表面檢測技術在河鋼邯鋼鍍鋅線的應用

劉文棟，楊迎輝

（河鋼集團邯鋼公司，河北 邯鄲 056015）

河鋼邯鋼冷軋廠冷基鍍鋅線主要生產高端家電板和部分汽車用鋼，該產線在2019 年經過改造后完全具備了生產高端產品的條件，同時在該產線增設了帶鋼表面質量在線檢測系統，該系統采用高速線掃描CCD 攝像機對帶鋼上下表面進行圖像采集，利用計算機視覺圖像處理技術、智能檢測技術、自動化技術，實現了光機電一體化的自動識別分揀功能[1]，大大降低了該產線產品缺陷的漏檢率。

1 BAOVISION 帶鋼表面在線檢測系統工作原理

冷鍍鋅帶鋼表面質量在線檢測系統采用工業CCD 高速攝像機及光源組成的成像系統對帶鋼上下表面進行不間斷掃描，CCD 采集的視頻信號經過增益放大、濾波、去噪等處理后[2]，形成高清晰的帶鋼表面圖像，以決策樹算法對圖像進行分析，對獲取目標圖像的特征進行分析、識別，并做出判斷，可準確、及時、有效地檢出和識別帶鋼表面缺陷，并通過計算機系統進行呈現（包括缺陷類別、位置、大小等信息）、存儲等操作，定量地反映鋼卷表面質量信息。該系統結構如圖1 所示。

圖1 系統結構原理圖

2 BAOVISION 帶鋼表面質量在線檢測系統結構

帶鋼表面質量在線檢測系統由成像系統、電氣系統、計算機系統、軟件系統及機械設備等組成。

2.1 成像系統

成像系統是帶鋼表面質量在線檢測系統的核心之一，如圖2 所示，該系統包括高速CCD 攝像機、高性能光源、多自由度高精度攝像機調節機構等主要設備。工業CCD 攝像機共有8 臺，上表面明場、暗場各配置2 臺，共4 臺，下表面配置相同。高性能LED 光源上下表面各配置1 組，LED 光源壽命一般長達10年，耗電量低、可靠性高、維護要求低[3]。通過攝像機調節機構對攝像機角度進行調節，以保證明暗場的光路穩定，值得注意的是，這種調節只在相機初次安裝和后續維護或調整角度、位置時進行[4]。由于帶鋼在運動過程中產生的各種機械振動[5]容易導致圖像獲取不清晰，因此成像系統一般安裝在張力輥包角處。該系統橫向分辨率為0.25 mm/pixel，縱向分辨率為0.3 mm/pixel。

圖2 成像系統組成

2.2 軟件系統

帶鋼表面質量在線檢測系統的軟件由九大子系統組成，分別為SISCamera、SISServer、SISTerminal、SISControlPanel、SISArchive、SISStatistic、SISDiagnostic、SISExchange、SISVision、SISTerminalRemot 等。整個軟件系統是表面檢測裝置的核心，主要負責系統缺陷檢出圖像處理及人工智能分類識別兩大核心技術。同時，還具有數據交換、數據的儲存與備份、系統參數的配置、缺陷報表的導出等功能。

3 BAOVISION 帶鋼表面質量在線檢測系統關鍵技術

提升系統的缺陷識別率主要是通過兩個方面進行，一是對帶鋼表面質量在線檢測系統各大模塊的參數進行精細調整及優化；二是豐富樣本缺陷庫及訓練分類器，以達到更高的識別度。

通 過 對SISCamera、SISExchange、SISTerminal、SISClassifier、SISServer、SISControlPanel 和SISLight Control 等模塊的參數配置，保證產線二級、三級系統和帶鋼表面質量在線檢測系統信息傳輸及時無誤，確保將感興趣區域ROI（Region of Interest，缺陷圖像）傳到計算機圖像識別系統進行特征提取及缺陷識別[6]，從而提高表面缺陷的識別率。

通過對產線自身缺陷樣本的收集，根據不同缺陷的不同特征進行缺陷的再分類[7]，訓練出適合該產線的樣本分類器，從而提高表面缺陷的分類率。

4 BAOVISION 帶鋼表面質量在線檢測系統的參數優化

通過對帶鋼表面質量在線檢測系統與L2、L3 之間的通訊協議進行配置，才能保證帶鋼表面質量在線檢測系統從L2、L3 獲取到正確的鋼卷信息、速度、剪切、焊縫信號等，以及使SISCamera 采集到圖像信息，經過同步板卡計算后，再經過服務器處理后輸出。通過對冷鍍鋅帶鋼表面質量在線檢測系統上下表面暗場的8 個鏡頭的焦距、光圈，光源的電壓、電流等參數進行調整，保證圖像采集的最優化，配置SISExchange模塊內的分倍頻數、轉速比等參數，確保鋼卷規格及牌號等順利傳輸，并對產線的缺陷樣本進行收集后，對SISClassifier 缺陷庫內的缺陷樣本進行訓練，生成適合產線自身的分類器，提高缺陷的檢出率和分類率。

