WO2003067188A1 - Verfahren und vorrichtung zum optischen messen der oberflächenform und zur optischen oberflächeninspektion von bewegten bändern in walz- und weiterbearbeitungsanlagen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum optischen messen der oberflächenform und zur optischen oberflächeninspektion von bewegten bändern in walz- und weiterbearbeitungsanlagen Download PDF

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strip
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measuring
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Hagen Krambeer
Ulrich Müller
Gustav Peuker
Harald Peters
Detlef Sonnenschein
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Bfi Vdeh - Institut Für Angewandte Forschung Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method and device for the optical measurement of the surface shape and for the optical surface inspection of moving strips in rolling and further processing plants.
  • the strip flatness is therefore preferably measured contactlessly in hot strip mills.
  • it is known to measure flatness deviations with the aid of light points projected onto the strip.
  • the spatial position of the light spot which is preferably generated with the aid of a laser beam on the strip surface, is detected with a distance sensor.
  • the two plane location coordinates of a certain surface point are known from the relative position between the scanning or illuminating beam and the surface of the strip.
  • the height coordinate of the surface point that is currently being measured is detected by a location-sensitive detector. With the height coordinate, the position of the imaging point on the sensor changes at the same time.
  • a flatness image can be created across the entire width of the strip, which is composed of the measurement results of the light points projected onto the strip at certain intervals.
  • the areas between the light points are which, however, are not recorded in this method and form strip-shaped measurement gaps in the case of a continuous strip, the flatness of which is not determined.
  • An interference pattern is generated on the object surface by means of a light source.
  • CCD Charge-Coupled Device
  • the camera is arranged so that there is an angle between the surface light source and the camera.
  • a reference grid in the image plane creates a so-called moire effect by superimposing the recorded pattern on the reference pattern.
  • the height differences can be determined quantitatively from the Moire lines.
  • Moire technology provides more precise measurement results than measuring with light points; it also covers essentially the entire measurement area and avoids the measurement gaps mentioned above. However, use in a hot strip mill is problematic.
  • a device for measuring the surface of a metal strip is known from US Pat. No. 5,488,478, in which lines are generated on the metal surface with the aid of a laser beam, which lines are recorded by a plurality of linescan cameras and evaluated by comparison with a reference pattern for determining the surface geometry. This device requires considerable design effort and, moreover, only allows a rough partial statement about the surface geometry of the belt.
  • DE 197 98 992 B1 discloses a method in which a line pattern is generated on the measurement surface by projection, the line pattern is recorded with a camera that resolves the line pattern, and the recorded measurement data are compared with a reference measurement. With the help of a process computer, the measurement results are immediately converted and coordinated into control parameters for the finishing train and the reel.
  • This method has the particular advantage of high immunity to interference, which is important in a rolling mill, since no sensitive laser optics are used, but an insensitive slide projector can be used.
  • the measuring surface is to be understood here as the surface of the moving or stationary rolling stock (strips or sheets).
  • a projector with a slide creates a line pattern on the surface of the rolling stock.
  • the projector is arranged above the hot strip and projects the line pattern onto the surface of the rolling stock, so that the lines preferably extend transversely to the longitudinal axis of the strip or sheet metal and thus cover the entire strip or sheet width.
  • a CCD camera with a resolution of, for example, eight pixels per line captures the lines running across the surface of the tape. At a absolute band flatness, a uniform pattern of straight lines with unchanged line spacing is created.
  • Deviations of the belt surface from the ideal level cause a change in the line spacing in the area of the unevenness.
  • the camera detects this change. It can be easily converted into height differences by comparison with an ideal pattern.
  • This system enables the actual height differences of the strip surface to be determined quickly and thus enables real-time detection of continuous strip sections. This has the advantage that the measurement results allow the rolling parameters to be adjusted immediately after an unevenness has occurred.
  • the invention also allows the transverse curvature of the band to be determined.
  • Conventional measuring systems only record the ribbon fiber length.
