國內(nèi)外板帶材表面質(zhì)量檢測(cè)方法研究進(jìn)展

余慧敏，馬續(xù)創(chuàng)

(中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西西安710032)

0 前言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各種機(jī)械裝備、建筑及民用等部門對(duì)鋼板的需求量不斷增加，板帶材作為鋼板中的重要種類，需求量也日益增加，與此同時(shí)，人們對(duì)板帶材的表面質(zhì)量越來越重視。很多行業(yè)特別是家電、汽車行業(yè)對(duì)板帶材的表面質(zhì)量要求越來越高。例如，豐田汽車公司對(duì)用作汽車面板的冷軋鋼板表面缺陷不能超過2處［1］，而作為家電板中高質(zhì)量，高利潤的彩涂板，用戶對(duì)它的質(zhì)量提出更加嚴(yán)格的要求，表面質(zhì)量必須保證“零缺陷”。

面對(duì)各個(gè)行業(yè)對(duì)板帶材的極大需求，不得不接受這樣的現(xiàn)實(shí)，一方面我國的鋼產(chǎn)量不斷增長，鋼鐵行業(yè)面臨產(chǎn)能過剩的事實(shí);另一方面由于我國鋼鐵行業(yè)技術(shù)上的限制，導(dǎo)致生產(chǎn)的板帶鋼表面質(zhì)量無法滿足用戶的要求，一部分高端鋼需要依賴進(jìn)口，使得我國鋼鐵企業(yè)缺乏國際競(jìng)爭(zhēng)力，給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。從鋼鐵企業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展來看，提高板帶材的表面質(zhì)量已經(jīng)成為各個(gè)鋼鐵企業(yè)急需解決的難題。

如何提高板帶材的表面質(zhì)量，國內(nèi)很多鋼鐵企業(yè)已經(jīng)意識(shí)到重點(diǎn)是改進(jìn)板帶材表面質(zhì)量的檢測(cè)技術(shù)，國外很多發(fā)達(dá)國家，在表面質(zhì)量的技術(shù)檢測(cè)方面，已經(jīng)走在了我國的前面。本文將介紹板帶材表面質(zhì)量對(duì)整體質(zhì)量的影響、幾種常用的在線檢測(cè)方法以及今后表面質(zhì)量檢測(cè)方法的研究方向。

1 板帶材表面質(zhì)量對(duì)整體質(zhì)量的影響

板帶材的表面質(zhì)量包括鋼板表面的光潔度、有無缺陷、擦劃傷等，是影響板帶鋼材整體質(zhì)量的重要因素。板帶材在軋制過程中，由于鋼坯材料本身、軋制設(shè)備、生產(chǎn)工藝以及軋制環(huán)境等多方面因素的影響，板帶鋼表面產(chǎn)生了擦劃傷、壓坑、麻點(diǎn)、輥印、夾雜物、氣泡、銹斑等不同的缺陷［2-3］，這些缺陷在一定程度上影響了產(chǎn)品的外觀，更重要的是影響了產(chǎn)品的使用性能。

板帶材表面存在的不同程度的表面粗糙度、劃痕、裂紋，雖然只有極薄的一層，但都錯(cuò)綜復(fù)雜的影響著板帶材耐磨性、抗腐蝕性、疲勞強(qiáng)度和配合精度等［4］，從而影響材料的使用性能和壽命。

1.1 對(duì)板帶材耐磨性的影響

合適的表面粗糙度會(huì)使板帶材的表面更耐磨，表面粗糙度過大時(shí)，接觸表面的實(shí)際接觸面積變小，實(shí)際壓強(qiáng)增大，粗糙的表面凹凸相扣，擠裂以及切斷，導(dǎo)致磨損加劇;過小時(shí)，因?yàn)楸砻嫣^光滑，接觸面間的潤滑油無法保持，不易形成油膜，也會(huì)導(dǎo)致磨損的增加。鋼板表面的冷硬也會(huì)對(duì)耐磨性產(chǎn)生影響，合適的冷作硬化一般能提高材料的耐磨性，這是因?yàn)樗岣吡私佑|面表面層金屬的硬度，使其塑性降低，減少了接觸面的彈性變形和塑性變形，過分的冷作硬化則會(huì)使金屬組織過度“疏松”，在實(shí)際工作時(shí)，金屬有可能剝落，在接觸表面形成小顆粒，造成磨損加劇。

