CSTM-無損檢測 鋼材 機器視覺檢測方法編制說明

《無損檢測鋼材機器視覺檢測方法》團體標準編制說明一、工作簡況1.任務來源本標準經(jīng)中國材料與試驗團體標準委員會（以下簡稱：CSTM標準委員會）無損檢測技術(shù)及設備領域委員會審查，CSTM標準委員會批準《無損檢測鋼材機器視覺檢測方法》立項，標準項目歸口管理委員會為CSTM/FC94無損檢測技術(shù)及設備領域委員會，標準計劃編號為CSTMLX940000434-2020，由中國特種設備檢測研究院牽頭承擔《無損檢測鋼材機器視覺檢測方法》團體標準的制定工作。2.標準制定的背景和目的機器視覺作為一種先進的無損檢測方法，具有可視化程度高、高速、高精、非接觸的優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛用于眾多工業(yè)領域，將其應用于鋼材的表面缺陷檢測是對鋼材無損檢測技術(shù)的完善，擬定相關的技術(shù)標準和規(guī)范有助于機器視覺檢測技術(shù)在鋼材無損檢測領域的進一步發(fā)展。本標準為無損檢測標準之一，是依據(jù)我國用戶需要和協(xié)商一致的原則而編制，目的在于統(tǒng)一采用機器視覺檢測技術(shù)進行鋼材表面缺陷檢測的技術(shù)規(guī)范，可向生產(chǎn)廠家和用戶推薦采用本標準。3.工作主要過程按照中國材料與試驗團體標準委員會標準制修訂程序的要求，《無損檢測鋼材機器視覺檢測方法》團體標準的編制完成了以下工作：（1）起草階段：CSTM/FC94無損檢測技術(shù)及設備領域委員會成立之后，積極開展各項標準制定工作，為保證后續(xù)標準的規(guī)范性，針對《無損檢測鋼材機器視覺檢測方法》組建成立了標準起草工作組，確定了標準編寫原則和分工，提出標準編制進度安排。華中科技大學等單位承擔了2018年湖北省重大專項《軸承鋼管在線電磁無損檢測技術(shù)與系統(tǒng)研發(fā)》、武漢華宇一目檢測裝備有限公司近幾年開展了鉆桿、鋼管、汽車套管的視覺檢測設備開發(fā)和銷售、國外廠商已有設備銷售到國內(nèi)使用、國內(nèi)部分廠商也已開發(fā)出類似設備，根據(jù)項目的研究成果和國內(nèi)外廠商設備使用資料，形成了鋼材機器視覺檢測方法的標準草案，以此申請中國材料與試驗團體標準計劃項目。（2）征求意見階段：在華中科技大學等單位承擔了國家自然科學基金資助項目《磁導率擾動無損檢測新方法及機理研究》（項目編號：51875226）、2018年湖北省重大專項《軸承鋼管在線電磁無損檢測技術(shù)與系統(tǒng)研發(fā)》等科研項目研究成果的基礎上，并調(diào)研了國內(nèi)主要無縫鋼管制造企業(yè)以及目前在用的類似設備，形成了標準的征求意見稿。華中科技大學投入了一個光學檢測項目組開展相關的研究工作，其中有1篇博士畢業(yè)論文和3篇碩士畢業(yè)論文與本標準相關。武漢華宇一目檢測裝備有限公司開展了為期1年多的設備制作和現(xiàn)場測試工作。相關合作單位提供了寶貴的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和圖片。4.主要參加單位及工作組成員主要參加單位包括：華中科技大學、武漢華宇一目檢測裝備有限公司、愛徳森（廈門）電子有限公司、林州鳳寶管業(yè)有限公司、上海寶信軟件股份有限公司。工作組成員包括：康宜華、蔡翔、林俊明、肖永忠、余沁、李瑞忠。二、標準化對象簡要情況及制修訂標準的原則1.標準化對象簡要情況本標準為旨在規(guī)范本領域內(nèi)各標準的制修訂和發(fā)布。2.