表面檢測(cè)技術(shù)在河鋼邯鋼鍍鋅線的應(yīng)用

劉文棟，楊迎輝

（河鋼集團(tuán)邯鋼公司，河北 邯鄲 056015）

河鋼邯鋼冷軋廠冷基鍍鋅線主要生產(chǎn)高端家電板和部分汽車用鋼，該產(chǎn)線在2019 年經(jīng)過改造后完全具備了生產(chǎn)高端產(chǎn)品的條件，同時(shí)在該產(chǎn)線增設(shè)了帶鋼表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用高速線掃描CCD 攝像機(jī)對(duì)帶鋼上下表面進(jìn)行圖像采集，利用計(jì)算機(jī)視覺圖像處理技術(shù)、智能檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光機(jī)電一體化的自動(dòng)識(shí)別分揀功能[1]，大大降低了該產(chǎn)線產(chǎn)品缺陷的漏檢率。

1 BAOVISION 帶鋼表面在線檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

冷鍍鋅帶鋼表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)采用工業(yè)CCD 高速攝像機(jī)及光源組成的成像系統(tǒng)對(duì)帶鋼上下表面進(jìn)行不間斷掃描，CCD 采集的視頻信號(hào)經(jīng)過增益放大、濾波、去噪等處理后[2]，形成高清晰的帶鋼表面圖像，以決策樹算法對(duì)圖像進(jìn)行分析，對(duì)獲取目標(biāo)圖像的特征進(jìn)行分析、識(shí)別，并做出判斷，可準(zhǔn)確、及時(shí)、有效地檢出和識(shí)別帶鋼表面缺陷，并通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行呈現(xiàn)（包括缺陷類別、位置、大小等信息）、存儲(chǔ)等操作，定量地反映鋼卷表面質(zhì)量信息。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 BAOVISION 帶鋼表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

帶鋼表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)由成像系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)及機(jī)械設(shè)備等組成。

2.1 成像系統(tǒng)

成像系統(tǒng)是帶鋼表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)的核心之一，如圖2 所示，該系統(tǒng)包括高速CCD 攝像機(jī)、高性能光源、多自由度高精度攝像機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等主要設(shè)備。工業(yè)CCD 攝像機(jī)共有8 臺(tái)，上表面明場(chǎng)、暗場(chǎng)各配置2 臺(tái)，共4 臺(tái)，下表面配置相同。高性能LED 光源上下表面各配置1 組，LED 光源壽命一般長達(dá)10年，耗電量低、可靠性高、維護(hù)要求低[3]。通過攝像機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)攝像機(jī)角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證明暗場(chǎng)的光路穩(wěn)定，值得注意的是，這種調(diào)節(jié)只在相機(jī)初次安裝和后續(xù)維護(hù)或調(diào)整角度、位置時(shí)進(jìn)行[4]。由于帶鋼在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的各種機(jī)械振動(dòng)[5]容易導(dǎo)致圖像獲取不清晰，因此成像系統(tǒng)一般安裝在張力輥包角處。該系統(tǒng)橫向分辨率為0.25 mm/pixel，縱向分辨率為0.3 mm/pixel。

圖2 成像系統(tǒng)組成

2.2 軟件系統(tǒng)

帶鋼表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)的軟件由九大子系統(tǒng)組成，分別為SISCamera、SISServer、SISTerminal、SISControlPanel、SISArchive、SISStatistic、SISDiagnostic、SISExchange、SISVision、SISTerminalRemot 等。整個(gè)軟件系統(tǒng)是表面檢測(cè)裝置的核心，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)缺陷檢出圖像處理及人工智能分類識(shí)別兩大核心技術(shù)。同時(shí)，還具有數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存與備份、系統(tǒng)參數(shù)的配置、缺陷報(bào)表的導(dǎo)出等功能。

3 BAOVISION 帶鋼表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

提升系統(tǒng)的缺陷識(shí)別率主要是通過兩個(gè)方面進(jìn)行，一是對(duì)帶鋼表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)各大模塊的參數(shù)進(jìn)行精細(xì)調(diào)整及優(yōu)化；二是豐富樣本缺陷庫及訓(xùn)練分類器，以達(dá)到更高的識(shí)別度。

通 過 對(duì)SISCamera、SISExchange、SISTerminal、SISClassifier、SISServer、SISControlPanel 和SISLight Control 等模塊的參數(shù)配置，保證產(chǎn)線二級(jí)、三級(jí)系統(tǒng)和帶鋼表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)信息傳輸及時(shí)無誤，確保將感興趣區(qū)域ROI（Region of Interest，缺陷圖像）傳到計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行特征提取及缺陷識(shí)別[6]，從而提高表面缺陷的識(shí)別率。

通過對(duì)產(chǎn)線自身缺陷樣本的收集，根據(jù)不同缺陷的不同特征進(jìn)行缺陷的再分類[7]，訓(xùn)練出適合該產(chǎn)線的樣本分類器，從而提高表面缺陷的分類率。

4 BAOVISION 帶鋼表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化

通過對(duì)帶鋼表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)與L2、L3 之間的通訊協(xié)議進(jìn)行配置，才能保證帶鋼表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)從L2、L3 獲取到正確的鋼卷信息、速度、剪切、焊縫信號(hào)等，以及使SISCamera 采集到圖像信息，經(jīng)過同步板卡計(jì)算后，再經(jīng)過服務(wù)器處理后輸出。通過對(duì)冷鍍鋅帶鋼表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)上下表面暗場(chǎng)的8 個(gè)鏡頭的焦距、光圈，光源的電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保證圖像采集的最優(yōu)化，配置SISExchange模塊內(nèi)的分倍頻數(shù)、轉(zhuǎn)速比等參數(shù)，確保鋼卷規(guī)格及牌號(hào)等順利傳輸，并對(duì)產(chǎn)線的缺陷樣本進(jìn)行收集后，對(duì)SISClassifier 缺陷庫內(nèi)的缺陷樣本進(jìn)行訓(xùn)練，生成適合產(chǎn)線自身的分類器，提高缺陷的檢出率和分類率。

