表面在線檢測技術(shù)

潘思多，冀云鵬，楊楠

（天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384）

0 引言

產(chǎn)品質(zhì)量一直是人們生產(chǎn)和生活中非常關(guān)心的話題，而表面檢測技術(shù)則決定著產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣。從19 世紀(jì)現(xiàn)代工業(yè)革命開始至上世紀(jì)50 年代初，由于生產(chǎn)規(guī)模及生產(chǎn)效率均較低，表面質(zhì)量檢測環(huán)節(jié)主要是通過生產(chǎn)過程中人工目測和離線過程中的成品抽檢。到了20 世紀(jì)50 年代，此種檢測方式逐漸不能適應(yīng)現(xiàn)代化高速生產(chǎn)的需要，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）生產(chǎn)速度不斷加快：當(dāng)生產(chǎn)線速度大于50 m/min 時(shí)，人工目測方式無法可靠捕獲缺陷信息，從而產(chǎn)生大量誤檢和漏檢。2）人眼視覺靈敏度的影響：即使在較低的生產(chǎn)線速度下，人眼固有的感光性能、色覺反應(yīng)對(duì)于單一色度的被檢物來說，其分辨效率極低。3）環(huán)境對(duì)人體機(jī)能的影響：人工目測方式需要工作者持續(xù)工作在高溫、粉塵、噪聲、振動(dòng)等惡劣環(huán)境下，檢測者極易疲勞、對(duì)身體和心理都會(huì)造成極大傷害。

機(jī)器視覺檢測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，但不同工作方式的設(shè)備也有各自的優(yōu)缺點(diǎn)：1）激光掃描方式。精度低，掃描速度慢，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)與維護(hù)非常復(fù)雜。2）線陣CCD 攝像機(jī)（奧鋼聯(lián)、Cognex）。掃描速度快、精度高，需要檢測空間小，不適應(yīng)于鋼板有較大跳動(dòng)的情況。3）面陣CCD 攝像機(jī)（Parsytee）。采用多攝像機(jī)同步采集方式能得到較高的掃描速度與檢測精度，需要的檢測空間大，采用的攝像機(jī)及后續(xù)的采集卡和處理系統(tǒng)數(shù)目多。

1 國內(nèi)外使用與研究現(xiàn)狀

從20 世紀(jì)90 年代起我國開始表面檢測方面的研究，但都基本停留在實(shí)驗(yàn)室階段。寶鋼從20 世紀(jì)80 年代開始從國外引進(jìn)檢測設(shè)備，最初使用的是激光掃描技術(shù)，應(yīng)用于鍍錫線。從2000 年以后國內(nèi)的鋼鐵企業(yè)對(duì)表面檢測技術(shù)的興趣日益增加，使用該種設(shè)備的數(shù)量大大提高。但工件表面缺陷的檢測系統(tǒng)依舊存在著價(jià)格高，檢出率與識(shí)別率不能達(dá)到理想程度的現(xiàn)狀。在我國，高效軋制國家研究中心一直在從事這項(xiàng)研究，從1998 年至今，研究中心共得到1 項(xiàng)國家自然科學(xué)基金，2 項(xiàng)國家863 計(jì)劃項(xiàng)目，1 項(xiàng)教育局重點(diǎn)項(xiàng)目，1 項(xiàng)科技部中小企業(yè)創(chuàng)新基金項(xiàng)目，1 項(xiàng)北京市高技術(shù)成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目的資助；2002 年，開發(fā)了國內(nèi)第一套冷軋帶鋼表面在線撿測系統(tǒng)，應(yīng)用于武鋼海南公司的1250 冷軋精整線；2003 年開發(fā)了國內(nèi)第一套中厚板表面缺陷在線檢測系統(tǒng)，用于濟(jì)鋼的中厚板廠；2005 年與唐鋼簽定合同，為唐鋼新建的1700 熱軋帶鋼生產(chǎn)線提供表面缺陷在線檢測系統(tǒng)。1995 年，華中理工大學(xué)研制出了采用多臺(tái)面陣CCF 成像，通過基于PC環(huán)境下的DSP 系統(tǒng)所組成的圖像處理平臺(tái)進(jìn)行冷軋帶鋼表面的缺陷檢測和最小帶寬測量的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。同年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所也開始進(jìn)行帶鋼表面缺陷靜態(tài)下的檢測和識(shí)別方法的研究。

發(fā)達(dá)國家整個(gè)軋鋼流程基本都配有表面在線檢測系統(tǒng)，包括從熱軋到冷軋以及后續(xù)的精整和涂鍍環(huán)節(jié)等。由于視覺信息具有獨(dú)特的空間特性和結(jié)構(gòu)特性，在人類的活動(dòng)所涉及的信息領(lǐng)域中占有很大的比重。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器在模擬人的行為上取得了重大突破，人們也開始討論如何使機(jī)器取代人眼完成部分功能。這種機(jī)器取代人眼的檢測系統(tǒng)將在工件表面缺陷檢測方面有重要的應(yīng)用。在20 世紀(jì)70 年代起，國外已有人開始研究工件表面質(zhì)量檢測，到了20 世紀(jì)90 年代由于CCD 攝影技術(shù)的發(fā)展而有了長足的進(jìn)步。德國的蒂森公司規(guī)定，所有出場的熱軋帶卷都必須有表面檢測系統(tǒng)的檢測報(bào)告，沒有檢測報(bào)告的工件不能出廠。韓國的浦項(xiàng)制鐵在其公司的軋鋼生產(chǎn)線上用了40 套以上的檢測設(shè)備。美國制造工程師協(xié)會(huì)機(jī)器視覺分會(huì)和美國機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)的自動(dòng)化視覺分會(huì)將機(jī)器視覺定義為：機(jī)器視覺是通過光學(xué)的裝置和非接觸的傳感器自動(dòng)接收和處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的裝置。國際上有名的工業(yè)視覺系統(tǒng)集成商包括美國的NI、Cognex 和PROIMAGE、瑞士的BOBST、德國的VMT、加拿大的Hexsight、日本的DAC、TOKIMEC和Keyence 等，其涉足的應(yīng)用領(lǐng)域常見于尺寸檢測、結(jié)構(gòu)檢測、表面檢測以及系統(tǒng)運(yùn)行狀況檢測等。

