一种钢材表面质量检测方法与流程

本发明属于钢材表面质量自动检测技术领域，涉及一种钢材表面质量检测方法。

背景技术：

在轧钢制备过程中，钢材表面容易产生辊印、粘结、压痕、折皱、划伤、结疤等不同种类的缺陷,直接影响了钢材的外观和质量。现多采用ccd成像的机器视觉检测技术检测钢材表面缺陷。

目前已有的采用ccd成像的检测技术如“一种基于gpu的钢板表面质量检测方法及系统”专利(专利号：cn103344648a)，通过ccd摄像机采集到钢板表面的图像后，先由cpu初步处理图像，再经gpu实时并行处理，最后通用计算机再对图像进行拼接、预处理、分割、特征提取、缺陷分类。此方法图像处理过程复杂，成本高。

再如“基于嵌入式钢板表面质量检测系统图像采集及预处理方法”专利(专利号：cn103884719a)，通过ccd相机采集到钢板表面的信息，需传输至嵌入式预处理平台，对采集到的图像数据进行时间标记、去噪、拼接预处理，判断钢板表面缺陷位置。图像处理的过程也很复杂，效率和准确率低。

而一种钢板涂层表面平整度的检查方法(如专利号：cn102042955a)，利用记号笔笔道的浸水可刮性，由残留笔印形状，判定涂层表面缺陷的类型和部位。虽然此方法不需复杂的图像处理过程，但是却需要先判断缺陷在整个涂层钢板上的大致部位，才能用记号笔进行检测。因此，此方法容易产生缺陷的漏检，无法完全保证钢板质量。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述问题和现有技术的不足而提供一种钢材表面质量自动检测方法。利用此检测方法能够方便快捷地检测出钢材表面缺陷的位置、大小、种类，具有准确率和精度更高，成本较低，容易实现，可靠性高，可用于产线质量检测的优点。本发明技术解决方案如下：

一种钢材表面质量自动检测方法，用于检测通过滚轴传动的钢材的上表面和下表面，所采用的检测系统包括：两个二维激光扫描传感器、控制单元、光电传感器、电气驱动模块以及机械装置，其中，

机械装置包括垂直导轨、通过竖向移动机构固定连接在垂直导轨的上横向导轨和下横向导轨、分别设置在两个横向导轨上的上横向移动机构和下横向移动机构；

竖向移动机构和两个横向移动机构与电气驱动模块的输出端相连，两个二维激光扫描传感器分别固定在两个横向移动机构上，在控制单元的控制下，由电气驱动模块实施运动控制：通过调整竖向移动机构的位置来调整两个横向导轨的高度，通过对两个横向移动机构的控制调整两个二维激光扫描传感器的横向位置，从而使得其产生的二维激光束与被检测钢材表面垂直，能够覆盖被测钢材宽度；

光电传感器用于检测钢材是否到达和离开检测位置并向控制单元发送检测信号；

所实现检测的方法，包括以下步骤：

1)光电传感器检测到被测钢材，即向控制单元发送检测到钢材进入检测区的信号，则控制单元向上下两个二维激光扫描传感器发送指令，使它们同时开始对钢材表面进行连续数据扫描；光电传感器检测不到被测钢材，即向控制单元发送检测不到钢材的信号，则控制单元向上下两个激光传感器发送指令，使它们停止对钢材表面的数据扫描；

2)控制单元实时接收来自上下两个激光传感器的钢材表面数据，接收完数据判定钢材表面质量是否合格的步骤为：

a)根据钢材表面缺陷几何特征，包括缺陷面积、深度、体积和位置，建立钢材表面缺陷分类器；

b)对接收的每个数据帧进行数据预处理，只保留被测钢材部分的数据；每一帧数据依次存放在一个二维数组中，该数组的每一列存放一帧数据，存放位置由采集时间顺序排列；

c)由采集的数据形成完整的钢材上下表面轮廓曲线；

d)提取钢材表面缺陷部分轮廓曲线；

e)提取缺陷部分的几何特征，计算钢材表面缺陷水平；钢材表面缺陷水平在制造商提供的合格标准范围内时判断为钢材表面质量合格，超过制造商提供的合格标准范围时判断为钢材表面质量不合格；

f)将不合格钢材的表面缺陷部分几何特征输入钢材表面缺陷分类器；

g)钢材表面缺陷分类器输出缺陷类型。

本发明提出的通过使用二维激光扫描传感器、光电传感器以及控制单元等实现对钢材表面质量自动检测的检测系统和检测方法，利用激光测距的原理，采集钢材表面的数据信息，形成钢材表面轮廓曲线，进而可检测出钢材表面缺陷的位置、大小、种类的具体信息。本发明采集到的表面数据信息可以直观、清晰地反映钢材表面情况，克服了目前多采用的ccd成像检测技术中钢材表面缺陷特征微弱、缺陷边界模糊时，难以识别、处理缺陷的问题。并且激光传感器采集的数据信息在钢材移动方向上边界已经确定，此方向不再需要预处理。方法简单容易实现，准确率和精度更高，成本低，可靠性高，可用于产线质量在线检测。

