鋼球表面缺陷檢測方法綜述

周杭超，董晨晨，陳 鋒，程 力，吳淳杰，翁海舟

（1.浙江方圓檢測集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州310018；2.浙江省產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測研究院，浙江 杭州310018）

0 引言

軸承一直是機(jī)械裝備行業(yè)中非常重要的零部件，國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)對軸承的應(yīng)用極其廣泛。軸承中的滾動(dòng)體鋼球的質(zhì)量是直接關(guān)系軸承性能的關(guān)鍵因素，鋼球的缺陷程度會(huì)對軸承的精度以及使用壽命造成直接影響[1，2]。由于鋼球原材料批次不同、加工機(jī)床的精度以及加工過程工藝控制等技術(shù)因素的影響，會(huì)導(dǎo)致在鋼球的加工過程中產(chǎn)生局部細(xì)微的表面缺陷[3]。國家軸承質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對軸承產(chǎn)品的歷次抽查試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于鋼球的表面缺陷導(dǎo)致軸承失效的套數(shù)比例有時(shí)竟然高達(dá)80%[4]。因此對鋼球表面缺陷的檢測是提高軸承質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)手段，對鋼球表面的質(zhì)量至關(guān)重要[5]。

現(xiàn)階段國內(nèi)鋼球生產(chǎn)企業(yè)主要通過人工抽檢檢測方法對鋼球的表面進(jìn)行檢測，即在燈光下，工人使用金相顯微鏡將鋼球放大100倍，通過與缺陷標(biāo)準(zhǔn)圖冊進(jìn)行比對來達(dá)到表面缺陷檢測的目的[6]。這種人工檢驗(yàn)方法，檢測速度慢，檢測效率低，誤檢和漏檢率很高，從而降低了鋼球的可靠性。因此研究鋼球表面缺陷的自動(dòng)檢測方法很必要。本文對當(dāng)前鋼球表面缺陷自動(dòng)檢測技術(shù)的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)和研究進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)的論述，為我國的鋼球表面缺陷檢測技術(shù)發(fā)展提供有益的借鑒。

1 自動(dòng)檢測技術(shù)

目前應(yīng)用于鋼球表面缺陷自動(dòng)檢測技術(shù)主要是有：聲發(fā)射法、光電檢測法、渦流探傷法、光電和渦流混合檢測法、觸針法、超聲波探傷法、電容傳感法、滲透檢測法、光纖傳感檢測法、振動(dòng)值檢測法以及機(jī)器視覺檢測技術(shù)。

1.1 聲發(fā)射檢測方法

這種方法是將聲發(fā)射原理應(yīng)用在鋼球的加工過程中，對表面缺陷的產(chǎn)生進(jìn)行預(yù)測和監(jiān)控。聲發(fā)射，是指鋼球在外力（或內(nèi)力）作用下，發(fā)生變形或斷裂時(shí)釋放出彈性波，這種彈性波傳至試件表面后激發(fā)換能器，使之轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過放大和濾波后形成聲發(fā)射信號。根據(jù)信號幅值高度和時(shí)域?qū)挾?，可用于識(shí)別鋼球缺陷的嚴(yán)重程度[7，8]，如圖1所示。由于在鋼球表面缺陷檢測過程中會(huì)有環(huán)境噪聲干擾，同時(shí)難以確定聲發(fā)射信號的接收傳感器擺放位置，導(dǎo)致理論上聲發(fā)射法是可行的，但自動(dòng)化檢測不易實(shí)現(xiàn)。

圖1 聲發(fā)射原理圖

1.2 光電檢測法

光電檢測由光源發(fā)出的光線通過透鏡照射到鋼球表面上，表面所反射的光線，經(jīng)由光欄板照到光敏電阻上面，如圖2所示。光電檢測鋼球表面是否有缺陷的方法是檢測照射在光敏電阻上面的光強(qiáng)度大小來判斷。如果鋼球的表面出現(xiàn)凹坑、斑點(diǎn)或者劃痕等缺陷，就會(huì)減弱反射光的強(qiáng)度，導(dǎo)致光電流變小，因此檢測電路的信號會(huì)發(fā)生變化從而發(fā)現(xiàn)有缺陷的鋼球[9]。鋼球的表面是否能被光點(diǎn)照射到是這種檢測方法的關(guān)鍵，另外鋼球表面展開時(shí)的高速運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這對前置放大器以及光電管的檢測精度有很大影響。而且光電檢測法的傳感器體積一般都比較大，所需的光學(xué)透鏡精度要求高，光路比較復(fù)雜。日本大旺鋼球株式會(huì)社所研發(fā)了一種鋼球表面缺陷檢測儀，使用33個(gè)光電傳感器來實(shí)現(xiàn)鋼球表面質(zhì)量的檢測，該儀器最大優(yōu)點(diǎn)是可檢成品球，其缺點(diǎn)是成本過高，檢測方式是點(diǎn)掃描效率較低[10]。目前國內(nèi)高校中的四川大學(xué)趙剛的研究方向一直是鋼球展開理論和光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，其對捷克生產(chǎn)的Aviko K型鋼球外觀檢驗(yàn)機(jī)應(yīng)用的子午線展開原理進(jìn)行了完善詳細(xì)的分析，分析推導(dǎo)出了用于加工該展開機(jī)構(gòu)的易損件（控制滾輪）幾何加工參數(shù)的計(jì)算公式，目前已成功地得到了應(yīng)用[11]。

