[发明专利]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

说明书

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 FORDETECTING SURFACE DEFECTS ON A WORKPIECE SUCH AS AROLLED/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 DETECTINGSURFACE DEFECTS ON A WORKPIECE SUCH AS AROLLED/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”时进行检查的情况，温度会高达1100℃，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。传统的检查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查金属杆等，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查杆表面。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。