陳 達(dá)

（太原鋼鐵（集團(tuán)） 有限公司，太原 030003）

熱軋帶鋼在線表面檢測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用

陳 達(dá)

（太原鋼鐵（集團(tuán)） 有限公司，太原 030003）

隨著我國(guó)新型工業(yè)化進(jìn)程的全面推進(jìn)，鋼鐵工業(yè)產(chǎn)品在產(chǎn)量上已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)?shù)囊?guī)模，近年來(lái)，一些地區(qū)不斷建設(shè)和改造新型生產(chǎn)線，使鋼材市場(chǎng)的供求關(guān)系發(fā)生了很大變化。產(chǎn)能過(guò)剩，出現(xiàn)供大于求的局面，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。由于熱軋產(chǎn)品的使用廣泛性，特別是當(dāng)前鋼材產(chǎn)品如汽車用鋼、家電板、不銹鋼裝飾板等品種開(kāi)發(fā)逐漸增多，其表面質(zhì)量對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力起著決定性作用。介紹了上下表面檢測(cè)儀在熱軋帶鋼廠的應(yīng)用，上下表面檢測(cè)儀的工作原理、設(shè)備配置和機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展，主要對(duì)表面檢測(cè)識(shí)別技術(shù)和安裝設(shè)計(jì)的相關(guān)條件進(jìn)行了論述。

CCD攝像機(jī)；表面缺陷；在線檢測(cè)；光學(xué)配置

近20年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的一些鋼鐵企業(yè)和設(shè)備供應(yīng)商積極致力于帶鋼表面質(zhì)量在線檢測(cè)技術(shù)的研究，并由此涌現(xiàn)了一批優(yōu)秀的帶鋼表面質(zhì)量檢測(cè)企業(yè)，如Parsytec，Cognex等，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶鋼表面缺陷進(jìn)行非人工的連續(xù)的準(zhǔn)確檢測(cè)、缺陷分類和記錄，并加以實(shí)時(shí)控制?，F(xiàn)在有許多新建的和改造的熱軋帶鋼廠都相繼設(shè)置了上下表面檢測(cè)儀。熱軋帶鋼表面缺陷的檢測(cè)和控制，對(duì)于剔除廢品、提高成品率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、滿足下工序及用戶的要求、改善工人勞動(dòng)條件等有著重要意義。

1 工作原理

在線表面檢測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)攝像頭捕捉光源照射到帶鋼表面產(chǎn)生的反光，形成電子圖像文件，軟件部分將圖像處理分類后形成表面質(zhì)量檢查結(jié)果并存儲(chǔ)，檢查結(jié)果同時(shí)顯示到操作終端供操作員和檢查員使用。在金屬板帶表面如有缺陷，會(huì)引起反射光線的變化。根據(jù)這個(gè)原理，通過(guò)檢測(cè)攝像頭里光強(qiáng)的變化，便可檢測(cè)出材料表面上的一些物理缺陷。如圖1所示。

圖1 在線表面檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

圖2 在線表面檢測(cè)儀設(shè)備配置圖

2 主要設(shè)備配置

上下表面檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)原理相類似，主要包括攝像頭、光源、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、相機(jī)PC、服務(wù)器PC、控制臺(tái)、檢查終端等部分。如圖2所示。

3 機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展

機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)是光機(jī)電一體化檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)發(fā)展階段，開(kāi)始于20世紀(jì)70年代中期。在30多年來(lái)的發(fā)展歷程中，經(jīng)歷了三種形式的發(fā)展：激光掃描器階段、線陣CCD攝像機(jī)階段和面陣CCD攝像機(jī)階段。

3.1 激光掃描器

掃描速度慢、分辨率非常低；對(duì)鋼板表面的灰塵、雜質(zhì)比較敏感；光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和維護(hù)比較復(fù)雜。

3.2 線陣CCD攝像機(jī)（奧鋼聯(lián)、Cognex）

掃描速度快、精度高；檢測(cè)空間小；鋼板有大的跳動(dòng)時(shí)影響檢測(cè)。

3.3 面陣CCD攝像機(jī)（Parsytec）

多攝像機(jī)同步采集方式得到高掃描速度與檢測(cè)精度；檢測(cè)空間大；攝像機(jī)和及后續(xù)采集卡和處理系統(tǒng)數(shù)量多。

4 表面缺陷檢測(cè)

