基于Smart View Metals系統的表面質量檢測在鋁合金熱軋生產線上的應用

趙林瑩，何昌協，劉勤博

(寶武鋁業科技有限責任公司，河南 三門峽 472000)

近幾年因鋁合金熱軋板帶材的表面質量問題，使企業蒙受巨大經濟損失的事件屢見不鮮，對表面質量的控制已經成為影響該類產品表面質量進一步提高的關鍵問題。尤其表面質量要求更高的高精尖鋁合金板帶用料，對在線檢測技術的要求也越來越高，因而對更先進、更完善的表面質量在線檢測技術的需求日益突出。鋁合金熱軋生產線上，傳統的表面質量檢測通過開卷、翻板等人工視覺檢查完成，效率低且精度不高，對質量控制、生產節奏和庫存控制都會產生不利影響。隨著機器視覺檢測技術逐漸得到推廣應用，能準確、及時、有效地檢出和識別表面缺陷，定量地反應鋁合金板帶表面的缺陷分布，且易于實現信息集成，極大提高了鋁合金板帶材的生產效率和自動化程度。 Smart View Metals系統是美國Cognex公司為金屬檢測提供的專門系統。系統使用了best-in-class專業技術，以便于為鋁合金板帶材提供全面的表面質量檢測，已經在國內鋁合金深加工的熱軋、冷軋、精整等生產線上得到了廣泛應用。

某1+3熱軋線主要用于生產高表面質量和高性能要求的鋁合金板帶材，生產線上配置了一套Smart View Metals系統的表面質量檢測裝置。現場應用表明，該系統確保用戶不僅能夠對產品的質量進行定量描述和判斷，而且能夠及時發現輥印、粘傷、壓坑、污跡等由于設備、工藝問題帶來的缺陷并及時采取措施，避免設備的過度維護和欠維護，保持產品質量的一致性，經濟效益明顯。

1 系統工作原理及系統設計

1.1 系統工作原理

表面質量檢測系統的原理是，在帶材上下表面分別安裝攝像機及光源，采用反射光觀察方式檢測缺陷。Smart View Metals系統采用高速CCD行掃描攝像頭，對軋制生產中的板帶材表面進行逐行掃描，從而完成對整板或整卷的掃描檢測。CCD傳感器和光源覆蓋整個板帶的寬度，每個攝像頭最高每秒鐘可掃描約2萬行。行掃描示意如圖1所示。

圖1 行掃描示意圖Fig.1 line scan diagram

金屬板帶表面沒有缺陷時，反射的光在明視場下很強，而在暗視場的散射光很弱；如有缺陷，則明視場的光強減弱，而暗視場的光強增加。根據這個原理，通過檢測攝像頭里光強的變化，便可檢測出材料表面上的一些物理缺陷。明暗視場原理如圖2所示。

圖2 明暗視場示意圖Fig. 2 Light and dark fields of view

1.2 系統主要技術參數

結合熱軋1+3機組設備的特點和生產工藝及缺陷頻發的位置，確定將在線表面質量檢測儀的檢測單元分別安裝在精軋機出口圓盤剪與導向輥之間的上方和下方位置。表面檢測單元所需空間不大，且安裝方便，不必進行大的土建工程。安裝位置如圖3所示，系統主要技術參數如下：

生產線名稱：HSM熱軋線；

材料：1xxx系到8xxx系鋁合金板帶材；

最大板帶厚度：2mm～12mm；

最大板帶寬度：1000mm～3100mm；

最大板帶偏移量：±100mm；

機組最大速度：max.452m/min；

系統配置：

上表面攝像頭的數量：3×8k 160MHz；

下表面攝像頭的數量：3×8k 160MHz；

橫向度量單位：0.13mm；

縱向度量單位：0.38mm。

圖3 檢測裝置布置圖Fig. 3 Layout of detection device

1.3 系統基本構架

系統由硬件設備和軟件部分組成，硬件設備主要由光源、CCD攝像頭、信號處理單元、系統服務器、操作終端和質量分析終端5部分組成。軟件按用途可劃分為缺陷檢測、缺陷分類、缺陷可視化、缺陷數據庫、檢測過程控制、數據離線分析等。