1.2 對(duì)板帶材抗腐蝕性的影響

零件越表面粗糙，腐蝕性物質(zhì)就越難清理，容易積累，造成滲透，使腐蝕加劇，因此減小表面粗糙，有利于增強(qiáng)材料的抗腐蝕性。劃痕、裂紋、壓坑以及夾雜物等也在一定程度上影響了表面的性能，導(dǎo)致抗腐蝕性相應(yīng)的降低。

1.3 對(duì)板帶材疲勞強(qiáng)度的影響

表面粗糙度越大，材料抗疲勞破壞的能力越差，粗糙度的凹谷部位容易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋，板帶材的表面粗糙度越小，表面缺陷越少，表面紋痕越淺，板材的抗疲勞性越強(qiáng)。

2 板帶材表面檢測(cè)方法的討論

板帶材的表面質(zhì)量檢測(cè)方法大體分為3種:傳統(tǒng)檢測(cè)法、自動(dòng)檢測(cè)法以及機(jī)器視覺檢測(cè)法［5］。國外對(duì)于板帶材自動(dòng)檢測(cè)方法的研究始于上世紀(jì)70年代，而我國對(duì)這方面的研究尚處于初步階段，但是發(fā)展迅速。1986年，華中理工大學(xué)的羅志勇教授進(jìn)行了“激光掃描在線監(jiān)測(cè)硅鋼板表面缺陷的研究［1］”，此后越來越多的高校以及科研機(jī)構(gòu)開始投入這一領(lǐng)域進(jìn)行研究，并取得了一定的成果。

2.1 傳統(tǒng)檢測(cè)法

在鋼板表面質(zhì)量檢測(cè)初期，各大企業(yè)普遍采取的是人工目視檢測(cè)［6］，憑肉眼觀察缺陷，參考檢驗(yàn)員獲得的數(shù)據(jù)通過概率計(jì)算以此來評(píng)估鋼板的表面質(zhì)量。這類方法速度慢、抽檢率低，而且人工操作易造成誤判和漏檢，檢測(cè)效果很不理想。但受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，這種方法沿用了很長時(shí)間，直到20世紀(jì)70年代中期，頻閃光檢測(cè)法的出現(xiàn)。頻閃光檢測(cè)法，就是用頻閃光源與專用的攝像機(jī)結(jié)合，代替人眼觀察缺陷，這種方法比起人工目視檢測(cè)法，技術(shù)有了很大改進(jìn)，但檢測(cè)的可信度和自動(dòng)化程度仍然比較低，無法滿足大規(guī)模的鋼鐵生產(chǎn)。

2.2 自動(dòng)檢測(cè)法

自動(dòng)檢測(cè)法相比傳動(dòng)檢測(cè)法，技術(shù)上有了很大提高，主要是渦流檢測(cè)法、紅外線檢測(cè)法以及漏磁檢測(cè)法。

2.2.1 渦流檢測(cè)技術(shù)

渦流檢測(cè)法的原理是利用電磁感應(yīng)原理，通過測(cè)定被檢工件內(nèi)部感生渦流的變化來發(fā)現(xiàn)缺陷的無損檢測(cè)方法。當(dāng)線圈流過高頻交變電流時(shí)，線圈中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，如果使該磁場(chǎng)靠近被測(cè)物表面，就會(huì)在被測(cè)物體中感應(yīng)出電流，稱為渦流。渦流的大小會(huì)反映出鋼板表面的缺陷形態(tài)，同時(shí)渦流本身產(chǎn)生與線圈電磁場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)，兩者疊加后形成線圈的交流阻抗。渦流大小的變化決定了渦流磁場(chǎng)的強(qiáng)度，渦流磁場(chǎng)變化引起線圈阻抗的變化，通過阻抗的變化可以檢測(cè)出工件表面的缺陷尺寸。