制修訂標準的原則（1）制修訂標準的依據(jù)或理由依據(jù)中國材料與試驗團體標準制修訂管理細則、中關村材料試驗聯(lián)盟團體標準管理辦法（試行）制定本標準，規(guī)范本領域內(nèi)各標準的制修訂和發(fā)布。（2）制修訂標準的原則本標準編制遵循經(jīng)濟社會發(fā)展需求原則、技術(shù)先進和經(jīng)濟合理原則、適應貿(mào)易全球化需求原則、維護公眾利益原則、協(xié)商一致原則、廣泛參與和公開透明原則。本標準在結(jié)構(gòu)編寫和內(nèi)容編排等方面依據(jù)GB/T1.1—2009《標準化工作導則第1部分：標準的結(jié)構(gòu)和編寫》進行編寫。三、采用國際標準和國外先進標準的情況本標準部分為自主起草，同時也參考了BSEN473《QualificationandcertificationofNDTpersonnel-Generalprinciples》、YB/T4289-2012《鋼管自動漏磁探傷系統(tǒng)綜合性能測試方法》、YS/T462《銅及銅合金管棒型線材產(chǎn)品缺陷》和YB/T145《管棒探傷對比試樣人工缺陷尺寸測量方法》。本標準為基礎通用標準。四、標準主要內(nèi)容本標準主要包括：1范圍，2規(guī)范性引用文件，3原理，4檢測要求，5檢測方法，6對比試樣，7檢驗設備，8檢驗條件和步驟，9設備運行和調(diào)整，10探傷結(jié)果的評定，11試驗報告。五、主要試驗（或驗證）結(jié)果的分析、綜述報告、技術(shù)經(jīng)濟論證，預期的經(jīng)濟效果等1、主要試驗（或驗證）結(jié)果的分析、綜述報告本標準所使用的方法，經(jīng)過眾多試驗和多次的現(xiàn)場檢測應用，其有效性得到了驗證。標準編制組對本標準所規(guī)定的視覺檢測方法進行了多次的現(xiàn)場檢測試驗驗證分析，試驗驗證內(nèi)容主要涉及視覺檢測原理、安全要求、檢測設備和器材、檢測方法、檢測分析等。檢測原理自動化生產(chǎn)過程中的鋼材等表面缺陷是一種異常，符合大樣本和大數(shù)據(jù)下的統(tǒng)計規(guī)律。表面缺陷表現(xiàn)出的數(shù)字化數(shù)據(jù)及其特征量的異常，可由機器識別、分類和報警處理。為了充分感知表面的各種缺陷，需采用平面上的紋理檢測和立面上的幾何形貌測量兩種檢測方法融合檢測。紋理檢測主要檢測線條型開口缺陷，幾何形貌測量主要檢測凹坑、凸變、變形等幾何形狀的畸變。大量應用數(shù)據(jù)測試表明，采用單一的拍照成像檢測會因表面光澤、粗糙度、附著物等影響產(chǎn)生大量的誤報，又因?qū)Ρ砻婢徸兊娜毕荩ㄈ鐗喊肌⑿〉淖冃危┎幻舾卸a(chǎn)生漏報。采用3D激光測量檢測時又會對開口較小的裂紋（小于2mm的開口裂紋）深度測量困難，高速時掃查的空間采樣間隔不夠等產(chǎn)生漏檢。所以，本標準強調(diào)了兩種方法的融合，以減少實際應用中的漏報和誤報。表面紋理檢測通過線掃或面掃攝像機（以下簡稱攝像機）拍攝平面圖像、結(jié)合圖像處理與分析實現(xiàn)自動識別、分類和報警處理。當鋼材表面存在紋理類缺陷時，其拍攝圖像的灰度、對比度以及紋理特性等會發(fā)生改變，基于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與比對分析給出判斷。表面幾何形貌測量通過激光位移測量機（以下簡稱測量機）測量表面法向上的幾何尺寸變化及其沿著平面的分布，結(jié)合數(shù)據(jù)處理與分析實現(xiàn)自動識別、分類和報警處理。