基于Smart View Metals系統(tǒng)的表面質(zhì)量檢測(cè)在鋁合金熱軋生產(chǎn)線上的應(yīng)用

趙林瑩，何昌協(xié)，劉勤博

(寶武鋁業(yè)科技有限責(zé)任公司，河南 三門峽 472000)

近幾年因鋁合金熱軋板帶材的表面質(zhì)量問(wèn)題，使企業(yè)蒙受巨大經(jīng)濟(jì)損失的事件屢見(jiàn)不鮮，對(duì)表面質(zhì)量的控制已經(jīng)成為影響該類產(chǎn)品表面質(zhì)量進(jìn)一步提高的關(guān)鍵問(wèn)題。尤其表面質(zhì)量要求更高的高精尖鋁合金板帶用料，對(duì)在線檢測(cè)技術(shù)的要求也越來(lái)越高，因而對(duì)更先進(jìn)、更完善的表面質(zhì)量在線檢測(cè)技術(shù)的需求日益突出。鋁合金熱軋生產(chǎn)線上，傳統(tǒng)的表面質(zhì)量檢測(cè)通過(guò)開卷、翻板等人工視覺(jué)檢查完成，效率低且精度不高，對(duì)質(zhì)量控制、生產(chǎn)節(jié)奏和庫(kù)存控制都會(huì)產(chǎn)生不利影響。隨著機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)逐漸得到推廣應(yīng)用，能準(zhǔn)確、及時(shí)、有效地檢出和識(shí)別表面缺陷，定量地反應(yīng)鋁合金板帶表面的缺陷分布，且易于實(shí)現(xiàn)信息集成，極大提高了鋁合金板帶材的生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度。 Smart View Metals系統(tǒng)是美國(guó)Cognex公司為金屬檢測(cè)提供的專門系統(tǒng)。系統(tǒng)使用了best-in-class專業(yè)技術(shù)，以便于為鋁合金板帶材提供全面的表面質(zhì)量檢測(cè)，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)鋁合金深加工的熱軋、冷軋、精整等生產(chǎn)線上得到了廣泛應(yīng)用。

某1+3熱軋線主要用于生產(chǎn)高表面質(zhì)量和高性能要求的鋁合金板帶材，生產(chǎn)線上配置了一套Smart View Metals系統(tǒng)的表面質(zhì)量檢測(cè)裝置。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該系統(tǒng)確保用戶不僅能夠?qū)Ξa(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行定量描述和判斷，而且能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)輥印、粘傷、壓坑、污跡等由于設(shè)備、工藝問(wèn)題帶來(lái)的缺陷并及時(shí)采取措施，避免設(shè)備的過(guò)度維護(hù)和欠維護(hù)，保持產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

1 系統(tǒng)工作原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工作原理

表面質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的原理是，在帶材上下表面分別安裝攝像機(jī)及光源，采用反射光觀察方式檢測(cè)缺陷。Smart View Metals系統(tǒng)采用高速CCD行掃描攝像頭，對(duì)軋制生產(chǎn)中的板帶材表面進(jìn)行逐行掃描，從而完成對(duì)整板或整卷的掃描檢測(cè)。CCD傳感器和光源覆蓋整個(gè)板帶的寬度，每個(gè)攝像頭最高每秒鐘可掃描約2萬(wàn)行。行掃描示意如圖1所示。

圖1 行掃描示意圖Fig.1 line scan diagram

金屬板帶表面沒(méi)有缺陷時(shí)，反射的光在明視場(chǎng)下很強(qiáng)，而在暗視場(chǎng)的散射光很弱；如有缺陷，則明視場(chǎng)的光強(qiáng)減弱，而暗視場(chǎng)的光強(qiáng)增加。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。明暗視場(chǎng)原理如圖2所示。

圖2 明暗視場(chǎng)示意圖Fig. 2 Light and dark fields of view

1.2 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

結(jié)合熱軋1+3機(jī)組設(shè)備的特點(diǎn)和生產(chǎn)工藝及缺陷頻發(fā)的位置，確定將在線表面質(zhì)量檢測(cè)儀的檢測(cè)單元分別安裝在精軋機(jī)出口圓盤剪與導(dǎo)向輥之間的上方和下方位置。表面檢測(cè)單元所需空間不大，且安裝方便，不必進(jìn)行大的土建工程。安裝位置如圖3所示，系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如下：

