機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)板材檢測(cè)中的應(yīng)用

機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)板材檢測(cè)中的應(yīng)用

中國是一個(gè)偉大的鋼鐵生產(chǎn)大國，其中木材生產(chǎn)尤為突出。2010年，木材產(chǎn)量為6.4億噸，板材約占2.2億噸。在板材需求量顯著提高的同時(shí),其質(zhì)量也越來越受到人們的重視。軋制過程中由于連鑄鋼坯、軋制設(shè)備和軋制工藝等原因,軋制后板材表面會(huì)形成缺陷,這樣既不美觀也影響板材壽命和性能。因此,國內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)和學(xué)者展開了對(duì)板材表面缺陷檢測(cè)的研究。從20世紀(jì)開始,至今大致經(jīng)歷3個(gè)檢測(cè)階段,分別是人工目測(cè)與離線抽檢相結(jié)合、單純機(jī)電技術(shù)或光學(xué)技術(shù)、光機(jī)電一體化的機(jī)器視覺。為了提高檢測(cè)效率,機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)以非接觸性、柔性好、較高精度及迅速獲得被測(cè)物體信息等優(yōu)點(diǎn)在眾多檢測(cè)技術(shù)中脫穎而出。本文重點(diǎn)介紹了CCD攝像機(jī)機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)板材檢測(cè)中的應(yīng)用。1鋼板的壓入情況,是造成鋼板判廢的最主要的兩由于受生產(chǎn)設(shè)備、鋼板來料、加工工藝、人工技術(shù)和外部環(huán)境等因素的影響,鋼板表面易出現(xiàn)缺陷,影響板材的外觀、抗腐蝕性、抗磨性、疲勞極限等性能,甚至影響板材的正常使用。下面分析一些典型缺陷類型的特征、影響因素和成因,如圖1所示。(1)麻點(diǎn)(Pockmark),就是在鋼板表面形成局部或連續(xù)成片的粗糙面,脫落后會(huì)出現(xiàn)深淺形狀不同的小坑。麻點(diǎn)凹坑或凹痕深度會(huì)嚴(yán)重影響鋼板質(zhì)量,如圖1(a)所示。(2)氧化鐵皮壓入(Rolled-inscale),此種缺陷可分為一次氧化鐵皮壓入(灰褐色Fe3O4)和二次氧化鐵皮壓入(紅棕色FeO和Fe2O3),其壓入的種類、深淺、面積、形狀也都不同,修磨后一般不影響鋼板使用,如圖1(b)所示。(3)表面夾雜(Inclusion/lard),鋼板壓入異物的統(tǒng)稱,分為金屬夾雜、非金屬夾雜和混合夾雜,特征是嵌入鋼板或表露與表面的點(diǎn)狀、片狀、或條狀組織,夾雜物隨機(jī)分布且顏色、形狀不同,這種缺陷會(huì)造成板材判廢,如圖1(c)所示。(4)氣泡(Blister),鋼板表面出現(xiàn)的有大有小外形圓滑鼓包,開裂后縫隙或空隙會(huì)不規(guī)則,裂口內(nèi)部有夾雜物富集,通常會(huì)造成鋼板判廢,如圖1(d)所示。(5)裂紋(Crack),鋼板表面形成深度、長(zhǎng)度、寬度、形狀不同的裂縫,周邊有嚴(yán)重脫碳現(xiàn)象和非金屬夾雜,嚴(yán)重破壞鋼板的力學(xué)性能,如圖1(e)所示。2檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展2.1人工檢疫檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用在工業(yè)發(fā)展的早期,對(duì)板材質(zhì)量要求不高,人工目測(cè)的檢驗(yàn)方法應(yīng)用普遍。由于人工抽檢技術(shù)含量低、檢測(cè)范圍和速度有限,長(zhǎng)時(shí)間工作錯(cuò)誤率高且容易收到外界干擾,受主觀影響沒有準(zhǔn)確缺陷定量,所以它已經(jīng)不能適應(yīng)先進(jìn)生產(chǎn)力要求,該方法被高效的技術(shù)所代替是勢(shì)在必行。2.2對(duì)機(jī)械和光學(xué)技術(shù)的檢測(cè)此階段主要應(yīng)用靈敏元件進(jìn)行檢測(cè),廣泛應(yīng)用于工業(yè)化進(jìn)程中,下面主要對(duì)應(yīng)用最廣泛的3種方法做詳細(xì)介紹。2.2.1無損檢測(cè)檢測(cè)渦流檢測(cè)始于1879年,英國人休斯首次將渦流原理應(yīng)用于冶金分選中,拉開了渦流檢測(cè)的序幕。1926年世界上首臺(tái)渦流測(cè)厚儀問世。1930年,法羅首先將渦流法應(yīng)用于無損檢測(cè)。