當鋼材表面存在金屬缺失、變形時，其測量數(shù)據(jù)跟正常部位比對會發(fā)生改變，基于數(shù)據(jù)的量化分析給出判斷。表面紋理檢測敏感平面上小的開口裂紋，表面幾何形貌測量敏感平面上大的金屬缺失和局部變形，兩種檢測方法同時進行將有效消除表面色澤不均以及缺陷的多樣化等產(chǎn)生的漏報和誤報。檢測設備器材在表面紋理檢測試驗中所需要的檢測設備有攝像機、鏡頭、光源，主要進行平面圖像的采集和紋理檢測；在表面幾何形貌測量試驗中所需要的檢測設備有激光位移測量機，主要獲取深度信息，進行立面上的幾何形貌測量。且目前國內(nèi)外學者及各研究機構(gòu)等基于上述設備器材已研發(fā)了不少相對成熟的視覺檢測系統(tǒng)和三維掃描儀，主要進行工件表面缺陷的檢測和分類。美國Cognex公司研制的SmartViewMetals檢測系統(tǒng)，德國Parsytec公司開發(fā)的Espresso-SIHTs5.0檢測系統(tǒng)，德國SiemensVAI推出的SirollSIAS檢測系統(tǒng)，中國寶武鋼鐵集團有限公司研制的BaoVisionSIS-CM表面缺陷在線檢測系統(tǒng)，都在實際的工業(yè)生產(chǎn)應用中取得了不錯的檢測效果。同時三維測量系統(tǒng)中有加拿大Creaform公司的三維光學便攜式檢測儀HandySCAN3D，美國Faro公司的Focus3D120激光掃描儀，德國LMI公司生產(chǎn)的Gocator2370三維激光線掃描儀和德國GOM公司的ATOS掃描儀，日本基恩士公司的LV系列輪廓測量掃描儀等等。視覺檢測系統(tǒng)參數(shù)系統(tǒng)SmartViewMetalsEspresso-SIHTs5.0SirollSIASBaoVisionSIS-CM組成線掃攝像機(8k,160MHz)+50mm鏡頭+白色條形光源面掃攝像機(120-240Hz)+鏡頭+紅色頻閃燈線掃+面掃攝像機+鏡頭+紅色光源線掃攝像機+鏡頭+白色高亮線光源掃查方式線掃描面掃描線掃描+面掃描線掃描橫向分辨率0.13mm0.25mm振幅1mm（線掃）、15mm（面掃）0.46mm縱向分辨率0.38mm0.25mm振幅1mm（線掃）、15mm（面掃）0.98mm采集速度最高452m/min最高1100m/min最高360m/min最高23m/s缺陷檢出率95%96.69%90%95%缺陷分類率90%95.48%90%80%三維掃描儀參數(shù)儀器HandySCAN3DFocus3D120Gocator2370ATOS掃描儀輪廓點數(shù)面掃7000萬像素面掃12801200萬像素面掃測量范圍250mm/500mm100-500mm視野310×350mm148×105mm308-687mm500×370mm掃查速度1300000(次/秒)97600(點/秒)170-5000Hz/Z/Y分辨率0.025mm400dpi0.055-0.200mm0.03-0.12mmX分辨率0.025mm400dpi0.275-0.550mm0.03-0.12mm輸入電壓+12VDC+19VDC+24-+48VDC+12VDC在試驗中，選取鋼管為試驗對象，根據(jù)試驗中的具體參數(shù)，需要確定視覺檢測系統(tǒng)中的相關設備，其中包括攝像機、鏡頭、光源和測量機。攝像機在本次試驗中鋼管以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)運行，且攝像機采集的圖像橫向上代表鋼管徑向，縱向上代表鋼管軸向。