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

　　帶鋼是冶金企業的主要產品，是汽車、國防、化工、輕工業制造的主要原材料。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

　　冷軋帶鋼表面缺陷檢測系統設備構成如圖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設備配置

　　該系統主要由四部分組成，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、防護系統等，檢測箱下面裝有輪子，在地基上安裝導軌定位系統，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信息傳送到數據處理柜。現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，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。該光源發出高強度高穩定的平行光，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測是在機器視覺和計算機高速發展的基礎上研制的，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與瑕疵圖庫進行分析、對比，得到統計數據，通過這些數據來指導優化工藝。可以識別常見的輥印、劃痕、銹痕、羽紋、粘結、折印等，系統通過不斷學習可以逐步提高缺陷識別率。