Cognex表面检测系统在硅钢酸轧线中的改造应用

张国忠，林育兹，刘永春

(厦门大学嘉庚学院 机电工程系，福建 厦门 361000)

摘 要：介绍了Cognex 表面检测系统的基本原理、构成和在硅钢酸轧线中的应用情况。对其在运行过程中出现的四类问题加以分析说明，并从中找到合适的解决方案对其进行了改造。结果表明：该改造方案能够使检测光源亮度波形明显好转，降低了设备维护难度及减少了机组停机时间，保证了钢带产品的生产质量。

关键词：表面缺陷；缺陷检测；光源；摄像机；编码器

中图分类号：TM701.3 文献标识码：B 文章编号：1007-3175(2016)07-0038-03

Transform and Application of Cognex Surface Detection System for

PL-TCM of Silicon Factor

ZHANG Guo-zhong, LIN Yu-zi, LIU Yong-chun

（Department of Mechanical and Electrical Engineering, Xiamen University Tan Kee College, Xiameng 󰀳6󰀱000, China）

Abstract: Introduction was made to the fundamental principle, composition of Cognex surface detection system for the PL-TCM of Silicon, this paper analyzed various problems and failures arising in the operational process and found out the right solution to tackle the problems of their transformation. The results show that the modification scheme could make the detection light source luminance waveform come a long way and reduce the difficulty of equipment maintenance and the time of unit machine halt, which guarantees the production quality of steel belt. Key words: surface defect; defect detection; light source; vidicon; encoder

随着科学技术的不断发展和人民生活的提高，对带钢的表面质量要求越来越高。如何检测出带钢表面缺陷并加以控制，是钢铁企业生产过程中的关键环节。Cognex是机器视觉系统、软件以及自动化生产中使用的传感器、装配机器人的制造商。某钢铁公司硅钢分厂在酸洗连轧线投产初期采用的是Cognex表面质量检测系统(以下简称：硅钢表面质量检测系统)，它为生产作出了积极贡献。由于此设备年久失修，已不能适应对产品质量的不断提高、节约生产成本等的要求，所以与有关部门合作对硅带钢表面质量检测系统进行了改造。

带钢表面，其缺陷将导致带钢表面粗糙度和反射平面法线方向发生变化，进而引起反射光及散射光强度的变化，反射光和散射光中均包含有缺陷的信息。摄像机摄取曲线图像，进行数字处理，提取特征值，在缺陷分类库里进行对比，即可以获得钢带表面的缺陷信息。此系统在线检测装置采用的是固体摄像器件CCD检测法。对带钢表面进行逐行扫描，从而完成扫描检测。其主要设备包括上下表面的检测单元、图像数据转换单元、图像数据处理单元、图像数据记录单元、网络设备等[1]。

原硅钢表面质量检测系统的主要问题有以下四个方面：

(1)原光源容易发生故障。原光源通过2个110V一组的卤素气体灯来提供，光源将电源和卤素气体灯组合在一个光源箱中，再由光纤传输到光带上作为检测光源。电源工作在高热的环境中，现

1 系统问题所在

硅钢表面质量检测系统工作原理是：光源照射

作者简介：张国忠(1951- )，男，教授，硕士，硕士生导师，研究方向为计算机网络、智能电网、系统辨识、优化计算等；

林育兹(1959- )，男，高级工程师，本科，硕士生导师，研究方向为系统检测研究与应用； 刘永春(1955- )，男，副教授，本科，研究方向为传感器研究与应用。

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Cognex表面检测系统在硅钢酸轧线中的改造应用场环境较差，灰尘铁粉易进入电源中使之不能正常工作。随着设备老化等原因使其变化尤其明显，极大地影响了检测效果。灯泡的使用寿命比较短，需要时常更换灯泡，加大了维护难度。

(2)缺陷库待升级。在检测中存在着缺陷误判断、不能判断等问题。

(3)摄像头调节问题。原摄像头调节是由一个可以控制摄像头上下、左右运动的小电机完成，当小电机损坏后，摄像头调节异常困难，只能通过现场试探的方法完成。现场一般不能看到摄像头的实时位置是否对准目标，加之不能稳定紧固摄像头，因此摄像头经常偏离正确位置，极大影响了系统的正常工作。

(4)编码器损坏问题。检测系统的摄像机子系统使用一自带光轴的编码器，使之与被检测目标同步，这是保证系统能始终如一地检测与精确分类的必要条件。编码器分为机械部分和电子部分，电子部分负责对机械部分测出的测量辊转速进行转换，经过计算得到钢卷的速度。机械部分是一个连杆，它通过一个紧固螺丝与连接销相连，连接销再与测量辊相连，这样能保证编码器连杆转速与测量辊的转速同步。编码器连杆与连接销连接截面图如图1所示。