同時選取中國大恒集團的面掃攝像機，分辨率為800×600，如圖5-1所示，其型號為MER-050-200GM/C，此攝像機的最大采集幀率為200fps，像元尺寸為4.8um×4.8um，像素深度是8bits，類型為黑白面掃攝像機，橫向像素點個數(shù)最大可達800，縱向像素點個數(shù)最大可達600，圖像數(shù)據(jù)傳輸方式為千兆以太網(wǎng)，其光譜響應范圍曲線如圖5-2所示。從圖5-2中可以看出該相機對于白色波段的光波長最為敏感，響應比較大，因此在設計光源時盡可能的考慮選擇白色光源，有利于獲取高質(zhì)量的圖像。且攝像機的選型參數(shù)如下表5.1所示：圖5-1面掃攝像機表5.1攝像機的相關參數(shù)型號MER-050-200GM/C色彩黑白分辨率800×600像元尺寸4.8um×4.8um輸出接口GigE鏡頭接口C像素深度8/10bits掃描幀率200fps工作溫度0℃~+45℃尺寸29mm×29mm×29mm傳感器1/3.6’’CMOS曝光方式全局曝光重量60g圖5-2攝像機的光譜響應曲線鏡頭光學鏡頭的主要作用是將檢測目標的光學圖像聚焦在圖像傳感器的光敏陣列上。視覺系統(tǒng)處理的所有圖像信息均通過鏡頭得到，鏡頭的選擇至關重要，直接影響所獲取圖像的效果。光學鏡頭的基本參數(shù)有焦距、像元尺寸、光圈、景深等，因此需要相應的計算進行確定，選擇合適的鏡頭型號。焦距是決定視場角大小的關鍵參數(shù)，其值越大，對應視場角越小，反之，觀測范圍也相應較大。鏡頭的光圈是調(diào)節(jié)鏡頭的進光亮多少，光圈越大，進入的光線也越強。另外攝像機的景深是指鏡頭沿攝像機光軸能獲取清晰圖像的物距范圍，其值的大小也有一定要求，其原理如圖5-3所示：圖5-3鏡頭景深示意圖根據(jù)試驗的需求，圖像實際尺寸為250mm×187.5mm，相機的工作距離為450mm，景深范圍至少100mm，確定所選的鏡頭型號為VS-0620VM，且焦距固定為6mm，接口方式為C接口，其實物圖如圖5-4所示，鏡頭的具體參數(shù)如下表5.2所示：圖5-4所選定焦鏡頭表5.2鏡頭相關參數(shù)型號VS-0620VM焦距6mm光圈F2~Close視場角度48.4°×61.9°接口方式C工作距離100-Inf.機械尺寸Ф29mm×39mm光學倍率0.055失真率-1.42靶面尺寸1/1.8’’光源對于照明光源的選型，需要考慮光照強度、光源波長和響應速度等因素的影響。在試驗中選取了LED燈作為照明光源，LED燈利用載流子空穴復合釋放出光子效應作為發(fā)光機理，是一種直接把電能轉(zhuǎn)化為光能的固態(tài)半導體器件，壽命可達幾十萬小時、光效高、色性好，低福射與低功耗，可靠性高。由于LED燈也存在多種類型，有環(huán)形光源、面光源、條形光源、線性光源、同軸光源等，但根據(jù)試驗的工況，需要均勻性好，強度較高，發(fā)光區(qū)域大的光源，而選取的線性光源采用柱面透鏡，具有超高亮度，發(fā)光區(qū)域大。同時考慮到鋼管為鋼鐵材質(zhì)，顏色為黑褐色，以及所選攝像機的光譜特性，白色的光源更能滿足要求，因此確定的型號為SHCL-375-WZT的白色線性光源，如下圖5-5所示。進一步需要確定光源的照明方式，由于鋼管屬于金屬材質(zhì)，反光特性會比較嚴重，因此不適合采用直接照明的方式。鋼管的表面為圓柱面，且需要獲取圖像清晰，光照均勻的圖像，則需要通過漫反射的原理，光源從鋼管的兩端打光，并從各個方向發(fā)射出光，其中一部分光直接照射到鋼管表面，一部分光照射到反光板，反光板再將光線反射到鋼管上，照射到不易照射的剛管弧面上，由于鋼管表面存在一定的粗糙度，因此不會有較強的鏡面反射特征，消除反光的影響，從而獲取亮度均勻的圖像。且照明的方式選用漫散光照明的方式，如圖5-6所示。