渦流檢測(cè)對(duì)于檢測(cè)裂紋、刮傷、夾雜物、凹坑等靈敏度高，相比較傳統(tǒng)檢測(cè)法速度快，但渦流檢測(cè)法必須有足夠的時(shí)間加熱以充分暴露缺陷，這就限制了檢測(cè)的速度，所以，在高速軋制帶鋼生產(chǎn)中，渦流檢測(cè)不適宜。

2.2.2 紅外線檢測(cè)技術(shù)

紅外線檢測(cè)法的原理是將一個(gè)高頻感應(yīng)線圈設(shè)置在待測(cè)物的傳送輥道上，在待測(cè)物通過時(shí)，會(huì)在待測(cè)物體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于高頻感應(yīng)具有集膚效應(yīng)，所以穿透深度不超過1mm，如果被測(cè)物體表面有缺陷，感應(yīng)電流會(huì)從缺陷下方通過，從而消耗更多的電能，引起缺陷處的表面溫度上升，在線圈的工作頻率和寬度、輸入電能、被測(cè)物體的電性能和熱性能等因素不變的情況下，通過檢測(cè)表面溫度的上升值從而確定出缺陷的深度。紅外線檢測(cè)受多方面因素的影響，故適用范圍較小，常用于離線、小范圍的測(cè)量。

2.2.3 漏磁檢測(cè)技術(shù)

被測(cè)物體磁化后，如果材料內(nèi)部材質(zhì)均勻，被測(cè)材料表面幾乎沒有磁場(chǎng)，如果被測(cè)材料有缺陷，磁路中的磁通會(huì)發(fā)生畸變，導(dǎo)致感應(yīng)線發(fā)生變化，部分磁通直接通過缺陷或者經(jīng)過被測(cè)材料內(nèi)部繞過缺陷，還有一部分磁通會(huì)泄露到被測(cè)物表面的空間中，在物體表面缺陷處形成漏磁場(chǎng)。獲取漏磁場(chǎng)的信號(hào)后，經(jīng)過計(jì)算機(jī)信號(hào)處理，分析漏磁通密度，因?yàn)槁┐磐ǖ拿芏扰c缺陷的體積及成正比，從而確定出缺陷的深度、寬度等特征，對(duì)其進(jìn)行分類。

漏磁檢測(cè)法相比上面兩種檢測(cè)法，除了檢測(cè)表面缺陷，還可以檢測(cè)內(nèi)部缺陷，造價(jià)低，檢測(cè)精度高，但是漏磁檢測(cè)法不能檢測(cè)表面粗糙度，對(duì)缺陷的分類識(shí)別能力也相對(duì)較差。

2.3 機(jī)器視覺檢測(cè)法

機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼的功能，它是現(xiàn)在光學(xué)、電子學(xué)、軟件工程等學(xué)科的交叉和融合。機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前應(yīng)用最廣泛、效果最好的技術(shù)，也是各方研究的熱點(diǎn)。從系統(tǒng)研發(fā)方面分類，有基于激光和基于CCD成像的檢測(cè)系統(tǒng);從算法研究方面，有基于形態(tài)學(xué)和基因規(guī)則的缺陷識(shí)別檢測(cè)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺陷識(shí)別系統(tǒng)等。

2.3.1 基于激光掃描的機(jī)器視覺缺陷檢測(cè)技術(shù)

激光掃描檢測(cè)技術(shù)是基于三角測(cè)量原理，將光束投射到待測(cè)物表面，通過傳感器接收其反射的光，如果傳感器位置合適，待測(cè)物上的點(diǎn)就可以清晰的在接收器上成像，最后經(jīng)過信號(hào)處理，得到待測(cè)物結(jié)構(gòu)，檢測(cè)出缺陷。

70年代中期，日本川崎公司采用斜交激光掃描系統(tǒng)以及平行激光掃描系統(tǒng)研制鍍錫板的表面缺陷檢測(cè)裝置，1988年，美國SICK光電子公司將激光掃描技術(shù)應(yīng)用于帶鋼檢測(cè)，取得了成功，國內(nèi)最早研究激光掃描技術(shù)的是華中理工大學(xué)的羅志勇教授。

