基本信息
- 項目名稱：
- 基于虛擬現(xiàn)實技術的工業(yè)爐窯缺陷檢測裝置及方法
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 立式工業(yè)爐窯內(nèi)壁缺陷影響鋼材生產(chǎn)質量，針對爐窯內(nèi)壁缺陷檢測過去采用人工搭建繩網(wǎng)進行肉眼檢查的情況，本作品設計了簡潔、方便的數(shù)字化檢測裝置，適用于高度較大的圓形或矩形立式爐窯，檢測方法基于虛擬現(xiàn)實技術，實現(xiàn)虛擬爐窯再現(xiàn)、檢測過程動態(tài)跟蹤及缺陷三維定位。采用數(shù)字圖像的無損檢測方式，引入全景融合技術及圓形窗口匹配算法提高了檢測效率及準確性。
- 詳細介紹：
- 寶鋼分公司冷軋廠目前絕大部分工業(yè)爐窯為立式工業(yè)結構。爐窯爐室一般高為24米左右，長約10米，寬約2.5米，由于生產(chǎn)過程中經(jīng)常發(fā)生斷帶，爐內(nèi)斷帶的帶鋼極易導致內(nèi)襯表面耐火材料損壞，從而影響后續(xù)生產(chǎn)的帶鋼質量，造成設備狀態(tài)和產(chǎn)品的質量下降。 爐窯內(nèi)襯的缺陷，主要存在耐火磚斷裂、脫落及電阻帶滑落幾種情況，通常這幾類缺陷可以比較直觀地通過外觀來判別。為了保證產(chǎn)品質量，檢修人員需要經(jīng)常對爐窯設備狀態(tài)進行檢查，以便及時對損壞部位進行維修。 目前主要采用兩種方法對爐室進行檢測，一是搭設腳手架，二是用爬繩方法，這兩種方法都是爐窯檢測人員進入爐窯爐室內(nèi)部通過人眼直接查看。人工檢測方法存在以下缺點： 1、人工進入爐窯檢測屬于高空作業(yè)，存在極大地高空危險隱患，易產(chǎn)生工業(yè)事故，危害生命財產(chǎn)安全。 2、搭設腳手架需要大量時間，勞動強度大，加上爐室本身環(huán)境和結構特征，造成檢測工作繁瑣復雜，效率低下。 3、人工直接在爐內(nèi)搭建檢測設備容易對爐體內(nèi)襯造成損害，影響工作生產(chǎn)。 4、在冷軋廠停止生產(chǎn)后爐窯溫度降至大約50℃時就要進行檢測，一次時間需控制在60分鐘之內(nèi)，短時間的人工肉眼檢測往往容易產(chǎn)生誤差和疏漏。 5、一次檢測耗費人力、物力的成本較高，長期進行不利于企業(yè)發(fā)展。 為了能夠實現(xiàn)爐窯內(nèi)部的快速、精確、安全的檢查，特提出一種新的檢查技術――基于虛擬現(xiàn)實技術和數(shù)字圖像處理技術的工業(yè)爐窯缺陷檢測方法，同時研制相應的檢測裝置，以滿足檢測人員的檢測要求。 本作品針對上述要求設計了可適應高度范圍27米，長10米，寬2.5米至4米的檢測裝置，裝置采用曳引機構，由底部曳引電動機通過鋼絲繩牽引圖像采集設備在高度方向上運動完成檢測工作，爐頂?shù)闹Ъ茉O計為便攜折疊式，可由單人攜帶并快速安裝。裝置還設計了防抖機構，可有效避免高度方向上較大的振動，保證圖像采集設備穩(wěn)定運行。圖像采集設備具有云臺和控制電路，可做半球范圍內(nèi)的運動，同時加裝照明設備，可滿足爐窯內(nèi)部的圖像采集要求。 開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實技術和數(shù)字圖像處理技術的工業(yè)爐窯缺陷檢測軟件，將虛擬現(xiàn)實技術引入工業(yè)爐窯缺陷檢測中，將檢測方法帶入三維可視化領域，使檢測人員直觀了解檢測過程，查看檢測結果。采用數(shù)字圖像的無損檢測方式，可保證檢測過程不對設備產(chǎn)生損傷，采用優(yōu)化的全景融合技術及圓形窗體匹配算法，減小了單次檢測的時間，提高了檢測效率。檢測系統(tǒng)亦有后臺數(shù)據(jù)庫支持，記錄歷次檢測結果，幫助檢測人員跟蹤缺陷產(chǎn)生的過程，分析原因，從而改進產(chǎn)品。 