圖5-5所選的線性光源圖5-6漫散光照明方式表5.3光源的相關參數(shù)型號類型顏色功率尺寸SHCL-375-WZTLED白色230W375mm×103mm×120.5mm測量機根據(jù)試驗中采集的方式及檢測需求，選定測量機型號為Gocator2370的3D傳感器。且3D傳感器沿鋼管軸向的最小分辨率可以達到0.275mm，深度方向的分辨率為0.055-0.2mm，傳感器的掃描速度為10-5000Hz，且傳感器的實物圖和相關參數(shù)如下所示：圖5-7所選的測量機表5.4測量機的相關參數(shù)型號Gocator2370輪廓數(shù)據(jù)點數(shù)1280掃描速度（Hz）170-5000Z線性度±0.04%Z分辨率（mm）0.055-0.200X分辨率（mm）0.275-0.550Z重復性（um）8凈距離（mm）400測量范圍（mm）500視野（mm）308-687激光等級2,3R輸入電壓+24-+48VDC尺寸（mm）49×75×272重量（kg）1.3輸出接口GigE圖5-8測量機的視場檢測方法為實現(xiàn)鋼管表面無漏成像和測量，需使用多臺攝像機和測量機沿著鋼管布置，如圖5-9的布置方式。如圖5-9，對于鋼管螺旋前進的檢測方式，使用多臺攝像機和測量機沿著軸向陣列布置，攝像機和測量機沿著軸向的有效覆蓋范圍總和大于鋼材前進的螺距。攝像機沿著周向的有效拍照圖像邊緣單邊重疊不小于10mm。測量機沿著周向的空間采樣間隔不大于2mm。圖5-9沿著鋼管軸向布置檢測機簡圖人工缺陷和自然缺陷圖像采用攝像機檢測時的人工缺陷形狀有圓形人工槽、十字人工槽、平底孔。采用測量機檢測時的人工缺陷形狀有正方平底槽、平底孔。平底孔在正方平底槽的中心位置。鋼板表面的人工缺陷如下圖5-10、圖5-11、圖5-12所示：圖5-10平底孔人工缺陷（直徑?1.6mm、?3.2mm、?6.4mm）圖5-11人工槽缺陷（長度8mm、寬度1mm）（a）圓形槽（直徑?5mm）（b）方形槽（邊長10mm）（c）通孔（直徑?3.2mm）圖5-12其他人工缺陷鋼管表面的自然缺陷圖像如圖5-13所示：圖5-13自然缺陷現(xiàn)場試驗圖5-14現(xiàn)場試驗圖圖5-15鋼管信息輸入框（1）端頭檢測（結(jié)果：無缺陷）圖5-16鋼管端頭檢測圖（2）橫向裂紋檢測（結(jié)果：有缺陷）圖5-17橫向裂紋檢測圖（3）縱向裂紋檢測（結(jié)果：有缺陷）圖5-18縱向裂紋檢測圖（4）橫向+縱向裂紋檢測（結(jié)果：有缺陷）圖5-19橫向+縱向裂紋檢測圖（5）端尾+縱向裂紋檢測（結(jié)果：有缺陷）圖5-20端尾+縱向裂紋檢測圖（6）端尾檢測（結(jié)果：無缺陷）圖5-21端尾檢測圖（7）一根鋼管檢測完，曲線顯示如下：圖5-22一根鋼管檢測曲線圖圖5-23檢測報告生成測量機檢測，如下圖所示：圖5-24待測鋼管圖5-25試驗平臺信號1信號2信號1信號2圖5-26測量機檢測的軟件界面圖圖5-27信號1局部放大圖圖5-28信號2局部放大圖圖5-29鋼管檢測結(jié)果圖5-30待測鋼管圖5-31試驗平臺圖5-32測量機檢測的軟件界面圖圖5-33局部信號放大圖圖5-34鋼板檢測結(jié)果圖通過上述試驗研究，表面紋理檢測敏感平面上小的開口裂紋，表面幾何形貌測量敏感平面上大的金屬缺失和局部變形，兩種檢測方法同時進行有效消除表面色澤不均以及缺陷的多樣化等產(chǎn)生的漏報和誤報，提高了檢測的準確率，也提高了檢測的效率，同時也為工程應用提供了參考。2、技術(shù)經(jīng)濟論證機器視覺檢測是無損檢測發(fā)展的一個重要方向，視覺檢測系統(tǒng)不與被檢材料有任何接觸，屬