  • the measuring lines can also be adapted to different conditions with regard to their intensity and line thickness. The problems of fine, low-intensity and low-contrast moire lines do not arise.
  • the system is particularly suitable for measuring on the hot strip running out of the finished batch in conjunction with a measurement of the strip on the reel. With this arrangement, changes in the flatness of the strip due to the strip cooling between the finished stack and the reel can be recorded and used for flatness control.
  • the measurement data can be used to regulate the finished batch, the reel and to control the cooling section. Measurement results that contain a deviation of the soli value result in an immediate and coordinated adjustment of the parameters for the finishing batch, the cooling section and the reel.
  • the system can also be used in downstream production lines, for example in the control of stretch leveling systems and in pickling lines.
  • the relevant quality characteristics for the rolling and further processing of strips and sheets also include the dimensional accuracy of the geometric sizes, such as thickness, thickness cross profile and width, as well as the surface quality, which is recorded with the help of surface inspection systems. Adherence to narrow tolerances is desirable and not only a measure of the quality of the ready-to-sell product, but also important for a trouble-free operation of the entire processing process, especially with ever increasing automation of production processes.
  • single-purpose devices such as, for example, optical systems for recording the flatness (flatness measurement systems), the bandwidth (width measurement systems) and the surface quality (surface inspection systems) and radiometric systems for recording the strip thickness or the strip thickness transverse profile.
  • optical systems for recording the flatness (flatness measurement systems), the bandwidth (width measurement systems) and the surface quality (surface inspection systems) and radiometric systems for recording the strip thickness or the strip thickness transverse profile.
  • These systems work independently of one another and are spatially separated from one another in order to prevent mutual interference, which requires a considerable amount of installation space.
  • Optical systems are preferably used in the prior art for surface inspection. These usually have the following components:
  • Illumination unit for illuminating the belt surface, a camera unit for seamless recording of the belt surface, a computer unit for processing the camera image information and an interface unit for process integration and display of the classification results.
  • the lighting should preferably be designed so that the errors that can occur on the special production line are detected with the best possible optical contrast.
  • stroboscopic illuminations are usually used, which emit the required amount of light in a short time interval.
  • Narrow continuous lighting units are usually used in line scan camera systems, the motion blur being suppressed by the electronic shutter of the cameras.
  • the camera technology is preferably dimensioned such that the minimum error size can still be resolved under all speed conditions of the belt.
  • the image is recorded based on the tape length.
  • the image brightness is preferably regulated automatically.
  • Line scan cameras are clearly overweight, since line scan camera systems were first available on the market and were initially used on relatively easy to inspect surfaces with lower requirements , Many systems that use matrix cameras have only been set up in the last two to three years and, not least because of this, partly in the run-in phase or in the performance test. At present it can be said that there is in principle no significant difference between the performance and the matrix and line scan camera systems. Line scan camera systems are, however, less complex to set up and operate.
  • the resolution of the cameras is determined by the smallest error size to be classified and is subject to the optical imaging laws.
  • the minimum error size is preferably covered by at least 16 pixels that are detected, ie recognized by the system as defective, in order to achieve a good classification in the subsequent processing.
  • the choice of the direction of observation and the inclination of the cameras is important in order to optimize the special error maps. Bright field and dark field observations are predominant, and side field observations have recently also been used.
  • the optimal installation conditions for the respective application can be developed from the combination of the different lighting and camera arrangements.
  • the continuously recorded surface images can be checked for their information content in the image processing unit.
  • the characteristics of the "fault patterns” can be compared with stored fault characteristics. If there is a corresponding match, the automatic classification into one of the "pre-trained” error classes can take place.
  • the extraction and comparison of image features currently requires high computing power.
  • the inspection systems currently available compare the recorded pixels with threshold values. Pixels recognized as defective are set, all others are not set. Parameters for classification are obtained from these "binary images" and the brightness information stored for each pixel.
