本發(fā)明屬于拉絲模檢測領(lǐng)域，具體涉及一種基于激光衍射法的拉絲模檢測方法及裝置。

背景技術(shù)：

拉絲模是生產(chǎn)金屬線材的重要工具之一，拉絲模是由很脆的材料制造的，當(dāng)受到來自拉絲方向的機(jī)械沖擊時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定類型的斷裂，甚至有微小的缺口。同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)壓縮角和定徑區(qū)不在同一軸線的情況，破壞拉絲模的最佳孔型參數(shù)，導(dǎo)致拉絲模出現(xiàn)缺陷。

拉絲模的質(zhì)量優(yōu)劣將直接影響金屬絲材的產(chǎn)量和質(zhì)量。如果拉絲模在使用過程中受到振動(dòng)或者磨損，導(dǎo)致拉絲模的內(nèi)孔結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而沒有及時(shí)檢測出來，將會(huì)給生產(chǎn)企業(yè)帶來不可彌補(bǔ)的損失?，F(xiàn)有的拉絲模的缺陷檢測方法主要有全息干涉法及散斑相關(guān)法，但目前沒有任何定量的拉絲模質(zhì)量檢測方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了實(shí)現(xiàn)拉絲模缺陷的定量檢測，本發(fā)明提供了一種基于激光衍射法的拉絲模檢測方法及裝置。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于激光衍射法的拉絲模檢測方法，所述方法包括：激光束射入拉絲模內(nèi)孔，經(jīng)過透射后在接收屏上產(chǎn)生衍射圖像，分析衍射圖像將檢測出拉絲模的內(nèi)孔結(jié)構(gòu)。

作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，當(dāng)檢測拉絲模內(nèi)孔是否含有微小缺口時(shí)，所述分析衍射圖像的方法包括：觀察衍射圖像，若衍射圖像為橢圓形， 則拉絲模內(nèi)孔含有微小缺口；若衍射圖像為圓形，則拉絲模內(nèi)孔完好無損。

作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，當(dāng)檢測拉絲模內(nèi)孔的圓度時(shí)，所述分析衍射圖像的方法包括：采集衍射圖像并利用數(shù)字圖像處理對(duì)其進(jìn)行圓度計(jì)算，將得到拉絲模的圓度信息。

一種基于激光衍射法的拉絲模檢測裝置，包括：本體；所述本體上設(shè)有激光器、檢測平臺(tái)及接收屏，所述檢測平臺(tái)設(shè)置在激光器的正前方；所述接收屏設(shè)置在檢測平臺(tái)的正前方。

作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述激光器的前方還設(shè)置一擴(kuò)束鏡。

作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述接收屏上設(shè)有圖像傳感器，所述圖像傳感器的輸出端還連接有處理器。

作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，還包括控制器，所述控制器的輸出端與處理器的輸入端連接。

作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述檢測平臺(tái)上設(shè)有用于調(diào)節(jié)拉絲模角度的調(diào)節(jié)裝置。

作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，還包括控制器，所述控制器的輸出端與調(diào)節(jié)裝置的輸入端連接。

作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述調(diào)節(jié)裝置還包括一步進(jìn)電機(jī)，所述控制器的輸出端與步進(jìn)電機(jī)的輸入端連接。

本發(fā)明的有益效果：

1.本方法通過激光衍射法能夠快速、準(zhǔn)確地檢測拉絲模的缺陷，該方法簡便快捷，易于操作；

2.本裝置在本體上設(shè)置激光器和接收屏，通過調(diào)節(jié)檢測平臺(tái)的角度即可得到衍射圖像，相對(duì)于進(jìn)口的檢測設(shè)備，價(jià)格低廉，維修方便，性價(jià)比 高；

3.本裝置通過設(shè)置控制器，只需啟動(dòng)按鈕即可快速檢測出拉絲模的缺陷，使用方便。

以下將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是拉絲模的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是圓度檢測最小二乘圓擬合原理圖。

圖4是第一組拉絲模衍射圖像的二值圖。

圖5是第二組拉絲模衍射圖像的二值圖。

圖6是第一組拉絲模衍射圖像的圓度值。

圖7是第二組拉絲模衍射圖像的圓度值。

其中：1.本體；2.激光器；3.擴(kuò)光鏡；4.檢測平臺(tái)；5.接收屏；6.處理器；7.調(diào)節(jié)裝置；8.步進(jìn)電機(jī)；9.控制器；10.顯示屏。

具體實(shí)施方式

為進(jìn)一步闡述本發(fā)明達(dá)成預(yù)定目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式、結(jié)構(gòu)特征及其功效，詳細(xì)說明如下。