附图说明

图1是用于检测钢材表面质量的检测系统的硬件结构示意图；

图2是用于检测钢材表面质量的检测系统的硬件结构示意图的正视图；

图3是用于检测钢材表面质量的检测系统的硬件结构示意图的侧视图；

图4是用于检测钢材表面质量的检测系统中各模块的工作关系结构框图；

图5是用于检测钢材表面质量的检测方法的程序流程图；

图6是表面有凸起缺陷的钢材表面数据信息形成的轮廓曲线示意图；

图7是表面有凸起缺陷的钢材表面数据信息形成的缺陷部分的等高线图；

图8是表面有凹陷缺陷的钢材表面数据信息形成的轮廓曲线示意图；

图9是表面有凹陷缺陷的钢材表面数据信息形成的缺陷部分的等高线图。

图中：1钢材、2垂直导轨、3横向导轨、4滚轴、5移动机构、6二维激光扫描传感器、7激光束、8光电传感器

具体实施方式

下面结合附图及具体实施过程对本发明作进一步具体详细描述。

如图1所示的检测系统，用于钢材表面质量自动检测，包括：二维激光扫描传感器、控制单元、光电传感器、电气驱动模块以及机械装置。机械装置包括垂直导轨、横向导轨、移动机构。

垂直导轨和横向导轨上分别设置有移动机构；移动机构与电气驱动模块的输出端相连；钢材传送至检测区域，待光电传感器检测到钢材到达检测区一定时间秒后，上下激光传感器开始采集数据。

二维激光扫描传感器固定在移动机构上，其产生的二维激光束与钢材表面垂直，能够覆盖被测钢材宽度。

电气驱动模块包括伺服电机、传动机构及其运动控制模块等。

电气驱动模块、导轨和移动机构的工作方式是：①钢材检测前，竖向移动机构在垂直导轨上移动，调整到合适高度，横向移动机构带动二维激光传感器在横向导轨上移动，调整到合适位置；②此过程通过电气驱动模块来实施运动控制，控制指令由控制单元产生。

控制单元功能是：

1)检测前，设定滚轴角速度为ω1，则有钢材在滚轴上的运动速度v1＝ω1r，其中r是滚轴的半径；

2)检测前，给电气驱动模块发送控制指令，使其驱动移动机构沿导轨移动，调整激光传感器到合适的位置；

3)控制单元检测到光电传感器输出量由0跳变为1时，向上下两个二维激光扫描传感器发送指令，使它们经过时间t0

t0＝s/v1＝s/(ω1r)

同时开始对钢材表面进行连续数据扫描；

4)控制单元检测到光电传感器输出量由1跳变为0时，向上下两个二维激光扫描传感器发送指令，使它们经过时间t0同时停止对钢材表面的数据扫描；

5)控制单元接收来自二维激光扫描传感器的数据，按采集时间顺序排列存储到内部一个二维数组中，每个二维数组的列数通过下面的方法来确定：设激光传感器的采样频率是fs，则采样间隔为ts＝1/fs。设待检测钢材长度为l1，而钢材在滚轴上的运动速度为v1,则一块钢材需要被采样的时间为t1＝l1/v1。所以一块钢材需要激光传感器采样的次数

n1＝t1/ts＝l1*fs/(ω1*r)。

即检测这样的一块钢材的一面，控制单元需要建立一个列数为n1的二维数组；

6)运行数据处理算法，形成钢材表面轮廓曲线，并根据客户提供的钢材表面质检标准，来判定钢材表面质量是否合格。

如图2和图3所示的用于检测钢材表面质量的检测系统，用于钢材表面质量自动检测。

如图4所示的是用于检测钢材表面质量的检测系统中各模块的工作关系结构框图：

1)控制单元与光电传感器的输出端相连，控制单元根据光电传感器送来的检测开关信号控制激光传感器的数据采集与否；

2)控制单元的输出端和电气驱动模块的输入端相连，控制单元向电气驱动模块发送指令，让其驱动移动机构移动；电气驱动模块的输出端和移动机构的输入端相连，移动机构和二维激光扫描传感器、导轨分别相连；在检测之前，横向导轨两端的移动机构带动横向导轨上下高度调整，与激光传感器连接的移动机构可以带动激光传感器在横向导轨上移动；