激光掃描檢測(cè)在檢測(cè)缺陷的大小、深度、測(cè)量精度方面比前面所述的檢測(cè)方法具有明顯優(yōu)勢(shì)，但是它的光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)環(huán)境要求高，檢測(cè)速度慢，成本高等劣勢(shì)也在一定程度上阻礙了其在實(shí)際中的應(yīng)用。

2.3.2 基于CCD成像的機(jī)器視覺缺陷檢測(cè)技術(shù)

從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，基于CCD成像檢測(cè)技術(shù)是以后發(fā)展的主流方向［7］，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的CCD技術(shù)是線陣CCD和面陣CCD。線陣CCD芯片是一種掃描速度快，頻率響應(yīng)高，可以實(shí)時(shí)傳輸光電變換信號(hào)的電子元器件，在實(shí)際檢測(cè)中，掃描被測(cè)物體表面時(shí)，是通過逐行掃描的方式來獲取被測(cè)物的表面圖像，所以只要使采集頻率與被測(cè)物運(yùn)動(dòng)速度關(guān)系恒定，就可以均勻地獲得被測(cè)物的二維表面圖像。面陣CCD則是在掃描時(shí)可以同時(shí)接受一幅完整的光像，單排感光單元的數(shù)目相比線陣CCD具有優(yōu)勢(shì)，獲得的圖像分辨率高。兩者相比較，線陣CCD結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)、高性能文件掃描、光譜學(xué)等領(lǐng)域，面陣CCD雖然具有分辨率高，測(cè)量也直觀，靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際中，由于生產(chǎn)技術(shù)的制約，單個(gè)面陣CCD的面積很難滿足一般工業(yè)測(cè)量的要求，所以在具體實(shí)施時(shí)，往往采用多面陣CCD。利用CCD攝像機(jī)檢測(cè)物體表面缺陷原理如圖1所示。

圖1 基于CCD成像機(jī)器視覺檢測(cè)法原理圖Fig.1 Principle schematic diagram of machine vision detection method based on CCD imaging

從最初設(shè)計(jì)出CCD檢測(cè)系統(tǒng)，到檢測(cè)缺陷的能力不斷提高，CCD檢測(cè)技術(shù)雖然起步晚，但發(fā)展迅速?，F(xiàn)階段。CCD技術(shù)研究的重點(diǎn)主要集中在缺陷分類及識(shí)別上。

1996年，美國Congnex公司研制出了Smartview表面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［8］，該系統(tǒng)采用了機(jī)器學(xué)習(xí)方法自動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的分類器［9］，成功實(shí)施了缺陷分類。系統(tǒng)的攝像機(jī)基于CAN總線自行設(shè)計(jì)，用戶可以根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)軟件以及接口，基于模式匹配算法，先對(duì)部分樣本缺陷進(jìn)行學(xué)習(xí)，在線檢測(cè)時(shí)進(jìn)行模糊匹配，成功對(duì)進(jìn)行缺陷進(jìn)行分類。

1997年，德國的ParsyTec公司設(shè)計(jì)出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類器，使得系統(tǒng)在線處理速度以及缺陷分類識(shí)別精度得到了提高，在此基礎(chǔ)上，采用面陣CCD技術(shù)推出了HTS-2［10］和HTS-2W［11］檢測(cè)系統(tǒng)。2003年，ParsyTec公司將面陣CCD技術(shù)和線陣CCD技術(shù)結(jié)合，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，結(jié)合自學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法，推出了Parsyte5i系統(tǒng)，在全球被廣泛應(yīng)用，已經(jīng)安裝了200套之多。

進(jìn)入21世紀(jì)，國內(nèi)完整的CCD檢測(cè)系統(tǒng)開始用于實(shí)踐，北京科技大學(xué)聯(lián)合武漢鋼鐵公司推出了我國第一套基于CCD的鋼鐵表面質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，采用多面陣CCD技術(shù)，設(shè)置CCD攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集鋼坯表面圖像，將采集到的圖像信息輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，提取缺陷特性，識(shí)別缺陷種類。實(shí)現(xiàn)了鋼板表面質(zhì)量在線檢測(cè)，該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 北京科技大學(xué)聯(lián)合武鋼研制的CCD檢測(cè)系統(tǒng)Fig.2 CCD detection system developed by University of Science and Technology Beijing and WISCO