圖2 光電檢測原理圖

1.3 渦流探傷法

渦流探傷法是利用電磁感應(yīng)原理對鋼球表面缺陷進(jìn)行檢測的。在交變磁場中鋼球內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一種渦電流現(xiàn)象，如果鋼球表面存在缺陷會(huì)對渦電流的大小以及分布產(chǎn)生影響，因而使用傳感器檢測渦電流的變化即可識(shí)別出鋼球表面是否存在缺陷[12]，如圖3 所示。武漢理工大學(xué)[13]、湖北工業(yè)大學(xué)[14，15]、濟(jì)南大學(xué)[16]均開展了利用渦電流技術(shù)對鋼球表面缺陷檢測的技術(shù)研究，并取得了一些成果。徐長英等[17]在渦流探傷技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了利用經(jīng)緯展開形式的球表面展開系統(tǒng)。王琛[18]等利用渦流方法檢測鋼球表面缺陷，基于Fisher判別分析理論，設(shè)計(jì)識(shí)別算法對鋼球表面缺陷進(jìn)行識(shí)別，這種算法的是將差分線圈輸出的包絡(luò)信號中的均值絕對值和幅值譜峰值作為特征量。渦流探傷法對于鋼球內(nèi)部缺陷如開裂具有較強(qiáng)的分選能力，但對于鋼球表面缺陷如輕微劃傷卻不能很好地識(shí)別出來。

圖3 渦流探傷原理圖

渦流探傷法對鋼球表面的裂紋、燒傷和針孔等因在鋼球加工和原材料產(chǎn)生的缺陷識(shí)別分選較好，但無法識(shí)別出鋼球表面的劃痕和麻點(diǎn)等缺陷，并且不能檢測非金屬材料的球，探測距離比較近，限制了該方法的使用。

1.4 光電和渦流混合檢測技術(shù)

此技術(shù)是基于光電檢測技術(shù)對鋼球表面缺陷識(shí)別，這種技術(shù)靈敏度比較高，同時(shí)渦流探傷技術(shù)可以很好的發(fā)現(xiàn)鋼球的內(nèi)部裂紋、燒傷和針孔等缺陷，因此把兩種檢測技術(shù)結(jié)合起來，識(shí)別多種表面缺陷、靈敏度高的自動(dòng)化檢測設(shè)備就可以生產(chǎn)出來。捷克SOMET公司生產(chǎn)的一種AVIKO系列的鋼球表面缺陷檢測設(shè)備就成功應(yīng)用了光電和渦流混合檢測技術(shù)，設(shè)備的展開結(jié)構(gòu)用的是展開輪，其可對各種缺陷進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，形成信息化系統(tǒng)進(jìn)行缺陷篩選[19]。然而AVIKO系列的產(chǎn)品價(jià)格高貴，核心技術(shù)對外封鎖，維護(hù)困難，導(dǎo)致檢測成本升高，因此僅用于檢測部分要求高的產(chǎn)品。南通大學(xué)[20]等單位的研究人員研究了一種基于子午線展開機(jī)構(gòu)的渦流、激光雙傳感器的鋼球質(zhì)量檢測設(shè)備，能夠有效檢測出鋼球內(nèi)部裂紋、銹斑及劃痕等缺陷，漏檢率、錯(cuò)檢率在0.04%以下，分選速度能夠達(dá)到每分鐘30粒~90粒，如圖4所示。

圖4 渦流、激光混合檢測結(jié)構(gòu)

1.5 觸針法

觸針法測量是通過傳感器觸針來采集鋼球表面的起伏輪廓，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，是行業(yè)里鑒定鋼球表面質(zhì)量的常規(guī)方法。此種方法測量比較精確，但是接觸式測量方法容易劃傷被測鋼球表面，對于連續(xù)生產(chǎn)的鋼球不能實(shí)現(xiàn)表面缺陷自動(dòng)檢測[21，22]。

