基于2D/3D成像技術(shù)的1JC厚板表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)研發(fā)

彭鐵根,陸東升,何永輝

(寶山鋼鐵股份有限公司 1.中央研究院,上海 201999; 2.厚板廠,上海 200941)

厚板產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于管線、結(jié)構(gòu)、容器、海洋工程及“大國(guó)重器”等項(xiàng)目中,是一種用途極為重要的鋼鐵產(chǎn)品。厚板產(chǎn)品表面質(zhì)量是影響厚板產(chǎn)品品質(zhì)最為重要的因素之一,但表面缺陷檢測(cè)仍面臨不少的挑戰(zhàn)。目前,國(guó)內(nèi)大部分厚板廠厚板成品的表面質(zhì)量檢查仍采用人工目視檢查的方法。對(duì)生產(chǎn)線輥道上行進(jìn)中的鋼板進(jìn)行表面質(zhì)量檢查是人工目視檢查難以完成的任務(wù),且下表面需通過(guò)鏡面反射觀察鋼板表面,這大大增加了檢查的難度?；诖?質(zhì)檢人員難以在短時(shí)間內(nèi)快速準(zhǔn)確完成鋼板表面一些影響質(zhì)量的缺陷的判定和檢出,容易造成批量缺陷的漏檢。針對(duì)成品厚板表面缺陷的檢測(cè),傳統(tǒng)的人工目視檢測(cè)方式導(dǎo)致整個(gè)質(zhì)量判斷周期較長(zhǎng),信息獲取不及時(shí),對(duì)質(zhì)量控制、生產(chǎn)節(jié)奏和庫(kù)存控制都存在較大的影響。當(dāng)前,基于視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的厚板檢測(cè)系統(tǒng)開始得到應(yīng)用,但受到鋼板跳動(dòng)、高溫、噪聲、粉塵、水汽、油污等多種因素的影響,在復(fù)雜背景中實(shí)現(xiàn)厚板真實(shí)缺陷的檢測(cè)和識(shí)別存在一定的難度,相關(guān)技術(shù)還在持續(xù)探索中[1-3]。

在厚板表面質(zhì)量檢測(cè)方面,寶鋼BaoVision項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在2015年底成功完成熱態(tài)厚板外形尺寸測(cè)量及表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)研發(fā),并應(yīng)用到寶鋼股份厚板5 m產(chǎn)線,該系統(tǒng)在完成熱態(tài)厚板產(chǎn)品表面缺陷檢測(cè)的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了厚板平面尺寸測(cè)量[4]。2019年,BaoVision項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)了1JC厚板表面質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)的研發(fā),2021年上半年完成檢測(cè)設(shè)備上線,2021年下半年進(jìn)行了檢測(cè)性能的優(yōu)化和改進(jìn),系統(tǒng)于2022年年初在現(xiàn)場(chǎng)正式投入使用。

1 2D/3D復(fù)合成像技術(shù)

厚板廠約15%左右的缺陷為精整剪切線產(chǎn)生的表面類缺陷。另外,厚板在高成材率要求條件下既要保證較少的切邊余量,又要保證剪切線將邊、角部的缺陷完全切除。因此,在進(jìn)行1JC厚板表面質(zhì)量智能檢測(cè)方案設(shè)計(jì)時(shí),除了上下表面缺陷的在線檢測(cè)和識(shí)別,還需要重點(diǎn)關(guān)注厚板頭尾部及邊部的缺陷發(fā)生情況。

厚板表面因氧化鐵皮及粉塵,輥道擦傷等干擾因素的影響,采用傳統(tǒng)的2D成像技術(shù)獲得的圖像,因背景復(fù)雜而較難識(shí)別出真實(shí)缺陷。應(yīng)用深度學(xué)習(xí)算法需要的學(xué)習(xí)樣本較多,導(dǎo)致調(diào)試周期延長(zhǎng)。相較于邊線邊裂折疊類缺陷,壓痕、劃傷類缺陷均存在深度變化,此時(shí)可采用3D成像技術(shù)進(jìn)行缺陷檢測(cè)。因此可考慮采用2D/3D復(fù)合成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)缺陷的檢測(cè)。

1JC厚板表面檢測(cè)系統(tǒng)采用2D/3D成像技術(shù)進(jìn)行表面缺陷的在線檢測(cè),2D/3D信息相互融合,實(shí)現(xiàn)邊線、邊裂及壓痕、廢邊、異物壓入等缺陷的有效檢測(cè)?？紤]到便于現(xiàn)場(chǎng)用戶對(duì)全板圖的缺陷查看,2D系統(tǒng)為上下表面分別增加了全幅面成像單元。2D成像單元布置如圖1、圖2所示。