生產(chǎn)線名稱：HSM熱軋線；

材料：1xxx系到8xxx系鋁合金板帶材；

最大板帶厚度：2mm～12mm；

最大板帶寬度：1000mm～3100mm；

最大板帶偏移量：±100mm；

機(jī)組最大速度：max.452m/min；

系統(tǒng)配置：

上表面攝像頭的數(shù)量：3×8k 160MHz；

下表面攝像頭的數(shù)量：3×8k 160MHz；

橫向度量單位：0.13mm；

縱向度量單位：0.38mm。

圖3 檢測(cè)裝置布置圖Fig. 3 Layout of detection device

1.3 系統(tǒng)基本構(gòu)架

系統(tǒng)由硬件設(shè)備和軟件部分組成，硬件設(shè)備主要由光源、CCD攝像頭、信號(hào)處理單元、系統(tǒng)服務(wù)器、操作終端和質(zhì)量分析終端5部分組成。軟件按用途可劃分為缺陷檢測(cè)、缺陷分類、缺陷可視化、缺陷數(shù)據(jù)庫(kù)、檢測(cè)過(guò)程控制、數(shù)據(jù)離線分析等。

1.3.1 硬件

(1)攝像頭。尼康鏡頭，50mm/f1.8， AF、F 卡口。通過(guò)特種網(wǎng)線與網(wǎng)卡、信號(hào)處理卡、CPU卡相連。保護(hù)罩內(nèi)通壓縮空氣進(jìn)行冷卻，罩子底座固定在支架上，位置及角度可微調(diào)。

(3)信號(hào)處理單元。實(shí)時(shí)處理從攝像頭傳送過(guò)來(lái)的模擬信號(hào)，提取出代表缺陷的有用信號(hào)。對(duì)缺陷實(shí)時(shí)初步分類、處理I/O信號(hào)，信息存儲(chǔ)。

(4)LED光源。LED白色光源，每根光源的功率600W，工作溫度5℃～55℃，濕度0 ～ 95% RH。為攝像頭提供照明視場(chǎng)。

(5)系統(tǒng)服務(wù)器。專業(yè)WIN7操作系統(tǒng)；CPU為Intel?四核XeonTM處理器。通過(guò)光纖與相機(jī)相連，可以實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)訪問(wèn)、在線幫助、管理功能、操作員功能和通訊。

(6)在線操作終端。Intel?Quad Core XeonTM處理器，中央系統(tǒng)工作站，協(xié)調(diào)所有系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)訪問(wèn)。操作員控制臺(tái)，建立或修改系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)置分類菜單?？蓪?shí)現(xiàn)全Web視窗、缺陷視窗、缺陷率視窗、板帶質(zhì)量視窗，并提供在線幫助。

(7)報(bào)警器。彩色閃光，最大音量105db。根據(jù)缺陷的不同嚴(yán)重程度及缺陷類別進(jìn)行不同顏色的報(bào)警標(biāo)識(shí)，有效地提醒操作人員缺陷發(fā)生的情況。

(8)特種網(wǎng)線。用于攝像機(jī)與CSU柜的連接。

1.3.2 軟件

(1)調(diào)度管理。用于控制檢測(cè)過(guò)程及實(shí)時(shí)顯示的內(nèi)容，可查看在線和離線的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

剖宮產(chǎn)術(shù)后疼痛還可能使原本和諧的醫(yī)患關(guān)系變得緊張。我院曾經(jīng)有1位產(chǎn)科醫(yī)生為患者完成了1例高難度的剖宮產(chǎn)手術(shù)，當(dāng)時(shí)患者病情危重，很多醫(yī)院都不愿接收，這位醫(yī)生順利完成了手術(shù)，可最后卻換來(lái)了患者的投訴。原因正是術(shù)后產(chǎn)婦疼痛難忍，醫(yī)生未能及時(shí)妥善處理術(shù)后疼痛。

(2)在線檢測(cè)。專門用于進(jìn)行在線檢測(cè)和顯示。

(3)報(bào)表管理器。報(bào)表管理軟件。

(4)配置管理器。對(duì)攝像頭進(jìn)行設(shè)置和標(biāo)定，以及設(shè)置總體配置參數(shù)。

(5)配方管理器?？捎糜趯?duì)特定的產(chǎn)品或客戶按特定的要求進(jìn)行單獨(dú)參數(shù)設(shè)置。

(6)檢測(cè)結(jié)果瀏覽器。可調(diào)用并顯示歷史的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

