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)量問題，使企業(yè)蒙受巨大經(jīng)濟損失的事件屢見不鮮，對表面質(zhì)量的控制已經(jīng)成為影響該類產(chǎn)品表面質(zhì)量進一步提高的關(guān)鍵問題。尤其表面質(zhì)量要求更高的高精尖鋁合金板帶用料，對在線檢測技術(shù)的要求也越來越高，因而對更先進、更完善的表面質(zhì)量在線檢測技術(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)量檢測通過開卷、翻板等人工視覺檢查完成，效率低且精度不高，對質(zhì)量控制、生產(chǎn)節(jié)奏和庫存控制都會產(chǎn)生不利影響。隨著機器視覺檢測技術(shù)逐漸得到推廣應(yīng)用，能準(zhǔn)確、及時、有效地檢出和識別表面缺陷，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)效率和自動化程度。 Smart View Metals系統(tǒng)是美國Cognex公司為金屬檢測提供的專門系統(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，已經(jīng)在國內(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)量檢測裝置?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，該系統(tǒng)確保用戶不僅能夠?qū)Ξa(chǎn)品的質(zhì)量進行定量描述和判斷，而且能夠及時發(fā)現(xiàn)輥印、粘傷、壓坑、污跡等由于設(shè)備、工藝問題帶來的缺陷并及時采取措施，避免設(shè)備的過度維護和欠維護，保持產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，經(jīng)濟效益明顯。

1 系統(tǒng)工作原理及系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)工作原理

表面質(zhì)量檢測系統(tǒng)的原理是，在帶材上下表面分別安裝攝像機及光源，采用反射光觀察方式檢測缺陷。Smart View Metals系統(tǒng)采用高速CCD行掃描攝像頭，對軋制生產(chǎn)中的板帶材表面進行逐行掃描，從而完成對整板或整卷的掃描檢測。CCD傳感器和光源覆蓋整個板帶的寬度，每個攝像頭最高每秒鐘可掃描約2萬行。行掃描示意如圖1所示。

圖1 行掃描示意圖Fig.1 line scan diagram

金屬板帶表面沒有缺陷時，反射的光在明視場下很強，而在暗視場的散射光很弱；如有缺陷，則明視場的光強減弱，而暗視場的光強增加。根據(jù)這個原理，通過檢測攝像頭里光強的變化，便可檢測出材料表面上的一些物理缺陷。明暗視場原理如圖2所示。

圖2 明暗視場示意圖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機組設(shè)備的特點和生產(chǎn)工藝及缺陷頻發(fā)的位置，確定將在線表面質(zhì)量檢測儀的檢測單元分別安裝在精軋機出口圓盤剪與導(dǎo)向輥之間的上方和下方位置。表面檢測單元所需空間不大，且安裝方便，不必進行大的土建工程。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、缺陷分類、缺陷可視化、缺陷數(shù)據(jù)庫、檢測過程控制、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。通過特種網(wǎng)線與網(wǎng)卡、信號處理卡、CPU卡相連。保護罩內(nèi)通壓縮空氣進行冷卻，罩子底座固定在支架上，位置及角度可微調(diào)。

(3)信號處理單元。實時處理從攝像頭傳送過來的模擬信號，提取出代表缺陷的有用信號。對缺陷實時初步分類、處理I/O信號，信息存儲。

(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。

(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。通過光纖與相機相連，可以實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)訪問、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。操作員控制臺，建立或修改系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)置分類菜單?？蓪崿F(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)報警器。彩色閃光，最大音量105db。根據(jù)缺陷的不同嚴重程度及缺陷類別進行不同顏色的報警標(biāo)識，有效地提醒操作人員缺陷發(fā)生的情況。

(8)特種網(wǎng)線。用于攝像機與CSU柜的連接。

1.3.2 軟件

(1)調(diào)度管理。用于控制檢測過程及實時顯示的內(nèi)容，可查看在線和離線的檢測數(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)生未能及時妥善處理術(shù)后疼痛。