目前本作品已完成了開發(fā)、試運行、驗收等工作，已交由上海寶鋼工業(yè)檢測公司應用到實際的爐窯缺陷檢測工作中，有效解決了人工檢測的繁瑣工作和危險系數(shù)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 基于數(shù)字圖像的無損檢測方式，較傳統(tǒng)的紅外熱成像等方法，有設備成本低、易維護、適用性強。檢測方法采用全景融合技術，對456張（一層19張24層）圖像一次拼接形成5985x5640分辨率的單圖，預處理后應用圓形窗體匹配法與標準模版一次比對，獲得檢測結果，從而提高了檢測效率。 基于虛擬現(xiàn)實技術，較傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)、圖表及二維圖像的檢測結果顯示相比，將處理后的爐窯內(nèi)壁全景圖，與所構建數(shù)字模型由紋理映射還原為三維的虛擬爐窯內(nèi)襯。檢測時，動態(tài)跟蹤檢測裝置，在虛擬爐窯內(nèi)顯示裝置位置；檢測后，實現(xiàn)內(nèi)壁缺陷的三維定位，直觀了解缺陷位置。設計了漫游等操作方式，可依據(jù)歷史檢測數(shù)據(jù)進入任意一次檢測的虛擬爐窯內(nèi)部查看，分析歷史數(shù)據(jù)，增加了可視化檢測效果及更為人性化的操作界面，檢測工作更為簡單。 裝置適應高度范圍27米，寬度范圍2.5米至4米，長度范圍10米，內(nèi)壁形狀為矩形或圓形（爐頂最大內(nèi)壁直徑為4米）的立式工業(yè)爐窯內(nèi)壁的缺陷檢測，適應溫度為零下20攝氏度至50攝氏度，折疊可調(diào)支架可由單人攜帶的，長度為1.4米，寬0.4米，重為15千克。 針對檢測裝置在高度方向上易產(chǎn)生抖動以及以高度方向為轉軸的轉動，設計了相應的防抖機構，有效避免檢測裝置運行過程中因抖動引起的圖像抖動問題。 設計可動態(tài)調(diào)整攝像機相關參數(shù)如位置、變焦、聚焦等的控制方法，依據(jù)事先建立的爐窯數(shù)字模型，適應矩形爐窯內(nèi)壁因攝像機旋轉采集而造成的圖像不一致問題，保證圖像采集在一致的平面內(nèi)。
科學性、先進性
- 檢測比對方法科學：將一次采集的所有圖像有序融合拼接，構造成爐窯內(nèi)部全景圖，經(jīng)預處理后提取特征匹配。無缺陷時，采樣獲得的全景圖作為標準模板；檢測時，應用標準模板進行匹配計算，引入圓形窗口模板匹配算法提高算法效率。 檢測結果表達先進：采用虛擬現(xiàn)實技術，與虛擬儀器的數(shù)值、圖表和二維圖形相比，實現(xiàn)了三維可視化檢測，通過構造爐窯三維數(shù)字模型，將采集融合后的爐窯內(nèi)部全景圖采用紋理映射進行虛擬爐窯內(nèi)壁紋理重構，虛實結合，檢測比對后缺陷位置在三維虛擬爐窯中定位標出。 檢測裝置可靠：裝置有一定的檢測范圍，便攜式快拆設計，折疊支架可單人攜帶。檢測過程由程序執(zhí)行。設計防抖機構，保證圖像采集的穩(wěn)定性，針對鋼絲繩產(chǎn)生高度方向的振動以及多根鋼絲共同作用產(chǎn)生以高度方向為轉軸的旋轉抖動，一是將三根鋼絲繩（兩根導向一根牽引）調(diào)整不同松緊度，構成不同的固有頻率，高度上較大振幅時，有效消除鋼絲繩之間的振幅，減小振動；二是用防抖支架在鋼絲繩旋轉方向抖動時產(chǎn)生與抖動方向相反的作用力，消除旋轉抖動。
獲獎情況及鑒定結果
- 2008年1月與上海滬江虛擬制造技術有限公司合作進行了作品中部分獨立技術的科研成果轉化，并集成入該公司開發(fā)的虛擬制造集成化系統(tǒng)，進行技術推廣和應用（見附件）。 2008年12月由上海寶鋼工業(yè)檢測公司鑒定后進行“冷軋立式工業(yè)爐窯內(nèi)襯可視化檢查技術及裝置研制”項目驗收（見附件）。
作品所處階段
- 完成了設計、加工、試運行，由上海寶鋼工業(yè)檢測公司驗收投入使用，系統(tǒng)的完善和功能擴展正在進行。
技術轉讓方式
- 科研成果轉化
作品可展示的形式
- 可展示設計圖紙、檢測系統(tǒng)（軟件部分）、裝置運行演示視頻、相關圖文介紹及說明