1.6 超聲波探傷法

超聲波的特性具有指向性，超聲波探傷法正式基于這種特性，傳感器采集從鋼球內(nèi)部發(fā)射回來的聲波，經(jīng)過分析可以計(jì)算出缺陷的大小[23]，如圖5所示。超聲波探頭向鋼球發(fā)射聲波，當(dāng)鋼球表面存在缺陷時(shí)超聲波會(huì)立即反射回來，鋼球沒有缺陷時(shí)超聲波到底部才能反射回來。這種檢測方法不需要鋼球表面有較好的粗糙度，能夠比較高效地檢測出有面狀缺陷和裂紋的鋼球；但用這種方法檢測的時(shí)候，只有當(dāng)鋼球缺陷非常密以及明顯夠大時(shí)才能識(shí)別，不然探頭采集不到足夠的反射回波，無法識(shí)別鋼球表面細(xì)小的擦痕、劃條等缺陷。

圖5 超聲波探傷原理

1.7 電容傳感檢測法

電容傳感檢測法是把固定在鋼球外圈的鋼鉑以及鋼球本身作為電容的兩個(gè)電極，當(dāng)鋼球表面出現(xiàn)如劃痕、凹坑缺陷時(shí)，就等于電容的極距產(chǎn)生了變化，當(dāng)鋼球轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電容容量同時(shí)會(huì)跟隨變化，設(shè)計(jì)合理的電路將這些變化變換成電信號，通過分析這些電信號便可以判斷鋼球的表面缺陷現(xiàn)象[24]，電容式傳感器結(jié)構(gòu)如圖6所示。此方法結(jié)構(gòu)簡單且是非接觸式檢測，不會(huì)對鋼球表面造成劃損，但是精度不高。馬玉真[25]等利用電容傳感檢測技術(shù)設(shè)計(jì)了適用于大鋼球的表面缺陷檢測系統(tǒng)，并分析了鋼球沿子午線展開時(shí)的測量結(jié)果，通過數(shù)據(jù)分布的概率密度函數(shù)直觀地展示了合格鋼球與缺陷鋼球的測量值分布特征。

圖6 電容式傳感器結(jié)構(gòu)圖

1.8 滲透檢測法

滲透檢測技術(shù)通過滲透劑滲入到非金屬球表面的開口缺陷，在清除球表面的滲透劑后，從缺陷回滲的滲透劑可以顯現(xiàn)缺陷的形狀、位置以及大小。此方法對球表面的污染較為嚴(yán)重，檢測效率低，多憑檢驗(yàn)人員經(jīng)驗(yàn)，易受人為因素的影響。上海材料研究所的李自根[26]等研發(fā)了陶瓷球表面滲透檢驗(yàn)自動(dòng)分選系統(tǒng)，可對陶瓷球的表面缺陷進(jìn)行檢測。

1.9 光纖傳感檢測法

光纖傳感檢測法通過發(fā)射光纖發(fā)出光，鋼球表面的粗糙度會(huì)對投射在鋼球表面的光斑產(chǎn)生影響，在鋼球鏡面方向上的反射光和散射光會(huì)發(fā)生變化，因此利用參考光強(qiáng)與測出的鋼球表面反射光或散射光強(qiáng)變化量進(jìn)行對比，就可以檢測出鋼球表面的粗糙度大小。Wang[27]等將光纖傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)用于檢測鋼球表面的粗糙度和位移變化引起的裂紋、凹凸點(diǎn)等缺陷，建立了鋼球表面質(zhì)量等效評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。濟(jì)南大學(xué)的張永奎[28]、王成林[29]、呂景超[30]對鋼球表面的缺陷檢測方法是利用光纖傳感技術(shù)，對鋼球表面的缺陷等級進(jìn)行了參數(shù)量化分類，并提出了多光纖的檢測方法，并制作了一種新型的光纖傳感器。光纖傳感檢測法多數(shù)還處于實(shí)驗(yàn)階段，少部分研制出來的的樣機(jī)性能也不是很穩(wěn)定，精度不高。

1.1 0振動(dòng)值檢測法

日本NTN東洋軸承公司認(rèn)為提高軸承動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵因素是如何控制鋼球的振動(dòng)值，鋼球的質(zhì)量可以通過檢查鋼球的振動(dòng)值來有效得到控制[31]。目前，我國的軸承生產(chǎn)企業(yè)，是在鋼球振動(dòng)儀上對鋼球的振動(dòng)值進(jìn)行測量的。這種方法的缺點(diǎn)是檢測過程對軸承有損傷，因此采用隨機(jī)抽樣的方法來評價(jià)生產(chǎn)批次的鋼球振動(dòng)等級情況。姜海彬[32]分別對軸承鋼球的表面質(zhì)量缺陷以及精度缺陷對軸承振動(dòng)值的影響進(jìn)行了研究，研究表明鋼球的幾何精度和表面質(zhì)量對降低軸承的振動(dòng)噪聲起著決定性的作用，為解決軸承振動(dòng)噪聲問題打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.1 1機(jī)器視覺檢測技術(shù)

