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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工業(yè)爐窯缺陷檢測(cè)裝置及方法
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 立式工業(yè)爐窯內(nèi)壁缺陷影響鋼材生產(chǎn)質(zhì)量，針對(duì)爐窯內(nèi)壁缺陷檢測(cè)過(guò)去采用人工搭建繩網(wǎng)進(jìn)行肉眼檢查的情況，本作品設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)潔、方便的數(shù)字化檢測(cè)裝置，適用于高度較大的圓形或矩形立式爐窯，檢測(cè)方法基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬爐窯再現(xiàn)、檢測(cè)過(guò)程動(dòng)態(tài)跟蹤及缺陷三維定位。采用數(shù)字圖像的無(wú)損檢測(cè)方式，引入全景融合技術(shù)及圓形窗口匹配算法提高了檢測(cè)效率及準(zhǔn)確性。
- 詳細(xì)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(jié)構(gòu)。爐窯爐室一般高為24米左右，長(zhǎng)約10米，寬約2.5米，由于生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生斷帶，爐內(nèi)斷帶的帶鋼極易導(dǎo)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(zhì)量，造成設(shè)備狀態(tài)和產(chǎn)品的質(zhì)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(lèi)缺陷可以比較直觀地通過(guò)外觀來(lái)判別。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，檢修人員需要經(jīng)常對(duì)爐窯設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢查，以便及時(shí)對(duì)損壞部位進(jìn)行維修。 目前主要采用兩種方法對(duì)爐室進(jìn)行檢測(cè)，一是搭設(shè)腳手架，二是用爬繩方法，這兩種方法都是爐窯檢測(cè)人員進(jìn)入爐窯爐室內(nèi)部通過(guò)人眼直接查看。人工檢測(cè)方法存在以下缺點(diǎn)： 1、人工進(jìn)入爐窯檢測(cè)屬于高空作業(yè)，存在極大地高空危險(xiǎn)隱患，易產(chǎn)生工業(yè)事故，危害生命財(cái)產(chǎn)安全。 2、搭設(shè)腳手架需要大量時(shí)間，勞動(dòng)強(qiáng)度大，加上爐室本身環(huán)境和結(jié)構(gòu)特征，造成檢測(cè)工作繁瑣復(fù)雜，效率低下。 3、人工直接在爐內(nèi)搭建檢測(cè)設(shè)備容易對(duì)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(shí)就要進(jìn)行檢測(cè)，一次時(shí)間需控制在60分鐘之內(nèi)，短時(shí)間的人工肉眼檢測(cè)往往容易產(chǎn)生誤差和疏漏。 5、一次檢測(cè)耗費(fèi)人力、物力的成本較高，長(zhǎng)期進(jìn)行不利于企業(yè)發(fā)展。 為了能夠?qū)崿F(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(shù)――基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的工業(yè)爐窯缺陷檢測(cè)方法，同時(shí)研制相應(yīng)的檢測(cè)裝置，以滿(mǎn)足檢測(cè)人員的檢測(cè)要求。 本作品針對(duì)上述要求設(shè)計(jì)了可適應(yīng)高度范圍27米，長(zhǎng)10米，寬2.5米至4米的檢測(cè)裝置，裝置采用曳引機(jī)構(gòu)，由底部曳引電動(dòng)機(jī)通過(guò)鋼絲繩牽引圖像采集設(shè)備在高度方向上運(yùn)動(dòng)完成檢測(cè)工作，爐頂?shù)闹Ъ茉O(shè)計(jì)為便攜折疊式，可由單人攜帶并快速安裝。裝置還設(shè)計(jì)了防抖機(jī)構(gòu)，可有效避免高度方向上較大的振動(dòng)，保證圖像采集設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。圖像采集設(shè)備具有云臺(tái)和控制電路，可做半球范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)加裝照明設(shè)備，可滿(mǎn)足爐窯內(nèi)部的圖像采集要求。 