1.3.1 硬件

(1)攝像頭。尼康鏡頭，50mm/f1.8， AF、F 卡口。通過特種網線與網卡、信號處理卡、CPU卡相連。保護罩內通壓縮空氣進行冷卻，罩子底座固定在支架上，位置及角度可微調。

(3)信號處理單元。實時處理從攝像頭傳送過來的模擬信號，提取出代表缺陷的有用信號。對缺陷實時初步分類、處理I/O信號，信息存儲。

(4)LED光源。LED白色光源，每根光源的功率600W，工作溫度5℃～55℃，濕度0 ～ 95% RH。為攝像頭提供照明視場。

(5)系統服務器。專業WIN7操作系統；CPU為Intel?四核XeonTM處理器。通過光纖與相機相連，可以實現快速數據訪問、在線幫助、管理功能、操作員功能和通訊。

(6)在線操作終端。Intel?Quad Core XeonTM處理器，中央系統工作站，協調所有系統控制和數據訪問。操作員控制臺，建立或修改系統結構，設置分類菜單。可實現全Web視窗、缺陷視窗、缺陷率視窗、板帶質量視窗，并提供在線幫助。

(7)報警器。彩色閃光，最大音量105db。根據缺陷的不同嚴重程度及缺陷類別進行不同顏色的報警標識，有效地提醒操作人員缺陷發生的情況。

(8)特種網線。用于攝像機與CSU柜的連接。

1.3.2 軟件

(1)調度管理。用于控制檢測過程及實時顯示的內容，可查看在線和離線的檢測數據。

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(2)在線檢測。專門用于進行在線檢測和顯示。

(3)報表管理器。報表管理軟件。

(4)配置管理器。對攝像頭進行設置和標定，以及設置總體配置參數。

(5)配方管理器。可用于對特定的產品或客戶按特定的要求進行單獨參數設置。

(6)檢測結果瀏覽器。可調用并顯示歷史的檢測結果進行分析。

(7)檢測報表生成器。根據用戶要求產生報表，選擇性地輸出檢測數據。

(8)與工廠網絡通訊軟件。用于系統和工廠及網路的數據傳送。

(9)缺陷數據庫管理維護。可對缺陷數據庫中的樣本數據進行添加、刪除修改及新定義。

(10)全場錄像顯示系統。超高清實時顯示板帶的表面，并與表面檢測系統完全同步顯示。

2 系統功能實現與性能考核

2 .1 系統功能實現

整個系統檢測的全部數據處理過程，即系統功能實現過程的重點包括信號的歸一化處理、缺陷檢測(信號的閾值算法)和缺陷分類。

2.1.1 信號的歸一化處理

系統首先對信號進行歸一化處理。歸一化處理是對攝像頭來的信號進行動態優化處理，提高系統在各種變化條件下檢測缺陷的能力。歸一化處理對從攝像頭過來的信號，由于亮度或其它因素變化引起的信號幅值大小進行調整。通過消除這些變化，使實際缺陷的信號更易于被檢測到。Smart View Metals 系統的歸一化處理還能對逐步變化的環境提供動態補償。

2.1.2 缺陷檢測

在進行歸一化處理之后，Smart View Metals系統使用了并行的多種檢測算法來達到缺陷檢測的高精度要求，對非連續缺陷的檢測，系統主要采用水平閾值和基線閾值算法。系統主要閾值算法包括：(1)水平閾值。檢測非連續缺陷，其信號值超出所設定的上限或下限灰度強度閾值。(2)基線閾值。隨著材料背景(如顆粒度)的變化，而隨之產生動態曲線變化。相對單獨采用水平閾值而言，該技術更適用于比較敏感的缺陷檢測。(3)降噪閾值。用于檢測具有高噪音背景的產品，排除背景噪音可能造成的“假閾值”信號，檢測出真實的缺陷，在顯示屏上顯示出高質量的缺陷圖像。(4)條紋閾值。可在算法中縱向上對缺陷信號進行多種設置，用于檢測縱向連續缺陷，例如涂層條紋。(2)其它的特殊處理技術。如邊部處理等，可根據不同的應用采用不同的處理

