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机器视觉在带钢表面缺陷检测中的应用

2022-11-23 14:29:37 谈球吧(中国)

　　带钢是冶金企业的主要产品ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ，是汽车㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂、国防✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅、化工✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥、轻工业制造的主要原材料☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；。随着全球能源紧张✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴、铁矿石的涨价⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯，对带钢的成品率㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦、合格率㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦、优质率提出更高的要求⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺。表面质量是带钢的主要质量指标✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴，由于原材料ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ、轧制工艺⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ、系统控制等方面的因素⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓，造成带钢表面出现裂纹㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂、结疤☈⊙☉℃℉❅、辊印⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤、空洞ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ、表皮分层ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ、色斑⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺、麻点等缺陷在所难免☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；。这些缺陷对带钢的抗疲劳性ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ、抗腐蚀性☈⊙☉℃℉❅、耐磨性✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥、电磁特性都有不同程度的影响⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯，所以在轧制过程中①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯，及时发现这些缺陷♀☿☼☀☁☂☄、调整控制参数✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥、分类标注不同等级的带钢⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤，对提高带钢产品质量웃유ღ♋♂、降低生产能源消耗❣❦❧♡۵、最大限度地获取销售利润具有深远的意义ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ。

　　目前⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤，在带钢生产中♀☿☼☀☁☂☄，基本采用人工检测的方法来检查带钢表面的缺陷♀☿☼☀☁☂☄。这种方法存在诸多不足：容易受检测人员主观因素的影响웃유ღ♋♂，检测结果缺乏准确性⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾、可靠性和完整性;下表面的检测必须要翻板☾☽❄☃，从而降低了生产率;工人劳动强度大;当钢板温度高时☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；，质检员很难站在离钢板很近的地方❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣，从而影响检测效果⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤。

　　冷轧带钢表面检测系统

　　冷轧带钢表面缺陷检测系统设备构成如图1所示♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃，设备之间的数据传输通过千兆以太网和光纤实现⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾。

　　图1：带钢表面缺陷检测系统设备配置

　　该系统主要由四部分组成ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ，包括检测箱⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯、现场控制箱☾☽❄☃、数据处理柜和操作台⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓。

　　检测箱：检测箱内装有两台高速线阵CCD摄像机☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；、高强度平行光源❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰，并配备安装调整机构❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰、防护系统等✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴，检测箱下面装有轮子ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ，在地基上安装导轨定位系统✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅，检测箱可以从生产线上拉出✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥，便于检修和维护⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾。检测箱的功能是获取带钢表面的图像数据ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ。

　　现场控制箱：现场控制箱安装在检测箱附近❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰，完成检测箱内的电气控制☾☽❄☃，采集图像数据❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣，并且把预处理后的数据及设备状态信息传送到数据处理柜㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂。现场提供的带钢速度脉冲信号进入现场控制箱♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃，配合摄像机采集控制ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ。

　　数据处理柜：数据处理柜安装在操作室内⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ，由多台数据处理器和服务器组成㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉，数据处理器并行处理钢板的图像数据⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺，并把处理结果传送给服务器进行综合分析统计㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉，并保存数据⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯。

　　操作台：操作台安装在操作室内㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂，与服务器连接㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦，可以进行各种操作㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦。

　　检测原理

　　冷轧在线表面缺陷检测系统⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓，利用光学成像检测原理ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ，通过采用高速线阵CCD摄像机⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤、线形平行光源❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰、高性能数据处理系统以及最新的机器视觉图像处理技术来实现带钢表面缺陷检测⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾。原理如图2所示ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ。

　　图2：表面瑕疵检测原理示意图

　　图2中✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅，Cam1✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴、Cam2为高速线阵CCD摄像机❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣，L为线形平行光源ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ。该光源发出高强度高稳定的平行光ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ，按一定角度投射到被测钢板上☾☽❄☃，在钢板宽度方向上形成一个窄光带ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ。Cam1摄像机(称作明场摄像机)安装在光源的反射通道上⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺，接受钢板反射的光线ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ，若钢板上有缺陷存在♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃，缺陷部位的反光特性发生变化⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺，摄像机会捕获到这种变化;明场图像具有亮背景⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ、暗缺陷的特性㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦。Cam2摄像机(称作暗场摄像机)安装在光源和明场摄像机中间♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃，接受钢板漫反射的光线㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦，若钢板上无缺陷存在①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯，暗场像机得到的光线很微弱ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ，而当钢板表面有缺陷存在时①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯，由于缺陷增加了光的漫反射❣❦❧♡۵，导致暗场摄像机捕捉到的图像也会发生变化✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥，暗场图像具有暗背景㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉、明缺陷特性☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；。这样由摄像机按照一定的拍摄速度输出的一帧帧图像就可以拼接成完整的带钢表面图像①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯，这些图像数据送到图像处理计算机就可以识别出带钢表面的缺陷①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯。采用明场✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥、暗场两台摄像机❣❦❧♡۵，通过相互补充可以检出大部分缺陷⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺，如具有明场缺陷特性的表皮分层ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ、鳞片ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ、锈斑㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉、粘结ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ、凹坑等和具有暗场缺陷特性的裂纹ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ、折痕ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ、孔洞ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ、针眼等⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾。

