機器視覺在帶鋼表面缺陷檢測中的應用

2022-11-23 14:29:37 精質視覺

　　帶鋼是冶金企業(yè)的主要產品，是汽車、國防、化工、輕工業(yè)制造的主要原材料。隨著全球能源緊張、鐵礦石的漲價，對帶鋼的成品率、合格率、優(yōu)質率提出更高的要求。表面質量是帶鋼的主要質量指標，由于原材料、軋制工藝、系統(tǒng)控制等方面的因素，造成帶鋼表面出現裂紋、結疤、輥印、空洞、表皮分層、色斑、麻點等缺陷在所難免。這些缺陷對帶鋼的抗疲勞性、抗腐蝕性、耐磨性、電磁特性都有不同程度的影響，所以在軋制過程中，及時發(fā)現這些缺陷、調整控制參數、分類標注不同等級的帶鋼，對提高帶鋼產品質量、降低生產能源消耗、最大限度地獲取銷售利潤具有深遠的意義。

　　目前，在帶鋼生產中，基本采用人工檢測的方法來檢查帶鋼表面的缺陷。這種方法存在諸多不足：容易受檢測人員主觀因素的影響，檢測結果缺乏準確性、可靠性和完整性;下表面的檢測必須要翻板，從而降低了生產率;工人勞動強度大;當鋼板溫度高時，質檢員很難站在離鋼板很近的地方，從而影響檢測效果。

　　冷軋帶鋼表面檢測系統(tǒng)

　　冷軋帶鋼表面缺陷檢測系統(tǒng)設備構成如圖1所示，設備之間的數據傳輸通過千兆以太網和光纖實現。

　　圖1：帶鋼表面缺陷檢測系統(tǒng)設備配置

　　該系統(tǒng)主要由四部分組成，包括檢測箱、現場控制箱、數據處理柜和操作臺。

　　檢測箱：檢測箱內裝有兩臺高速線陣CCD攝像機、高強度平行光源，并配備安裝調整機構、防護系統(tǒng)等，檢測箱下面裝有輪子，在地基上安裝導軌定位系統(tǒng)，檢測箱可以從生產線上拉出，便于檢修和維護。檢測箱的功能是獲取帶鋼表面的圖像數據。

　　現場控制箱：現場控制箱安裝在檢測箱附近，完成檢測箱內的電氣控制，采集圖像數據，并且把預處理后的數據及設備狀態(tài)信息傳送到數據處理柜?，F場提供的帶鋼速度脈沖信號進入現場控制箱，配合攝像機采集控制。

　　數據處理柜：數據處理柜安裝在操作室內，由多臺數據處理器和服務器組成，數據處理器并行處理鋼板的圖像數據，并把處理結果傳送給服務器進行綜合分析統(tǒng)計，并保存數據。

　　操作臺：操作臺安裝在操作室內，與服務器連接，可以進行各種操作。

　　檢測原理

　　冷軋在線表面缺陷檢測系統(tǒng)，利用光學成像檢測原理，通過采用高速線陣CCD攝像機、線形平行光源、高性能數據處理系統(tǒng)以及最新的機器視覺圖像處理技術來實現帶鋼表面缺陷檢測。原理如圖2所示。

　　圖2：表面瑕疵檢測原理示意圖

　　圖2中，Cam1、Cam2為高速線陣CCD攝像機，L為線形平行光源。該光源發(fā)出高強度高穩(wěn)定的平行光，按一定角度投射到被測鋼板上，在鋼板寬度方向上形成一個窄光帶。Cam1攝像機(稱作明場攝像機)安裝在光源的反射通道上，接受鋼板反射的光線，若鋼板上有缺陷存在，缺陷部位的反光特性發(fā)生變化，攝像機會捕獲到這種變化;明場圖像具有亮背景、暗缺陷的特性。Cam2攝像機(稱作暗場攝像機)安裝在光源和明場攝像機中間，接受鋼板漫反射的光線，若鋼板上無缺陷存在，暗場像機得到的光線很微弱，而當鋼板表面有缺陷存在時，由于缺陷增加了光的漫反射，導致暗場攝像機捕捉到的圖像也會發(fā)生變化，暗場圖像具有暗背景、明缺陷特性。這樣由攝像機按照一定的拍攝速度輸出的一幀幀圖像就可以拼接成完整的帶鋼表面圖像，這些圖像數據送到圖像處理計算機就可以識別出帶鋼表面的缺陷。采用明場、暗場兩臺攝像機，通過相互補充可以檢出大部分缺陷，如具有明場缺陷特性的表皮分層、鱗片、銹斑、粘結、凹坑等和具有暗場缺陷特性的裂紋、折痕、孔洞、針眼等。