(7)檢測(cè)報(bào)表生成器。根據(jù)用戶要求產(chǎn)生報(bào)表，選擇性地輸出檢測(cè)數(shù)據(jù)。

(8)與工廠網(wǎng)絡(luò)通訊軟件。用于系統(tǒng)和工廠及網(wǎng)路的數(shù)據(jù)傳送。

(9)缺陷數(shù)據(jù)庫(kù)管理維護(hù)?？蓪?duì)缺陷數(shù)據(jù)庫(kù)中的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、刪除修改及新定義。

(10)全場(chǎng)錄像顯示系統(tǒng)。超高清實(shí)時(shí)顯示板帶的表面，并與表面檢測(cè)系統(tǒng)完全同步顯示。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)與性能考核

2 .1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)的全部數(shù)據(jù)處理過(guò)程，即系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程的重點(diǎn)包括信號(hào)的歸一化處理、缺陷檢測(cè)(信號(hào)的閾值算法)和缺陷分類。

2.1.1 信號(hào)的歸一化處理

系統(tǒng)首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行歸一化處理。歸一化處理是對(duì)攝像頭來(lái)的信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化處理，提高系統(tǒng)在各種變化條件下檢測(cè)缺陷的能力。歸一化處理對(duì)從攝像頭過(guò)來(lái)的信號(hào)，由于亮度或其它因素變化引起的信號(hào)幅值大小進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)消除這些變化，使實(shí)際缺陷的信號(hào)更易于被檢測(cè)到。Smart View Metals 系統(tǒng)的歸一化處理還能對(duì)逐步變化的環(huán)境提供動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

2.1.2 缺陷檢測(cè)

在進(jìn)行歸一化處理之后，Smart View Metals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)的高精度要求，對(duì)非連續(xù)缺陷的檢測(cè)，系統(tǒng)主要采用水平閾值和基線閾值算法。系統(tǒng)主要閾值算法包括：(1)水平閾值。檢測(cè)非連續(xù)缺陷，其信號(hào)值超出所設(shè)定的上限或下限灰度強(qiáng)度閾值。(2)基線閾值。隨著材料背景(如顆粒度)的變化，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)。(3)降噪閾值。用于檢測(cè)具有高噪音背景的產(chǎn)品，排除背景噪音可能造成的“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。(4)條紋閾值?？稍谒惴ㄖ锌v向上對(duì)缺陷信號(hào)進(jìn)行多種設(shè)置，用于檢測(cè)縱向連續(xù)缺陷，例如涂層條紋。(2)其它的特殊處理技術(shù)。如邊部處理等，可根據(jù)不同的應(yīng)用采用不同的處理

上述信號(hào)處理技術(shù)都是自動(dòng)完成的，無(wú)需操作員進(jìn)行任何臨時(shí)調(diào)整，且其過(guò)程極快，從缺陷到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)到檢測(cè)出來(lái)，再通過(guò)一系列的信號(hào)處理，再通過(guò)后續(xù)的缺陷自動(dòng)判別同時(shí)顯示在屏幕上，全過(guò)程一般在毫秒級(jí)，個(gè)別情況最大所需時(shí)間為50Msec，這樣才能保證真正的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

2.1.3 缺陷分類

Smart View Metals 系統(tǒng)的自動(dòng)識(shí)別器采用多種分類算法，以缺陷的特征值為基礎(chǔ)進(jìn)行缺陷分類。自動(dòng)識(shí)別器配置了根據(jù)類似熱軋鋁合金板帶材生產(chǎn)線上的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)而設(shè)定的每一個(gè)已定義缺陷種類的預(yù)期特征值的范圍。在檢測(cè)期間，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。一旦能夠匹配，就給缺陷進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸?。?duì)暫時(shí)還未收集到缺陷數(shù)據(jù)庫(kù)中的缺陷，分類器會(huì)自動(dòng)進(jìn)行分類處理，操作員只需對(duì)其進(jìn)行命名，便自動(dòng)填充進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)了。分類器可以在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)需要進(jìn)行修改，可以進(jìn)行精調(diào)以適合生產(chǎn)中缺陷檢測(cè)的實(shí)際情況，可以增加類別或修改分類定義。該技術(shù)大大提高了缺陷判別的速度和準(zhǔn)確率。

2.2 系統(tǒng)性能考核

Smart View Metals系統(tǒng)的系統(tǒng)性能考核主要包括3個(gè)考核點(diǎn)：缺陷的可視化程度，缺陷數(shù)據(jù)庫(kù)的完備性，以及缺陷的檢測(cè)率與分類率。