1950~1954年間,福斯特發(fā)表了消除渦流儀中干擾因素的理論分析和試驗(yàn)結(jié)果,研制了阻抗分析法有補(bǔ)償干擾因素的儀器,開創(chuàng)了現(xiàn)代渦流檢測(cè)方法和設(shè)備研制工作,使渦流檢測(cè)成為一種重要的常規(guī)無損檢測(cè)方法。1989年,法國洛林連軋公司福斯廠研制出一種安裝在火焰切割設(shè)備前端,在線無損檢測(cè)熱連鑄板坯表面質(zhì)量的渦流探測(cè)設(shè)備——EDISOL。目前,渦流檢測(cè)儀的國外制造商主要有美國Zetec、加拿大Russel和德國的Forester,其中Russel公司的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流儀處于領(lǐng)先地位。2.2.2磁粉檢測(cè)技術(shù)1922年美國人Hoke發(fā)現(xiàn)金屬粉末在鋼塊表面形成花樣,推動(dòng)了磁粉檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。1928年Forest使用尺寸和形狀受控的磁粉,獲得可靠的油井鉆桿斷裂缺陷形貌。1930年Forest和Doane將干磁粉成功應(yīng)用于焊縫及各種工件的探傷。1941年熒光粉的使用提高了磁粉檢測(cè)靈敏度。20世紀(jì)50年初,瑞加德羅首創(chuàng)用磁粉質(zhì)量的磁性稱量法和酒精沉淀法推動(dòng)磁粉檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。近年來我國磁粉檢測(cè)也有長(zhǎng)足發(fā)展,其中自行研制的LPW-3型磁粉檢測(cè)趕上了國際水平,磁粉檢測(cè)用B型和E型在標(biāo)準(zhǔn)、性能、指標(biāo)方面也得到世界的認(rèn)可,磁粉檢測(cè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備檢測(cè)中。2.2.3漏磁場(chǎng)聯(lián)合測(cè)量壁厚的缺陷1947年Hastings設(shè)計(jì)了第一套漏磁檢測(cè)系統(tǒng)。1965年Linalog首次進(jìn)行管內(nèi)檢測(cè),開發(fā)了Wellcheck井口探測(cè)系統(tǒng),可靠地探測(cè)管材內(nèi)外徑上的腐蝕坑、橫向傷痕和其它類型的缺陷。1966年Shcherbinin和Zatsepin計(jì)算漏磁場(chǎng)缺陷,采用磁偶極子模型計(jì)算表面開口裂紋。同年,前蘇聯(lián)科學(xué)家提出用磁偶極子、無限長(zhǎng)磁偶極線和無限長(zhǎng)磁偶帶來模擬工件表面的點(diǎn)狀缺陷、淺裂紋和深裂縫。ICO公司的EMI漏磁探傷系統(tǒng),結(jié)合漏磁通測(cè)量壁厚,提供完整的現(xiàn)場(chǎng)探傷。1975年Hwang和Lord采用有限元方法對(duì)漏磁場(chǎng)進(jìn)行分析,首次把材料內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)和磁導(dǎo)率與漏磁場(chǎng)幅值聯(lián)系起來。20世紀(jì)90年代以后,高靈敏度磁傳感器“MGS+α”能夠穩(wěn)定測(cè)出5×10-4mm的微小內(nèi)部缺陷?！癕GS+α”傳感器漏磁檢測(cè)系統(tǒng)于1991年在日本NKK公司福山制鐵所投入使用,達(dá)到實(shí)用階段。1993年日本川崎制鐵千葉制鐵所開發(fā)出在線非金屬夾雜物檢測(cè)裝置,該裝置使用直流磁化漏磁法,勵(lì)磁器與檢測(cè)元件呈同一方向配置,檢測(cè)元件采用高靈敏度半導(dǎo)體式磁敏元件,用于檢測(cè)水平磁通分量。2.3帶鋼表面檢測(cè)技術(shù)發(fā)展20世紀(jì)70年代,機(jī)器視覺融和了微電子、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息管理等,使這項(xiàng)技術(shù)在工業(yè)中有了更廣泛的應(yīng)用,其發(fā)展至今主要經(jīng)歷了3個(gè)階段:激光掃描階段、線陣CCD階段、面陣CCD階段。1983年美國Honeywell公司使用線陣CCD攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集,并設(shè)計(jì)了專用圖像陣列處理機(jī)和基于句法模式識(shí)別理論的缺陷分類器。1986年,在美國鋼鐵協(xié)會(huì)(AISI)的資助下,Westinghouse公司采用線陣CCD攝像機(jī)和高強(qiáng)度線光源監(jiān)視運(yùn)動(dòng)帶鋼表面,并提出了將明域、暗域及微光域3種照明光路型式組合應(yīng)用于檢測(cè)系統(tǒng)的思路,分辨率分別為1.7mm和2.3mm。