2002年，北京科技大學(xué)的徐科等研究人員，通過研究光在不同狀況的鋼板表面的反射性質(zhì)［12］，根據(jù)反射光在攝像頭上照度的變化，使用“明場(chǎng)照明”以及“暗場(chǎng)照明”兩種方式研究表面質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，成功的將“明場(chǎng)照明”用于檢測(cè)普碳鋼表面的二維和三維缺陷，“暗場(chǎng)照明”用于不銹鋼表面的三維缺陷檢測(cè)，有針對(duì)性檢測(cè)表面缺陷，提高了缺陷檢測(cè)效率?！懊鲌?chǎng)方式”和“暗場(chǎng)方式”檢測(cè)示意圖，如圖3，圖4所示。

圖3 明場(chǎng)方式的檢測(cè)示意圖Fig.3 Schematic diagram of bright-field detection

圖4 暗場(chǎng)方式的檢測(cè)示意圖Fig.4 Schematic diagram of dark-field detection

現(xiàn)在，各大高校以及科研機(jī)構(gòu)關(guān)于鋼板表面技術(shù)檢測(cè)的研究不斷取得突破性的進(jìn)展，鋼板表面檢測(cè)技術(shù)不管是在軟件還是硬件方面正在日漸成熟。

3 發(fā)展趨勢(shì)

隨著生產(chǎn)水平的不斷提高，表面質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)也隨時(shí)調(diào)整，以適應(yīng)快速發(fā)展的生產(chǎn)實(shí)際的要求，針對(duì)目前檢測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)的難點(diǎn)，檢測(cè)系統(tǒng)主要的發(fā)展方向有以下幾點(diǎn):

(1)在缺陷的特征分類識(shí)別方面，研究更有效的分類識(shí)別算法，以準(zhǔn)確、快速、全面的識(shí)別缺陷類型。檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的缺陷種類是不斷變化的，科技的發(fā)展、技術(shù)水平的不斷完善，使得以前常見的主要缺陷逐漸減少，同時(shí)，新的缺陷也在不斷出現(xiàn)，逐漸成為影響板帶質(zhì)量的主要因素，所以，對(duì)缺陷類別的識(shí)別進(jìn)行進(jìn)一步的研究是必須的。

(2)在圖像采集和處理上，優(yōu)化算法縮短計(jì)算時(shí)間，同時(shí)，開發(fā)出更有效的硬件系統(tǒng)，提高速度。鋼鐵表面缺陷種類繁多，表面圖像采集工作量大，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)處理信息量大，所以圖像處理速度亟待提高，尤其是在高速生產(chǎn)線上。這方面的研究還有很大的發(fā)展空間，算法優(yōu)化、DSP、專用硬件以及圖像數(shù)據(jù)庫等多種技術(shù)的融合是以后研究大的方向。

4 結(jié)束語

板帶材表面質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)從傳統(tǒng)檢測(cè)方法到現(xiàn)在的在線無損檢測(cè)，取得巨大成果，傳統(tǒng)的檢測(cè)法目前已經(jīng)無法滿足大規(guī)模高效的生產(chǎn)模式要求，自動(dòng)檢測(cè)法有其相對(duì)的局限性，只能進(jìn)行部分階段檢測(cè)或者適用于部分場(chǎng)合，難有大的應(yīng)用前景，機(jī)器視覺檢測(cè)已經(jīng)成為發(fā)展的主流趨勢(shì)。當(dāng)然，在實(shí)際的應(yīng)用中，以上檢測(cè)方法中出現(xiàn)的問題只是一部分，還有很多未知的問題等待我們?cè)趯?shí)際推廣與研究中去發(fā)現(xiàn)，去完善，從而設(shè)計(jì)出更完美，更有效的檢測(cè)系統(tǒng)，提高鋼板表面質(zhì)量，推動(dòng)板帶材軋制技術(shù)的不斷進(jìn)步。

［1］孫宏偉.板帶材表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理的實(shí)現(xiàn)［D］.沈陽:東北大學(xué)，2007.

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