開(kāi)發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的工業(yè)爐窯缺陷檢測(cè)軟件，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入工業(yè)爐窯缺陷檢測(cè)中，將檢測(cè)方法帶入三維可視化領(lǐng)域，使檢測(cè)人員直觀了解檢測(cè)過(guò)程，查看檢測(cè)結(jié)果。采用數(shù)字圖像的無(wú)損檢測(cè)方式，可保證檢測(cè)過(guò)程不對(duì)設(shè)備產(chǎn)生損傷，采用優(yōu)化的全景融合技術(shù)及圓形窗體匹配算法，減小了單次檢測(cè)的時(shí)間，提高了檢測(cè)效率。檢測(cè)系統(tǒng)亦有后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)支持，記錄歷次檢測(cè)結(jié)果，幫助檢測(cè)人員跟蹤缺陷產(chǎn)生的過(guò)程，分析原因，從而改進(jìn)產(chǎn)品。 目前本作品已完成了開(kāi)發(fā)、試運(yùn)行、驗(yàn)收等工作，已交由上海寶鋼工業(yè)檢測(cè)公司應(yīng)用到實(shí)際的爐窯缺陷檢測(cè)工作中，有效解決了人工檢測(cè)的繁瑣工作和危險(xiǎn)系數(shù)。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 基于數(shù)字圖像的無(wú)損檢測(cè)方式，較傳統(tǒng)的紅外熱成像等方法，有設(shè)備成本低、易維護(hù)、適用性強(qiáng)。檢測(cè)方法采用全景融合技術(shù)，對(duì)456張（一層19張24層）圖像一次拼接形成5985x5640分辨率的單圖，預(yù)處理后應(yīng)用圓形窗體匹配法與標(biāo)準(zhǔn)模版一次比對(duì)，獲得檢測(cè)結(jié)果，從而提高了檢測(cè)效率。 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，較傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)、圖表及二維圖像的檢測(cè)結(jié)果顯示相比，將處理后的爐窯內(nèi)壁全景圖，與所構(gòu)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(cè)時(shí)，動(dòng)態(tài)跟蹤檢測(cè)裝置，在虛擬爐窯內(nèi)顯示裝置位置；檢測(cè)后，實(shí)現(xiàn)內(nèi)壁缺陷的三維定位，直觀了解缺陷位置。設(shè)計(jì)了漫游等操作方式，可依據(jù)歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)入任意一次檢測(cè)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(cè)效果及更為人性化的操作界面，檢測(cè)工作更為簡(jiǎn)單。 裝置適應(yīng)高度范圍27米，寬度范圍2.5米至4米，長(zhǎng)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(cè)，適應(yīng)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(zhǎng)度為1.4米，寬0.4米，重為15千克。 針對(duì)檢測(cè)裝置在高度方向上易產(chǎn)生抖動(dòng)以及以高度方向?yàn)檗D(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的防抖機(jī)構(gòu)，有效避免檢測(cè)裝置運(yùn)行過(guò)程中因抖動(dòng)引起的圖像抖動(dòng)問(wèn)題。 設(shè)計(jì)可動(dòng)態(tài)調(diào)整攝像機(jī)相關(guān)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(yīng)矩形爐窯內(nèi)壁因攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)采集而造成的圖像不一致問(wèn)題，保證圖像采集在一致的平面內(nèi)。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 檢測(cè)比對(duì)方法科學(xué)：將一次采集的所有圖像有序融合拼接，構(gòu)造成爐窯內(nèi)部全景圖，經(jīng)預(yù)處理后提取特征匹配。