测量辊紧固螺丝编码器连接销编码器连杆图1 连接销与编码器连接截面示意图

编码器轴每旋转一圈，编码器产生一个电脉冲。摄像机接收到这些脉冲信号后，通过对脉冲的计数，计算目标运动的位置和速度，并保持精确的分辨率。测量辊高速旋转时很容易造成紧固螺丝与编码器连杆的磨损，当磨损到一定程度时它就不能固定连杆，于是连杆与螺丝之间打滑，造成测量辊的速度不能真实地传递到编码器，由此产生由表面缺陷检测系统计算出的钢卷速度与现场钢卷运行的速度不同步的问题，这将使现场操作人员不能找到钢卷缺陷的确切位置，进而威胁轧机安全；造成编码器连杆和编码器的损坏，使检测精度大打折扣。编码器非常昂贵，对降低成本非常不利。

电工电气 (20󰀱6 No.7)

2 系统改造方案

上述问题有时单个出现，有时几种情况叠加同时发生，极大影响了检测效果，甚至终止检测。为了使系统稳定，更好地为生产服务，必须要有完整的整改方案：

(1)针对原光源容易发生故障问题，先后采取了两套方案进行实施。原有光源灯箱冷却系统采用的是大气直接吹扫，它无法有效地降低灯箱内的温度，于是采用了涡流管冷却系统。通过这一系统将气体冷却，然后吹入灯箱。涡流管的优点是结构简单，维护方便，启动快，且能达到比较低的温度。在方案实施后确实在一段时间内保证了灯箱内部温度在正常工作范围内。由于灯箱本身结构所限，箱内只有一个排气口，无法使空气形成对流，可导致吹入箱内空气过冷，产生积水，造成电源等部件烧毁。因此在此基础上进行了第二次改造。

采用全新的LED冷光源取代原光源。利用LED光源具有体积小、质量小、便于集成、工作电压低、耗电少、发光亮度高、亮度便于调节等优点。LED透过磨砂玻璃后所射出的光可近似看成均匀散射光，能使照明系统对带钢的振动不敏感，即带钢的振动对正常的检测没有太大的影响。

改造好后，因为省去了光纤传输光源到灯带上这一步骤，不仅减少了维护设备，而且提高了光源发光效率，使光的强度、光源的使用寿命得到很大提高。

与此同时，这套方案还使光源与电源分离，将电源箱安置在专门的房间里，与现场恶劣的环境隔离，并在电源箱中配置了空调系统，能够实时调节电源箱内部温度，使电源能更加安全、可靠工作。为实时掌握光源的实时运行情况，在电源系统上配备了光源电压数字显示调节装置。通过这一装置能直观地了解光源的发光情况。当光源发光强度不理想时，可及时调节电压和电流，使之保证正常亮度。

(2)升级缺陷库。缺陷判定的关键是分类缺陷库和缺陷判定规则，前者分类库越全面，则现场缺陷越容易判定；而后者是规则库缺陷判定的规则程序，程序越优化、定义越准确，则现场缺陷越容易判断准确[2]。将软件升级后，在一定程度上解决了缺陷误判断、不能判断等问题。

(3)更换摄像机。将原摄像头调节装置改换成

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电工电气 (20󰀱6 No.7)Cognex表面检测系统在硅钢酸轧线中的改造应用不易损坏且工作可靠的自动调节装置，新装置只有两个调节螺丝，转动前面的螺丝可调节摄像头左右位移，转动后面的螺丝调节摄像头上下位移，而且调整准确后能紧紧锁定位置，这样就降低了维护难度，保证了系统核心部分长期稳定的工作。

(4)编码器固定优化。对此提出了三种方案：方案一：采取在紧固螺丝与编码器连杆上表面之间添加一个垫片，因此增强了连接效果，当连接销高速旋转时仅磨损垫片，不磨损连杆或者减少对编码器连杆的磨损，这种方案成本很低。缺点是要不定时地更换垫片，增加了平常的维护难度。

方案二：在编码器连杆相应位置上钻一个眼，使紧固螺丝能与编码器连杆连为一体，这样可以解决速度不同步的问题，但是每次更换编码器时，在新的编码器连杆上钻眼，这也为平常的维护增加了难度。

方案三：如图2所示，其为编码器连杆与连接销连接截面图。

从图中可以看出通过在连接销里层相关位置按照编码器连杆的形状进行加工，在连接销内部对编码器连杆缺失的那一部分进行补充，加工出一个刚好能嵌套编码器连杆的形状。连接销就能紧紧地固定编码器连杆，再附以紧固螺丝，这样就使原本一种紧固方式变为两种紧固方式，增加了紧固程度和稳定性，较大地减小了日常的维护量，加工成本不高。从中可以看出方案三是最优的。

3 结语

经过以上针对性的改造实施，使得硅钢酸轧线硅钢表面质量检测系统检测光源亮度波形明显好转，误缺陷判断减少，缺陷判断正确率提高，寻边相对准确，能及时发现钢带缺陷，保护了关键设备，降低了设备的维护难度、有效地减少了因钢带缺陷造成的断带故障，减少了机组停机时间。达到了预期目的，保证了钢带产品的生产质量。整个改造总投入为30万元，综合年创造经济效益约256万元。

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图2 方案3编码器连杆与连接销连接截面图收稿日期：2016-04-13

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收稿日期：2016-04-06

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