[发明专利]用于检测诸如轧制/拉制金属条的工件上的表面缺陷的装置和方法

说明书

本申请是2003年11月26日提交的名称为“用于检测诸如轧制/拉制金 属条的工件上的表面缺陷的装置和方法”的200380105040.2号中国发明 专利申请的分案申请。

相关申请的交叉参考

本申请要求2002年3月12日提交的美国临时专利申请No.60/430,549 的优先权，因此引入该申请的全部内容作为参考。

技术领域

本发明总体上涉及一种能够对诸如轧制/拉制金属条的工件的表面细 节进行成像的成像系统。

背景技术

众所周知通过诸如轧制或拉制的机械加工过程来生产金属条。这种金 属条不同于金属板、金属锭或金属带(下文称作金属扁板)之处在于其 横截面具有更小的周长/截面积比率，使得该金属条可绕纵向轴线旋转/ 扭转，同时纵向地向前移动。例如，当横截面积对于给定形状是1时，图 2中所示的金属条的形状具有等于或小于4.25的周长与横截面积的比率。 当只考虑横截面时这种金属条的形状可以是圆形、椭圆形或多边形，如 图2所示的六边形、八边形或正方形。这种类型的金属条在相关行业内常 常被称为“长型制品”而不是“扁平制品”。如在本公开的内容中使用 的并且在下文被称作减缩(reducing)过程的轧制、拉制、挤压等描述 了通过适当的工具，诸如辊压机和拉模机与工件的机械接触而减小金属 工件的横截面尺寸的方式。这些减缩过程通常是连续的，或实质上是基 本连续的。

在金属制造行业内，表面缺陷的存在与否是对金属产品进行评价时所 依据的相关标准。例如，在钢条和钢筋行业内表面缺陷占外部不合格品 (即被用户拒收)的一半。然而，常规技术没有提供任何检测上述缺陷 的可靠手段。有几个常规检测方法不能克服的、急待解决的问题。

第一，在金属条产品“过热”，温度高达1,100℃时对其进行检测 的情况下，妨碍了许多检测工艺的使用。第二，上述这种金属条的运行 速度目前能快达100m/s，比最快的金属条的速度还要高几倍，而比金属 板或金属锭的速度快将近100倍。另外，近期内其运行速度有望提高到 150-200m/s的范围内。单纯常规检测方法不能适应如此高的运行速度。 第三，常常将上述高温金属条限定在分段的管道内，以便金属条不会成 为半轧废品。过热的高速金属条在管道外自由运行时，就会出现半轧废 品。因此，对于任何检测设备，空间都非常有限。

虽然应用各种成像方法对铸件或辊轧的金属扁板进行检测是公知的， 但目前在长型制品(即金属条)的检测中还没有使用成像技术。由于金 属条的几何形状使得为了突出/获取平面上缺陷而执行的照明和成像设 计变得无用，因此常规成像系统不被认为能够用于检测金属条等。图4显 示了在平型工件与在圆型工件上施加照明和获取图像的差异。对于非平 型工件，当感兴趣的目标不具有平表面时，光学排列方式和光学工作范 围的自由度消失。诸如在图4所示的示例方式中显示的，如果将光或照相 机倾斜，则图像线和照明线不会重叠。而且，金属条通常比金属扁板处 于更高的温度。物体的散热与其接触到冷却介质，诸如周围空气或喷水 的面积成比例。假设金属扁板和金属条是由同样的材料制成，且二者具 有同样的纵向单位密度和横截面积，则金属扁板的面积比金属条的面积 大几倍。

但在减缩过程中采用基于成像的测量装置进行金属条规格的测量/控 制(影像测量)以及金属条存在与否、金属条运行速度的测量是众所周 知的。

采用电磁装置，诸如基于涡流的测量装置进行长型制品的鉴定也是众 所周知的。基于涡流的传感系统用于在减缩过程中在线检测表面缺陷。 此方法具有较高的灵敏度，能够在具有较高吞吐量的生产线工况(即每 分钟通过1千米的热钢条)下工作。然而，该方法有几个缺点。首先，采 用这种方法必须与工件热表面非常接近(通常小于2.5毫米)。由此，该 方法对振动和温度是敏感的。而且该方法不能描述所检测到的缺陷的属 性，在这个意义上说其是不定量的。最后，涡流方法不能检测某些类型 的缺陷。因此，涡流装置的检测输出不能被金属行业用于对特定产品的 质量进行定性的判断。而基于涡流的检测装置的输出仅能被用于在减缩 过程中，诸如仅仅为了过程控制的目的所进行的定性分析，诸如“本批 钢条总体上比上周生产的那批钢条质量更差”这样的结论。

本领域内所试图采用的另一种方法是超声波感测。这是一种用超声波 传感器代替涡流传感器的方法。然而，与基于涡流的检测装置相关的许 多限制，诸如工作距离短的问题，在此同样会出现。