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CN103543161A - 一种连铸坯表面质量在线检测方法 - Google Patents

一种连铸坯表面质量在线检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种连铸坯表面质量在线检测方法，采用激光光源作为照明设备，以工业级高精度相机作为图像采集设备，于相机上设置对应的滤光片；当激光光束照射到铸坯表面时，氧化皮、裂纹、凹陷、划伤、渣坑等不同的铸坯表面区域对激光的吸收、反射、折射不一样，这些区别由相机采集并以图像的形式表现出来，然后经缺陷检测算法对图像中存在的缺陷进行定位、分类、保存、报警。通过本发明所述的检测方法，采用高功率激光光源与工业线阵相机相结合，解决了连铸坯表面检测现场图像采集困难的技术问题；数据传输、存储、处理采用分布式结构，系统稳定性高，存储和处理速度快；图像处理算法紧扣被检测物的特征，检测准确率高。

Description

一种连铸坯表面质量在线检测方法
技术领域
本发明属于铸坯质量检测领域，具体公开了一种连铸坯表面质量在线检测方法。
背景技术
连铸坯在生产过程中，受铸机性能和连铸工艺的影响，不可避免的会产生横纵裂纹、皮下针孔、夹渣、凹陷等各种表面缺陷。这些缺陷严重影响铸坯的品质，甚至导致铸坯报废；带缺陷的铸坯流入连轧环节，轻则影响轧制产品的品质，重则导致轧制产品报废。如表面质量要求高的汽车板、家电用板等,如果铸坯表面有小的瑕疵,轧制成材后将扩大成几米的缺陷，因此钢铁行业越来越重视铸坯表面质量的检测，一般都有专门的工序和人员负责铸坯表面质量的检测。人工检测的缺点是：1.检测结果受检测人员主观因素的影响，缺乏准确性、可靠性和完整性；2.只能在铸坯静止或运动速度非常慢的情况下检测，并且不能检测微小的缺陷；3.下表面检测非常困难，需要通过翻板工序实现或设置专门的下表面检测反光镜并安排专门的人员进行。4.检测到的缺陷数据不能保存，无法掌握关于产品表面质量的历史数据，无法对数据进行统计分析，并以此来指导生产；5.现场温度高，尤其在夏天，检测人员工作条件非常辛苦，无法长时间连续工作。
随着生产效率的提高，对连铸坯表面质量检测提出了更高的要求，传统的人眼目测的方式已经不适应生产需求。目前对铸坯表面质量进行在线检测一般采用机器视觉的方式，按照原理主要分为两类：一种二维成像方法是采用大功率面阵灯或灯组（如卤素灯）作为光源，用线阵相机或面阵相机作为图像采集的传感器。相机采集图像以后，利用工控机对图片进行处理，将图片中的缺陷定位出来；另一种三维成像方法则是采用结构光激光发生器作为照明光源，将发出的多条激光束投射到高温铸坯表面，以面阵CCD摄像机为图像采集装置，在线采集高温铸坯表面反射的激光光线，计算机的算法提取激光线束上所代表的缺陷深度信息，从而得到铸坯该横向位置缺陷深度组合成的一维距离矩阵，一维距离点阵映射为不同灰度级的灰度图像，拼接不同灰度级的灰度图像从而得到整体灰度图像，最后识别铸坯表面缺陷并重构铸坯表面三维形貌图。
对于二维成像方法，铸坯温度超过800℃，本身就是一个发红发亮的光源，以卤素灯作为面阵光拍摄到的图片往往受到铸坯发光的干扰而模糊，大大降低了后续缺陷检出的可能性；面阵光源的出光口比较大，在连铸生产现场高温高粉尘的环境下日常清洁维护的工作量非常大；卤素灯光源的使用寿命仅为一个月左右，长期使用起来成本较高；如果采集相机用的是面阵相机的话，其分辨率有限制，当被检测物速度快时，相机的采集速度将达不到要求。而三维成像方法个别缺陷无法检测出来；此外，对于设备的安装角度、现场使用环境有很高的要求，检测结果非常容易受到外部因素干扰，因此难以大范围使用。
