機(jī)器視覺在帶鋼表面缺陷檢測中的應(yīng)用

2022-11-23 14:29:37 精質(zhì)視覺

　　帶鋼是冶金企業(yè)的主要產(chǎn)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(zhì)率提出更高的要求。表面質(zhì)量是帶鋼的主要質(zhì)量指標(biāo)，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(xiàn)裂紋、結(jié)疤、輥印、空洞、表皮分層、色斑、麻點(diǎn)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(xiàn)這些缺陷、調(diào)整控制參數(shù)、分類標(biāo)注不同等級的帶鋼，對提高帶鋼產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)能源消耗、最大限度地獲取銷售利潤具有深遠(yuǎn)的意義。

　　目前，在帶鋼生產(chǎn)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(jié)果缺乏準(zhǔn)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(chǎn)率;工人勞動強(qiáng)度大;當(dāng)鋼板溫度高時，質(zhì)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(shè)備構(gòu)成如圖1所示，設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸通過千兆以太網(wǎng)和光纖實(shí)現(xiàn)。

　　圖1：帶鋼表面缺陷檢測系統(tǒng)設(shè)備配置

　　該系統(tǒng)主要由四部分組成，包括檢測箱、現(xiàn)場控制箱、數(shù)據(jù)處理柜和操作臺。

　　檢測箱：檢測箱內(nèi)裝有兩臺高速線陣CCD攝像機(jī)、高強(qiáng)度平行光源，并配備安裝調(diào)整機(jī)構(gòu)、防護(hù)系統(tǒng)等，檢測箱下面裝有輪子，在地基上安裝導(dǎo)軌定位系統(tǒng)，檢測箱可以從生產(chǎn)線上拉出，便于檢修和維護(hù)。檢測箱的功能是獲取帶鋼表面的圖像數(shù)據(jù)。

　　現(xiàn)場控制箱：現(xiàn)場控制箱安裝在檢測箱附近，完成檢測箱內(nèi)的電氣控制，采集圖像數(shù)據(jù)，并且把預(yù)處理后的數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)信息傳送到數(shù)據(jù)處理柜?，F(xiàn)場提供的帶鋼速度脈沖信號進(jìn)入現(xiàn)場控制箱，配合攝像機(jī)采集控制。

　　數(shù)據(jù)處理柜：數(shù)據(jù)處理柜安裝在操作室內(nèi)，由多臺數(shù)據(jù)處理器和服務(wù)器組成，數(shù)據(jù)處理器并行處理鋼板的圖像數(shù)據(jù)，并把處理結(jié)果傳送給服務(wù)器進(jìn)行綜合分析統(tǒng)計，并保存數(shù)據(jù)。

　　操作臺：操作臺安裝在操作室內(nèi)，與服務(wù)器連接，可以進(jìn)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(xué)成像檢測原理，通過采用高速線陣CCD攝像機(jī)、線形平行光源、高性能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及最新的機(jī)器視覺圖像處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)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(jī)，L為線形平行光源。該光源發(fā)出高強(qiáng)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(jī)(稱作明場攝像機(jī))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(jī)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(jī)(稱作暗場攝像機(jī))安裝在光源和明場攝像機(jī)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(jī)得到的光線很微弱，而當(dāng)鋼板表面有缺陷存在時，由于缺陷增加了光的漫反射，導(dǎo)致暗場攝像機(jī)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(jī)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(shù)據(jù)送到圖像處理計算機(jī)就可以識別出帶鋼表面的缺陷。采用明場、暗場兩臺攝像機(jī)，通過相互補(bǔ)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(jié)、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(zhì)量監(jiān)測是在機(jī)器視覺和計算機(jī)高速發(fā)展的基礎(chǔ)上研制的，它充分利用了當(dāng)前最先進(jìn)的圖像采集設(shè)備和圖像處理算法，技術(shù)關(guān)鍵主要包括圖像的獲取和圖像數(shù)據(jù)處理。

　　(一)圖像獲取

　　圖像的獲取與光源以及攝像機(jī)安裝位置有關(guān)。光源采用高亮度的LED紅光源，發(fā)出的光為平行光。攝像機(jī)采用高速、高靈敏度的攝像機(jī)，安裝位置與光源發(fā)出的光成一定角度，當(dāng)鋼板表面沒有缺陷時，打到鋼板上的光被反射出去，攝像機(jī)得到的圖像比較暗;當(dāng)鋼板表面有瑕疵時，由于瑕疵表面不平會產(chǎn)生漫反射，此時攝像機(jī)將在對應(yīng)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(shù)據(jù)。

　　(二)數(shù)據(jù)處理

　　圖像識別算法復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理量大，因此采用了多處理器并行處理技術(shù)，每臺處理器處理完后傳送到服務(wù)器，由服務(wù)器進(jìn)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(jìn)行分析、對比，得到統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)來指導(dǎo)優(yōu)化工藝。可以識別常見的輥印、劃痕、銹痕、羽紋、粘結(jié)、折印等，系統(tǒng)通過不斷學(xué)習(xí)可以逐步提高缺陷識別率。

　　技術(shù)指標(biāo)及特點(diǎn)

　　(一)技術(shù)指標(biāo)

　　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(zhǔn)確率：>90%

　　缺陷識別準(zhǔn)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(hù)及數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對檢測箱采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先把瑕疵識別出來，然后再與樣本庫中的瑕疵數(shù)據(jù)對比進(jìn)行分類，按照設(shè)定的等級及操作進(jìn)行報警或分類統(tǒng)計顯示，并保存處理瑕疵局部的圖像數(shù)據(jù)。

　　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(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢，瑕疵圖片復(fù)現(xiàn)等。

　　系統(tǒng)維護(hù)功能：系統(tǒng)維護(hù)包括設(shè)備工作狀態(tài)顯示、專家系統(tǒng)管理及軟件維護(hù)等。設(shè)備工作狀態(tài)顯示包括攝像機(jī)工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)處理器工作狀態(tài)、外圍設(shè)備狀態(tài)，可以實(shí)時觀察帶鋼圖像等，便于系統(tǒng)維護(hù)。專家系統(tǒng)自學(xué)習(xí)管理包括專家系統(tǒng)管理包括瑕疵數(shù)據(jù)庫的補(bǔ)充修改，數(shù)據(jù)庫管理。軟件維護(hù)包括軟件更新和功能擴(kuò)展等。

　　數(shù)據(jù)管理功能：數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)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(shè)備特點(diǎn)

　　安裝方便，操作簡單，維護(hù)量很小，另外由于圖像處理是通過軟件實(shí)現(xiàn)的，更新方便，可以很快地應(yīng)用最新的數(shù)據(jù)處理技術(shù)而保持設(shè)備的先進(jìn)性。

　　(五)常用相機(jī)

　　常用的相機(jī)有Basler的racer系列相機(jī)。racer相機(jī)可提供CameraLink 和GigE接口，根據(jù)不同的應(yīng)用要求靈活選擇;該相機(jī)尺寸小，容易多臺相機(jī)并行檢測，便于機(jī)械結(jié)構(gòu)集成。