上述信號處理技術都是自動完成的，無需操作員進行任何臨時調整，且其過程極快，從缺陷到達檢測點到檢測出來，再通過一系列的信號處理，再通過后續的缺陷自動判別同時顯示在屏幕上，全過程一般在毫秒級，個別情況最大所需時間為50Msec，這樣才能保證真正的實時檢測。

2.1.3 缺陷分類

Smart View Metals 系統的自動識別器采用多種分類算法，以缺陷的特征值為基礎進行缺陷分類。自動識別器配置了根據類似熱軋鋁合金板帶材生產線上的應用經驗而設定的每一個已定義缺陷種類的預期特征值的范圍。在檢測期間，分類器分析每一個缺陷的特征值并與已經定義的缺陷種類比較。一旦能夠匹配，就給缺陷進行適當的分類。對暫時還未收集到缺陷數據庫中的缺陷，分類器會自動進行分類處理，操作員只需對其進行命名，便自動填充進數據庫了。分類器可以在現場根據需要進行修改，可以進行精調以適合生產中缺陷檢測的實際情況，可以增加類別或修改分類定義。該技術大大提高了缺陷判別的速度和準確率。

2.2 系統性能考核

Smart View Metals系統的系統性能考核主要包括3個考核點：缺陷的可視化程度，缺陷數據庫的完備性，以及缺陷的檢測率與分類率。

2.2.1 缺陷可視化程度

可視化功能提供所有檢測到的缺陷的灰度顯示，不僅簡化了因果分析，而且給操作員提供了驗證工具，以便在必要時迅速采取校正措施。Smart View Metals系統對每個檢測到的缺陷能提供256級的高質量灰度圖像。

2.2.2 缺陷數據庫的完備性

系統中每種缺陷均由近300個缺陷特征進行描述，并且每種缺陷在分類時，還可分為輕度、中度和重度3個等級。檢測設備在到達現場時帶有預裝的數據庫，其中含有一些基本的缺陷種類，約有十幾種，可以根據每個不同現場增加或減少，系統本身沒有種類限制。這些缺陷數據樣本從全球50多條熱軋線采集而來，并以此建立缺陷分類。現場根據需要可選擇在系統預置缺陷分類器或根據軋線缺陷產生的具體情況，自行建立缺陷數據庫。要提高系統的實用性，還需要在生產過程中結合其它同類型的生產線，大量采集缺陷樣本，提高缺陷數據庫的完備性。

2.2.3 缺陷的檢測率與識別率

(1)單一缺陷。孔洞，翹皮，擦劃傷，條紋(斜紋、縱向條紋、橫向條紋)，黑條、黑線，裂紋，條紋昆蟲狀缺陷、松樹狀缺陷等，挫傷(橫向)，壓坑、起皮等，其缺陷檢測率為95%，缺陷分類率>90%。

(2)面積性缺陷。油斑、油漬點、乳液痕，污點、氧化斑(腐蝕)，粘鋁、黑斑(鋁粉)等，其缺陷檢測率為90%，面積缺陷的命中率為85%。

(3)周期性缺陷。輥印，凸凹包等，其缺陷檢測率為90%，誤報率為5%。

3 現場應用

3.1 檢測參數的優化

表面質量檢測不僅要求檢測系統能夠準確識別缺陷，而且要求缺陷在板帶上能準確定位。線掃描可以實現缺陷在寬度方向上的精準定位，但在軋制速度方向，缺陷準確定位與系統是否能提供準確的板帶實時運行速度有關。這個速度由精軋機出口側夾送輥為系統提供，實現軋制速度方向上的定位精度。檢測裝置的攝像頭安裝在寬度方向上，理想情況是相鄰采集圖像之間既無間隙又無重疊，以保證對板帶材表面檢測完整。這就要求系統對每個攝像頭有很高的定位精度。每個攝像頭在板帶寬度方向的定位是通過系統標定實現的，可以保證系統遠距離清晰成像。經現場測試，照度波動小于10%。板帶材表面靠近邊緣的部分，由于漫反射的強度和漫反射角度相關，會造成光強損失，導致邊部圖像的灰度值減弱。Smart View Metals系統內部的專用軟件對相機的成像效果作補償。