综合上述原因，提供一种供生产现场使用的图像清晰、维护方便、系统稳定检测结果不易受外部干扰的连铸坯表面质量在线检测方法成为本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于工厂生产现场，成像清晰，使用、维护方便，检测结果不易受外部环境干扰的连铸坯表面质量在线检测方法，为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种连铸坯表面质量在线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）以高功率激光器作为光源，垂直安装于铸坯上方，对铸坯表面横向进行照射得到激光线束；
2）以线阵CCD相机扫描所述激光线束，进行数据采集并显示；
3）对采集的图像进行传输、处理、储存；
4）利用缺陷检测算法对所述图像中存在的缺陷进行定位、分类、保存、报警。
优选地，步骤1）所述激光光源是由一个点经过扩束装置形成的光斑。
优选地，所述光斑宽度为2-5cm，长度为0.5-2.5m。
优选地，步骤2）所述线阵CCD相机上加装有特定颜色滤光片，垂直安装于铸坯上方，且相机传感器中心和所述激光扩束装置中心在同一条直线上。
优选地，所述滤光片为绿色或蓝色。
优选地，所述图像的传输、处理、存储采用分布式的结构。
优选地，步骤3）所述图像处理过程包括图像预处理，图像目标分割，目标缺陷特征提取，缺陷分类判断四个步骤。
优选地，利用高斯滤波对图像进行预处理；图像目标检测通过图像分割来实现；所述目标缺陷特征包括纹理特征、灰度特征、频谱特征、形状特征、投影特征。
优选地，通过图像区域像素对的灰度特征得到特征参数，采用所述特征参数得到灰度共生矩阵，以所述灰度共生矩阵来表示所述纹理特征。
有益效果
由于采用了上述技术方案，本发明具有以下优点：
①采用高功率激光器和工业线阵相机相结合，解决了连铸坯表面检测现场图像采集的技术难题；
②数据传输、处理、存储采用分布式的结构，使用简便，系统稳定性高，存储和处理速度快；
③图像处理算法紧扣被检测物的特征，检测准确率高。
附图说明
附图1为表面质量检测示意图；
附图2为系统数据传输、处理、存储结构图；
附图3为数据处理流程图；
附图4为缺陷特征提取框图。
具体实施例
下面结合附图对本发明做进一步说明。
考虑到现场环境的复杂性，连铸坯表面质量检测设备采用桥架式安装，桥架本身采用半密闭的结构用于屏蔽高温连铸坯的辐射热；通过具有防水防尘的检测箱来保护检测设备，检测箱的防护等级达到IP54。检测箱冷却方式可采用风冷、水冷和空调恒温控制等，通过这几重保护检测设备的工作环境温度不超过35℃。
现场被检测的在线连铸坯温度在800℃以上，本身就是一个发光体，为了避免其本身的发光对成像造成影响，本发明采用大功率单线型激光器进行照明，一般选用绿色或蓝色的激光器，在相机上设置相应的绿色或蓝色的滤光片。而为了适应较高的采集速度和高达0.02mm的检测精度，本发明选用了高性能的线阵CCD。激光器和相机都垂直铸坯表面安装，且激光扩束装置中心和线阵相机的传感器中心在同一条直线上，根据需要调整激光扩束装置和相机间的距离。由于激光光源具有方向性强，单位面积发光效率高的特点，同等面积下强度是卤素灯的几倍，完全可以克服因为光照不够而引起的图像模糊问题；激光的使用寿命长（超过1年）避免了卤素灯需要频繁更换维护的问题。本发明所述的方法使用的激光光源是由一个点经过扩束装置扩束成光斑的，所以它的出光口一般在200mm*40mm以内，可以解决前面卤素灯出光口较大维护工作量大的问题；本发明中的激光只做光源用，激光线束不直接参与检测结果计算，且激光光斑有2-5cm的宽度，所以激光的安装高度和角度不会直接影响检测结果，即使现场因为振动导致相机出现少量偏移也不会影响成像效果和检测结果；本发明中采用线阵相机，可以在单方向上做很大的分辨率，可以解决微小缺陷的成像需求。