  • the interface unit is usually designed to be application-specific in order to provide the surface inspection system with the important belt and control information at the right time. This is a standard task in automation and data technology.
  • the invention is based on the object of creating a system which allows improved measurement and can also be designed to save space. To achieve this object, a method and a device according to the independent claims are provided.
  • the invention is based on the idea of merging the flatness measurement and the surface inspection on the basis of an image acquisition with preferably high-resolution, fast line cameras.
  • the system can also be used to measure the strip or sheet width.
  • the number of components required is reduced by "multiple use", in particular the lighting unit.
  • the space required is significantly reduced compared to single-purpose measurement systems.
  • Including the results of the surface shape measurement in the width measurement increases the measurement reliability of the width measurement in the case of a non-flat strip shape.
  • Including the results of the surface shape measurement in the surface inspection enables a distortion-free representation of the error, in particular in the case of strips which are not in the pass-line or have no flat strip shape as a result of fluttering movements.
  • the image capture by line scan cameras is also made possible in an area in which the tape is not tightened by additional devices, for example on a deflection roller. Including the results of the surface shape evaluability significantly reduces the pseudo-error proportion of the surface inspection.
  • the method according to the invention for the optical measurement of the surface shape and for the optical surface inspection can be used for any moving or stationary long body, preferably for strips and sheets.
  • Fi ⁇ . 2 the arrangement of a projector and a camera behind a finishing line
  • Fig. 4 a block diagram of the flatness control.
  • EicL_5 and 6 the integration according to the invention of the flatness measurement and surface inspection in one device.
  • the device according to the invention preferably has a structure according to FIG. 5, in which the line cameras lie on the same axis as the projector.
  • Measuring lines 2 running transversely to the tape 1 are generated by a projector 3 on the measuring or tape surface 4.
  • the measuring arrangement is arranged on the one hand in the outlet of the finished series 6 and on the other hand in front of the reel 7 on a measuring house 13.
  • the CCD camera 5 is located on the side of the measuring house facing away from the reel 6 in a water-cooled housing.
  • the projector 3 is arranged on the side of the measuring house facing the reel 6. Cooling air is applied to the housing to dissipate heat. The cooling of the projector 3 and the camera 5 is necessary to dissipate the internal heat and the heat radiation emanating from the band 1, which is approximately 1000 ° C.
  • a xenon light source for example, can be used as the projector, which also produces a legible line pattern on hot rolled material.
  • Unevenness on the belt surface 4 causes an irregular course of the measuring lines 2 or their deviation from the geometrical straight line.
  • the measuring lines 2 and thus also their course changed by unevenness are recorded.
  • the measurement image is compared arithmetically with a previously recorded reference pattern. The differences directly result in the height differences and the parameters for controlling the finishing train. This creates a complete flatness of the strip or sheet 1 moving in the direction of the arrow. In principle, however, the measurement can also take place when the rolling stock is at rest.
  • the structure according to the invention results from the diagram of the flatness control (FIG. 4).
  • the hot strip 1 passes through the finishing train 6 and the strip cooling 8 to the reel 7 in the reel pit.
  • the flatness of the hot strip is recorded, analyzed and used to control the last stands of the finishing train (roll bending and swiveling).
  • This inner flatness control loop 9 is supplemented by an outer flatness control loop 10.
  • the outer flatness control loop 10 is set up to adapt the setpoint of the inner control loop.
  • a first subordinate control loop 11 is also generated, which allows the setpoint for the cooling section 8 to be adjusted, and a second subordinate control loop 12, which allows the setpoint for the reel train 7 to be adjusted.
  • the belt surface is scanned for the detection of defects by additionally installed high-resolution fast line cameras (FIG. 5), which enable the surface to be recorded over the entire bandwidth.
  • Both line scan cameras are aligned with a ("bright") strip that is illuminated by the projector.
  • the optical axis of the camera is in each case in the direction of the projection beams, so that the respective illuminated strip is detected by the line camera even if the height of the strip surface changes.