重點(diǎn)指出，為了描述準(zhǔn)確，便于理解，依據(jù)日常習(xí)慣，本發(fā)明將激光射出的方向定義為前方。

本發(fā)明提供了一種基于激光衍射法的拉絲模檢測方法，該方法包括：激光束射入拉絲模內(nèi)孔，經(jīng)過透射后在接收屏上產(chǎn)生衍射圖像，分析衍射圖像將檢測出拉絲模的內(nèi)孔結(jié)構(gòu)。

其中，當(dāng)檢測拉絲模內(nèi)孔是否含有微小缺口時(shí)，分析衍射圖像的方法 包括：觀察衍射圖像，若衍射圖像為橢圓形，則拉絲模內(nèi)孔含有微小缺口；若衍射圖像為圓形，則拉絲模內(nèi)孔完好無損。

其中，當(dāng)檢測拉絲模內(nèi)孔的圓度時(shí)，分析衍射圖像的方法包括：采集衍射圖像并利用數(shù)字圖像處理對(duì)其進(jìn)行圓度計(jì)算，將得到拉絲模的圓度信息。

下面以目前最常用的“直線型”拉絲模，簡述拉絲模缺陷檢測的原理?！爸本€型”拉絲模的軸向剖面如圖2所示，按照金屬線材拉拔的先后順序，拉絲模的結(jié)構(gòu)可以分為入口錐、壓縮錐、定徑帶、出口錐等四部分，為了清楚的描述，分別用A、B、C、D表示，β、γ和α分別表示入口錐、壓縮錐和出口錐與軸向的夾角。

1.激光衍射檢測微小缺口的工作原理

由光學(xué)原理可知，當(dāng)平行的激光束入射到含有微小缺口的孔徑時(shí)，經(jīng)過透射后就可接收到產(chǎn)生的衍射光場。若接收平面與微小缺口所在的平面足夠遠(yuǎn)，則接收平面上所獲得的光場即為微小的遠(yuǎn)場衍射。

設(shè)φ(x，y)為微小缺口的孔徑函數(shù)，其接收平面上的衍射場分布可表示為

記為φ(x，y)的傅里葉變換，且由此可得接收平面上的衍射場強(qiáng)度為

由式(2)可以看到，若已知孔徑函數(shù)及其傅立葉變換，就可以確定衍射場的強(qiáng)度分布。相反，如果通過采集衍射圖像獲得了I(f_x，f_y)的分布，則可由式(2)反演出到函數(shù)。

若拉絲模內(nèi)孔含有圓形孔洞時(shí)，激光通過拉絲模內(nèi)孔時(shí)存在光程差，將演變形成一橢圓形孔徑，經(jīng)過推導(dǎo)，其強(qiáng)度分布

其中P(n，m)為關(guān)于n，m的復(fù)雜函數(shù)，n、m為整數(shù)；2a′，2b分別是形成的橢圓孔衍射的孔徑的長短軸。

2.基于激光衍射的圓度檢測原理

拉絲模中定徑帶的作用是最終控制拉撥后的鋼絲直徑的圓度、伸直性和平滑光亮的表面狀態(tài)。因此，定徑帶必須保證其圓度、光滑度等。為了檢測拉絲?？讖街卸◤綆У墓饣群蛨A度，可以利用激光束平行入射到定徑區(qū)而產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，通過采集CCD衍射圖像，對(duì)衍射的圖像做預(yù)處理后，利用數(shù)字圖像處理理論計(jì)算衍射的圓度，進(jìn)而判斷定徑帶的工作狀態(tài)是否有缺陷。

如圖3，最小二乘圓擬合是以一個(gè)理想圓沿實(shí)際輪廓的趨向設(shè)置，使實(shí)際輪廓上各點(diǎn)至該理想圓的偏距的平方和為最小，如圖2所示。設(shè)有m個(gè)測量值，其極坐標(biāo)為P_i(r_i，θ_i)(i＝1，2，…，m)。設(shè)O₁為坐標(biāo)原點(diǎn)，令最小二乘圓的圓心為O(a，b)，r為最小二乘圓的半徑，e是坐標(biāo)原點(diǎn)到最小二乘圓的偏心距，各測量點(diǎn)P_i到最小二乘圓圓周的徑向偏差記作ε_i，各測量點(diǎn)P_i的測量半徑為r_i，P_i到坐標(biāo)原點(diǎn)的連線O₁P_i與極軸的夾角為