　　冷軋帶鋼表面質量監(jiān)測是在機器視覺和計算機高速發(fā)展的基礎上研制的，它充分利用了當前最先進的圖像采集設備和圖像處理算法，技術關鍵主要包括圖像的獲取和圖像數據處理。

　　(一)圖像獲取

　　圖像的獲取與光源以及攝像機安裝位置有關。光源采用高亮度的LED紅光源，發(fā)出的光為平行光。攝像機采用高速、高靈敏度的攝像機，安裝位置與光源發(fā)出的光成一定角度，當鋼板表面沒有缺陷時，打到鋼板上的光被反射出去，攝像機得到的圖像比較暗;當鋼板表面有瑕疵時，由于瑕疵表面不平會產生漫反射，此時攝像機將在對應的傳感器位置上得到較亮的圖像。這樣一幀一幀的圖像組合起來(與帶鋼速度配合)，就得到了整條帶鋼的等間距表面圖像數據。

　　(二)數據處理

　　圖像識別算法復雜，數據處理量大，因此采用了多處理器并行處理技術，每臺處理器處理完后傳送到服務器，由服務器進行整理保存，記錄下瑕疵發(fā)生的位置、類型，并且把瑕疵的局部圖像保存到磁盤中，同時對各種瑕疵情況通過專家系統(tǒng)與瑕疵圖庫進行分析、對比，得到統(tǒng)計數據，通過這些數據來指導優(yōu)化工藝?？梢宰R別常見的輥印、劃痕、銹痕、羽紋、粘結、折印等，系統(tǒng)通過不斷學習可以逐步提高缺陷識別率。

　　技術指標及特點

　　(一)技術指標

　　帶鋼寬度：<600 mm

　　帶鋼速度：<10 m/s

　　測量位置鋼板跳動：<1 mm

　　瑕疵寬度方向分辨率：0.5~0.8 mm

　　瑕疵長度方向分辨率：0.8~1.5 mm

　　缺陷檢測準確率：>90%

　　缺陷識別準確率：60%~85%

　　(二)功能簡介

　　該系統(tǒng)的功能主要包括在線檢測、離線分析、系統(tǒng)維護及數據管理等功能。

　　在線檢測功能：在線檢測是最主要的功能，從操作臺選擇在線檢測后，數據處理系統(tǒng)對檢測箱采集到的圖像數據進行處理，首先把瑕疵識別出來，然后再與樣本庫中的瑕疵數據對比進行分類，按照設定的等級及操作進行報警或分類統(tǒng)計顯示，并保存處理瑕疵局部的圖像數據。

　　離線分析功能：從操作臺選擇離線分析功能后，通過操作界面可以進行歷史數據查詢，瑕疵圖片復現等。

　　系統(tǒng)維護功能：系統(tǒng)維護包括設備工作狀態(tài)顯示、專家系統(tǒng)管理及軟件維護等。設備工作狀態(tài)顯示包括攝像機工作狀態(tài)、數據處理器工作狀態(tài)、外圍設備狀態(tài)，可以實時觀察帶鋼圖像等，便于系統(tǒng)維護。專家系統(tǒng)自學習管理包括專家系統(tǒng)管理包括瑕疵數據庫的補充修改，數據庫管理。軟件維護包括軟件更新和功能擴展等。

　　數據管理功能：數據管理包括數據統(tǒng)計分析，報表生成打印等。

　　(三)安裝需求

　　提供220V交流電源、干凈的壓縮空氣、帶鋼速度編碼器信號。

　　(四)設備特點

　　安裝方便，操作簡單，維護量很小，另外由于圖像處理是通過軟件實現的，更新方便，可以很快地應用最新的數據處理技術而保持設備的先進性。

　　(五)常用相機

　　常用的相機有Basler的racer系列相機。racer相機可提供CameraLink 和GigE接口，根據不同的應用要求靈活選擇;該相機尺寸小，容易多臺相機并行檢測，便于機械結構集成。