同年,意大利CentroSviluppoMateriali公司在歐洲煤鋼聯(lián)營(ECSC)的資助下研制出不銹鋼表面檢測(cè)試驗(yàn)機(jī),既能對(duì)帶鋼進(jìn)行寬度測(cè)量,又能檢測(cè)帶鋼上下表面孔洞缺陷,但其識(shí)別缺陷種類較少。20世紀(jì)90年代后,檢測(cè)技術(shù)得到大幅度提高,芬蘭RautaruukkiNewTechnology公司研制的Smart-vi表面檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)法對(duì)決策樹分類器進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。1994年8月,美國Cognex公司研制出線掃描系統(tǒng)技術(shù),并應(yīng)用于美國L11V鋼鐵公司鍍鋅生產(chǎn)線,1996年又開發(fā)了一套iLearn自學(xué)習(xí)分類器軟件系統(tǒng)并應(yīng)用于其研制的iS-2000自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),大大地提高了檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)算速度。1997年HTS為韓國浦項(xiàng)制鐵公司研制出冷軋鋼板表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng),首次將基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificialnervenetwork,ANN)分類器設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)用于鋼板檢測(cè)領(lǐng)域,系統(tǒng)可以在軋制速度為5m/s的情況下檢測(cè)最小尺寸為0.5mm×0.5mm的缺陷S系統(tǒng),最大優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)能力非常強(qiáng)。2000年德國ThyssenKrupp公司安裝了4套Parsytec公司研制的HTS-2W熱軋鋼板表面檢測(cè)系統(tǒng),可以在線自動(dòng)探測(cè)和分類熱軋鋼板缺陷,能檢測(cè)到毫米級(jí)精度。2005年法國的VAISIAS公司為Arcelor集團(tuán)的Dunkerque廠研制開發(fā)了該公司第一套熱軋帶鋼表面在線檢測(cè)系統(tǒng)。2006年韓國的浦項(xiàng)鋼鐵公司在國際聯(lián)合會(huì)上發(fā)表了關(guān)于軋制表面檢測(cè)系統(tǒng)缺陷級(jí)運(yùn)算法的發(fā)展,并介紹了韓國浦項(xiàng)鋼鐵表面視覺檢測(cè)系統(tǒng),建議應(yīng)用基于向量機(jī)器技術(shù)檢測(cè)分級(jí)系統(tǒng)運(yùn)算,這種向量分類法的應(yīng)用顯示出很好的分類能力和性能。3并行控制系統(tǒng)實(shí)際調(diào)度的應(yīng)用。根據(jù)確定,將圖像通過并系統(tǒng)一般分為檢測(cè)裝置、并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)控制臺(tái)、服務(wù)器、控制服務(wù)臺(tái)、海量存儲(chǔ)器。檢測(cè)裝置由照明裝置、多個(gè)攝像頭和保護(hù)罩組成,如圖2所示。攝像頭數(shù)目由檢測(cè)所需精度和所測(cè)鋼板寬度決定。并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由一臺(tái)服務(wù)器和多臺(tái)客戶機(jī)組成,客戶機(jī)端軟件對(duì)數(shù)字化后圖像信號(hào)進(jìn)行處理。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理通過實(shí)時(shí)處理與準(zhǔn)時(shí)處理2種方式來進(jìn)行,這2種處理方式在2個(gè)不同級(jí)別線程中實(shí)現(xiàn)。對(duì)采集到的圖像進(jìn)行快速處理算法,并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理分析。服務(wù)器通過與并行計(jì)算系統(tǒng)相連將傳輸信息進(jìn)行合并和保存,并利用海量存儲(chǔ)器來保存缺陷信息?？刂婆_(tái)與服務(wù)器相連,通過控制臺(tái)操作人員可以實(shí)時(shí)觀察缺陷檢測(cè)結(jié)果。表面檢測(cè)系統(tǒng)工作流程主要包括圖像采集、圖像分割、特征提取和缺陷分類等,如圖3所示。