由圖2中的幾何關(guān)系可以推導(dǎo)出

當(dāng)e＜＜r時(shí)，則(1)可以簡化為ε_i＝r_i-r-ecos(θ_i-φ)。由于ecos(θ_i-φ)＝e(cosφcos θ_i+sinφsin θ_i)，由圖2的幾何關(guān)系可知a＝ecosφ，b＝esinφ，所以ecos(θ_i-φ)＝a cos θ_i+b sin θ_i，則ε_i＝r_i-r-a cos θ_i-b sin θ_i。本專利采用相對(duì)代數(shù)距離法為目標(biāo)函數(shù)建立如下模型：

由和分別計(jì)算得到圓心坐標(biāo)(a，b)和半徑r。

可以根據(jù)圓形表面起伏波動(dòng)比，也就是把不同樣本集中的方差D(r)與r的比值作為被檢測圖像的主要圓度指標(biāo)，用來表達(dá)邊緣離散點(diǎn)對(duì)于理想圓周的波動(dòng)程度。同時(shí)為了能在閉合區(qū)域面積不同的圖像之間進(jìn)行圓度比較，采用新的圓度描述公式

參照?qǐng)D1，本發(fā)明還公開了一種基于激光衍射法的拉絲模檢測裝置，包括：本體；本體上設(shè)有激光器、檢測平臺(tái)及接收屏，檢測平臺(tái)設(shè)置在激光器的正前方；接收屏設(shè)置在檢測平臺(tái)的正前方。其中，檢測平臺(tái)用于放置拉絲模并用于實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展后的激光束射入拉絲模內(nèi)孔產(chǎn)生衍射；接收屏用于接收衍射圖像。激光器優(yōu)選He-Ne激光器。

優(yōu)選激光器的前方還設(shè)置一擴(kuò)束鏡，擴(kuò)束鏡用于擴(kuò)展激光束的直徑；優(yōu)選接收屏上設(shè)有圖像傳感器，圖像傳感器的輸出端還連接有處理器，圖像傳感器優(yōu)選CCD攝像圖。

該裝置還包括控制器，控制器的輸出端與處理器的輸入端連接。優(yōu)選該控制器上還設(shè)置有顯示屏。優(yōu)選檢測平臺(tái)上設(shè)有用于調(diào)節(jié)拉絲模角度的調(diào)節(jié)裝置。優(yōu)選控制器的輸出端與調(diào)節(jié)裝置的輸入端連接。上述的調(diào)節(jié)裝置還包括一步進(jìn)電機(jī)，控制器的輸出端與步進(jìn)電機(jī)的輸入端連接。

測量裝置選用He-Ne激光器，通過擴(kuò)束鏡再入射到拉絲?？?。擴(kuò)束鏡的功能是降低激光束的發(fā)散角，進(jìn)而使激光器聚焦光斑更小。主控制器通過控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)拉絲模入射角度。在CCD上采集衍射圖樣，通過USB接口送到上位機(jī)進(jìn)行圖像處理，從而計(jì)算出拉絲模的孔型參數(shù)。

使用本發(fā)明的檢測裝置和檢測方法，將拉絲模分兩組分別進(jìn)行測試，具體結(jié)果及分析如下：

采集的兩組衍射圖樣經(jīng)濾波后的二值化圖像如圖4、圖5所示；通過公式(6)計(jì)算得出圖4、圖5兩幅圖的C值，分別為95％和73％，結(jié)果如圖6、圖7所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，(a)組的拉絲模的工作狀態(tài)要好，而(b)組拉絲模內(nèi)部明顯有缺陷。為了量化評(píng)定拉絲模的質(zhì)量等級(jí)，引入模具質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)值，記作v。設(shè)跟拉絲模具質(zhì)量等級(jí)相關(guān)的參數(shù)有n個(gè)，記作x₁，x₂，…，x_n，,其權(quán)重系數(shù)分別為w₁，w₂，…，w_n，其中w_i∈[0，1]，則v可以表示為

通過查閱大量資料可知，拉絲模的孔型結(jié)構(gòu)主要受定徑區(qū)直徑、定徑區(qū)長度、壓縮錐錐角、壓縮區(qū)長度、?？讏A度等參數(shù)的影響，根據(jù)(7)式推導(dǎo)出拉絲模的質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)值

(8)式中，e_i為相應(yīng)參數(shù)的測量值與理想值之間的偏差。由(8)計(jì)算得到如下表所示的拉絲模的質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)值。

從上表可以看出拉絲模a的內(nèi)孔狀態(tài)正常，而拉絲模b的質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.95，說明內(nèi)表面已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的缺陷。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。