2 表面在線檢測攝像原理

以帶鋼檢測為例：由于帶鋼表面有缺陷區(qū)域與無缺陷區(qū)域?qū)τ诠夥瓷涞男再|(zhì)不同，如有一些有色缺陷對(duì)于光的吸收比較多，所以發(fā)射光的光強(qiáng)就比沒有缺陷的表面弱；而一些三維缺陷會(huì)對(duì)入射光造成散射，所以會(huì)造成反射光的光強(qiáng)比沒有缺陷的表面弱?；谶@一原理，如果將光源發(fā)出的光照射到生產(chǎn)線上運(yùn)行的帶鋼表面上，然后用CCD 攝像機(jī)采集從鋼板表面反射的光，將反射光的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成灰度圖像。這樣，反射光的光強(qiáng)通過采集到的灰度圖像反映出來，光強(qiáng)越大，圖像灰度值越高；反之，則越低。通過對(duì)這些攝像機(jī)采集到的灰度圖像進(jìn)行處理分析，可以檢測并且標(biāo)定帶鋼表面存在的缺陷。采用線陣CCD 攝像機(jī)采集鋼板表面圖像時(shí)，應(yīng)采用綠色激光線光源做照明裝置。因?yàn)榧す獾牧炼雀撸酃庑院?，均勻性好，并且連續(xù)發(fā)光，適用于提供照明，而且激光單色性好可避免背景光的影響，從而提高對(duì)比度。此外，上下表面檢測只需兩臺(tái)激光光源，減少了設(shè)備數(shù)量，大大節(jié)省了空間。而且激光的壽命長，可連續(xù)使用1a 以上，減少了維護(hù)時(shí)間和費(fèi)用。

綜上所述，采用CCD 攝像機(jī)采集鋼板表面圖像，不僅可以提高檢測精度，而且可以減少設(shè)備數(shù)量，而且采集速度快，分辨率高，需要的采集空間小，40 mm 的輥?zhàn)娱g距就可以滿足要求，不需要拆輥并安裝擋板。而且在運(yùn)行方向上不存在圖像的遺漏與重疊問題。表面在線檢測安裝在成品生產(chǎn)線上，如酸洗線、平整線、向冷軋?zhí)峁┰系臒彳埦€等處，檢測會(huì)造成成品工件表面缺陷問題，如夾雜、銹斑、孔洞、劃傷、邊裂等問題。

3 結(jié)語

表面在線檢測技術(shù)是通過科學(xué)的方法，對(duì)某一固定形狀的工件進(jìn)行掃描取點(diǎn)，判斷并提取出含有不符合整體規(guī)律的缺陷的樣件，從而及時(shí)進(jìn)行隔離。伴隨著這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)大大地提高現(xiàn)有生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)的完善性與準(zhǔn)確性。減少由人工檢測精度性差引起的不合格品率。尤其對(duì)于一個(gè)制造業(yè)公司來說，表面缺陷檢測技術(shù)可以有效地保證產(chǎn)品質(zhì)量，將存在缺陷的工件拒之門外，從而提高產(chǎn)品一次通過率，客戶滿意度等硬性指標(biāo)，也可以作為整個(gè)制造系統(tǒng)的一部分，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的可行性，減少原本由工人人為來判斷的崗位，將更多的勞動(dòng)力投入在其他重要地方，也是減輕現(xiàn)有的勞動(dòng)強(qiáng)度，做到企業(yè)和員工雙向受益。

當(dāng)然這項(xiàng)技術(shù)的普及或許還需要一定時(shí)間，我們逐步從二維檢測走向三維的缺陷發(fā)掘。而且這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展還有幾個(gè)關(guān)鍵性問題需要我們不斷完善：1）在圖象采集缺陷點(diǎn)的過程中，由于光線的陰暗引起的對(duì)比度低，從而使缺陷樣件通過檢測或者完好樣件提示報(bào)錯(cuò)的問題。2）嘗試建立缺陷類型的資料庫，從而進(jìn)一步提高檢測效率和精度。對(duì)于已經(jīng)有記錄的缺陷可以快速調(diào)取，減少重新檢測所花費(fèi)的時(shí)間。3）通過對(duì)機(jī)器以及計(jì)算機(jī)編程技術(shù)的改良，提高缺陷識(shí)別率。4）對(duì)于公司來說，確保生產(chǎn)現(xiàn)場的整潔，避免由于污垢，灰塵等環(huán)境問題產(chǎn)生的檢測誤差。5）對(duì)于可能存在缺陷的工件，通過完善檢測方法的方式，縮短判斷時(shí)間，避免生產(chǎn)中由于檢測所花費(fèi)時(shí)間而引起的產(chǎn)品線中斷。

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