  • the adapted arrangement of the two line scan cameras taking into account the arrangement of the projector relative to the surface of the tape, means that one camera works in the "bright field” and the second in the "dark field” (FIG. 5), which is necessary to optimize the detection performance in the case of surface defects of different characteristics ,
  • the Images from both cameras are fed to an image processing unit for error identification.
  • the height profiles determined with the flatness measuring system along the measuring fields of the line cameras can be used for geometrically correcting the images of the line cameras.
  • the identification of faults such as cross cracks and edge cracks, which can occur in the rolling process due to the local exceeding of the breaking strength, can be improved by directly linking the information from the flatness measurement - in particular the elongation profile transversely to the longitudinal direction - and the fault patterns , at the same time an indication of the cause of the error can be derived.
  • the image information from both line scan cameras can be used in combination with the results of the parallel flatness measurement for the quantitative determination of the strip edge position and the bandwidth with high resolution.
  • the height profiles along the measuring fields of the line scan cameras determined with the flatness measuring system and the strip edge information detected by the line scan cameras are used for a geometric transformation.

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Abstract

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum optischen Messen der Oberflächenform und zur optischen Oberflächeninspektion von bewegten Langkörpern, bei dem die Oberflächenformmessung und Oberflächeninspektion integriert sind . Dabei wird von einem Projektor ein Linienmuster auf das Messobjekt aufgebracht. Eine Kamera erfasst die Oberfläche des Messobjekts und vergleicht die Bildinformation mit einem Referenzmuster. Zwei hochauflösende Zeilenkameras detektieren zusätzlich Oberflächenfehler auf dem Messobjekt. Die Messtechnik soll insbesondere für eine kombinierte Planheits- und Oberflächenmessung an Metallbändern in Walzanlagen eingesetzt werden.

Description

"Verfahren und Vorrichtung zum optischen Messen der Oberflächenform und zur optischen Qberflächeninspektion von bewegten Bändern in Walz- und Weiterbearbeitunαsanlaαen"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zum optischen Messen der Oberflächenform und zur optischen Oberflächeninspektion von bewegten Bändern in Walz und Weiterbearbeitungsanlagen.
Das bei Kaltbandstraßen übliche Kontaktmessen ist im Warmbandbereich aufgrund der hohen Temperatur des Bandes - von etwa 1000°C - nur mit erheblichem Instandhaltungsaufwand möglich.
Die Bandplanheit wird daher in Warmbandstraßen vorzugsweise berüh- rungslos gemessen. Bekannt ist beispielsweise ein Messen von Planheitsabweichungen mit Hilfe von auf das Band projizierten Lichtpunkten. Die Raumlage des vorzugsweise mit Hilfe eines Laserstrahls auf der Bandoberfläche erzeugten Lichtpunkts wird mit einem Abstandssensor erfaßt.
Die beiden ebenen Ortskoordinaten eines bestimmten Oberflächenpunktes sind durch die relative Lage zwischen Abtast- bzw. Beleuchtungsstrahl und der Bandoberfläche bekannt. Die Höhenkoordinate des Oberflächenpunktes, der aktuell vermessen wird, erfaßt ein ortsempfindlicher Detektor. Mit der Höhenkoordinate verändert sich gleichzeitig die Position des Abbil- dungspunktes auf dem Sensor.
Mit mehreren Strahlenquellen und Sensoren läßt sich so ein Planheitsbild über die gesamte Breite des Bandes erstellen, das sich aus den Meßergebnissen der in bestimmten Abständen auf das Band projizierten Lichtpunkte zusammensetzt. Die zwischen den Lichtpunkten befindlichen Bereiche wer- den allerdings bei diesem Verfahren nicht erfaßt und bilden bei einem fortlaufenden Band streifenförmige Meßlücken, deren Planheit nicht ermittelt wird. Darüber hinaus kommt es dadurch zu Meßfehlern, daß beispielsweise ein Flattern des Bandes meßtechnisch als Bandunebenheit erfaßt wird.
