падающим световым лучом 40 и отраженным световым лучом 42, должен быть равномерно разделен нормалью к поверхности 50. Как показано на фигуре 12, светильник 52 предпочтительно включает изогнутую поверхность. Светильник 52 представляет собой устройство, которое излучает лучи света (перпендикулярно к этой изогнутой поверхности в точке излучения) будут отражены поверхностью прутка 16 на датчик формирователя изображения в кинокамере 12 и объективе 14 по закону уравнения (3). Отметим, что кривая 52 не обязательно должна быть круговой кривой. Эта кривая 52 зависит от расстояния между кривой 52 и поверхностью прутка 16 (т.е. целью). Кривая 52 может быть гладкой кривой, если пруток не круглый.

Даже при том, что светильник с кривой 52 может быть изготовлен по современной технологии, такой светильник может использоваться только с прутками 16 заданного диаметра. В некоторых областях применения это непрактично. Альтернативой является моделирование такого эффекта освещения с матрицей световых линий 6 и 8, как показано на фигуре 12. Каждая комбинация световая линия/усилитель может быть отрегулирована таким образом, что ее направление может быть переориентировано, как показано позицией 54, чтобы разместить цели с различными диаметрами. Способ световой линии также выгоден в случае, когда пруток 16 не круглый.

Снова обращаясь к Фигуре 1, мы видим, что вычислительный блок 10 соединен с множеством кинокамер 12. Вычислительный блок 10 служит для получения данных изображения для множества полос изображения 18, приобретенных последовательно кинокамерами 12 по мере движения прутка 16 по продольной оси в направлении 20 (направление 20 лучше всего показано на фигуре 1). Устройства захвата кадров могут быть использованы для получения сигналов изображения. Кинокамеры 12, используемые в системе, предпочтительно являются цифровыми камерами, как описано выше. Вычислительный блок может содержать один или большее количество компьютеров, чтобы иметь достаточный объем вычислительной мощности для обработки данных изображения. Аппаратные средства для обработки изображения могут быть использованы вместе со специальной программой для ускорения вычислений скорости. Если используются несколько компьютеров, эти компьютеры могут быть связаны вместе межмашинными связями типа по протоколу TCP/IP или тому подобному.

В любом случае, вычислительный блок 10 предназначен для обработки данных изображения, чтобы обнаружить предопределенные особенности поверхности прутка 16. В предпочтительном варианте, этими особенностями являются поверхностные дефекты. Таким образом, данные изображения обрабатываются для обнаружения дефектов, которые показаны в качестве примера на фигурах 13А-13В. Изображения, как правило, содержат и реальные дефекты (например, позиция 302) и шум типа царапин (например, позиция 304). Используются алгоритмы обработки изображения, осуществляемые в компьютерных кодах типа С, C++, машинных языков и т.д. или в аппаратной логике, чтобы отфильтровать шум и обнаруживать истинные дефекты, как показано позицией 306. Обнаруженные дефекты могут иметь значительную длину и большое отношение длины к ширине, как показано на фигурах 14А-14С, где позиция 308 может быть 1000 мм длиной, а позиция 310 может иметь ширину 0,050 мм. С другой стороны, дефекты могут быть короткими и иметь отношение длины к ширине почти 1:1 сжатия, как показано на фигурах 15A-15С. Эти алгоритмы известны специалистам в данной области и далее описаны вкратце. Первый уровень обработки может включать сравнение местного контраста изображения, сравнивая первый предопределенный порог с местным контрастом. Второй уровень обработки может включать обращение ко второму предопределенному порогу, чтобы определить характер дефекта типа его размера, местоположения, длины, ширины и т.д.

Предпочтительный вариант, описанный и показанный на фигуре 1, будет также иметь защиту против пыли, воды, колебаний и других разрушительных факторов на типичном металлообрабатывающем цехе типа горячего прокатного стана или стана холодного волочения.

