钢板表面缺陷检测光学系统的设计

　　冷轧钢板是汽车、电机、化工、造船等工业不可缺少的原材料, 近年来, 钢板的需求量不断增加, 这些钢板要求具有较高的表面质量。而在其轧制过程中, 由于连铸钢坯、轧制设备、轧制工艺等原因, 导致轧制钢板表面出现了裂纹、氧化皮、结疤、辊印、刮伤、孔洞、针眼、鳞片、表皮分层、麻点等缺陷, 这些缺陷不仅影响了产品外观, 更重要的是降低了产品的抗腐蚀性、抗磨性、疲劳极限等使用性能。目前, 美国等发达国家, 在冷轧钢板轧机、热轧型钢, 以及酸洗线和镀锡线上, 均采用了表面缺陷在线检测系统[ 1] 。而表面检测系统的发展趋势是采用激光扫描或CCD 视觉技术检测钢板表面缺陷。因此, 钢铁公司提出的冷轧钢板生产线上的表面缺陷进行在线检测课题, 与国家质量技术监督局锅炉压力容器检测研究中心合作, 采用线阵CCD 扫描, FPGA 与DSP柔性结合实现图像实时处理、缺陷分类, 达到对钢板表面缺陷的计算机视觉无损在线检测。

　　根据设计样机的技术要求: 横纵向检测分辨力为0. 8 mm* 0. 8 mm, 单台检测系统检测钢板宽度小于或等于1 800 mm, 系统正常运行范围: 钢板运行速度( 0~ 1. 5 m/ s) , 钢板跳动振幅不大于1 mm,缺陷尺寸检测误差不大于1 mm。针对检测要求,我们对检测系统的光学部分进行了如下设计。

　　1 光学系统组成及原理

　　光学系统位于检测系统的前端, 其性能直接影响着采集图像的质量, 后续图像算法处理。因此, 光学系统的设计是决定表面检测系统成功与否的主要因素。光学系统由下面几部分组成: 光源系统、成像模块及接收模式组成, 下面分别加以介绍。

　　1. 1 光源系统

　　用于检测钢板表面缺陷的理想的光源和光控系统应能满足下列要求: 可以调节光的照度以提高图像质量, 结构紧凑, 以便安装在有限的空间中, 不仅能按照生产线速度, 而且能根据产品表面的光洁度来调节光的照度。光源控制器是用来控制光源照度的。在实际生产中, 钢板线速度经常发生变化, 光源所发出的能量也必须做出相应的变化, 使摄像系统所获得的图像质量( 包括明暗程度、反差和分辨率)保持不变。因此, 在选择线光源时, 需考虑在特定的检测线上能使待检缺陷以尽量高的分辨率得到复现。另外, 光源等级与钢板速度、最大检测分辨率有着特定的关系。其中特别是光源的均匀性和强度必须满足很高的要求, 因为这直接影响图像质量和检测性能。为达到这一目的, 我们选择了一种新型的红色LED 线光源, 光源长度足够覆盖整个板宽( 1. 8m) 以照明板面。这种LED 光源具有如下特性: 快速达到照明稳定状态, 高照度输出, 高均匀性( ?10% ) , 寿命长( 100 000 h) , 光源自身实现线聚焦照明。光源发光投射在待检钢板表面板宽方向形成一道狭细、均匀照明的亮带。而且, LED 线光源照明波长与我们选用的线阵CCD 传感器件( IT - P4 型CCD 器件, 加拿大Dalsa 公司生产) 的峰值响应波长相互匹配, 这使得线阵CCD 传感器能以很高的灵敏度完成光电转换。