In der Automobilindustrie ist es bekannt, kleinere Oberflächen mit Hilfe der Moire-Technik zu vermessen. Dabei wird auf der Objektoberfläche ein Interferenzmuster mittels einer Lichtquelle erzeugt. Mit Hilfe einer CCD-Kamera (CCD = Charge-coupled-device) wird das Interferenzmuster erfaßt. Die Ka- mera ist so angeordnet, daß sich ein Winkel zwischen der Lichtquelle der Oberfläche und der Kamera ergibt. Durch ein Referenzraster in der Bildebene entsteht durch Überlagerung des aufgenommenen Musters mit dem Referenzmuster ein sogenannter Moire-Effekt. Aus den Moire-Linien lassen sich die Höhendifferenzen quantitativ ermitteln.
Die Moire-Technik liefert genauere Meßergebnisse als das Messen mit Lichtpunkten; sie erfaßt darüber hinaus im wesentlichen die gesamte Meß- fläche und vermeidet die oben erwähnten Meßlücken. Der Einsatz in einer Warmbandstraße ist jedoch problematisch.
Um die Höhendifferenzen des Warmbandes quantitativ zu ermitteln, ist eine komplizierte Umrechnung der von der Kamera erfaßten Muster erforderlich. Die als Moire-Linien abgebildeten Höhendifferenzen lassen sich nicht in Echtzeit in quantitative Meßwerte umrechnen.
In einer Walzstraße sind schnelle Meßergebnisse erforderlich, da die Messung sich sonst kaum für ein direktes Anpassen der Walzparameter zur Verbesserung der Planheit des durchlaufenden Bandes ausnutzen läßt. Für den industriellen Einsatz mangelt es darüber hinaus den feinen Interferenz- mustern an Kontrast- und Intensitätsstärke. Aus der US-Patentschrift 5 488 478 ist eine Vorrichtung zur Oberflächenmessung eines Metallbandes bekannt, bei der mit Hilfe eines Laserstrahls Linien auf der Metalloberfläche erzeugt werden, die von mehreren Linescan-Kameras erfaßt und durch Vergleich mit einem Referenzmuster zur Bestimmung der Oberflächengeometrie ausgewertet werden. Diese Vorrichtung erfordert einen erheblichen Konstruktionsaufwand und erlaubt darüber hinaus nur eine grobe Teilaussage über die Oberflächengeometrie des Bandes.
Aus der DE 197 98 992 B1 ist ein Verfahren bekannt bei dem auf der Meß- oberfläche durch Projektion ein Linienmuster erzeugt, das Linienmuster mit einer das Linienmuster auflösenden Kamera erfaßt und die erfaßten Meßdaten mit einer Referenzmessung verglichen werden. Mit Hilfe eines Prozeßrechners werden die Meßergebnisse unmittelbar in Steuerungspara- meter für die Fertigstraße und den Haspel umgesetzt und koordiniert. Dieses Verfahren besitzt insbesondere den Vorteil einer hohen Störungs- unempfindlichkeit, die in einer Walzstraße von Bedeutung ist, da keine empfindliche Laseroptik zum Einsatz kommt, sondern ein unempfindlicher Diaprojektor benutzt werden kann.
Unter Meßoberfläche ist hier die Oberfläche des bewegten oder ruhenden Walzgutes (Bänder oder Bleche) zu verstehen.
Ein Projektor mit Dia erzeugt ein Linienmuster auf der Walzgutoberfläche. Der Projektor ist dabei oberhalb des Warmbandes angeordnet und projiziert das Linienmuster auf die Oberfläche des Walzgutes, so daß sich die Linien vorzugsweise quer zur Band- bzw. Blechlängsachse erstrecken und somit die ganze Band- bzw. Blechbreite erfassen.