無(wú)缺陷時(shí)，采樣獲得的全景圖作為標(biāo)準(zhǔn)模板；檢測(cè)時(shí)，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行匹配計(jì)算，引入圓形窗口模板匹配算法提高算法效率。 檢測(cè)結(jié)果表達(dá)先進(jìn)：采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，與虛擬儀器的數(shù)值、圖表和二維圖形相比，實(shí)現(xiàn)了三維可視化檢測(cè)，通過(guò)構(gòu)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(jìn)行虛擬爐窯內(nèi)壁紋理重構(gòu)，虛實(shí)結(jié)合，檢測(cè)比對(duì)后缺陷位置在三維虛擬爐窯中定位標(biāo)出。 檢測(cè)裝置可靠：裝置有一定的檢測(cè)范圍，便攜式快拆設(shè)計(jì)，折疊支架可單人攜帶。檢測(cè)過(guò)程由程序執(zhí)行。設(shè)計(jì)防抖機(jī)構(gòu)，保證圖像采集的穩(wěn)定性，針對(duì)鋼絲繩產(chǎn)生高度方向的振動(dòng)以及多根鋼絲共同作用產(chǎn)生以高度方向?yàn)檗D(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)抖動(dòng)，一是將三根鋼絲繩（兩根導(dǎo)向一根牽引）調(diào)整不同松緊度，構(gòu)成不同的固有頻率，高度上較大振幅時(shí)，有效消除鋼絲繩之間的振幅，減小振動(dòng)；二是用防抖支架在鋼絲繩旋轉(zhuǎn)方向抖動(dòng)時(shí)產(chǎn)生與抖動(dòng)方向相反的作用力，消除旋轉(zhuǎn)抖動(dòng)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2008年1月與上海滬江虛擬制造技術(shù)有限公司合作進(jìn)行了作品中部分獨(dú)立技術(shù)的科研成果轉(zhuǎn)化，并集成入該公司開(kāi)發(fā)的虛擬制造集成化系統(tǒng)，進(jìn)行技術(shù)推廣和應(yīng)用（見(jiàn)附件）。 2008年12月由上海寶鋼工業(yè)檢測(cè)公司鑒定后進(jìn)行“冷軋立式工業(yè)爐窯內(nèi)襯可視化檢查技術(shù)及裝置研制”項(xiàng)目驗(yàn)收（見(jiàn)附件）。
作品所處階段
- 完成了設(shè)計(jì)、加工、試運(yùn)行，由上海寶鋼工業(yè)檢測(cè)公司驗(yàn)收投入使用，系統(tǒng)的完善和功能擴(kuò)展正在進(jìn)行。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 科研成果轉(zhuǎn)化
作品可展示的形式
- 可展示設(shè)計(jì)圖紙、檢測(cè)系統(tǒng)（軟件部分）、裝置運(yùn)行演示視頻、相關(guān)圖文介紹及說(shuō)明
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 該裝置和檢測(cè)方法已在上海寶鋼工業(yè)檢測(cè)公司為檢測(cè)冷軋廠立式工業(yè)爐窯的內(nèi)壁缺陷檢測(cè)作業(yè)中使用，裝置于2008年5月完成，并進(jìn)行了為期三個(gè)月的調(diào)試、優(yōu)化，以及三個(gè)月的試用后驗(yàn)收，并證明了該裝置可靠，該檢測(cè)方法可行有效，同時(shí)也大大節(jié)約了人員資本、降低了檢測(cè)風(fēng)險(xiǎn)，可視化的檢測(cè)方式也讓檢測(cè)人員方便查找到缺陷位置，同時(shí)還可進(jìn)行回放對(duì)比，記錄歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)。 此外，本作品所應(yīng)用的大幅面多圖像融合匹配技術(shù)與上海滬江虛擬制造技術(shù)有限公司進(jìn)行了產(chǎn)學(xué)研合作，并將該部分技術(shù)進(jìn)行了科研成果轉(zhuǎn)化，集成于該公司開(kāi)發(fā)的虛擬制造集成化系統(tǒng)，在制造行業(yè)的相關(guān)單位，如上海軸承研究所、上海風(fēng)電公司及上海起重運(yùn)輸機(jī)械廠有限公司等進(jìn)行推廣應(yīng)用。 在市場(chǎng)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(cè)，也可用于一定高度范圍內(nèi)的大型建筑物前面缺陷檢測(cè)，可為檢測(cè)單位節(jié)約一大筆的檢測(cè)人員費(fèi)用，節(jié)省大量的時(shí)間，降低工業(yè)事故發(fā)生的機(jī)率。該產(chǎn)品的投產(chǎn)將具有極大的市場(chǎng)潛力和應(yīng)用前景。