系統不僅可在多臺終端上顯示和記錄板帶的缺陷圖像和數據，而且可對不同的鋁板帶或不同的客戶進行不同的設置。系統能自動識別、自動調用相應的配置。比如，不同的客戶有不同的質量要求時，由于一次性設置好的系統配置可以自動識別來料卷的鋁板帶，這樣缺陷數據庫及報警信號可以根據不同的鋁板帶自動進行匹配。

3.2 系統檢出的部分典型缺陷

某1+3熱軋鋁合金板帶材生產線上Smart View Metals系統檢測出的部分典型缺陷，如圖4所示。通過分析整理該生產線上常見的缺陷種類、缺陷形態及產生原因，大量收集缺陷典型樣本，采用best-in-class分類技術，綜合生產和質檢積累的經驗，使Smart View Metals系統實現了對缺陷較高的分類準確率。由現場實際數據測得缺陷檢出率(95%)、系統利用率(90%)、缺陷分類率(99.5%/72h )，可以滿足該生產線的檢測要求。

4 結論

該1+3鋁合金熱軋生產線上裝備基于Smart View Metals系統的表面質量在線檢測儀能完全代替人工開卷檢查。該系統滿足了熱軋鋁合金板帶材最嚴格的檢查要求，不但能可靠地檢測出典型缺陷，而且也能進行精確地分類。生產過程中，系統的利用率在99%以上。基于Smart View Metals系統的表面質量檢測儀在應用過程中不僅有效提高了產品質量，而且參與了對生產工藝的改進和生產設備狀態的監測，從總體上改善了該熱軋生產線的質量控制水平。其對熱軋鋁合金板帶材的表面質量控制所起的作用總結如下：

(1)及時發現表面缺陷。動態監控軋制產品的表面質量，按照系統定義的分類，將缺陷歸類至其所屬類型。能及時發現周期性缺陷和突發性缺陷，可以避免批量缺陷的連續發生，并可根據其嚴重程度，采取不同的報警措施。

(2)減輕人工取樣強度。檢查線人工取樣節奏難以跟上生產節奏，漏取樣現象經常發生。采用表面質量在線檢測裝置后，可以有針對性的取樣，大大提高了檢查線的工作效率。

圖4 鋁合金板帶材的部分典型缺陷Fig.4 Typical Defects of Aluminum Alloy Sheet and Strip

(3)提高物流效率。由于檢查節奏緩慢和檢查信息的滯后，常常出現連續的缺陷，整條熱軋線的物流也由此而堵塞，給板帶材的庫存帶來很大壓力。如果使用表面質量在線檢測裝置，可取消在線開卷檢查，性能取樣由精整線負責完成，使熱軋線、冷軋線、精整線和高架庫的物流更加暢通。

(4)優化軋制工藝，方便設備的管理和診斷。軋制過程中，操作人員可以通過表面質量檢測反饋的信息，根據對板帶材表面質量的監控和判斷，隨時在線調整工藝參數，提高軋制效果，使表面質量得以穩定和提高。不僅能檢測某一工藝段的產品質量，還可以從全工藝流程檢測產品質量、提高管理和診斷設備的水平。

(5)提高經濟效益，減少用戶投訴。采用表面質量在線檢測裝置，可以準確判定鋁合金板帶材質量，避免質量異議，降低用戶投訴；也將大大降低抽檢取樣的頻率，減少取樣剪切所造成的金屬損失。同時，由于缺陷板材的大幅減少，也減輕了精整線的返修壓力，提高了出廠產品的成材率，因而用戶投訴減少，提高了經濟效益。