4.1 SISexchange 模塊的參數(shù)調(diào)整

SISExchange 模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)模塊內(nèi)的分倍頻數(shù)、轉(zhuǎn)速比的配置進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，對(duì)鋼卷的心跳電文信息進(jìn)行解析處理，使鋼卷長度、寬度、鋼種及缺陷位置、缺陷周期等信息更直觀顯示，易于判斷產(chǎn)品質(zhì)量。帶鋼表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)與L2 通訊協(xié)議如表1 所示。

表1 帶鋼表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)與L2 通訊協(xié)議

SISExchange 模塊接收到L2 發(fā)送來的電文后，按照對(duì)應(yīng)的協(xié)議進(jìn)行解析，并將解析結(jié)果顯示到相應(yīng)的界面上，便于質(zhì)檢人員直觀地判斷帶鋼表面的質(zhì)量問題，SISExchange 模塊解析后的信息如圖3 所示。

圖3 心跳電文解析完成后的信息

4.2 SISControlPanel 模塊的參數(shù)調(diào)整

在SISControlPanel 模塊中，需要對(duì)框架參數(shù)、生產(chǎn)接口、材料組及缺陷、相機(jī)標(biāo)定、圖像信息、備份參數(shù)、圖像處理參數(shù)、報(bào)警規(guī)則、分類規(guī)則等方面進(jìn)行配置。例如：圖像處理的OD1、OD2 的檢測(cè)參數(shù)，以及圖像保留時(shí)間和圖片格式的相互轉(zhuǎn)化，圖像ROI 高度和寬度的閾值設(shè)置等。

4.3 缺陷樣本的收集

帶鋼表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)自帶一套A08 初始分類器，用于缺陷的初步識(shí)別。在缺陷收集之前，產(chǎn)線的質(zhì)量工程師按照本單位的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SISControlPanel 中的缺陷種類、嚴(yán)重程度進(jìn)行重新劃分，刪減不適用本產(chǎn)線的缺陷名稱，收集原缺陷庫內(nèi)沒有的缺陷，并將相機(jī)采集到的缺陷樣本進(jìn)行歸類，每種缺陷樣本量在200 張圖片左右。材料和缺陷配置及缺陷收集情況如圖4 和圖5 所示。

圖4 材料和缺陷的配置情況

圖5 缺陷的收集情況

4.4 缺陷樣本的處理及分類器的訓(xùn)練

在SISClassifier 模塊內(nèi)收集的樣本數(shù)量達(dá)到滿足訓(xùn)練的要求后，對(duì)所收集的缺陷樣本的缺陷種類進(jìn)行逐個(gè)核對(duì)，并對(duì)所識(shí)別的缺陷區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)觀察OD1、OD2 處理后的圖像，進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整，最終加入訓(xùn)練樣本內(nèi)；對(duì)缺陷進(jìn)行灰度特征、幾何形狀特征和投影特征的提取[8]，以訓(xùn)練符合本機(jī)組的分類器，優(yōu)化調(diào)整的缺陷參數(shù)如圖6 所示。

圖6 缺陷參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整

5 BAOVISION 帶鋼表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

河鋼邯鋼冷軋廠冷基鍍鋅機(jī)組采用“人工+帶鋼表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)”的檢驗(yàn)機(jī)制對(duì)帶鋼表面質(zhì)量進(jìn)行判定，并定期對(duì)帶鋼表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)中識(shí)別出的“未分類”缺陷及時(shí)劃分歸類。自從表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)投用以來，未發(fā)生由于漏檢導(dǎo)致的質(zhì)量事故和質(zhì)量異議。通過二次開卷檢驗(yàn)，系統(tǒng)的缺陷檢出率可達(dá)到100%，缺陷檢出率公式為：

同時(shí)分別對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的單項(xiàng)缺陷進(jìn)行分類正確率的統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)得出缺陷的分類正確率可達(dá)93.8%，其計(jì)算公式為：

此外，系統(tǒng)在達(dá)到較好水平的缺陷檢測(cè)率和分類率之后，針對(duì)輥印、劃傷、結(jié)疤等嚴(yán)重缺陷實(shí)現(xiàn)了在線聲光報(bào)警功能[9]。該系統(tǒng)還可以按照不同的要求，分別以鋼卷、時(shí)間、班組、缺陷等為單位，進(jìn)行報(bào)表的導(dǎo)出，使質(zhì)檢人員更容易掌握缺陷的分布情況。

6 結(jié)論

1）帶鋼表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試后已經(jīng)正常運(yùn)用，因?yàn)橛斜砻嬖诰€檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)鋼帶表面的實(shí)時(shí)監(jiān)控[10]，極大地提高了缺陷的檢出率，減少了漏檢率，避免了含缺陷的產(chǎn)品流入市場(chǎng)。同時(shí)，采用人機(jī)結(jié)合的方式，也降低了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2）根據(jù)產(chǎn)線產(chǎn)品的特點(diǎn)，對(duì)帶鋼表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)所收集的缺陷進(jìn)行有效的分類和訓(xùn)練，建立針對(duì)性較強(qiáng)的分類器，可提高缺陷分類的正確率。

3）針對(duì)不同的缺陷，通過調(diào)整其判定的預(yù)處理規(guī)則和后處理規(guī)則中的一些相關(guān)參數(shù)，如閾值、面積、可信度等，可大大提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和缺陷分類的正確性。