2.2.1 缺陷可視化程度

可視化功能提供所有檢測(cè)到的缺陷的灰度顯示，不僅簡(jiǎn)化了因果分析，而且給操作員提供了驗(yàn)證工具，以便在必要時(shí)迅速采取校正措施。Smart View Metals系統(tǒng)對(duì)每個(gè)檢測(cè)到的缺陷能提供256級(jí)的高質(zhì)量灰度圖像。

2.2.2 缺陷數(shù)據(jù)庫(kù)的完備性

系統(tǒng)中每種缺陷均由近300個(gè)缺陷特征進(jìn)行描述，并且每種缺陷在分類時(shí)，還可分為輕度、中度和重度3個(gè)等級(jí)。檢測(cè)設(shè)備在到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)帶有預(yù)裝的數(shù)據(jù)庫(kù)，其中含有一些基本的缺陷種類，約有十幾種，可以根據(jù)每個(gè)不同現(xiàn)場(chǎng)增加或減少，系統(tǒng)本身沒(méi)有種類限制。這些缺陷數(shù)據(jù)樣本從全球50多條熱軋線采集而來(lái)，并以此建立缺陷分類?，F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)需要可選擇在系統(tǒng)預(yù)置缺陷分類器或根據(jù)軋線缺陷產(chǎn)生的具體情況，自行建立缺陷數(shù)據(jù)庫(kù)。要提高系統(tǒng)的實(shí)用性，還需要在生產(chǎn)過(guò)程中結(jié)合其它同類型的生產(chǎn)線，大量采集缺陷樣本，提高缺陷數(shù)據(jù)庫(kù)的完備性。

2.2.3 缺陷的檢測(cè)率與識(shí)別率

(1)單一缺陷?？锥矗N皮，擦劃傷，條紋(斜紋、縱向條紋、橫向條紋)，黑條、黑線，裂紋，條紋昆蟲狀缺陷、松樹狀缺陷等，挫傷(橫向)，壓坑、起皮等，其缺陷檢測(cè)率為95%，缺陷分類率>90%。

(2)面積性缺陷。油斑、油漬點(diǎn)、乳液痕，污點(diǎn)、氧化斑(腐蝕)，粘鋁、黑斑(鋁粉)等，其缺陷檢測(cè)率為90%，面積缺陷的命中率為85%。

(3)周期性缺陷。輥印，凸凹包等，其缺陷檢測(cè)率為90%，誤報(bào)率為5%。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 檢測(cè)參數(shù)的優(yōu)化

表面質(zhì)量檢測(cè)不僅要求檢測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別缺陷，而且要求缺陷在板帶上能準(zhǔn)確定位。線掃描可以實(shí)現(xiàn)缺陷在寬度方向上的精準(zhǔn)定位，但在軋制速度方向，缺陷準(zhǔn)確定位與系統(tǒng)是否能提供準(zhǔn)確的板帶實(shí)時(shí)運(yùn)行速度有關(guān)。這個(gè)速度由精軋機(jī)出口側(cè)夾送輥為系統(tǒng)提供，實(shí)現(xiàn)軋制速度方向上的定位精度。檢測(cè)裝置的攝像頭安裝在寬度方向上，理想情況是相鄰采集圖像之間既無(wú)間隙又無(wú)重疊，以保證對(duì)板帶材表面檢測(cè)完整。這就要求系統(tǒng)對(duì)每個(gè)攝像頭有很高的定位精度。每個(gè)攝像頭在板帶寬度方向的定位是通過(guò)系統(tǒng)標(biāo)定實(shí)現(xiàn)的，可以保證系統(tǒng)遠(yuǎn)距離清晰成像。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，照度波動(dòng)小于10%。板帶材表面靠近邊緣的部分，由于漫反射的強(qiáng)度和漫反射角度相關(guān)，會(huì)造成光強(qiáng)損失，導(dǎo)致邊部圖像的灰度值減弱。Smart View Metals系統(tǒng)內(nèi)部的專用軟件對(duì)相機(jī)的成像效果作補(bǔ)償。

系統(tǒng)不僅可在多臺(tái)終端上顯示和記錄板帶的缺陷圖像和數(shù)據(jù)，而且可對(duì)不同的鋁板帶或不同的客戶進(jìn)行不同的設(shè)置。系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的配置。比如，不同的客戶有不同的質(zhì)量要求時(shí)，由于一次性設(shè)置好的系統(tǒng)配置可以自動(dòng)識(shí)別來(lái)料卷的鋁板帶，這樣缺陷數(shù)據(jù)庫(kù)及報(bào)警信號(hào)可以根據(jù)不同的鋁板帶自動(dòng)進(jìn)行匹配。

