热轧带钢在线表面检测系统关键技术的研究与应用

　　近 20 年来，国内外的一些钢铁企业和设备供应商积极致力于带钢表面质量在线检测技术的研究，并由此涌现了一批优秀的带钢表面质量检测企业，如 Parsytec，Cognex 等，实现对带钢表面缺陷进行非人工的连续的准确检测、 缺陷分类和记录，并加以实时控制。现在有许多新建的和改造的热轧带钢厂都相继设置了上下表面检测仪。热轧带钢表面缺陷的检测和控制，对于剔除废品、 提高成品率、 提高产品质量、 满足下工序及用户的要求、 改善工人劳动条件等有着重要意义。

　　1 工作原理

　　在线表面检测系统是通过摄像头捕捉光源照射到带钢表面产生的反光，形成电子图像文件，软件部分将图像处理分类后形成表面质量检查结果并存储，检查结果同时显示到操作终端供操作员和检查员使用。在金属板带表面如有缺陷，会引起反射光线的变化。根据这个原理，通过检测摄像头里光强的变化，便可检测出材料表面上的一些物理缺陷。如图 1 所示。

　　2 主要设备配置

　　上下表面检测仪的结构原理相类似，主要包括摄像头、 光源、 计算机系统、 相机 PC、 服务器 PC、 控制台、 检查终端等部分。如图 2 所示。

　　3 机器视觉检测技术的发展

　　机器视觉检测技术是光机电一体化检测技术的一个发展阶段，开始于 20 世纪 70 年代中期。在 30 多年来的发展历程中，经　　历了三种形式的发展：激光扫描器阶段、 线阵 CCD 摄像机阶段和面阵 CCD 摄像机阶段。

　　3.1 激光扫描器

　　扫描速度慢、 分辨率非常低;对钢板表面的灰尘、 杂质比较敏感;光学系统设计和维护比较复杂。3.2 线阵 CCD 摄像机(奥钢联、 Cognex)扫描速度快、 精度高;检测空间小;钢板有大的跳动时影响检测。

　　3.3 面阵 CCD 摄像机( Parsytec)

　　多摄像机同步采集方式得到高扫描速度与检测精度;检测空间大;摄像机和及后续采集卡和处理系统数量多。

　　4 表面缺陷检测

　　4.1 检测原理

　　检测是一个从背景中分离不正常光线变化的处理过程，不正常的光线变化可能代表缺陷。 CCD 摄像头测量板带每一个位置的灰度值或亮度。选用高分辨率的摄像头，并在摄像头完成模拟到数字的转换，并通过高速光缆传送连续的数字化图像。利用光缆传送信号，可以保证信号的传送质量，而且工厂环境内通常的电子噪声不会对其产生影响。

　　4.1.1 CCD 摄像头

　　检测系统使用 CCD 摄像头，对轧制过程中的带钢表面进行连续拍照扫描，为系统提供较高的横向和纵向缺陷分辨率。

　　4.1.2 光学配置

　　对于热轧而言，行扫描技术的主要优点在于光学配置的稳定性。在热轧线上的系统精确检查点处，光学效应可能会发生一些　　改变，由于高速运动带钢固有的不稳定性和相对较大的成像区域，在成像区域内的照明会发生不均匀现象。

　　4.2 阈值和阈值算法

　　在进行归一化处理之后，系统使用了并行的多种检测算法来达到缺陷检测精度。 表面检测系统为非连续缺陷的检测提供了至少 2 种阈值算法：水平阈值、 基线阈值或降噪阈值。

　　4.2.1 水平阈值

　　检测非连续的缺陷，其灰度的强度阈值超出所设定的上限或下限。

　　4.2.2 基线阈值

　　其阈值随着材料背景的变化，如细小的颗粒状，而随之产生动态曲线变化。相对单独采用水平阈值而言，该技术更适用于比较敏感的缺陷检测。

　　4.2.3 降噪阈值

　　用于检测具有高噪声背景的产品，排除背景噪声可能造成的 “假阈值” 信号，检测出真实的缺陷，在显示屏上显示出高质量的缺陷图像。

　　5 表面缺陷识别

　　缺陷检测只是检测系统的开始部分。在缺陷检测后，缺陷的特征值一旦确定，就可以识别缺陷。正确的识别能够提供有价值的信息，这些信息有助于采取有效措施消除缺陷源及进行产品分级。

　　图像经过预处理采用多种分类算法，检测到目标以缺陷的特征值为基础进行缺陷分类。在检测期间，系统通过对缺陷区域进行特征提取，分类器分析每一个缺陷的特征值并与已经定义的缺陷种类比较、 特征选择，一旦能够匹配，系统分类器的自学习功能就会给缺陷进行适当的分类。基于模式识别理论，每一个缺陷都可触发以种类为基础输出的警告信号。如图 3 所示。

　　6 热轧钢板表面质量在线检测系统性能要求、 安装和设计

　　6.1 性能要求

　　生产热轧钢板的时候，因为钢板需经过高温加热再进行轧制，对检测环境的要求较高，钢板表面容易发生氧化，使钢板表面色泽暗淡，甚至有不少杂质掺杂在其中，对光线的吸收效果增强，因此对光源的要求比较高，建议用 LED 光源效果更佳。 同时，由于热轧钢板温度较高、 轧制速度快、 环境复杂(受水、 粉尘、 油污影响)，系统在设计的过程中，需要考虑更多保护措施，以提高整套系统工作的稳定性能

　　6.2 安装和设计

　　上下表面检测仪的安装首先是确定上下表面检测器的安装位置，下表面检测器安装在层流冷却后，卷取机前辊道下的下小房内;上表面检测器最好安装在层流冷却后，卷取机前辊道上的上小房内，空间较大，对带钢表面的处理有利;也有将上表面检测器安装在精轧后，层流冷却前辊道上的上小房，但由于精轧后带钢温度 1 000 ℃比层流冷却后的带钢温度 700 ℃高，对摄像机的热辐射较大;轧线仪表多功能仪(凸度仪)、 平直度仪大型仪表集中安装，空间有限，带钢表面的水珠和水雾不太好处理，其检测的伪缺陷较多，不是理想的位置。

　　上下表面检测仪测量位置务必通过改进增加前后辊道冷却方式为内冷辊方式，减少水汽对表面检测仪的影响。上小房的设备检测孔设计、地坪测量开孔设计要满足开孔尺寸及定位尺寸要求。为了保持摄像机玻璃和光源玻璃干净，每个班最少要擦一次玻璃，所以上下表面检测仪的四周要留有足够的维护空间，特别是下表面检测小房，要考虑风管分配器的占用空间。综上所述，考虑各种因素后，确定上下小房的大小、 开孔、 进行预埋钢板后，方可进行土建专业设计。

　　为减少带钢表面水滴和水雾的影响，在层流冷却后、 上下表面检测仪前设计操作侧，传动侧高压(1.3～1.8 MPa)水侧吹或顶喷，清除带钢表面的积水和水珠。在上下表面检测仪前辊道上下传动侧、 操作侧、 后辊道上操作侧，设置 0.3 ～0.6 MPa 压缩空气侧喷清除水雾。根据现场环境情况，同时要增加几台轴流风机来吹扫水雾。

　　7 结束语

　　为了提升产品质量，提升市场竞争力，在线表面检测系统可以弥补现在热轧生产线的表面检查死角，可以为表面的改进提供效果跟踪，为产品的实物质量提供检测手段，可有效减少质量事故，减少为确认表面增加的后续工序。热轧带钢在线表面检测系统必然会成为各钢铁企业必不可少的质量检查工具。