(2)在線檢測。專門用于進行在線檢測和顯示。

(3)報表管理器。報表管理軟件。

(4)配置管理器。對攝像頭進行設(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μ囟ǖ漠a(chǎn)品或客戶按特定的要求進行單獨參數(shù)設(shè)置。

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

(7)檢測報表生成器。根據(jù)用戶要求產(chǎn)生報表，選擇性地輸出檢測數(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)庫管理維護。可對缺陷數(shù)據(jù)庫中的樣本數(shù)據(jù)進行添加、刪除修改及新定義。

(10)全場錄像顯示系統(tǒng)。超高清實時顯示板帶的表面，并與表面檢測系統(tǒng)完全同步顯示。

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)與性能考核

2 .1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

整個系統(tǒng)檢測的全部數(shù)據(jù)處理過程，即系統(tǒng)功能實現(xiàn)過程的重點包括信號的歸一化處理、缺陷檢測(信號的閾值算法)和缺陷分類。

2.1.1 信號的歸一化處理

系統(tǒng)首先對信號進行歸一化處理。歸一化處理是對攝像頭來的信號進行動態(tài)優(yōu)化處理，提高系統(tǒng)在各種變化條件下檢測缺陷的能力。歸一化處理對從攝像頭過來的信號，由于亮度或其它因素變化引起的信號幅值大小進行調(diào)整。通過消除這些變化，使實際缺陷的信號更易于被檢測到。Smart View Metals 系統(tǒng)的歸一化處理還能對逐步變化的環(huán)境提供動態(tài)補償。

2.1.2 缺陷檢測

在進行歸一化處理之后，Smart View Metals系統(tǒng)使用了并行的多種檢測算法來達到缺陷檢測的高精度要求，對非連續(xù)缺陷的檢測，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。檢測非連續(xù)缺陷，其信號值超出所設(shè)定的上限或下限灰度強度閾值。(2)基線閾值。隨著材料背景(如顆粒度)的變化，而隨之產(chǎn)生動態(tài)曲線變化。相對單獨采用水平閾值而言，該技術(shù)更適用于比較敏感的缺陷檢測。(3)降噪閾值。用于檢測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，檢測出真實的缺陷，在顯示屏上顯示出高質(zhì)量的缺陷圖像。(4)條紋閾值。可在算法中縱向上對缺陷信號進行多種設(shè)置，用于檢測縱向連續(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

上述信號處理技術(shù)都是自動完成的，無需操作員進行任何臨時調(diào)整，且其過程極快，從缺陷到達檢測點到檢測出來，再通過一系列的信號處理，再通過后續(xù)的缺陷自動判別同時顯示在屏幕上，全過程一般在毫秒級，個別情況最大所需時間為50Msec，這樣才能保證真正的實時檢測。

2.1.3 缺陷分類

Smart View Metals 系統(tǒng)的自動識別器采用多種分類算法，以缺陷的特征值為基礎(chǔ)進行缺陷分類。自動識別器配置了根據(jù)類似熱軋鋁合金板帶材生產(chǎn)線上的應(yīng)用經(jīng)驗而設(shè)定的每一個已定義缺陷種類的預(yù)期特征值的范圍。在檢測期間，分類器分析每一個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，就給缺陷進行適當(dāng)?shù)姆诸?。對暫時還未收集到缺陷數(shù)據(jù)庫中的缺陷，分類器會自動進行分類處理，操作員只需對其進行命名，便自動填充進數(shù)據(jù)庫了。分類器可以在現(xiàn)場根據(jù)需要進行修改，可以進行精調(diào)以適合生產(chǎn)中缺陷檢測的實際情況，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個考核點：缺陷的可視化程度，缺陷數(shù)據(jù)庫的完備性，以及缺陷的檢測率與分類率。