圖1 1JC厚板2D成像單元布置示意圖

當(dāng)單板通過(guò)時(shí),3D成像部分上下表面相機(jī)布置在厚板兩側(cè)。當(dāng)剖分板通過(guò)時(shí),四臺(tái)成像單元分別布置在兩塊厚板的兩側(cè)。如圖3所示。

圖3 3D檢測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝位置圖示

剖分板中間線所在的位置離基準(zhǔn)側(cè)(傳動(dòng)側(cè))的距離為D,大板邊部離基準(zhǔn)側(cè)的距離為L(zhǎng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的板寬數(shù)據(jù),按照剖分線離基準(zhǔn)側(cè)的距離D為900～2 400 mm,大板邊部離基準(zhǔn)側(cè)的距離L為2 400～4 800 mm進(jìn)行3D成像單元移動(dòng)距離的設(shè)計(jì)。檢測(cè)裝置分布如圖4所示。

圖4 剖分板通過(guò)時(shí)3D成像單元布置示意圖(單位:mm)

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2021年4月初,基于2D/3D復(fù)合成像技術(shù)的厚板表面質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)主體設(shè)備運(yùn)送到厚板1JC現(xiàn)場(chǎng)。4月下旬,利用現(xiàn)場(chǎng)年修時(shí)間進(jìn)行了設(shè)備安裝,完成所有主體機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣柜落位、氣路管件安裝、橋架敷設(shè)、檢測(cè)系統(tǒng)線纜放線、接線等一系列工作。檢測(cè)系統(tǒng)主體安裝狀況如圖5所示。

設(shè)備安裝到厚板現(xiàn)場(chǎng)后,2021年下半年進(jìn)行了缺陷樣本收集及檢測(cè)性能優(yōu)化,2022年年初正式投入現(xiàn)場(chǎng)使用,總體效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。在缺陷識(shí)別算法方面實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新:

(1)不同機(jī)組缺陷樣本移植。移植熱矯直機(jī)后表面檢測(cè)系統(tǒng)的邊線邊裂缺陷樣本,應(yīng)用深度學(xué)習(xí)技術(shù)快速實(shí)現(xiàn)了這類缺陷在1JC厚板產(chǎn)線缺陷在線識(shí)別。

(2)針對(duì)大數(shù)據(jù),小樣本缺陷。翹皮、折疊類缺陷及1JC出現(xiàn)的小樣本缺陷類別,應(yīng)用樣本擴(kuò)增技術(shù),加快訓(xùn)練過(guò)程。

(3)組合模型實(shí)現(xiàn)缺陷的有效分類。應(yīng)用多種深度學(xué)習(xí)模型與傳統(tǒng)算法模型(決策樹),通過(guò)組合的方式進(jìn)行檢測(cè)性能的評(píng)價(jià),并擇優(yōu)選取最佳分類模型。

(4)2D+3D互為補(bǔ)充。無(wú)深度變化的邊線邊裂等缺陷沿用2D缺陷識(shí)別技術(shù),有深度變化缺陷采用3D技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。深度變化缺陷的識(shí)別和分類同樣采用深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行訓(xùn)練,以過(guò)濾厚板表面因油斑,擦劃傷等引起的缺陷誤檢。

以下列舉了兩個(gè)2022年下半年現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例:

(1)應(yīng)用2D檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)邊線類缺陷的有效檢出。

2022年8月26日,板號(hào)2826142300發(fā)現(xiàn)未切除干凈的邊線缺陷,現(xiàn)場(chǎng)手工修磨處置。2D檢測(cè)系統(tǒng)識(shí)別出缺陷的界面如圖6所示。

圖6 2D檢測(cè)系統(tǒng)缺陷檢出案例

(2)應(yīng)用3D檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)異物壓入類缺陷的有效檢測(cè)。

2022年10月9日上午10:34,板號(hào)2A06146200上表面發(fā)現(xiàn)異物壓入,現(xiàn)場(chǎng)火焰切割處置。缺陷檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 3D檢測(cè)系統(tǒng)缺陷檢出案例

3 結(jié)論

針對(duì)1JC厚板表面質(zhì)量在線檢測(cè),BaoVision項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)基于2D/3D復(fù)合成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了厚板復(fù)雜背景下缺陷的自動(dòng)檢測(cè)和識(shí)別。該系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用一年多來(lái),有效實(shí)現(xiàn)邊線、邊裂、折疊、壓痕等缺陷的檢測(cè)和識(shí)別,大幅提高了成品鋼板的檢查效率,減少了厚板表面缺陷漏檢而導(dǎo)致缺陷產(chǎn)品流向用戶的概率,降低了現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)檢人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,為厚板表面質(zhì)量控制提供了強(qiáng)有力支撐。