3)激光传感器的与控制单元双向连通，一方面，控制单元接收到光电传感器输出的由0到1的跳变后，向二维激光传感器输送触发脉冲，使其开始采集钢材表面数据；控制单元接收到光电传感器输出的由1到0的跳变后，向二维激光传感器输送触发脉冲，使其停止采集钢材表面数据；另一方面，激光传感器采集到的钢材表面数据信息发送给控制单元，控制单元建立二维数组存储采集到的数据信息；

4)控制单元与滚轴相连，可以控制滚轴的转速v1。

如图5所示的是用于检测钢材表面质量的检测方法的程序流程图。

如图6、图8所示的分别是表面有凸起、凹陷缺陷的钢材表面数据信息形成的轮廓曲线示意图。每一条曲线是二维激光扫描传感器采集一次得到的数据形成的曲线。曲线从左到右按时间顺序排列。即可完整表示出钢材表面的情况。可以清晰地看出钢材表面缺陷的位置、面积、深度、类型等各类具体信息。

如图7、图9所示的分别是表面有凸起、凹陷缺陷的钢材表面数据信息形成的缺陷部分的等高线图。等高线图把钢材表面中有缺陷的部分提取了出来，直观地可以看出缺陷的位置，大小。

综上所述，用于钢材表面质量自动检测系统是通过如下步骤实现的：

1)检测前，控制单元设定滚轴角速度为ω1；

2)钢材送检前，控制单元向电气驱动模块发送指令，使其控制移动机构沿导轨移动至合适位置，使与被检测钢材表面垂直的二维激光束能够覆盖被测钢材宽度；

3)钢材在滚轴上以速度v1(v1＝ω1*r，其中r是滚轴的半径)传送至检测区域；

4)光电传感器在二维激光扫描传感器之前距离为s的位置，当其输出的开关信号量为0时表示当前没有钢材进入检测区域，则二维激光扫描传感器不需要工作；

5)光电传感器的输出开关量由0跳变为1时，表示检测到钢材的一侧边沿，此时控制单元检测到光电传感器输出量的跳变，向上下两个二维激光扫描传感器同时发送指令，使它们经过时间t0

t0＝s/v1＝s/(ω1r)

同时开始对钢材表面进行连续数据扫描；

6)光电传感器的输出开关量为1时，表示此钢材尚未检测完，则二维激光扫描传感器继续同步对钢材表面进行连续数据扫描，扫描到的数据即为扫描点与传感器的距离数据信息，并把数据输出给控制单元；

7)光电传感器的输出开关量由1跳变为0时，表示检测到钢材的另一侧边沿，此时控制单元检测到光电传感器输出量的跳变，向上下两个二维激光扫描传感器发送指令，使它们经过时间t0同时停止对钢材表面的数据采集，至此一块钢材的上下表面数据信息采集完毕；

8)控制单元实时接收来自上下两个二维激光扫描传感器的钢材表面数据，进行相应地数据处理，判定钢材表面质量是否合格。

用于检测钢材表面质量所采用的数据处理方法为：

1)控制单元建立两个二维数组，分别用于存放钢材上下表面数据；

2)其中，每个二维数组的列数通过下面的方法来确定：设激光传感器的采样频率是fs，则采样间隔为ts＝1/fs。设待检测钢材长度为l1，而钢材在滚轴上的运动速度为v1,则一块钢材需要被采样的时间为t1＝l1/v1。所以一块钢材需要激光传感器采样的次数

n1＝t1/ts＝l1*fs/v1＝l1*fs/(ω1*r)

即检测这样的一块钢材的一面，控制单元需要建立一个列数为n1的二维数组；

3)对所接收的二维激光扫描传感器数据的每一个数据帧进行数据预处理，只保留被测钢材部分的表面数据，并将每一帧数据依次存放在一个二维数组中，该数组的每一列存放一帧数据，存放的位置根据采集时间顺序排列，即第1次采集的放第1列，第n1次采集的放第n1列，直至完成所有钢材表面数据的采集，将所采集的所有数据形成完整的钢材上下表面轮廓曲线；

4)根据钢材表面缺陷几何特征(如面积、深度、体积、位置)建立钢材表面缺陷分类器；

5)提取钢材表面缺陷部分轮廓曲线；提取缺陷部分的几何特征，计算钢材表面缺陷水平；钢材表面缺陷水平在制造商提供的合格标准范围内时判断为钢材表面质量合格，超过制造商提供的合格标准范围时判断为钢材表面质量不合格；

6)将不合格钢材的表面缺陷部分几何特征输入钢材表面缺陷分类器；钢材表面缺陷分类器输出缺陷类型。