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 該裝置和檢測方法已在上海寶鋼工業(yè)檢測公司為檢測冷軋廠立式工業(yè)爐窯的內(nèi)壁缺陷檢測作業(yè)中使用，裝置于2008年5月完成，并進行了為期三個月的調(diào)試、優(yōu)化，以及三個月的試用后驗收，并證明了該裝置可靠，該檢測方法可行有效，同時也大大節(jié)約了人員資本、降低了檢測風險，可視化的檢測方式也讓檢測人員方便查找到缺陷位置，同時還可進行回放對比，記錄歷史檢測數(shù)據(jù)。 此外，本作品所應用的大幅面多圖像融合匹配技術與上海滬江虛擬制造技術有限公司進行了產(chǎn)學研合作，并將該部分技術進行了科研成果轉化，集成于該公司開發(fā)的虛擬制造集成化系統(tǒng)，在制造行業(yè)的相關單位，如上海軸承研究所、上海風電公司及上海起重運輸機械廠有限公司等進行推廣應用。 在市場方面，本作品經(jīng)改型和調(diào)整后可適用于各大鋼鐵、冶金、發(fā)電、化工等行業(yè)的工業(yè)爐窯檢測，也可用于一定高度范圍內(nèi)的大型建筑物前面缺陷檢測，可為檢測單位節(jié)約一大筆的檢測人員費用，節(jié)省大量的時間，降低工業(yè)事故發(fā)生的機率。該產(chǎn)品的投產(chǎn)將具有極大的市場潛力和應用前景。
同類課題研究水平概述
- 針對爐窯內(nèi)襯缺陷檢測技術在國內(nèi)外已經(jīng)研究了很長時間，在實際生產(chǎn)中也得到了很好的運用?；谔摂M技術和數(shù)字圖像處理技術的爐窯內(nèi)襯無損缺陷檢測的研究較少，尤其是運用虛擬現(xiàn)實技術進行爐窯三維模型構建以及爐窯內(nèi)部紋理重構技術來真實地還原爐窯實際情況這部分研究是國內(nèi)的空白。 基于虛擬技術的檢測技術，目前較多的是采用虛擬儀器實現(xiàn)對檢測設備的模擬和數(shù)字化應用擴展。常用的虛擬儀器有NI公司的LabView軟件以及HP公司Vee軟件，此類虛擬儀器更多的是對物理儀器的界面和功能進行仿真，并且結合成熟的計算機技術實現(xiàn)網(wǎng)絡化、高整合化和智能化等擴展應用。 本作品基于虛擬現(xiàn)實技術，強調(diào)的是對所檢測的爐窯內(nèi)壁進行真實的還原，即將采集到的圖像通過數(shù)字圖像處理技術和三維模型的紋理映射技術，以虛擬爐窯的方式進行還原，使檢測結果以三維可視化的方式呈現(xiàn)，并通過圖像模板匹配查找缺陷位置，進行三維定位和標記，讓檢測者直觀地獲得檢測結果，通過交互機制，還可使檢測者在三維的虛擬爐窯內(nèi)進行漫游，就如同實際在爐窯內(nèi)進行檢測一般。所建立的檢測結果數(shù)據(jù)庫可記錄歷次檢測結果，結合虛擬現(xiàn)實技術，可允許用戶不受時間、地點約束來查看歷次檢測的虛擬爐窯，幫助分析檢測結果。 無損檢測,是以不損害被檢測對象的使用性能為前提，應用多種物理原理和化學現(xiàn)象，對各種工程材料、零部件、結構件進行有效的檢測和測試，借以評價他們的連續(xù)性、完整性、安全可靠性和某些物理性能。目前國內(nèi)外所采用的無損缺陷檢測技術主要有射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測、滲透檢測和渦流檢測五種常規(guī)檢測方法。 對于爐壁內(nèi)襯缺陷的檢測，國內(nèi)有采用紅外熱成像儀進行檢測，主要利用熱成像儀獲取爐窯溫度場圖像后進行分析，找出缺陷，檢測過程在爐窯使用過程中進行，可有效針對使用過程中產(chǎn)生的缺陷。當然此種方法也存在一定得不足，例如設備復雜、昂貴，適用范圍一般不大，自動化率比較低、維護要求較高等特點。本作品主要針對的是煉鋼廠內(nèi)立式爐窯的常規(guī)檢測，檢測過程一般在停爐維護過程中進行，檢測對象一般為爐窯內(nèi)壁的耐火磚斷裂、電阻帶掉落等情況，采用數(shù)字圖像采集及處理的檢測方式將具有成本低廉、操作簡單、維護容易的有點，同時也是現(xiàn)實虛擬爐窯還原的重要保障。