機(jī)器視覺檢測技術(shù)是基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，將鋼球表面通過某種展開運(yùn)動(dòng)展開，使用CCD攝像機(jī)拍攝鋼球表面的圖像，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對拍攝的圖像進(jìn)行圖像識(shí)別處理，從而判別鋼球表面是否存在缺陷[33，34]。該方法具有非接觸性、檢測精度高、穩(wěn)定性好、設(shè)備簡單、自動(dòng)化程度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)[35]。目前，國內(nèi)己研制出了基于機(jī)器視覺的鋼球表面質(zhì)量檢測儀的樣機(jī)，如圖7所示。該設(shè)備的優(yōu)勢之處在于成本較低，檢測精度相對較高，但它的檢測速度只在每小時(shí)1 500粒~3 000粒，與國外所生產(chǎn)的鋼球質(zhì)量缺陷檢測設(shè)備的檢測速度相比還差很多[36]。

目前，國內(nèi)的部分高校、部分軸承行業(yè)中的鋼球生產(chǎn)企業(yè)以及科研院所陸續(xù)開展了應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)對鋼球表面缺陷進(jìn)行檢測的研究。國內(nèi)高校最早開展了鋼球視覺檢測的研究是哈爾濱工業(yè)大學(xué)潘洪平[2，37]等，他們正是基于圖像處理技術(shù)為鋼球表面缺陷檢測建立了評價(jià)體系，為鋼球檢測的圖像理論打下了基礎(chǔ)。哈爾濱理工大學(xué)的劉獻(xiàn)禮、王鵬、劉德利、王義文[38-44]等研究工作者依托機(jī)器視覺檢測技術(shù)，對鋼球表面缺陷的檢測、識(shí)別和分類做了大量基礎(chǔ)研究工作，開發(fā)出了鋼球表面缺陷檢測儀樣機(jī)，該樣機(jī)基本實(shí)現(xiàn)了鋼球表面缺陷的自動(dòng)檢測功能及好壞鋼球的分選功能。河南科技大學(xué)的宋曉霞[45]等提出了一種基于機(jī)器視覺檢測的鋼球表面缺陷軌道自動(dòng)檢測技術(shù)，這種方法為克服鋼球表面容易反光的問題，一共使用了6個(gè)CCD攝像頭，從而能夠準(zhǔn)確地檢測識(shí)別出鋼球表面的缺陷。南京工程學(xué)院的李春穎[33]等應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)，對于攝像頭拍攝的鋼球表面圖像數(shù)據(jù)信號采用圖像比對的方法對表面缺陷進(jìn)行判斷分析，提出了基于“差影法”的鋼球表面缺陷提取方法。天津大學(xué)的栗琳[46]提出了基于雙圖像傳感器的鋼球表面新的展開方法，用以解決高反射光澤金屬球表面缺陷圖像采集的難題，并研究了基于該方法的鋼球圖像處理技術(shù)。趙彥玲[47，48]等對鋼球圖像進(jìn)行圖像濾波增強(qiáng)等預(yù)處理、基于小波變換模極大值的邊緣檢測算法及展開方法理論進(jìn)行了研究。方勝[49]等基于機(jī)器視覺圖像處理技術(shù)構(gòu)建了鋼球表面缺陷檢測系統(tǒng)。熊燕麗[50]等提出了一種光學(xué)檢測新方法利用機(jī)器視覺技術(shù)對鋼球表面缺陷進(jìn)行檢測，采用雙目的CCD攝像頭和平面鏡反射成像同時(shí)獲得上、下、左、右四個(gè)面的鋼球表面圖像，以取代傳統(tǒng)的鋼球表面展開機(jī)械裝置。

2 總結(jié)

本文回顧了當(dāng)前鋼球表面缺陷檢測技術(shù)的基本原理和發(fā)展?fàn)顩r，綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，鋼球表面缺陷檢測技術(shù)有了長足的進(jìn)步，總的說來已經(jīng)可以滿足鋼球表面質(zhì)量檢測的需求。在上述的檢測技術(shù)方法中，機(jī)器視覺檢測技術(shù)憑借著非接觸性、檢測精度高、穩(wěn)定性好、自動(dòng)化程度高、成本低等優(yōu)勢脫穎而出?；跀?shù)字圖像處理技術(shù)的機(jī)器視覺檢測技術(shù)是真正實(shí)現(xiàn)鋼球表面缺陷無損自動(dòng)檢測的有效手段，盡管此技術(shù)還有許多需要完善的地方，但可以肯定的是這將代表著鋼球表面質(zhì)量檢測技術(shù)研究的發(fā)展方向。