基于Smart View Metals系统的表面质量检测在铝合金热轧生产线上的应用

赵林莹，何昌协，刘勤博

(宝武铝业科技有限责任公司，河南 三门峡 472000)

近几年因铝合金热轧板带材的表面质量问题，使企业蒙受巨大经济损失的事件屡见不鲜，对表面质量的控制已经成为影响该类产品表面质量进一步提高的关键问题。尤其表面质量要求更高的高精尖铝合金板带用料，对在线检测技术的要求也越来越高，因而对更先进、更完善的表面质量在线检测技术的需求日益突出。铝合金热轧生产线上，传统的表面质量检测通过开卷、翻板等人工视觉检查完成，效率低且精度不高，对质量控制、生产节奏和库存控制都会产生不利影响。随着机器视觉检测技术逐渐得到推广应用，能准确、及时、有效地检出和识别表面缺陷，定量地反应铝合金板带表面的缺陷分布，且易于实现信息集成，极大提高了铝合金板带材的生产效率和自动化程度。 Smart View Metals系统是美国Cognex公司为金属检测提供的专门系统。系统使用了best-in-class专业技术，以便于为铝合金板带材提供全面的表面质量检测，已经在国内铝合金深加工的热轧、冷轧、精整等生产线上得到了广泛应用。

某1+3热轧线主要用于生产高表面质量和高性能要求的铝合金板带材，生产线上配置了一套Smart View Metals系统的表面质量检测装置。现场应用表明，该系统确保用户不仅能够对产品的质量进行定量描述和判断，而且能够及时发现辊印、粘伤、压坑、污迹等由于设备、工艺问题带来的缺陷并及时采取措施，避免设备的过度维护和欠维护，保持产品质量的一致性，经济效益明显。

1 系统工作原理及系统设计

1.1 系统工作原理

表面质量检测系统的原理是，在带材上下表面分别安装摄像机及光源，采用反射光观察方式检测缺陷。Smart View Metals系统采用高速CCD行扫描摄像头，对轧制生产中的板带材表面进行逐行扫描，从而完成对整板或整卷的扫描检测。CCD传感器和光源覆盖整个板带的宽度，每个摄像头最高每秒钟可扫描约2万行。行扫描示意如图1所示。

图1 行扫描示意图Fig.1 line scan diagram

金属板带表面没有缺陷时，反射的光在明视场下很强，而在暗视场的散射光很弱；如有缺陷，则明视场的光强减弱，而暗视场的光强增加。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。明暗视场原理如图2所示。

图2 明暗视场示意图Fig. 2 Light and dark fields of view

1.2 系统主要技术参数

结合热轧1+3机组设备的特点和生产工艺及缺陷频发的位置，确定将在线表面质量检测仪的检测单元分别安装在精轧机出口圆盘剪与导向辊之间的上方和下方位置。表面检测单元所需空间不大，且安装方便，不必进行大的土建工程。安装位置如图3所示，系统主要技术参数如下：

生产线名称：HSM热轧线；

材料：1xxx系到8xxx系铝合金板带材；

最大板带厚度：2mm～12mm；

最大板带宽度：1000mm～3100mm；

最大板带偏移量：±100mm；

机组最大速度：max.452m/min；

系统配置：

上表面摄像头的数量：3×8k 160MHz；

下表面摄像头的数量：3×8k 160MHz；

横向度量单位：0.13mm；

纵向度量单位：0.38mm。

图3 检测装置布置图Fig. 3 Layout of detection device

1.3 系统基本构架

系统由硬件设备和软件部分组成，硬件设备主要由光源、CCD摄像头、信号处理单元、系统服务器、操作终端和质量分析终端5部分组成。软件按用途可划分为缺陷检测、缺陷分类、缺陷可视化、缺陷数据库、检测过程控制、数据离线分析等。

1.3.1 硬件

(1)摄像头。尼康镜头，50mm/f1.8， AF、F 卡口。通过特种网线与网卡、信号处理卡、CPU卡相连。保护罩内通压缩空气进行冷却，罩子底座固定在支架上，位置及角度可微调。

(3)信号处理单元。实时处理从摄像头传送过来的模拟信号，提取出代表缺陷的有用信号。对缺陷实时初步分类、处理I/O信号，信息存储。

(4)LED光源。LED白色光源，每根光源的功率600W，工作温度5℃～55℃，湿度0 ～ 95% RH。为摄像头提供照明视场。

(5)系统服务器。专业WIN7操作系统；CPU为Intel®四核XeonTM处理器。通过光纤与相机相连，可以实现快速数据访问、在线帮助、管理功能、操作员功能和通讯。

(6)在线操作终端。Intel®Quad Core XeonTM处理器，中央系统工作站，协调所有系统控制和数据访问。操作员控制台，建立或修改系统结构，设置分类菜单。可实现全Web视窗、缺陷视窗、缺陷率视窗、板带质量视窗，并提供在线帮助。

