鋼球表面缺陷檢測(cè)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(cè)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(cè)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)對(duì)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(duì)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(guò)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(guò)程中產(chǎn)生局部細(xì)微的表面缺陷[3]。國(guó)家軸承質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)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(duì)鋼球表面缺陷的檢測(cè)是提高軸承質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)手段，對(duì)鋼球表面的質(zhì)量至關(guān)重要[5]。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)鋼球生產(chǎn)企業(yè)主要通過(guò)人工抽檢檢測(cè)方法對(duì)鋼球的表面進(jìn)行檢測(cè)，即在燈光下，工人使用金相顯微鏡將鋼球放大100倍，通過(guò)與缺陷標(biāo)準(zhǔn)圖冊(cè)進(jìn)行比對(duì)來(lái)達(dá)到表面缺陷檢測(cè)的目的[6]。這種人工檢驗(yàn)方法，檢測(cè)速度慢，檢測(cè)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(cè)方法很必要。本文對(duì)當(dāng)前鋼球表面缺陷自動(dòng)檢測(cè)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(guó)的鋼球表面缺陷檢測(cè)技術(shù)發(fā)展提供有益的借鑒。

1 自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

目前應(yīng)用于鋼球表面缺陷自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)主要是有：聲發(fā)射法、光電檢測(cè)法、渦流探傷法、光電和渦流混合檢測(cè)法、觸針?lè)ā⒊暡ㄌ絺ā㈦娙輦鞲蟹āB透檢測(cè)法、光纖傳感檢測(cè)法、振動(dòng)值檢測(cè)法以及機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)。

1.1 聲發(fā)射檢測(cè)方法

這種方法是將聲發(fā)射原理應(yīng)用在鋼球的加工過(guò)程中，對(duì)表面缺陷的產(chǎn)生進(jìn)行預(yù)測(cè)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(hào)，經(jīng)過(guò)放大和濾波后形成聲發(fā)射信號(hào)。根據(jù)信號(hào)幅值高度和時(shí)域?qū)挾龋捎糜谧R(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(cè)過(guò)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(hào)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(cè)不易實(shí)現(xiàn)。

圖1 聲發(fā)射原理圖

1.2 光電檢測(cè)法

光電檢測(cè)由光源發(fā)出的光線通過(guò)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(cè)鋼球表面是否有缺陷的方法是檢測(cè)照射在光敏電阻上面的光強(qiáng)度大小來(lái)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(cè)電路的信號(hào)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(cè)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(duì)前置放大器以及光電管的檢測(cè)精度有很大影響。而且光電檢測(cè)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(cè)儀，使用33個(gè)光電傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼球表面質(zhì)量的檢測(cè)，該儀器最大優(yōu)點(diǎn)是可檢成品球，其缺點(diǎn)是成本過(guò)高，檢測(cè)方式是點(diǎn)掃描效率較低[10]。目前國(guó)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(duì)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(cè)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(duì)鋼球表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)的。在交變磁場(chǎng)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(duì)渦電流的大小以及分布產(chǎn)生影響，因而使用傳感器檢測(cè)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(duì)鋼球表面缺陷檢測(cè)的技術(shù)研究，并取得了一些成果。徐長(zhǎng)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(cè)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(duì)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(hào)中的均值絕對(duì)值和幅值譜峰值作為特征量。渦流探傷法對(duì)于鋼球內(nèi)部缺陷如開裂具有較強(qiáng)的分選能力，但對(duì)于鋼球表面缺陷如輕微劃傷卻不能很好地識(shí)別出來(lái)。

圖3 渦流探傷原理圖

渦流探傷法對(duì)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(wú)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(cè)非金屬材料的球，探測(cè)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(cè)技術(shù)

此技術(shù)是基于光電檢測(cè)技術(shù)對(duì)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(cè)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，識(shí)別多種表面缺陷、靈敏度高的自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備就可以生產(chǎn)出來(lái)。捷克SOMET公司生產(chǎn)的一種AVIKO系列的鋼球表面缺陷檢測(cè)設(shè)備就成功應(yīng)用了光電和渦流混合檢測(cè)技術(shù)，設(shè)備的展開結(jié)構(gòu)用的是展開輪，其可對(duì)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(duì)外封鎖，維護(hù)困難，導(dǎo)致檢測(cè)成本升高，因此僅用于檢測(cè)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(cè)設(shè)備，能夠有效檢測(cè)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(cè)結(jié)構(gòu)