Специалисты в данной области знают о возможных дальнейших ограничениях обработки прутка и раздельном использовании трех или большего числа систем с одной кинокамерой для проверки прутка в процессе обжатия.

Специалисты в данной области также понимают, что охват (например, проверка) части поверхности прутка меньше полной окружности может быть достаточно полезным для цели статистического контроля процесса в линии обжатия.

Специалисты в данной области также понимают, что на линии может использоваться высокоскоростная (высокая скорость передачи данных и высокая скорость передачи кадров) кинокамера, если только определенная часть каждого изображения проверяемого участка используется для обработки.

Можно также отметить, что если металлические прутки обрабатываются при высокой температуре, может использоваться на объективе, может быть укреплен оптический фильтр так, что будут использоваться только некоторые длины волн в отраженных световых лучах 42 (фигура 12), чтобы получить информацию о поверхности металлических прутков. Такие длины волн включают те, которые не излучаются или, в основном, не излучаются металлическими прутками при указанной высокой температуре. Для металлических прутков с температурой 1650°С или ниже, может быть использована длина волны 436 нм. В этом случае вместе с объективом будет использован фильтр для подавления помех. Эта длина волны может изменяться с температурой. Если температура ниже, может использоваться более длинная длина волны.

В еще одном варианте, блок создания световой линии может излучать стробоскопический свет, при этом вычислительный блок 10 синхронизирует освещение (т.е. стробоскопический эффект) с функцией захвата изображения, выполняемой устройством формирования изображения (например, кинокамерой 12 в предпочтительном варианте).

В другом варианте, вычислительный блок 10 служит для регистрации обнаруженных дефектов, включая (i) соответствующее местоположение каждого обнаруженного дефекта относительно положения "начала" объекта, например переднего конца прутка 16, изготовляемого путем механического уменьшения его поперечного сечения; (ii) соответствующие заметки о характере обнаруженного дефекта типа размера, формы, уровня контраста; и (iii) фактическое изображение участка и окружения обнаруженного дефекта. Такие записи могут быть полезными для поставщика/изготовителя продукта, например для определения скидки, и могут быть переданы заказчику (например, на дискете или другом электронном носителе) для использования при дальнейшей обработке, например, определенной части рулона, чтобы избежать излишних операций, или для планирования последующей работы.

1. Система для обнаружения поверхностных дефектов удлиненного прутка, перемещаемого в направлении его продольной оси, содержащая устройство формирования изображения, имеющее поле зрения, используемое для создания изображения первой предопределенной ширины по окружности поверхности указанного прутка, чтобы определить полосу изображения и создать данные изображения, соответствующие этой полосе, при этом указанное устройство формирования изображения включает n цифровых кинокамер, где n является целым числом 3 или большим числом, а кинокамеры размещены так, что их общее поле зрения соответствует указанной полосе изображения, при этом указанные кинокамеры содержат камеры с однострочной разверткой;

блок создания световой линии, предназначенный для проецирования полосы световой линии и имеющий вторую предопределенную ширину, на поверхность указанного прутка, при этом указанный блок создания световой линии расположен относительно указанного устройства формирования изображений таким образом, что полоса изображения находится в пределах указанной полосы световой линии, причем указанный блок создания световой линии расположен таким образом, что интенсивность света, в основном, равномерна по всей указанной полосе изображения; вычислительный блок, соединенный с указанным устройством формирования изображения и служащий для получения данных изображения для множества полос изображения, захваченных указанным устройством формирования изображения по мере движения прутка в направлении его продольной оси, при этом указанный вычислительный блок обеспечивает обработку указанных данных изображения для обнаружения поверхностных дефектов указанного прутка.

2. Система по п.1, в которой указанная связь между указанным устройством формирования изображения и указанным вычислительным блоком содержит, по меньшей мере, одно устройство захвата кадра цифрового формата, канал IEEE-1394, порт USB и порт для соединения с кинокамерой.