(7)报警器。彩色闪光，最大音量105db。根据缺陷的不同严重程度及缺陷类别进行不同颜色的报警标识，有效地提醒操作人员缺陷发生的情况。

(8)特种网线。用于摄像机与CSU柜的连接。

1.3.2 软件

(1)调度管理。用于控制检测过程及实时显示的内容，可查看在线和离线的检测数据。

剖宫产术后疼痛还可能使原本和谐的医患关系变得紧张。我院曾经有1位产科医生为患者完成了1例高难度的剖宫产手术，当时患者病情危重，很多医院都不愿接收，这位医生顺利完成了手术，可最后却换来了患者的投诉。原因正是术后产妇疼痛难忍，医生未能及时妥善处理术后疼痛。

(2)在线检测。专门用于进行在线检测和显示。

(3)报表管理器。报表管理软件。

(4)配置管理器。对摄像头进行设置和标定，以及设置总体配置参数。

(5)配方管理器。可用于对特定的产品或客户按特定的要求进行单独参数设置。

(6)检测结果浏览器。可调用并显示历史的检测结果进行分析。

(7)检测报表生成器。根据用户要求产生报表，选择性地输出检测数据。

(8)与工厂网络通讯软件。用于系统和工厂及网路的数据传送。

(9)缺陷数据库管理维护。可对缺陷数据库中的样本数据进行添加、删除修改及新定义。

(10)全场录像显示系统。超高清实时显示板带的表面，并与表面检测系统完全同步显示。

2 系统功能实现与性能考核

2 .1 系统功能实现

整个系统检测的全部数据处理过程，即系统功能实现过程的重点包括信号的归一化处理、缺陷检测(信号的阈值算法)和缺陷分类。

2.1.1 信号的归一化处理

系统首先对信号进行归一化处理。归一化处理是对摄像头来的信号进行动态优化处理，提高系统在各种变化条件下检测缺陷的能力。归一化处理对从摄像头过来的信号，由于亮度或其它因素变化引起的信号幅值大小进行调整。通过消除这些变化，使实际缺陷的信号更易于被检测到。Smart View Metals 系统的归一化处理还能对逐步变化的环境提供动态补偿。

2.1.2 缺陷检测

在进行归一化处理之后，Smart View Metals系统使用了并行的多种检测算法来达到缺陷检测的高精度要求，对非连续缺陷的检测，系统主要采用水平阈值和基线阈值算法。系统主要阈值算法包括：(1)水平阈值。检测非连续缺陷，其信号值超出所设定的上限或下限灰度强度阈值。(2)基线阈值。随着材料背景(如颗粒度)的变化，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。(3)降噪阈值。用于检测具有高噪音背景的产品，排除背景噪音可能造成的“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。(4)条纹阈值。可在算法中纵向上对缺陷信号进行多种设置，用于检测纵向连续缺陷，例如涂层条纹。(2)其它的特殊处理技术。如边部处理等，可根据不同的应用采用不同的处理

上述信号处理技术都是自动完成的，无需操作员进行任何临时调整，且其过程极快，从缺陷到达检测点到检测出来，再通过一系列的信号处理，再通过后续的缺陷自动判别同时显示在屏幕上，全过程一般在毫秒级，个别情况最大所需时间为50Msec，这样才能保证真正的实时检测。

2.1.3 缺陷分类

Smart View Metals 系统的自动识别器采用多种分类算法，以缺陷的特征值为基础进行缺陷分类。自动识别器配置了根据类似热轧铝合金板带材生产线上的应用经验而设定的每一个已定义缺陷种类的预期特征值的范围。在检测期间，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。一旦能够匹配，就给缺陷进行适当的分类。对暂时还未收集到缺陷数据库中的缺陷，分类器会自动进行分类处理，操作员只需对其进行命名，便自动填充进数据库了。分类器可以在现场根据需要进行修改，可以进行精调以适合生产中缺陷检测的实际情况，可以增加类别或修改分类定义。该技术大大提高了缺陷判别的速度和准确率。

2.2 系统性能考核

Smart View Metals系统的系统性能考核主要包括3个考核点：缺陷的可视化程度，缺陷数据库的完备性，以及缺陷的检测率与分类率。

2.2.1 缺陷可视化程度

可视化功能提供所有检测到的缺陷的灰度显示，不仅简化了因果分析，而且给操作员提供了验证工具，以便在必要时迅速采取校正措施。Smart View Metals系统对每个检测到的缺陷能提供256级的高质量灰度图像。

2.2.2 缺陷数据库的完备性

系统中每种缺陷均由近300个缺陷特征进行描述，并且每种缺陷在分类时，还可分为轻度、中度和重度3个等级。检测设备在到达现场时带有预装的数据库，其中含有一些基本的缺陷种类，约有十几种，可以根据每个不同现场增加或减少，系统本身没有种类限制。这些缺陷数据样本从全球50多条热轧线采集而来，并以此建立缺陷分类。现场根据需要可选择在系统预置缺陷分类器或根据轧线缺陷产生的具体情况，自行建立缺陷数据库。要提高系统的实用性，还需要在生产过程中结合其它同类型的生产线，大量采集缺陷样本，提高缺陷数据库的完备性。