Eine CCD-Kamera mit einer Auflösung von beispielsweise acht Pixel pro Linie erfaßt die quer über die Bandoberfläche verlaufenden Linien. Bei einer absoluten Bandplanheit entsteht ein gleichmäßiges Muster gerader Linien mit unverändertem Linienabstand.
Abweichungen der Bandoberfläche von der idealen Ebene bewirken eine Änderung des Linienabstandes im Bereich der Unebenheit. Diese Änderung erfaßt die Kamera. Sie läßt sich rechnerisch durch einen Vergleich mit einem Idealmuster auf einfache Weise in Höhendifferenzen umrechnen.
Dieses System ermöglicht eine schnelle Ermittlung der tatsächlichen Höhen- differenzen der Bandoberfläche und erlaubt so eine Echtzeiterfassung fortlaufender Bandabschnitte. Dies hat den Vorteil, daß die Meßergebnisse ein Anpassen der Walzparameter unmittelbar nach dem Auftreten einer Unebenheit erlauben.
Dies ermöglicht eine Messung, die unempfindlich ist gegen Verfälschungen der Meßergebnisse. Solche Verfälschungen entstehen bei herkömmlichen Meßsystemen beispielsweise infolge einer Bewegung der gesamten Bandoberfläche bezüglich der Höhenkoordinate (Flattern). Die Erfindung erlaubt darüber hinaus, die Querwölbung des Bandes zu bestimmen. Kon- ventionelle Meßsysteme erfassen lediglich die Bandfaserlänge. Die Meßlinien lassen sich zudem bezüglich ihrer Intensität und Liniendicke unterschiedlichen Bedingungen anpassen. Die Probleme der feinen intensitäts- und kontrastschwachen Moire-Linien treten nicht auf.
Das System eignet sich besonders für ein Messen am aus der Fertigstaffel auslaufenden Warmband in Verbindung mit einer Messung des Bandes am Haspel. Durch diese Anordnung können Veränderungen der Bandplanheit infolge des Bandabkühlens zwischen Fertigstaffel und Haspel erfaßt und zur Planheitsregelung verwertet werden.
Die Meßdaten lassen sich zur Regelung der Fertigstaffel, des Haspels und zur Steuerung der Kühlstrecke verwerten. Meßergebnisse, die eine Soliwertabweichung beinhalten, bewirken eine sofortige und aufeinander abgestimmte Anpassung der Parameter für die Fertigstaffel, die Kühlstrecke und den Haspel.
Das System läßt sich neben der Planheitsmessung in einer Fertigstraße auch in nachgeschalteten Produktionslinien wie zum Beispiel bei der Regelung von Streckrichtanlagen und in Beizlinien einsetzen.
Neben der Planheit gehört zu den relevanten Qualitätsmerkmalen beim Walzen und Weiterverarbeiten von Bändern und Blechen, auch die Maßhaltigkeit der geometrischen Größen, wie Dicke, Dickenquerprofil und Breite, sowie die Oberflächenbeschaffenheit, deren Erfassung mit Hilfe von Oberflächeninspektionssystemen erfolgt. Die Einhaltung enger Toleranzen ist er- strebenswert und nicht nur ein Maß für die Güte des verkaufsfertigen Produktes, sondern auch von Bedeutung für einen möglichst störungsfreien Ablauf des gesamten Verarbeitungsprozesses, insbesondere bei ständig steigender Automatisierung von Produktionsabläufen.
Die On-Line-Erfassung der oben genannten Qualitätsmerkmale im Verarbeitungsprozeß und die Prozeßoptimierung durch Steuer- und Regelsysteme gehört daher zu den wichtigen Aufgaben zur Qualitätsverbesserung.