4.1 檢測(cè)原理

檢測(cè)是一個(gè)從背景中分離不正常光線變化的處理過(guò)程，不正常的光線變化可能代表缺陷。CCD攝像頭測(cè)量板帶每一個(gè)位置的灰度值或亮度。選用高分辨率的攝像頭，并在攝像頭完成模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，并通過(guò)高速光纜傳送連續(xù)的數(shù)字化圖像。利用光纜傳送信號(hào)，可以保證信號(hào)的傳送質(zhì)量，而且工廠環(huán)境內(nèi)通常的電子噪聲不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。

4.1.1 CCD攝像頭

檢測(cè)系統(tǒng)使用CCD攝像頭，對(duì)軋制過(guò)程中的帶鋼表面進(jìn)行連續(xù)拍照掃描，為系統(tǒng)提供較高的橫向和縱向缺陷分辨率。

4.1.2 光學(xué)配置

對(duì)于熱軋而言，行掃描技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)在于光學(xué)配置的穩(wěn)定性。在熱軋線上的系統(tǒng)精確檢查點(diǎn)處，光學(xué)效應(yīng)可能會(huì)發(fā)生一些改變，由于高速運(yùn)動(dòng)帶鋼固有的不穩(wěn)定性和相對(duì)較大的成像區(qū)域，在成像區(qū)域內(nèi)的照明會(huì)發(fā)生不均勻現(xiàn)象。

4.2 閾值和閾值算法

在進(jìn)行歸一化處理之后，系統(tǒng)使用了并行的多種檢測(cè)算法來(lái)達(dá)到缺陷檢測(cè)精度。表面檢測(cè)系統(tǒng)為非連續(xù)缺陷的檢測(cè)提供了至少2種閾值算法：水平閾值、基線閾值或降噪閾值。

4.2.1 水平閾值

檢測(cè)非連續(xù)的缺陷，其灰度的強(qiáng)度閾值超出所設(shè)定的上限或下限。

4.2.2 基線閾值

其閾值隨著材料背景的變化，如細(xì)小的顆粒狀，而隨之產(chǎn)生動(dòng)態(tài)曲線變化。相對(duì)單獨(dú)采用水平閾值而言，該技術(shù)更適用于比較敏感的缺陷檢測(cè)。

4.2.3 降噪閾值

用于檢測(cè)具有高噪聲背景的產(chǎn)品，排除背景噪聲可能造成的“假閾值”信號(hào)，檢測(cè)出真實(shí)的缺陷，在顯示屏上顯示出高質(zhì)量的缺陷圖像。

5 表面缺陷識(shí)別

缺陷檢測(cè)只是檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)始部分。在缺陷檢測(cè)后，缺陷的特征值一旦確定，就可以識(shí)別缺陷。正確的識(shí)別能夠提供有價(jià)值的信息，這些信息有助于采取有效措施消除缺陷源及進(jìn)行產(chǎn)品分級(jí)。

圖像經(jīng)過(guò)預(yù)處理采用多種分類算法，檢測(cè)到目標(biāo)以缺陷的特征值為基礎(chǔ)進(jìn)行缺陷分類。在檢測(cè)期間，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)缺陷區(qū)域進(jìn)行特征提取，分類器分析每一個(gè)缺陷的特征值并與已經(jīng)定義的缺陷種類比較、特征選擇，一旦能夠匹配，系統(tǒng)分類器的自學(xué)習(xí)功能就會(huì)給缺陷進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸?。基于模式識(shí)別理論，每一個(gè)缺陷都可觸發(fā)以種類為基礎(chǔ)輸出的警告信號(hào)。如圖3所示。

6 熱軋鋼板表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)性能要求、安裝和設(shè)計(jì)

6.1 性能要求

生產(chǎn)熱軋鋼板的時(shí)候，因?yàn)殇摪逍杞?jīng)過(guò)高溫加熱再進(jìn)行軋制，對(duì)檢測(cè)環(huán)境的要求較高，鋼板表面容易發(fā)生氧化，使鋼板表面色澤暗淡，甚至有不少雜質(zhì)摻雜在其中，對(duì)光線的吸收效果增強(qiáng)，因此對(duì)光源的要求比較高，建議用LED光源效果更佳。同時(shí)，由于熱軋鋼板溫度較高、軋制速度快、環(huán)境復(fù)雜（受水、粉塵、油污影響），系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要考慮更多保護(hù)措施，以提高整套系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性能。