1.5 觸針?lè)?/h3>

觸針?lè)y(cè)量是通過(guò)傳感器觸針來(lái)采集鋼球表面的起伏輪廓，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，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(cè)量比較精確，但是接觸式測(cè)量方法容易劃傷被測(cè)鋼球表面，對(duì)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(cè)[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(lái)的聲波，經(jīng)過(guò)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(lái)，鋼球沒(méi)有缺陷時(shí)超聲波到底部才能反射回來(lái)。這種檢測(cè)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(cè)出有面狀缺陷和裂紋的鋼球；但用這種方法檢測(cè)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(wú)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(cè)法

電容傳感檢測(cè)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(hào)，通過(guò)分析這些電信號(hào)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(jiǎn)單且是非接觸式檢測(cè)，不會(huì)對(duì)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(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)了適用于大鋼球的表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，并分析了鋼球沿子午線展開時(shí)的測(cè)量結(jié)果，通過(guò)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(cè)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(cè)法

滲透檢測(cè)技術(shù)通過(guò)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(duì)球表面的污染較為嚴(yán)重，檢測(cè)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(duì)陶瓷球的表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

1.9 光纖傳感檢測(cè)法

光纖傳感檢測(cè)法通過(guò)發(fā)射光纖發(fā)出光，鋼球表面的粗糙度會(huì)對(duì)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(cè)出的鋼球表面反射光或散射光強(qiáng)變化量進(jìn)行對(duì)比，就可以檢測(cè)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(cè)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(píng)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(duì)鋼球表面的缺陷檢測(cè)方法是利用光纖傳感技術(shù)，對(duì)鋼球表面的缺陷等級(jí)進(jìn)行了參數(shù)量化分類，并提出了多光纖的檢測(cè)方法，并制作了一種新型的光纖傳感器。光纖傳感檢測(cè)法多數(shù)還處于實(shí)驗(yàn)階段，少部分研制出來(lái)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(cè)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(guò)檢查鋼球的振動(dòng)值來(lái)有效得到控制[31]。目前，我國(guó)的軸承生產(chǎn)企業(yè)，是在鋼球振動(dòng)儀上對(duì)鋼球的振動(dòng)值進(jìn)行測(cè)量的。這種方法的缺點(diǎn)是檢測(cè)過(guò)程對(duì)軸承有損傷，因此采用隨機(jī)抽樣的方法來(lái)評(píng)價(jià)生產(chǎn)批次的鋼球振動(dòng)等級(jí)情況。姜海彬[32]分別對(duì)軸承鋼球的表面質(zhì)量缺陷以及精度缺陷對(duì)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(duì)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(wèn)題打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.1 1機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)

機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)是基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，將鋼球表面通過(guò)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(duì)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(cè)精度高、穩(wěn)定性好、設(shè)備簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)[35]。目前，國(guó)內(nèi)己研制出了基于機(jī)器視覺的鋼球表面質(zhì)量檢測(cè)儀的樣機(jī)，如圖7所示。該設(shè)備的優(yōu)勢(shì)之處在于成本較低，檢測(cè)精度相對(duì)較高，但它的檢測(cè)速度只在每小時(shí)1 500粒~3 000粒，與國(guó)外所生產(chǎn)的鋼球質(zhì)量缺陷檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)速度相比還差很多[36]。

目前，國(guó)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(duì)鋼球表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)的研究。國(guó)內(nèi)高校最早開展了鋼球視覺檢測(cè)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(cè)建立了評(píng)價(jià)體系，為鋼球檢測(cè)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(cè)技術(shù)，對(duì)鋼球表面缺陷的檢測(cè)、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(cè)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(cè)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(cè)的鋼球表面缺陷軌道自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，這種方法為克服鋼球表面容易反光的問(wèn)題，一共使用了6個(gè)CCD攝像頭，從而能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)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(duì)于攝像頭拍攝的鋼球表面圖像數(shù)據(jù)信號(hào)采用圖像比對(duì)的方法對(duì)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(duì)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(cè)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(cè)系統(tǒng)。熊燕麗[50]等提出了一種光學(xué)檢測(cè)新方法利用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)鋼球表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)技術(shù)的基本原理和發(fā)展?fàn)顩r，綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，鋼球表面缺陷檢測(cè)技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，總的說(shuō)來(lái)已經(jīng)可以滿足鋼球表面質(zhì)量檢測(cè)的需求。在上述的檢測(cè)技術(shù)方法中，機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)憑借著非接觸性、檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、自動(dòng)化程度高、成本低等優(yōu)勢(shì)脫穎而出。基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)是真正實(shí)現(xiàn)鋼球表面缺陷無(wú)損自動(dòng)檢測(cè)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(cè)技術(shù)研究的發(fā)展方向。