3. Система по п.1, в которой указанное устройство формирования изображения дополнительно включает оптические фильтры между указанной кинокамерой и указанным прутком, которые выборочно пропускают свет предопределенной длины волны в указанные кинокамеры с тем, чтобы указанные особенности указанного прутка не были бы затенены, когда указанный пруток находится под воздействием предопределенной температуры, при которой указанный пруток создает основное характеристическое излучение электромагнитного спектра (EMR).

4. Система по п.1, в которой указанный блок создания световой линии содержит множество линейных источников света.

5. Система по п.1, в которой указанный блок создания световой линии включает светильник, содержащий оптические стекловолокна, предназначенные для передачи света от одного или нескольких источников света.

6. Система по п.4, в которой указанные линейные источники света содержат лазеры с оптикой, создающей световые линии.

7. Система по п.4, в которой указанный блок создания световой линии дополнительно включает множество оптических усилителей для использования с указанными источниками световых линий, служащие для увеличения интенсивности света.

8. Система по п.1, в которой обнаруженные особенности поверхности включают поверхностные дефекты.

9. Система по п.1, в которой указанный вычислительный блок служит для создания отчета об обнаруженных дефектах, включая данные о местоположении каждого обнаруженного дефекта относительно начала указанного прутка.

10. Система по п.9, в которой указанный отчет дополнительно включает соответствующее примечание относительно характера каждого выявленного дефекта, включающего, по меньшей мере, размер, форму и уровень контраста каждого обнаруженного дефекта.

11. Система по п.9, в которой указанный пруток сформирован из металла, изготовленного по технологическому процессу, в котором механически уменьшается площадь поперечного сечения указанного прутка.

12. Система по п.1, в которой указанный вычислительный блок содержит множество компьютеров.

13. Система по п.1, в которой указанный вычислительный блок включает, по меньшей мере, один (i) аппаратный модуль, который загружает вычислительный процесс или команды на основе специализированных интегральных схем и/или программируемой вентильной матрицы; (ii) второй аппаратный модуль, который выполняет программные коды типа центрального процессора и/или модуля цифровой обработки сигналов; и (iii) комбинацию указанного первого и указанного второго аппаратных модулей.

14. Система по п.8, в которой указанный вычислительный блок служит для разделения указанных поверхностных дефектов и поверхностных шумов.

15. Система по п.11, в которой указанный металлический пруток имеет определенную площадь поперечного сечения, при этом указанный металлический пруток имеет отношение указанной окружности к указанной площади поперечного сечения, которое меньше чем или равно 4,25, при этом площадь поперечного сечения составляет единицу для формы, выбранной из группы, содержащей круглую форму, овальную форму и многоугольную форму.

16. Система по п.15, в которой указанный металлический пруток имеет высокую температуру до +1650°С.

17. Система по п.15, в которой указанный металлический пруток изготовлен из материала, выбранного из группы, содержащей обычную сталь, нержавеющую сталь, алюминий, титан, никель, медь, бронзу или любой другой металл и/или их сплавы.

18. Система по п.15, в которой указанный металлический пруток является полым.

19. Система по п.1, в которой указанные данные изображения используются для статистического контроля процессов.

20. Система по п.3, в которой указанные длины волны содержат длину волны 436 нм, когда температура указанного прутка равна или ниже 1650°С.

21. Система по п.5, содержащая материалы, которые могут противостоять воздействию высокой температуры типа высокотемпературной эпоксидной смолы и стеклянных волокон.

22. Система по п.7, в которой указанные оптические усилители содержат цилиндрические и/или полуцилиндрические линзы, выполненные из стекла, пирекса или сапфира.

23. Система по п.1, в которой указанный блок создания световой линии включает множество линейных источников света, каждый из которых излучает лучи света падающие под первым предопределенным углом относительно нормали к поверхности прутка, и в которой соответствующие основные оси указанных кинокамер расположены под вторым предопределенным углом относительно указанной нормали, при этом указанные первый и второй предопределенные углы являются равными.