　　冷轧带钢表面质量监测是在机器视觉和计算机高速发展的基础上研制的☾☽❄☃，它充分利用了当前最先进的图像采集设备和图像处理算法ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ，技术关键主要包括图像的获取和图像数据处理❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰。

　　(一)图像获取

　　图像的获取与光源以及摄像机安装位置有关ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ。光源采用高亮度的LED红光源☾☽❄☃，发出的光为平行光☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；。摄像机采用高速❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣、高灵敏度的摄像机ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ，安装位置与光源发出的光成一定角度☈⊙☉℃℉❅，当钢板表面没有缺陷时☾☽❄☃，打到钢板上的光被反射出去♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃，摄像机得到的图像比较暗;当钢板表面有瑕疵时웃유ღ♋♂，由于瑕疵表面不平会产生漫反射✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴，此时摄像机将在对应的传感器位置上得到较亮的图像☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；。这样一帧一帧的图像组合起来(与带钢速度配合)❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣，就得到了整条带钢的等间距表面图像数据ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ。

　　(二)数据处理

　　图像识别算法复杂㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉，数据处理量大⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺，因此采用了多处理器并行处理技术✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴，每台处理器处理完后传送到服务器☈⊙☉℃℉❅，由服务器进行整理保存✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅，记录下瑕疵发生的位置⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯、类型ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ，并且把瑕疵的局部图像保存到磁盘中㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂，同时对各种瑕疵情况通过专家系统与瑕疵图库进行分析ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ、对比ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ，得到统计数据ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ，通过这些数据来指导优化工艺㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦。可以识别常见的辊印✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥、划痕①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯、锈痕㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉、羽纹☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；、粘结ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ、折印等ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ，系统通过不断学习可以逐步提高缺陷识别率❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰。

　　技术指标及特点

　　(一)技术指标

　　带钢宽度：<600 mm

　　带钢速度：<10 m/s

　　测量位置钢板跳动：<1 mm

　　瑕疵宽度方向分辨率：0.5~0.8 mm

　　瑕疵长度方向分辨率：0.8~1.5 mm

　　缺陷检测准确率：>90%

　　缺陷识别准确率：60%~85%

　　(二)功能简介

　　该系统的功能主要包括在线检测⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾、离线分析⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺、系统维护及数据管理等功能㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉。

　　在线检测功能：在线检测是最主要的功能⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤，从操作台选择在线检测后♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃，数据处理系统对检测箱采集到的图像数据进行处理❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣，首先把瑕疵识别出来✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥，然后再与样本库中的瑕疵数据对比进行分类✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥，按照设定的等级及操作进行报警或分类统计显示❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣，并保存处理瑕疵局部的图像数据☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；。

　　离线分析功能：从操作台选择离线分析功能后☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；，通过操作界面可以进行历史数据查询♀☿☼☀☁☂☄，瑕疵图片复现等⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤。

　　系统维护功能：系统维护包括设备工作状态显示㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦、专家系统管理及软件维护等⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓。设备工作状态显示包括摄像机工作状态✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴、数据处理器工作状态❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰、外围设备状态①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯，可以实时观察带钢图像等㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦，便于系统维护☈⊙☉℃℉❅。专家系统自学习管理包括专家系统管理包括瑕疵数据库的补充修改✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥，数据库管理❣❦❧♡۵。软件维护包括软件更新和功能扩展等ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ。

　　数据管理功能：数据管理包括数据统计分析♀☿☼☀☁☂☄，报表生成打印等①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯。

　　(三)安装需求

　　(四)设备特点

　　安装方便ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ，操作简单㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦，维护量很小♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃，另外由于图像处理是通过软件实现的♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃，更新方便㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦，可以很快地应用最新的数据处理技术而保持设备的先进性⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾。

　　(五)常用相机

　　常用的相机有Basler的racer系列相机ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ。racer相机可提供CameraLink 和GigE接口❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰，根据不同的应用要求灵活选择;该相机尺寸小❣❦❧♡۵，容易多台相机并行检测⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾，便于机械结构集成♀☿☼☀☁☂☄。