潘思多，冀云鵬，楊楠

（天津理工大學機械工程學院，天津 300384）

0 引言

產(chǎn)品質(zhì)量一直是人們生產(chǎn)和生活中非常關(guān)心的話題，而表面檢測技術(shù)則決定著產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣。從19 世紀現(xiàn)代工業(yè)革命開始至上世紀50 年代初，由于生產(chǎn)規(guī)模及生產(chǎn)效率均較低，表面質(zhì)量檢測環(huán)節(jié)主要是通過生產(chǎn)過程中人工目測和離線過程中的成品抽檢。到了20 世紀50 年代，此種檢測方式逐漸不能適應(yīng)現(xiàn)代化高速生產(chǎn)的需要，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1）生產(chǎn)速度不斷加快：當生產(chǎn)線速度大于50 m/min 時，人工目測方式無法可靠捕獲缺陷信息，從而產(chǎn)生大量誤檢和漏檢。2）人眼視覺靈敏度的影響：即使在較低的生產(chǎn)線速度下，人眼固有的感光性能、色覺反應(yīng)對于單一色度的被檢物來說，其分辨效率極低。3）環(huán)境對人體機能的影響：人工目測方式需要工作者持續(xù)工作在高溫、粉塵、噪聲、振動等惡劣環(huán)境下，檢測者極易疲勞、對身體和心理都會造成極大傷害。

機器視覺檢測技術(shù)應(yīng)運而生，但不同工作方式的設(shè)備也有各自的優(yōu)缺點：1）激光掃描方式。精度低，掃描速度慢，對鋼板表面的灰塵、雜質(zhì)比較敏感，光學系統(tǒng)設(shè)計與維護非常復雜。2）線陣CCD 攝像機（奧鋼聯(lián)、Cognex）。掃描速度快、精度高，需要檢測空間小，不適應(yīng)于鋼板有較大跳動的情況。3）面陣CCD 攝像機（Parsytee）。采用多攝像機同步采集方式能得到較高的掃描速度與檢測精度，需要的檢測空間大，采用的攝像機及后續(xù)的采集卡和處理系統(tǒng)數(shù)目多。

1 國內(nèi)外使用與研究現(xiàn)狀

從20 世紀90 年代起我國開始表面檢測方面的研究，但都基本停留在實驗室階段。寶鋼從20 世紀80 年代開始從國外引進檢測設(shè)備，最初使用的是激光掃描技術(shù)，應(yīng)用于鍍錫線。從2000 年以后國內(nèi)的鋼鐵企業(yè)對表面檢測技術(shù)的興趣日益增加，使用該種設(shè)備的數(shù)量大大提高。但工件表面缺陷的檢測系統(tǒng)依舊存在著價格高，檢出率與識別率不能達到理想程度的現(xiàn)狀。在我國，高效軋制國家研究中心一直在從事這項研究，從1998 年至今，研究中心共得到1 項國家自然科學基金，2 項國家863 計劃項目，1 項教育局重點項目，1 項科技部中小企業(yè)創(chuàng)新基金項目，1 項北京市高技術(shù)成果轉(zhuǎn)化項目的資助；2002 年，開發(fā)了國內(nèi)第一套冷軋帶鋼表面在線撿測系統(tǒng)，應(yīng)用于武鋼海南公司的1250 冷軋精整線；2003 年開發(fā)了國內(nèi)第一套中厚板表面缺陷在線檢測系統(tǒng)，用于濟鋼的中厚板廠；2005 年與唐鋼簽定合同，為唐鋼新建的1700 熱軋帶鋼生產(chǎn)線提供表面缺陷在線檢測系統(tǒng)。1995 年，華中理工大學研制出了采用多臺面陣CCF 成像，通過基于PC環(huán)境下的DSP 系統(tǒng)所組成的圖像處理平臺進行冷軋帶鋼表面的缺陷檢測和最小帶寬測量的實驗系統(tǒng)。同年，哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所也開始進行帶鋼表面缺陷靜態(tài)下的檢測和識別方法的研究。

發(fā)達國家整個軋鋼流程基本都配有表面在線檢測系統(tǒng)，包括從熱軋到冷軋以及后續(xù)的精整和涂鍍環(huán)節(jié)等。由于視覺信息具有獨特的空間特性和結(jié)構(gòu)特性，在人類的活動所涉及的信息領(lǐng)域中占有很大的比重。隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，機器在模擬人的行為上取得了重大突破，人們也開始討論如何使機器取代人眼完成部分功能。這種機器取代人眼的檢測系統(tǒng)將在工件表面缺陷檢測方面有重要的應(yīng)用。在20 世紀70 年代起，國外已有人開始研究工件表面質(zhì)量檢測，到了20 世紀90 年代由于CCD 攝影技術(shù)的發(fā)展而有了長足的進步。德國的蒂森公司規(guī)定，所有出場的熱軋帶卷都必須有表面檢測系統(tǒng)的檢測報告，沒有檢測報告的工件不能出廠。韓國的浦項制鐵在其公司的軋鋼生產(chǎn)線上用了40 套以上的檢測設(shè)備。美國制造工程師協(xié)會機器視覺分會和美國機器人工業(yè)協(xié)會的自動化視覺分會將機器視覺定義為：機器視覺是通過光學的裝置和非接觸的傳感器自動接收和處理一個真實物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機器人運動的裝置。國際上有名的工業(yè)視覺系統(tǒng)集成商包括美國的NI、Cognex 和PROIMAGE、瑞士的BOBST、德國的VMT、加拿大的Hexsight、日本的DAC、TOKIMEC和Keyence 等，其涉足的應(yīng)用領(lǐng)域常見于尺寸檢測、結(jié)構(gòu)檢測、表面檢測以及系統(tǒng)運行狀況檢測等。

