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    冷轧钢板表面质量在线检测系统的设计与应用


    时间:2019-03-12

    应用领域:检测


    一、引言

       冷轧钢板表面的质量问题,已经引起了越来越多钢铁企业的关注,目前大部分冷轧厂仍是通过肉眼来检测冷轧钢板的表面质量情况,这种方式存在很多问题,远远不能满足企业对钢板的表面质量要求,钢板表面质量自动检测系统的研究和开发已经是钢板企业与科研院所共同关心的课题。国外已在冷轧生产线开发了钢板表面质量自动检测系统,国内在这一领域的研究,虽然也有一些报道,但这些研究基本上还停留在实验室研究阶段,而不能在生产线得到实际应用。

       早在20世纪70年代,日本新日铁公司、千叶、八幡和其他企业,在冷轧涂层板和电工钢板材生产线采用激光扫描表面缺陷监测系统。90年代以来,由于CCD技术的发展,线阵CCD相机和面阵CCD相机在表面缺陷检测中被广泛应用。CCD相机对钢板表面进行连续扫描,以实现钢板的表面缺陷在线检测和认可,CCD扫描器的实时图像处理技术是冷轧钢板表面缺陷检测领域中最先进、最实用的方法。国外有这方面的产品和多条生产线,但目前在这一领域的研究,仍然有许多不足之处,如缺陷的检出率不高,检测速度慢,不能满足有高速测试要求的生产线,不锈钢不能检测等。利用光源和不同的钢板表面的光反射性能,表面缺陷检测有两种方法:“明场模式和暗场模式”?!懊鞒∧J健笨捎糜谔几直砻婕觳?“暗场模式”可用于检测不锈钢表面缺陷,同时利用“实时处理”和“准确处理”两种数据处理方法,以确保缺陷检测算法的实时性。


    二、硬件设计及其工作原理

    1.硬件设计

       系统由检测装置、计算机系统、服务器、摄像头组成,为了提高系统的检测精度和检测宽度,采用多个面阵CCD摄像头同步采集图像的方式,摄像头的数目由检测精度和检测宽度决定,由摄像头摄取的视频图像信号传送给计算机系统,并由计算机系统对图像进行处理和分析,得到缺陷检测和识别的结果,同时还可通过检测到的钢带运动速度来调整图像采集速度,保证采集到的表面图像不重叠。通过服务器中缺陷检测和识别的结果,以便生产人员采取相应策略,避免表面缺陷的继续产生。

       光源采用高亮度LED面,发光二极管密集排列在一起组成光源,整个光源所发出的光类似于平行光,光强分布均匀。摄像机是通过采集钢板表面的反射光来获得钢带的表面图像,反射光由光源提供,所以该光源在表面缺陷检测中发挥了非常重要的作用。理想板表面图像的光强分布是均匀的,背景图像和缺陷区域在灰度级上有着明确区分。这个图像是非常有利的,在随后的表面缺陷检测过程中可以降低算法的复杂度并提高缺陷的检出率。

    2.钢板表面光的反射特性

       光的反射有两种:镜面反射和漫反射。光在光滑表面进行的是镜面反射,在粗糙表面进行的是漫反射。在进行表面缺陷检测时,首先要考虑光在被检测物质表面进行的是哪种类型反射。

    表面缺陷可分为两类,一类是“划痕”、“辊印”、折印”等使表面产生形貌变化的缺陷,称为三维缺陷;而另一类是“压入氧化铁皮”、“乳化液斑痕”、“锈痕”等有色缺陷,这些缺陷没有使表面产生形貌变化,称为二维缺陷。由于三维缺陷造成了表面形貌的变化,因此光在三维缺陷区域的反射性质将会发生变化;而由于二维缺陷没有造成表面形貌的变化,因此光在二维缺陷区域的反射性质不发生变化。

    三、系统软件设计与应用

    1.系统软件设计

       系统的数据处理通过“实时处理”与“准时处理”两种方式来进行,这两种处理方式在两个不同级别的线程中实现,其中“实时处理”的线程级别高,需要CPU实时处理,而“准时处理”的线程级别低,可在CPU空闲时间进行处理。

       “实时处理”方式包含2个步骤:“图像数字化”和“目标检测”,“图像数字化”的目的是将摄像头采集到的视频图像通过采样和量化转化为数字图像,并传送给CPU进行处理?!澳勘昙觳狻蹦康氖羌觳馔枷裰惺欠翊嬖谌毕?以便决定该图像是否需要进一步处理。如果图像中不存在缺陷,就不需要对网像作进一步处理;如果图像中存在缺陷,就把这幅图像放入计算机的缓冲区中?!巴枷袷只焙汀澳勘昙觳狻?个步骤需要实时完成,因此它们被放置在“实时处理”线程中?!澳勘昙觳狻彼惴ū冉霞虻?只是检测网像中是否存在缺陷.放入缓冲区中的图像做进一步处理,以确定缺陷所在的区域,并对缺陷进行分类和分级,这些通过“缺陷检测”和“缺陷识别”两个步骤实现。由于这些图像被放入缓冲区中,只要缓冲区不溢出,就可随时调出图像处理.因此“缺陷检测”和“缺陷识别”两个步骤不需要实时完成,可在CPU空闲时间进行,这两个步骤可放置在“准时处理”线程中。为了保证系统对缺陷有高的检出率和识别率,系统中所用的缺陷检测和缺陷识别算法比较复杂,所需的处理时间比较长.但是整个带卷上存在缺陷的区域所占比例很小,一般在5%以下,“准时处理”的数据量比“实时处理”的数据量少很多.所以“准时处理”线程和“实时处理”线程所占的CPU基本相等,通过“实时处理”与“准时处理”两种方式,既可满足系统的在线监测要求,又能保证系统具有高的缺陷检出率与识别率。