3.2 系統(tǒng)檢出的部分典型缺陷

某1+3熱軋鋁合金板帶材生產(chǎn)線上Smart View Metals系統(tǒng)檢測(cè)出的部分典型缺陷，如圖4所示。通過(guò)分析整理該生產(chǎn)線上常見(jiàn)的缺陷種類、缺陷形態(tài)及產(chǎn)生原因，大量收集缺陷典型樣本，采用best-in-class分類技術(shù)，綜合生產(chǎn)和質(zhì)檢積累的經(jīng)驗(yàn)，使Smart View Metals系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)缺陷較高的分類準(zhǔn)確率。由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)得缺陷檢出率(95%)、系統(tǒng)利用率(90%)、缺陷分類率(99.5%/72h )，可以滿足該生產(chǎn)線的檢測(cè)要求。

4 結(jié)論

該1+3鋁合金熱軋生產(chǎn)線上裝備基于Smart View Metals系統(tǒng)的表面質(zhì)量在線檢測(cè)儀能完全代替人工開卷檢查。該系統(tǒng)滿足了熱軋鋁合金板帶材最嚴(yán)格的檢查要求，不但能可靠地檢測(cè)出典型缺陷，而且也能進(jìn)行精確地分類。生產(chǎn)過(guò)程中，系統(tǒng)的利用率在99%以上?；赟mart View Metals系統(tǒng)的表面質(zhì)量檢測(cè)儀在應(yīng)用過(guò)程中不僅有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量，而且參與了對(duì)生產(chǎn)工藝的改進(jìn)和生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，從總體上改善了該熱軋生產(chǎn)線的質(zhì)量控制水平。其對(duì)熱軋鋁合金板帶材的表面質(zhì)量控制所起的作用總結(jié)如下：

(1)及時(shí)發(fā)現(xiàn)表面缺陷。動(dòng)態(tài)監(jiān)控軋制產(chǎn)品的表面質(zhì)量，按照系統(tǒng)定義的分類，將缺陷歸類至其所屬類型。能及時(shí)發(fā)現(xiàn)周期性缺陷和突發(fā)性缺陷，可以避免批量缺陷的連續(xù)發(fā)生，并可根據(jù)其嚴(yán)重程度，采取不同的報(bào)警措施。

(2)減輕人工取樣強(qiáng)度。檢查線人工取樣節(jié)奏難以跟上生產(chǎn)節(jié)奏，漏取樣現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。采用表面質(zhì)量在線檢測(cè)裝置后，可以有針對(duì)性的取樣，大大提高了檢查線的工作效率。

圖4 鋁合金板帶材的部分典型缺陷Fig.4 Typical Defects of Aluminum Alloy Sheet and Strip

(3)提高物流效率。由于檢查節(jié)奏緩慢和檢查信息的滯后，常常出現(xiàn)連續(xù)的缺陷，整條熱軋線的物流也由此而堵塞，給板帶材的庫(kù)存帶來(lái)很大壓力。如果使用表面質(zhì)量在線檢測(cè)裝置，可取消在線開卷檢查，性能取樣由精整線負(fù)責(zé)完成，使熱軋線、冷軋線、精整線和高架庫(kù)的物流更加暢通。

(4)優(yōu)化軋制工藝，方便設(shè)備的管理和診斷。軋制過(guò)程中，操作人員可以通過(guò)表面質(zhì)量檢測(cè)反饋的信息，根據(jù)對(duì)板帶材表面質(zhì)量的監(jiān)控和判斷，隨時(shí)在線調(diào)整工藝參數(shù)，提高軋制效果，使表面質(zhì)量得以穩(wěn)定和提高。不僅能檢測(cè)某一工藝段的產(chǎn)品質(zhì)量，還可以從全工藝流程檢測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量、提高管理和診斷設(shè)備的水平。

(5)提高經(jīng)濟(jì)效益，減少用戶投訴。采用表面質(zhì)量在線檢測(cè)裝置，可以準(zhǔn)確判定鋁合金板帶材質(zhì)量，避免質(zhì)量異議，降低用戶投訴；也將大大降低抽檢取樣的頻率，減少取樣剪切所造成的金屬損失。同時(shí)，由于缺陷板材的大幅減少，也減輕了精整線的返修壓力，提高了出廠產(chǎn)品的成材率，因而用戶投訴減少，提高了經(jīng)濟(jì)效益。