圖3 缺陷分類流程圖

6.2 安裝和設(shè)計(jì)

上下表面檢測(cè)儀的安裝首先是確定上下表面檢測(cè)器的安裝位置，下表面檢測(cè)器安裝在層流冷卻后，卷取機(jī)前輥道下的下小房?jī)?nèi)；上表面檢測(cè)器最好安裝在層流冷卻后，卷取機(jī)前輥道上的上小房?jī)?nèi)，空間較大，對(duì)帶鋼表面的處理有利；也有將上表面檢測(cè)器安裝在精軋后，層流冷卻前輥道上的上小房，但由于精軋后帶鋼溫度1 000℃比層流冷卻后的帶鋼溫度700℃高，對(duì)攝像機(jī)的熱輻射較大；軋線儀表多功能儀（凸度儀）、平直度儀大型儀表集中安裝，空間有限，帶鋼表面的水珠和水霧不太好處理，其檢測(cè)的偽缺陷較多，不是理想的位置。

上下表面檢測(cè)儀測(cè)量位置務(wù)必通過(guò)改進(jìn)增加前后輥道冷卻方式為內(nèi)冷輥方式，減少水汽對(duì)表面檢測(cè)儀的影響。上小房的設(shè)備檢測(cè)孔設(shè)計(jì)、地坪測(cè)量開(kāi)孔設(shè)計(jì)要滿足開(kāi)孔尺寸及定位尺寸要求。為了保持?jǐn)z像機(jī)玻璃和光源玻璃干凈，每個(gè)班最少要擦一次玻璃，所以上下表面檢測(cè)儀的四周要留有足夠的維護(hù)空間，特別是下表面檢測(cè)小房，要考慮風(fēng)管分配器的占用空間。綜上所述，考慮各種因素后，確定上下小房的大小、開(kāi)孔、進(jìn)行預(yù)埋鋼板后，方可進(jìn)行土建專業(yè)設(shè)計(jì)。

為減少帶鋼表面水滴和水霧的影響，在層流冷卻后、上下表面檢測(cè)儀前設(shè)計(jì)操作側(cè)，傳動(dòng)側(cè)高壓(1.3～1.8MPa)水側(cè)吹或頂噴，清除帶鋼表面的積水和水珠。在上下表面檢測(cè)儀前輥道上下傳動(dòng)側(cè)、操作側(cè)、后輥道上操作側(cè)，設(shè)置0.3～0.6MPa 壓縮空氣側(cè)噴清除水霧。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況，同時(shí)要增加幾臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)來(lái)吹掃水霧。

7 結(jié)束語(yǔ)

為了提升產(chǎn)品質(zhì)量，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，在線表面檢測(cè)系統(tǒng)可以彌補(bǔ)現(xiàn)在熱軋生產(chǎn)線的表面檢查死角，可以為表面的改進(jìn)提供效果跟蹤，為產(chǎn)品的實(shí)物質(zhì)量提供檢測(cè)手段，可有效減少質(zhì)量事故，減少為確認(rèn)表面增加的后續(xù)工序。熱軋帶鋼在線表面檢測(cè)系統(tǒng)必然會(huì)成為各鋼鐵企業(yè)必不可少的質(zhì)量檢查工具。

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Research and Application of the Key Technologiesof theHot-rolled Strip Steel Surface Detection System

Chen Da

With China's newindustrialization process comprehensively promote the steel industry products yield has reached a considerable scale,in recent years, the relationship between supply and demand in some areas to keep building and transformation of the newproduction line, the steel market has changed greatly.Overcapacity situation of oversupply, the market is very competitive.Extensive due to the use of hot- rolled products,special steel products, such as the development of varieties of steel for automobiles, home appliances and plate, stainless steel decorative panels gradually increased, the quality of the surface plays a decisive role in the market competitiveness.The application of the upper and lower surface of the detector in the hot strip mill, the upper and lower surface of the detector works, device configuration, and the development ofmachine vision, the main surface detection and identification technique and installation design conditions are discussed.

CCD camera;surfacedefects;online detection;optical configuration

TG115.21+3

A

1000-8136（2013）02-0017-02

（編輯：吉彥杰）