    2.系统功能设计

       该功能设计在软件中设计了两个功能块:在线检测和离线分析。

       (1)在线检测??橛糜诙匀毕萁性谙呒觳庥胄畔⒋娴?是系统的核心???。在线检测??橹杏幸桓龃砹斜?将要生产的带卷信息(包括带卷号、带卷规格、钢种、轧制时间等)填入。用户只需在开始轧钢时点击“检测开始”按钮,系统就处于检测状态,自动判断有没有带卷的加入。如果新来了一个带卷,那么系统从带卷列表中获取当前带卷的信息,并开始对当前带卷进行检测。用户可以在线观察缺陷在带卷上的分布情况,以及缺陷的统计情况。当一个带卷生产完成后,系统自动停止对当前带卷的检测,并根据缺陷的检测结果评估带卷的表面质量,将评估结果写入数据库,等待下一带卷的进入。点击“检测停止”按钮就终止检测状态,系统不再判断有没有带卷的加入。在检测状态下,为了保证系统把资源完全用于缺陷的在线检测,不允许切换到其它???也不允许进行其它的操作。如果用户需要进行其它操作,可以点击“检测暂?!卑磁?。系统处于检测暂停状态,用户就可以切换到其它???。在线检测??橹谢股栌斜ň?如果出现一些周期性缺陷下来,了解缺陷产生的原因,避免缺陷的继续产生。

       (2)离线分析??橹饕糜诖邮菘庵械鞒鋈毕菁觳獾睦芳锹际?并对历史数据进行统计和分析??赏ü砗呕蛏奔洳檠?获取某一带卷的缺陷统计结果,并自动生成检测报表,用于打印和存档。此外,还可浏览带卷上每一缺陷的所有信息,包括缺陷图像,从而能检验结果是否正确。

    3.分析应用

       (1) 可检测的缺陷类型。虽然系统主要用于检测三维缺陷,但在使用过程中发现,由于图像的背景也有相对的亮度,而二维缺陷(主要是一些有色缺陷,如乳化液斑、黑带、表面夹杂等)的灰度值要比背景的灰度值小,因此系统也可用于检测二维缺陷,但二维缺陷的检测效果不如三维缺陷。

       (2) 在“明场模式”中,摄像头放置在反射光的光路上。如果表面没有缺陷的话,反射光在摄像头各个区域上的照度应该是分布均匀的。但是,如果表面出现缺陷的话,那么反射光在摄像头上的照度将发生变化:对于三维缺陷,光在缺陷区域反射性质将会发生变化,造成了反射光在摄像头上的照度将会比没有缺陷时候小。因此,采用“明场方式”采集到的缺陷图象,背景区域是亮的,而缺陷区域则是暗的;对于二维缺陷,虽然光在二维缺陷上的反射性质没有发生变化,但是由于二维缺陷基本上是一些有色缺陷,因此这些缺陷对光的吸收比较多,反射光的强度减小了,这样也造成了反射光在摄像头上的照度的减小。因此,与三维缺陷一样,采用“明场模式”采集到的缺陷图象,背景区域是亮的,而缺陷区域是暗的。

       (3) 采用“暗场方式”检测不锈钢的表面缺陷。由于入射角的变化对于反射光在摄像头上的照度影响很大,因此“明场方式”不适用于不锈钢表面的在线检测。在“暗场方式”中,摄像头放置在与入射光几乎平行的方向上。这样,在不锈钢表面无缺陷的情况下,摄像头采集不到反射光。并且在不锈钢表面有波动的情况下,摄像头基本上也采集不到反射光。但是,如果不锈钢表面产生三维缺陷的话,缺陷区域将产生漫反射,摄像头就可以采到漫反射过来的光。因此,通过“暗场方式”采集到的缺陷图象,背景区域是暗的,而缺陷区域是亮的。因此,可通过“暗场模式”在线检测不锈钢表面的三维缺陷。

    四、 结束语

       为满足用户对冷轧产品表面高质量的要求,目前冷轧生产线采用在线检测设备对表面缺陷的形成、种类、位置进行精确的识别,并采取相应的措施进行控制,但由于其生产工艺复杂、流程较长,一些表面缺陷形貌和性质随着工艺流程会不断地发生变化,缺陷的识别和控制具有极大难度。因此,不断地总结经验,正确识别各种表面缺陷,加强对缺陷的检测和分析以及采取相应的控制措施以提高表面质量,成为冷轧钢板表面质量改进的方向。


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