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基本信息
- 項目名稱：
- 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(zhì)量，針對爐窯內(nèi)壁缺陷檢測過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(shù)，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(shù)及圓形窗口匹配算法提高了檢測效率及準(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(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，通常這幾類缺陷可以比較直觀地通過外觀來判別。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，檢修人員需要經(jīng)常對爐窯設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢查，以便及時對損壞部位進(jìn)行維修。 目前主要采用兩種方法對爐室進(jìn)行檢測，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人員進(jìn)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(jìn)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(shè)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(jié)構(gòu)特征，造成檢測工作繁瑣復(fù)雜，效率低下。 3、人工直接在爐內(nèi)搭建檢測設(shè)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(jìn)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(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)實技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的工業(yè)爐窯缺陷檢測方法，同時研制相應(yīng)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(shè)計了可適應(yīng)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(gòu)，由底部曳引電動機通過鋼絲繩牽引圖像采集設(shè)備在高度方向上運動完成檢測工作，爐頂?shù)闹Ъ茉O(shè)計為便攜折疊式，可由單人攜帶并快速安裝。裝置還設(shè)計了防抖機構(gòu)，可有效避免高度方向上較大的振動，保證圖像采集設(shè)備穩(wěn)定運行。圖像采集設(shè)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(shè)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(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的工業(yè)爐窯缺陷檢測軟件，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(lǐng)域，使檢測人員直觀了解檢測過程，查看檢測結(jié)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(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(jié)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(jìn)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(yīng)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(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 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(shè)備成本低、易維護(hù)、適用性強。檢測方法采用全景融合技術(shù)，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(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，獲得檢測結(jié)果，從而提高了檢測效率。 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，較傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)、圖表及二維圖像的檢測結(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(shè)計了漫游等操作方式，可依據(jù)歷史檢測數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)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(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(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，設(shè)計了相應(yīng)的防抖機構(gòu)，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(shè)計可動態(tài)調(diào)整攝像機相關(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)壁因攝像機旋轉(zhuǎn)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(xué)性、先進(jìn)性
- 檢測比對方法科學(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。無缺陷時，采樣獲得的全景圖作為標(biāo)準(zhǔn)模板；檢測時，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)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(jié)果表達(dá)先進(jìn)：采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，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(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)，虛實結(jié)合，檢測比對后缺陷位置在三維虛擬爐窯中定位標(biāo)出。 檢測裝置可靠：裝置有一定的檢測范圍，便攜式快拆設(shè)計，折疊支架可單人攜帶。檢測過程由程序執(zhí)行。設(shè)計防抖機構(gòu)，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(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)抖動，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，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(zhuǎn)方向抖動時產(chǎn)生與抖動方向相反的作用力，消除旋轉(zhuǎn)抖動。
獲獎情況及鑒定結(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)行了作品中部分獨立技術(shù)的科研成果轉(zhuǎn)化，并集成入該公司開發(fā)的虛擬制造集成化系統(tǒng)，進(jìn)行技術(shù)推廣和應(yīng)用（見附件）。 2008年12月由上海寶鋼工業(yè)檢測公司鑒定后進(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”項目驗收（見附件）。
作品所處階段
- 完成了設(shè)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(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)計圖紙、檢測系統(tǒng)（軟件部分）、裝置運行演示視頻、相關(guān)圖文介紹及說明
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)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(jìn)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(fēng)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(jìn)行回放對比，記錄歷史檢測數(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輸機械廠有限公司等進(jìn)行推廣應(yīng)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(yīng)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(shù)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。基于虛擬技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)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(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(shù)的檢測技術(shù)，目前較多的是采用虛擬儀器實現(xiàn)對檢測設(shè)備的模擬和數(shù)字化應(yīng)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(jìn)行仿真，并且結(jié)合成熟的計算機技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、高整合化和智能化等擴展應(yīng)用。 本作品基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，強調(diào)的是對所檢測的爐窯內(nèi)壁進(jìn)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(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，使檢測結(jié)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(jìn)行三維定位和標(biāo)記，讓檢測者直觀地獲得檢測結(jié)果，通過交互機制，還可使檢測者在三維的虛擬爐窯內(nèi)進(jìn)行漫游，就如同實際在爐窯內(nèi)進(jìn)行檢測一般。所建立的檢測結(jié)果數(shù)據(jù)庫可記錄歷次檢測結(jié)果，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，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(jié)果。 無損檢測,是以不損害被檢測對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，對各種工程材料、零部件、結(jié)構(gòu)件進(jìn)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(shù)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(jìn)行檢測，主要利用熱成像儀獲取爐窯溫度場圖像后進(jìn)行分析，找出缺陷，檢測過程在爐窯使用過程中進(jìn)行，可有效針對使用過程中產(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，自動化率比較低、維護(hù)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(hù)過程中進(jìn)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(hù)容易的有點，同時也是現(xiàn)實虛擬爐窯還原的重要保障。