4.1 SISexchange 模塊的參數調整

SISExchange 模塊主要負責對模塊內的分倍頻數、轉速比的配置進行調整優化，對鋼卷的心跳電文信息進行解析處理，使鋼卷長度、寬度、鋼種及缺陷位置、缺陷周期等信息更直觀顯示，易于判斷產品質量。帶鋼表面質量在線檢測系統與L2 通訊協議如表1 所示。

表1 帶鋼表面質量在線檢測系統與L2 通訊協議

SISExchange 模塊接收到L2 發送來的電文后，按照對應的協議進行解析，并將解析結果顯示到相應的界面上，便于質檢人員直觀地判斷帶鋼表面的質量問題，SISExchange 模塊解析后的信息如圖3 所示。

圖3 心跳電文解析完成后的信息

4.2 SISControlPanel 模塊的參數調整

在SISControlPanel 模塊中，需要對框架參數、生產接口、材料組及缺陷、相機標定、圖像信息、備份參數、圖像處理參數、報警規則、分類規則等方面進行配置。例如：圖像處理的OD1、OD2 的檢測參數，以及圖像保留時間和圖片格式的相互轉化，圖像ROI 高度和寬度的閾值設置等。

4.3 缺陷樣本的收集

帶鋼表面質量在線檢測系統自帶一套A08 初始分類器，用于缺陷的初步識別。在缺陷收集之前，產線的質量工程師按照本單位的檢驗標準對SISControlPanel 中的缺陷種類、嚴重程度進行重新劃分，刪減不適用本產線的缺陷名稱，收集原缺陷庫內沒有的缺陷，并將相機采集到的缺陷樣本進行歸類，每種缺陷樣本量在200 張圖片左右。材料和缺陷配置及缺陷收集情況如圖4 和圖5 所示。

圖4 材料和缺陷的配置情況

圖5 缺陷的收集情況

4.4 缺陷樣本的處理及分類器的訓練

在SISClassifier 模塊內收集的樣本數量達到滿足訓練的要求后，對所收集的缺陷樣本的缺陷種類進行逐個核對，并對所識別的缺陷區域進行優化，根據觀察OD1、OD2 處理后的圖像，進行進一步優化調整，最終加入訓練樣本內；對缺陷進行灰度特征、幾何形狀特征和投影特征的提取[8]，以訓練符合本機組的分類器，優化調整的缺陷參數如圖6 所示。

圖6 缺陷參數的優化調整

5 BAOVISION 帶鋼表面質量在線檢測系統的應用

河鋼邯鋼冷軋廠冷基鍍鋅機組采用“人工+帶鋼表面質量在線檢測系統”的檢驗機制對帶鋼表面質量進行判定，并定期對帶鋼表面質量在線檢測系統中識別出的“未分類”缺陷及時劃分歸類。自從表面質量在線檢測系統投用以來，未發生由于漏檢導致的質量事故和質量異議。通過二次開卷檢驗，系統的缺陷檢出率可達到100%，缺陷檢出率公式為：

同時分別對重點關注的單項缺陷進行分類正確率的統計，統計得出缺陷的分類正確率可達93.8%，其計算公式為：

此外，系統在達到較好水平的缺陷檢測率和分類率之后，針對輥印、劃傷、結疤等嚴重缺陷實現了在線聲光報警功能[9]。該系統還可以按照不同的要求，分別以鋼卷、時間、班組、缺陷等為單位，進行報表的導出，使質檢人員更容易掌握缺陷的分布情況。

6 結論

1）帶鋼表面質量在線檢測系統經過調試后已經正常運用，因為有表面在線檢測系統對鋼帶表面的實時監控[10]，極大地提高了缺陷的檢出率，減少了漏檢率，避免了含缺陷的產品流入市場。同時，采用人機結合的方式，也降低了職工的勞動強度。

2）根據產線產品的特點，對帶鋼表面質量在線檢測系統內所收集的缺陷進行有效的分類和訓練，建立針對性較強的分類器，可提高缺陷分類的正確率。

3）針對不同的缺陷，通過調整其判定的預處理規則和后處理規則中的一些相關參數，如閾值、面積、可信度等，可大大提高系統運行的穩定性和缺陷分類的正確性。