楊水山,何永輝,吳振平

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

智能制造推進(jìn)了信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合,機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合為其提供了有力支撐,在自動(dòng)化大生產(chǎn)中改變了傳統(tǒng)以人工視覺(jué)為主的質(zhì)量檢測(cè)與控制局面[1-2]。

小方坯做為線材成品的中間產(chǎn)品,其表面裂紋、結(jié)疤缺陷會(huì)延伸后續(xù)產(chǎn)品,影響最終產(chǎn)品的使用性能[3]。該類缺陷需要進(jìn)行嚴(yán)格控制,經(jīng)過(guò)修磨后才可以繼續(xù)加工。目前,小方坯、圓坯的近表缺陷仍以人工檢測(cè)為主,暗室內(nèi)人工觀察低速運(yùn)行、紫外燈照射被磁化的小方坯表面,存在工作環(huán)境惡劣、效率低、漏檢風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題[4]。

為此,開發(fā)了基于熒光成像的自動(dòng)化表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)。在小方坯精整線增加磁化裝置、表面圖像采集與處理模塊,通過(guò)熒光磁粉成像對(duì)近表面的細(xì)微裂紋進(jìn)行顯現(xiàn)和放大,采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行缺陷的分析和處理,將檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行輸出、保存和利用,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化缺陷檢測(cè)與控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)及原理

檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示,核心分成兩個(gè)模塊:小方坯表面磁化模塊和機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)模塊。小方坯表面磁化模塊負(fù)責(zé)將小方坯表面磁化并噴淋磁粉液,在缺陷區(qū)域磁粉液中磁粉顆粒會(huì)產(chǎn)生聚集;機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)模塊完成小方坯表面形態(tài)的圖像采集、處理和輸出。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

1.2 磁化裝置設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

熒光磁粉探傷由于其較高的檢測(cè)靈敏度、缺陷易于識(shí)別等優(yōu)勢(shì),廣泛應(yīng)用于鐵磁性材料表面和近表面缺陷的檢查,借助小方坯缺陷部位能夠進(jìn)行磁粉聚集,可以檢測(cè)和定位缺陷。

針對(duì)于小方坯產(chǎn)品表面以縱向缺陷為主存在少量橫向缺陷的分布情況,小方坯磁化裝置設(shè)計(jì)了復(fù)合磁場(chǎng)對(duì)表面進(jìn)行磁化,包括兩個(gè)周向磁場(chǎng)和兩個(gè)縱向磁場(chǎng)。兩個(gè)周向磁場(chǎng)將小方坯圓周面分成兩個(gè)部分進(jìn)行磁化,強(qiáng)化與磁力線垂直方向的縱向裂紋缺陷,由于N極和S極磁軛需要布置空間,圓周方向的磁場(chǎng)布置只能錯(cuò)位分開布置,使磁場(chǎng)小方坯能覆蓋整個(gè)圓周表面;縱向磁場(chǎng)則能夠凸顯圓周方向的缺陷。如圖2所示,周向線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)A,可以覆蓋并磁化表面1和表面2;周向線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)B,可以覆蓋并磁化表面3和表面4。徑向線圈磁場(chǎng)可以長(zhǎng)度方向上覆蓋兩個(gè)線圈間的表面,如圖3所示。

圖2 周向磁場(chǎng)示意圖

圖3 徑向磁場(chǎng)示意圖

小方坯在輥道上經(jīng)過(guò)磁化裝置的磁場(chǎng)時(shí)被磁化,根據(jù)集膚效應(yīng),小方坯表面存在缺陷的地方會(huì)產(chǎn)生漏磁,當(dāng)磁粉液噴淋到表面時(shí),液體中磁粉顆粒會(huì)在漏磁的地方聚集,聚集的磁粉能夠標(biāo)識(shí)出缺陷的形貌,原理如圖4所示。

圖4 熒光磁粉成像原理示意圖

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,在磁化裝置前后配置光電開關(guān),檢測(cè)是否有小方坯通過(guò),僅當(dāng)小方坯通過(guò)時(shí),磁化線圈通電,才產(chǎn)生磁場(chǎng),并且磁粉液同時(shí)噴淋到小方坯表面。