24. Система по п.23, в которой указанные первый и второй предопределенные углы равны приблизительно одному градусу.

25. Система по п.1, в которой указанный вычислительный блок служит для обработки множества полос изображения, определяющих данные изображения для обнаружения поверхностных дефектов прутка пор охвату множества полос изображения.

26. Система по п.1, в которой указанная предопределенная поверхность включает поверхностные дефекты, причем указанный вычислительный блок дополнительно используется для записи указанных обнаруженных дефектов, включая соответствующее местонахождение каждого обнаруженного дефекта относительно стартовой позиции указанного прутка, соответствующее представление условным и знаками природы обнаруженного дефекта, выбранных из группы, включающей размер, форму и уровень контраста, и фактическое изображение пятна на указанном прутке, окружающего обнаруженный дефект.

27. Система для обнаружения поверхностных дефектов удлиненного прутка, перемещаемого в направлении его продольной оси, включающая устройство формирования изображения, содержащая цифровые кинокамеры, количество которых равно целому числу 3 или более и которые имеют общее поле зрения для отображения первой предопределенной ширины по отношению к указанной продольной оси по окружности поверхности указанного прутка, чтобы определить полосу изображения, указанное устройство формирования изображения дополнительно служит для создания данных изображения, соответствующих указанной полосе изображения; блок создания световой линии, служащий для проектирования полосы световой линии, имеющий вторую предопределенную ширину по отношению к указанной продольной оси, на поверхность указанного прутка, указанный блок создания световой линии, расположенный относительно указанного узла формирования изображения таким образом, что указанная полоса изображения находится в пределах указанной полосы световой линии, при этом указанный блок создания световой линии выполнен таким образом, что интенсивность света, в основном, равномерна по всей указанной полосе изображения; вычислительный блок, соединенный с указанным узлом формирования изображения и предназначенный для получения данных изображения для множества полос изображения, создаваемых указанным устройством формирования изображения по мере движения прутка по указанной продольной оси, при этом указанный вычислительный блок также служит для обработки указанных данных изображения, чтобы обнаружить предопределенные поверхностные особенности указанного прутка, причем обнаруженные особенности включают поверхностные дефекты; указанный вычислительный блок дополнительно служит для создания отчета об обнаруженных дефектах, включая (i) соответствующее местоположение каждого обнаруженного дефекта относительно местоположения начала указанного прутка и (ii) соответствующее примечание относительно характера, размера, формы или уровня контраста каждого обнаруженного дефекта.

28. Способ обнаружения поверхностных дефектов металлического прутка, перемещаемого в направлении его продольной оси, включающий следующие стадии:

(A) проецирование полосы световой линии, имеющей первую предопределенную ширину, по окружности или части окружности поверхности на движущийся в направлении своей продольной оси металлический пруток;

(B) захват изображения, имеющего вторую предопределенную ширину, расположенную в пределах полосы световой линии с использованием множества цифровых камер сканирования линии;

(C) повторение стадий (А) и (В), чтобы получить изображение участка поверхности металлического прутка;

(D) анализ изображения для определения его особенностей в соответствии с предопределенными критериями.

29. Способ по п.28, в которой указанная стадия проецирования включает следующие стадии:

определение нормали от поверхности металлического прутка в точке падения полосы световой линии;

определение угла относительно нормали и проецирование световых лучей под определенным углом относительно нормали, чтобы определить полосу световой линии.

30. Способ по п.29, в которой указанная стадия захвата изображения включает расположение узла формирования изображения таким образом, чтобы основная ось формирования изображения была равна предопределенному углу.

Приоритет по пунктам:

03.12.2002 по пп.1-9, 11-24, 26-29;

27.12.2002 по пп.10, 25, 30.