3.1光照度的控制光源好壞直接影響圖像采集質(zhì)量和缺陷清晰度,是CCD應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。采用光學(xué)檢測(cè)法檢測(cè)鋼板表面有如下要求:(1)必須去除背景光影響,要求可以調(diào)節(jié)光照度以便于提高圖像質(zhì)量;(2)照明燈的排列要結(jié)構(gòu)緊湊,節(jié)省空間且能根據(jù)產(chǎn)品表面光潔度來調(diào)節(jié)光照;(3)利用光源控制器來控制光照度,因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)中,鋼板線速度經(jīng)常發(fā)生變化,光源也應(yīng)及時(shí)調(diào)整,使攝像系統(tǒng)所獲得的圖像質(zhì)量保持不變,所以選擇光源要根據(jù)檢測(cè)鋼板類型和生產(chǎn)環(huán)境來綜合考慮。一般明場(chǎng)照明的方式應(yīng)用人工光源,人工光源一般研究采用鹵素?zé)?、熒光燈、LED、氙燈等。下面具體對(duì)各種燈做對(duì)比,如表1所示。3.2d攝像機(jī)參數(shù)的確定對(duì)于不同檢測(cè),要分別選擇線陣或面陣CCD攝像機(jī)。線陣CCD攝像機(jī)一次只能獲得圖像的一行信息,被拍攝物體必須以直線形式從攝像機(jī)前移過才能獲得完整圖像,它主要用于檢測(cè)條狀、筒狀產(chǎn)品。線陣攝像機(jī)掃描速度快、所需照明面積和空間小,但不適于鋼板跳動(dòng)情況下,數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理很難應(yīng)用軟件方式實(shí)現(xiàn);而面陣CCD攝像機(jī)可以一次獲得整幅圖像的信息。目前在機(jī)器視覺系統(tǒng)中,以面陣CCD的應(yīng)用居多。面陣攝像機(jī)檢測(cè)速度、寬度、精度都很高,也可通過實(shí)時(shí)軟件處理,但所需照射面積、空間大。根據(jù)檢測(cè)產(chǎn)品要求,可以選擇彩色或黑白攝像機(jī),黑白攝像機(jī)成本低、數(shù)量小,需要儲(chǔ)存的容量不大,缺陷是沒有顏色對(duì)比,不能利用顏色進(jìn)行判斷。彩色攝像機(jī)對(duì)缺陷表現(xiàn)能力強(qiáng),檢驗(yàn)算法容易實(shí)現(xiàn),但成本高、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜,受環(huán)境影響因素大,配備儲(chǔ)存器容量大。其次,對(duì)于攝像系統(tǒng)參數(shù)確定要根據(jù)系統(tǒng)采集到圖像尺寸調(diào)整攝像頭與被檢測(cè)物體的距離h和檢測(cè)精度、圖像分辨率以及鋼板寬度來確定。由此就可以計(jì)算出在鋼板寬度方向上需要的攝像頭個(gè)數(shù),如圖4所示。每個(gè)攝像頭采集到的寬度w以及鋼板寬度方向的攝像頭數(shù)目n,由式(1)、式(2)計(jì)算。w∝hf(1)w∝hf(1)n=2×(∣∣D+aw?a∣∣+1)(2)n=2×(|D+aw-a|+1)(2)式中:h為攝像頭與被測(cè)物之間的距離;f為攝像頭用的焦距;D為被檢測(cè)鋼板的寬度;a為圖像之間的重疊。4存在的問題和發(fā)展方向雖然近幾年表面檢測(cè)技術(shù)發(fā)展迅猛,但現(xiàn)有的在線檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)水平還不能滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。目前采用渦流、漏磁等檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)只適用于某些要求不高的場(chǎng)合,無法綜合評(píng)估產(chǎn)品表面質(zhì)量狀況。激光掃描檢測(cè)可以顯著提高缺陷檢測(cè)靈敏度,但對(duì)于微小或低對(duì)比度缺陷和某些“良性”缺陷(如油污等)的分辨能力不足。所以,為了解決這一系列問題,應(yīng)用CCD視覺檢測(cè)在各方面都比較成功,其融合了微電子、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息管理等相關(guān)技術(shù),形成了一種嶄新的綜合性高的新技術(shù)。盡管如此,還是有一些問題待解決:(1)如何提取到清晰的缺陷圖像。這就要求避免粉塵、噪音、光照不平衡等方面的干擾,提高采集圖像的清晰度和對(duì)比度。(2)加強(qiáng)圖像處理功能。這就要求快速進(jìn)行圖像數(shù)字化,主要對(duì)目標(biāo)檢測(cè)步