如附图2所示，本发明图像数据的传输、处理、存储采用分布式结构，使用简便、稳定性高，存储和处理速度快。
如附图3所示，本发明的图像处理的过程分为图像预处理，图像分割，缺陷特征提取，缺陷分类这几个步骤。受现场环境的影响，系统会采集到一些无效的图片，部分图片也会受到现场噪声的影响。为了保证检测速度和效果，必须对图像进行预处理。一般是采用中值滤波方法，可以抑制噪声，得到更加清晰干净的图片。但是中值滤波对缺陷的边缘会有一定影响，所以本发明采用高斯滤波，对缺陷的边缘保护得更加好。图像的目标检测是判断图像中是否存在缺陷、图像中哪些区域有可能存在缺陷。在图片的可疑区域进行目标分割。将缺陷与周围多余的背景分割开来，能够更加清晰的看到可疑区域的纹理，而不受到背景的影响。鉴于缺陷区域与背景区域灰度的变化，采用的边缘检测方法包括sobel边缘检测、canny边缘检测还有模糊C均值聚类算法、水平集分割算法。
如附图4所示，对缺陷的特征提取包括灰度特征、形状特征、纹理特征、投影特征、频谱特征，通过对特征的分析确定可疑区域是否为缺陷、缺陷类型。通过图像区域像素对的灰度特征得到特征参数，采用所述特征参数得到灰度共生矩阵，以所述灰度共生矩阵来表示所述纹理特征。对灰度共生矩阵进行多种矩阵特征分析来得到相应的特征向量，主要有二阶矩、对比度、相关性、熵、方差、逆差距。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种连铸坯表面质量在线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）以高功率激光器作为光源，垂直安装于铸坯上方，对铸坯表面横向进行照射得到激光线束；
2）以线阵CCD相机扫描所述激光线束，进行数据采集并显示；
3）对采集的图像进行传输、处理、储存；
4）利用缺陷检测算法对所述图像中存在的缺陷进行定位、分类、保存、报警。
2.根据权利要求1所述一种连铸坯表面质量在线检测方法，其特征在于：步骤1）所述激光光源是由一个点经过扩束装置形成的光斑。
3.根据权利要求1或2所述一种连铸坯表面质量在线检测方法，其特征在于：所述光斑宽度为2-5cm，长度为0.5-2.5m。
4.根据权利要求1所述一种连铸坯表面质量在线检测方法，其特征在于：步骤2）所述线阵CCD相机上加装有特定颜色滤光片，垂直安装于铸坯上方，且相机传感器中心和所述激光扩束装置中心在同一条直线上。
5.根据权利要求1或4所述一种连铸坯表面质量在线检测方法，其特征在于：所述滤光片为绿色或蓝色。
6.根据权利要求1所述一种连铸坯表面质量在线检测方法，其特征在于：所述图像的传输、处理、存储采用分布式的结构。
7.根据权利要求1所述一种连铸坯表面质量在线检测方法，其特征在于：步骤3）所述图像处理过程包括图像预处理，图像目标分割，目标缺陷特征提取，缺陷分类判断四个步骤。
8.根据权利要求7所述一种连铸坯表面质量在线检测方法，其特征在于：利用高斯滤波对图像进行预处理；图像目标检测通过图像分割来实现；所述目标缺陷特征包括纹理特征、灰度特征、频谱特征、形状特征、投影特征。
9.根据权利要求1或7所述一种连铸坯表面质量在线检测方法，其特征在于：通过图像区域像素对的灰度特征得到特征参数，采用所述特征参数得到灰度共生矩阵，以所述灰度共生矩阵来表示所述纹理特征。
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