2.2.1 缺陷可視化程度

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

2.2.2 缺陷數(shù)據(jù)庫的完備性

系統(tǒng)中每種缺陷均由近300個缺陷特征進行描述，并且每種缺陷在分類時，還可分為輕度、中度和重度3個等級。檢測設(shè)備在到達現(xiàn)場時帶有預(yù)裝的數(shù)據(jù)庫，其中含有一些基本的缺陷種類，約有十幾種，可以根據(jù)每個不同現(xiàn)場增加或減少，系統(tǒng)本身沒有種類限制。這些缺陷數(shù)據(jù)樣本從全球50多條熱軋線采集而來，并以此建立缺陷分類?，F(xiàn)場根據(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。要提高系統(tǒng)的實用性，還需要在生產(chǎn)過程中結(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)庫的完備性。

2.2.3 缺陷的檢測率與識別率

(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，其缺陷檢測率為95%，缺陷分類率>90%。

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

(3)周期性缺陷。輥印，凸凹包等，其缺陷檢測率為90%，誤報率為5%。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 檢測參數(shù)的優(yōu)化

表面質(zhì)量檢測不僅要求檢測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識別缺陷，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)確的板帶實時運行速度有關(guān)。這個速度由精軋機出口側(cè)夾送輥為系統(tǒng)提供，實現(xiàn)軋制速度方向上的定位精度。檢測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間隙又無重疊，以保證對板帶材表面檢測完整。這就要求系統(tǒng)對每個攝像頭有很高的定位精度。每個攝像頭在板帶寬度方向的定位是通過系統(tǒng)標(biāo)定實現(xiàn)的，可以保證系統(tǒng)遠距離清晰成像。經(jīng)現(xiàn)場測試，照度波動小于10%。板帶材表面靠近邊緣的部分，由于漫反射的強度和漫反射角度相關(guān)，會造成光強損失，導(dǎo)致邊部圖像的灰度值減弱。Smart View Metals系統(tǒng)內(nèi)部的專用軟件對相機的成像效果作補償。

系統(tǒng)不僅可在多臺終端上顯示和記錄板帶的缺陷圖像和數(shù)據(jù)，而且可對不同的鋁板帶或不同的客戶進行不同的設(shè)置。系統(tǒng)能自動識別、自動調(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，由于一次性設(shè)置好的系統(tǒng)配置可以自動識別來料卷的鋁板帶，這樣缺陷數(shù)據(jù)庫及報警信號可以根據(jù)不同的鋁板帶自動進行匹配。

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)檢測出的部分典型缺陷，如圖4所示。通過分析整理該生產(chǎn)線上常見的缺陷種類、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，使Smart View Metals系統(tǒng)實現(xiàn)了對缺陷較高的分類準(zhǔn)確率。由現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)測得缺陷檢出率(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格的檢查要求，不但能可靠地檢測出典型缺陷，而且也能進行精確地分類。生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)的利用率在99%以上?；赟mart View Metals系統(tǒng)的表面質(zhì)量檢測儀在應(yīng)用過程中不僅有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量，而且參與了對生產(chǎn)工藝的改進和生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測，從總體上改善了該熱軋生產(chǎn)線的質(zhì)量控制水平。其對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)及時發(fā)現(xiàn)表面缺陷。動態(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)其嚴重程度，采取不同的報警措施。

(2)減輕人工取樣強度。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)量在線檢測裝置后，可以有針對性的取樣，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，給板帶材的庫存帶來很大壓力。如果使用表面質(zhì)量在線檢測裝置，可取消在線開卷檢查，性能取樣由精整線負責(zé)完成，使熱軋線、冷軋線、精整線和高架庫的物流更加暢通。

(4)優(yōu)化軋制工藝，方便設(shè)備的管理和診斷。軋制過程中，操作人員可以通過表面質(zhì)量檢測反饋的信息，根據(jù)對板帶材表面質(zhì)量的監(jiān)控和判斷，隨時在線調(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。不僅能檢測某一工藝段的產(chǎn)品質(zhì)量，還可以從全工藝流程檢測產(chǎn)品質(zhì)量、提高管理和診斷設(shè)備的水平。

(5)提高經(jīng)濟效益，減少用戶投訴。采用表面質(zhì)量在線檢測裝置，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，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)濟效益。