1.3 視覺(jué)檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)檢測(cè)模塊主要由光源、工業(yè)相機(jī)和計(jì)算機(jī)模塊組成,如圖5所示。光源與工業(yè)相機(jī)布置現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線上,通過(guò)編碼器獲取生產(chǎn)速度,相機(jī)與生產(chǎn)速度同步采集圖像;計(jì)算機(jī)模塊布置在現(xiàn)場(chǎng)電氣室,現(xiàn)場(chǎng)采集的圖像通過(guò)網(wǎng)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)模塊,并在這里完成數(shù)據(jù)的分析、檢測(cè)結(jié)果的存儲(chǔ)和顯示等功能。

圖5 檢測(cè)系統(tǒng)成像布置

為了增強(qiáng)成像對(duì)比度效果,光源采用波長(zhǎng)380 nm的紫外光,紫外光源照射磁粉會(huì)激發(fā)產(chǎn)生波長(zhǎng)560 nm的綠色熒光;工業(yè)相機(jī)選型時(shí)芯片感光波長(zhǎng)與綠色熒光適配,能夠在圖像采集時(shí)對(duì)缺陷部位聚集的熒光獲得更鮮明的對(duì)比效果。

相機(jī)獲得成像小方坯材料的頭尾信號(hào)和生產(chǎn)速度信號(hào)。小方坯材料頭部到達(dá)相機(jī)時(shí),相機(jī)接受生產(chǎn)速度脈沖信號(hào),開始采集圖像;小方坯材料尾部到達(dá)相機(jī)時(shí),相機(jī)停止圖像采集工作。由此,多個(gè)相機(jī)作為數(shù)據(jù)采集單元能夠全面獲取小方坯的表面圖像數(shù)據(jù)。

檢測(cè)系統(tǒng)采用深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行缺陷檢測(cè)和識(shí)別。針對(duì)小方坯表面采集的圖像背景復(fù)雜且干擾背景具有較高的對(duì)比度,基于傳統(tǒng)梯度信息的檢測(cè)和識(shí)別算法很難過(guò)濾偽缺陷,采用深度學(xué)習(xí)算法能夠更好地對(duì)圖像進(jìn)行缺陷區(qū)域分割和缺陷識(shí)別。具體圖像處理和分析流程如圖6所示。

圖6 圖像處理流程

2 測(cè)試與驗(yàn)證

根據(jù)上述方案,加工、集成了1套小方坯表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng),安裝在寶鋼條鋼精整機(jī)組,如圖7所示。目前檢測(cè)系統(tǒng)軟硬件已經(jīng)投入使用,能夠穩(wěn)定工作,有效檢出裂紋缺陷。

圖7 設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝

檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行之前,先進(jìn)行磁敏片成像測(cè)試,驗(yàn)證小方坯磁化及成像狀態(tài)的穩(wěn)定性,如圖8所示。該方法能夠確保檢測(cè)性能對(duì)表面裂紋類缺陷有效成像,為檢測(cè)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖8 磁敏片成像效果

圖9給出檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行界面,界面顯示出檢測(cè)的物料信息和當(dāng)前物料的缺陷明細(xì),并給出缺陷的直觀圖像顯示和模擬位置分布。圖10給出了檢測(cè)缺陷與實(shí)際表面的對(duì)比效果,通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證了檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

圖9 檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行界面

圖10 裂紋缺陷及檢測(cè)圖像對(duì)比

3 結(jié)論

(1)本文設(shè)計(jì)并實(shí)施了1套小方坯表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng),借助熒光磁粉對(duì)細(xì)微裂紋的顯現(xiàn)能力進(jìn)行圖像采集和分析,能夠有效檢出裂紋缺陷。

(2)驗(yàn)證了采用波長(zhǎng)380 nm紫外光源搭配對(duì)560 nm波長(zhǎng)光譜敏感的工業(yè)相機(jī)的成像設(shè)計(jì)可行。

(3)針對(duì)修磨后小方坯成像背景復(fù)雜的情況,采用深度學(xué)習(xí)算法對(duì)裂紋缺陷進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了缺陷的有效檢出,也支撐了小方坯自動(dòng)表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

(4)該系統(tǒng)的應(yīng)用,推進(jìn)了小方坯精整線的自動(dòng)化進(jìn)程,提高了缺陷的檢出能力和效率,能夠提高生成速度和降低人工成本,具備向同類質(zhì)量需求推廣和應(yīng)用的能力。