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 針對(duì)爐窯內(nèi)襯缺陷檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研究了很長(zhǎng)時(shí)間，在實(shí)際生產(chǎn)中也得到了很好的運(yùn)用?；谔摂M技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的爐窯內(nèi)襯無(wú)損缺陷檢測(cè)的研究較少，尤其是運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行爐窯三維模型構(gòu)建以及爐窯內(nèi)部紋理重構(gòu)技術(shù)來(lái)真實(shí)地還原爐窯實(shí)際情況這部分研究是國(guó)內(nèi)的空白。 基于虛擬技術(shù)的檢測(cè)技術(shù)，目前較多的是采用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)設(shè)備的模擬和數(shù)字化應(yīng)用擴(kuò)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(lèi)虛擬儀器更多的是對(duì)物理儀器的界面和功能進(jìn)行仿真，并且結(jié)合成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、高整合化和智能化等擴(kuò)展應(yīng)用。 本作品基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，強(qiáng)調(diào)的是對(duì)所檢測(cè)的爐窯內(nèi)壁進(jìn)行真實(shí)的還原，即將采集到的圖像通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)和三維模型的紋理映射技術(shù)，以虛擬爐窯的方式進(jìn)行還原，使檢測(cè)結(jié)果以三維可視化的方式呈現(xiàn)，并通過(guò)圖像模板匹配查找缺陷位置，進(jìn)行三維定位和標(biāo)記，讓檢測(cè)者直觀地獲得檢測(cè)結(jié)果，通過(guò)交互機(jī)制，還可使檢測(cè)者在三維的虛擬爐窯內(nèi)進(jìn)行漫游，就如同實(shí)際在爐窯內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)一般。所建立的檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)可記錄歷次檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可允許用戶(hù)不受時(shí)間、地點(diǎn)約束來(lái)查看歷次檢測(cè)的虛擬爐窯，幫助分析檢測(cè)結(jié)果。 無(wú)損檢測(cè),是以不損害被檢測(cè)對(duì)象的使用性能為前提，應(yīng)用多種物理原理和化學(xué)現(xiàn)象，對(duì)各種工程材料、零部件、結(jié)構(gòu)件進(jìn)行有效的檢測(cè)和測(cè)試，借以評(píng)價(jià)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(guó)內(nèi)外所采用的無(wú)損缺陷檢測(cè)技術(shù)主要有射線(xiàn)檢測(cè)、超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)和渦流檢測(cè)五種常規(guī)檢測(cè)方法。 對(duì)于爐壁內(nèi)襯缺陷的檢測(cè)，國(guó)內(nèi)有采用紅外熱成像儀進(jìn)行檢測(cè)，主要利用熱成像儀獲取爐窯溫度場(chǎng)圖像后進(jìn)行分析，找出缺陷，檢測(cè)過(guò)程在爐窯使用過(guò)程中進(jìn)行，可有效針對(duì)使用過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷。當(dāng)然此種方法也存在一定得不足，例如設(shè)備復(fù)雜、昂貴，適用范圍一般不大，自動(dòng)化率比較低、維護(hù)要求較高等特點(diǎn)。本作品主要針對(duì)的是煉鋼廠內(nèi)立式爐窯的常規(guī)檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程一般在停爐維護(hù)過(guò)程中進(jìn)行，檢測(cè)對(duì)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(cè)方式將具有成本低廉、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)容易的有點(diǎn)，同時(shí)也是現(xiàn)實(shí)虛擬爐窯還原的重要保障。