2 表面在線檢測攝像原理

以帶鋼檢測為例：由于帶鋼表面有缺陷區(qū)域與無缺陷區(qū)域?qū)τ诠夥瓷涞男再|(zhì)不同，如有一些有色缺陷對于光的吸收比較多，所以發(fā)射光的光強就比沒有缺陷的表面弱；而一些三維缺陷會對入射光造成散射，所以會造成反射光的光強比沒有缺陷的表面弱。基于這一原理，如果將光源發(fā)出的光照射到生產(chǎn)線上運行的帶鋼表面上，然后用CCD 攝像機采集從鋼板表面反射的光，將反射光的強度轉(zhuǎn)換成灰度圖像。這樣，反射光的光強通過采集到的灰度圖像反映出來，光強越大，圖像灰度值越高；反之，則越低。通過對這些攝像機采集到的灰度圖像進行處理分析，可以檢測并且標定帶鋼表面存在的缺陷。采用線陣CCD 攝像機采集鋼板表面圖像時，應(yīng)采用綠色激光線光源做照明裝置。因為激光的亮度高，聚光性好，均勻性好，并且連續(xù)發(fā)光，適用于提供照明，而且激光單色性好可避免背景光的影響，從而提高對比度。此外，上下表面檢測只需兩臺激光光源，減少了設(shè)備數(shù)量，大大節(jié)省了空間。而且激光的壽命長，可連續(xù)使用1a 以上，減少了維護時間和費用。

綜上所述，采用CCD 攝像機采集鋼板表面圖像，不僅可以提高檢測精度，而且可以減少設(shè)備數(shù)量，而且采集速度快，分辨率高，需要的采集空間小，40 mm 的輥子間距就可以滿足要求，不需要拆輥并安裝擋板。而且在運行方向上不存在圖像的遺漏與重疊問題。表面在線檢測安裝在成品生產(chǎn)線上，如酸洗線、平整線、向冷軋?zhí)峁┰系臒彳埦€等處，檢測會造成成品工件表面缺陷問題，如夾雜、銹斑、孔洞、劃傷、邊裂等問題。

3 結(jié)語

表面在線檢測技術(shù)是通過科學的方法，對某一固定形狀的工件進行掃描取點，判斷并提取出含有不符合整體規(guī)律的缺陷的樣件，從而及時進行隔離。伴隨著這項技術(shù)的發(fā)展，將會大大地提高現(xiàn)有生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)的完善性與準確性。減少由人工檢測精度性差引起的不合格品率。尤其對于一個制造業(yè)公司來說，表面缺陷檢測技術(shù)可以有效地保證產(chǎn)品質(zhì)量，將存在缺陷的工件拒之門外，從而提高產(chǎn)品一次通過率，客戶滿意度等硬性指標，也可以作為整個制造系統(tǒng)的一部分，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)的可行性，減少原本由工人人為來判斷的崗位，將更多的勞動力投入在其他重要地方，也是減輕現(xiàn)有的勞動強度，做到企業(yè)和員工雙向受益。

當然這項技術(shù)的普及或許還需要一定時間，我們逐步從二維檢測走向三維的缺陷發(fā)掘。而且這項技術(shù)的發(fā)展還有幾個關(guān)鍵性問題需要我們不斷完善：1）在圖象采集缺陷點的過程中，由于光線的陰暗引起的對比度低，從而使缺陷樣件通過檢測或者完好樣件提示報錯的問題。2）嘗試建立缺陷類型的資料庫，從而進一步提高檢測效率和精度。對于已經(jīng)有記錄的缺陷可以快速調(diào)取，減少重新檢測所花費的時間。3）通過對機器以及計算機編程技術(shù)的改良，提高缺陷識別率。4）對于公司來說，確保生產(chǎn)現(xiàn)場的整潔，避免由于污垢，灰塵等環(huán)境問題產(chǎn)生的檢測誤差。5）對于可能存在缺陷的工件，通過完善檢測方法的方式，縮短判斷時間，避免生產(chǎn)中由于檢測所花費時間而引起的產(chǎn)品線中斷。

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