2.2.3 缺陷的检测率与识别率

(1)单一缺陷。孔洞，翘皮，擦划伤，条纹(斜纹、纵向条纹、横向条纹)，黑条、黑线，裂纹，条纹昆虫状缺陷、松树状缺陷等，挫伤(横向)，压坑、起皮等，其缺陷检测率为95%，缺陷分类率>90%。

(2)面积性缺陷。油斑、油渍点、乳液痕，污点、氧化斑(腐蚀)，粘铝、黑斑(铝粉)等，其缺陷检测率为90%，面积缺陷的命中率为85%。

(3)周期性缺陷。辊印，凸凹包等，其缺陷检测率为90%，误报率为5%。

3 现场应用

3.1 检测参数的优化

表面质量检测不仅要求检测系统能够准确识别缺陷，而且要求缺陷在板带上能准确定位。线扫描可以实现缺陷在宽度方向上的精准定位，但在轧制速度方向，缺陷准确定位与系统是否能提供准确的板带实时运行速度有关。这个速度由精轧机出口侧夹送辊为系统提供，实现轧制速度方向上的定位精度。检测装置的摄像头安装在宽度方向上，理想情况是相邻采集图像之间既无间隙又无重叠，以保证对板带材表面检测完整。这就要求系统对每个摄像头有很高的定位精度。每个摄像头在板带宽度方向的定位是通过系统标定实现的，可以保证系统远距离清晰成像。经现场测试，照度波动小于10%。板带材表面靠近边缘的部分，由于漫反射的强度和漫反射角度相关，会造成光强损失，导致边部图像的灰度值减弱。Smart View Metals系统内部的专用软件对相机的成像效果作补偿。

系统不仅可在多台终端上显示和记录板带的缺陷图像和数据，而且可对不同的铝板带或不同的客户进行不同的设置。系统能自动识别、自动调用相应的配置。比如，不同的客户有不同的质量要求时，由于一次性设置好的系统配置可以自动识别来料卷的铝板带，这样缺陷数据库及报警信号可以根据不同的铝板带自动进行匹配。

3.2 系统检出的部分典型缺陷

某1+3热轧铝合金板带材生产线上Smart View Metals系统检测出的部分典型缺陷，如图4所示。通过分析整理该生产线上常见的缺陷种类、缺陷形态及产生原因，大量收集缺陷典型样本，采用best-in-class分类技术，综合生产和质检积累的经验，使Smart View Metals系统实现了对缺陷较高的分类准确率。由现场实际数据测得缺陷检出率(95%)、系统利用率(90%)、缺陷分类率(99.5%/72h )，可以满足该生产线的检测要求。

4 结论

该1+3铝合金热轧生产线上装备基于Smart View Metals系统的表面质量在线检测仪能完全代替人工开卷检查。该系统满足了热轧铝合金板带材最严格的检查要求，不但能可靠地检测出典型缺陷，而且也能进行精确地分类。生产过程中，系统的利用率在99%以上。基于Smart View Metals系统的表面质量检测仪在应用过程中不仅有效提高了产品质量，而且参与了对生产工艺的改进和生产设备状态的监测，从总体上改善了该热轧生产线的质量控制水平。其对热轧铝合金板带材的表面质量控制所起的作用总结如下：

(1)及时发现表面缺陷。动态监控轧制产品的表面质量，按照系统定义的分类，将缺陷归类至其所属类型。能及时发现周期性缺陷和突发性缺陷，可以避免批量缺陷的连续发生，并可根据其严重程度，采取不同的报警措施。

(2)减轻人工取样强度。检查线人工取样节奏难以跟上生产节奏，漏取样现象经常发生。采用表面质量在线检测装置后，可以有针对性的取样，大大提高了检查线的工作效率。

图4 铝合金板带材的部分典型缺陷Fig.4 Typical Defects of Aluminum Alloy Sheet and Strip

(3)提高物流效率。由于检查节奏缓慢和检查信息的滞后，常常出现连续的缺陷，整条热轧线的物流也由此而堵塞，给板带材的库存带来很大压力。如果使用表面质量在线检测装置，可取消在线开卷检查，性能取样由精整线负责完成，使热轧线、冷轧线、精整线和高架库的物流更加畅通。

(4)优化轧制工艺，方便设备的管理和诊断。轧制过程中，操作人员可以通过表面质量检测反馈的信息，根据对板带材表面质量的监控和判断，随时在线调整工艺参数，提高轧制效果，使表面质量得以稳定和提高。不仅能检测某一工艺段的产品质量，还可以从全工艺流程检测产品质量、提高管理和诊断设备的水平。

(5)提高经济效益，减少用户投诉。采用表面质量在线检测装置，可以准确判定铝合金板带材质量，避免质量异议，降低用户投诉；也将大大降低抽检取样的频率，减少取样剪切所造成的金属损失。同时，由于缺陷板材的大幅减少，也减轻了精整线的返修压力，提高了出厂产品的成材率，因而用户投诉减少，提高了经济效益。