Zur meßtechnischen Erfassung der oben genannten Größen sind im Stande der Technik "Einzweckgeräte" bekannt, wie z.B. optische Systeme zur Erfassung der Planheit (Planheitsmeßsysteme), der Bandbreite (Breitenmeßsysteme) und der Oberflächenbeschaffenheit (Oberflächeninspektionssysteme) und radiometrische Systeme zur Erfassung der Banddicke bzw. des Banddickenquerprofils. Diese Systeme arbeiten unabhängig voneinan- der und werden räumlich voneinander getrennt, um gegenseitige Beeinflussungen auszuschließen, was einen erheblichen Bauraum erfordert. Zur Oberflächeninspektion werden im Stande der Technik vorzugsweise optische Systeme eingesetzt. Diese weisen in der Regel folgende Komponenten auf:
Beleuchtungseinheit zur Ausleuchtung der Bandoberfläche, eine Kameraeinheit zur lückenlosen Aufnahme der Bandoberfläche, eine Rechnereinheit zur Verarbeitung der Kamerabildinformationenen und eine Interface- Einheit zur Prozeßintegration und Anzeige der Klassifikationsergebnisse.
Zu unterscheiden sind im wesentlichen folgende Systemtypen zur Oberflächeninspektion von Bändern, nämlich Systeme mit einer Zeilenkamera und Systeme mit mehreren CCD-Matrix-Kameras.
Die Beleuchtung sollte vorzugsweise so ausgelegt sein, daß die Fehler, die an der speziellen Produktionslinie vorkommen können, mit möglichst gutem optischen Kontrast detektiert werden. Bei Matrix-Kameras werden meist stroboskopische Beleuchtungen eingesetzt, die die erforderliche Lichtmenge in einem kurzen Zeitintervall abgeben. Bei Zeilenkamerasystemen werden meist schmale Dauerbeleuchtungseinheiten eingesetzt, wobei die Bewe- gungsunschärfe über den elektronischen Verschluß der Kameras unterdrückt wird.
Es wird versucht eine hohe Homogenität der Beleuchtung zu erreichen, da hierdurch Bildqualität und Detektionsleistung direkt beeinflußt werden. Jede Inhomogenität in der Beleuchtung muß durch Anpassung der Verstärkung des Bildsignals angepaßt werden. Dies führt letztendlich zu einer Verringerung des Signal-Rausch-Abstandes. Bei Matrix-Kameras ist die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung vorteilhaft, da der Ausgleich über die Bildverstärkung in zwei Richtungen erheblich aufwendiger ist als über eine Linie wie bei Zeilenkameras. Bei allen Beleuchtungen gibt es Ausführungen im sichtbaren Spektralbereich und im IR- bzw. UV-Bereich. Der Lichtaustritt kann durch entsprechende optische Komponenten diffus oder gerichtet ausgeführt werden.
Die Kameratechnik wird vorzugsweise so dimensioniert, daß die minimale Fehlergröße unter allen Geschwindigkeitsbedingungen des Bandes noch aufgelöst werden kann. Die Bildaufnahme erfolgt bandlängenbezogen. Um den vollen Dynamikbereich der Kameras nutzen zu können, wird die Bildhelligkeit vorzugsweise automatisch geregelt.
Bei den Systemen, die sich schon längere Zeit in vollem Umfang im betrieblichen Einsatz befinden, ist ein deutliches Übergewicht bei den "Zeilenkameras" zu verzeichnen, da Zeilenkamerasysteme zuerst auf dem Markt verfügbar waren und zunächst an relativ einfach zu inspizierenden Oberflächen mit niedrigeren Anforderungen eingesetzt wurden. Viele Sy- steme, die Matrix-Kameras verwenden, sind erst in den letzten zwei bis drei Jahren aufgebaut worden und nicht zuletzt deshalb zum Teil noch in der Einfahrphase oder im Leistungstest. Gegenwärtig ist festzustellen, daß von der Leistungsfähigkeit im Prinzip kein signifikanter Unterschied zwischen Matrix und Zeilenkamerasystemen besteht. Zeilenkamerasysteme sind je- doch weniger aufwendig im Aufbau und Betrieb.
Die Auflösung der Kameras ist durch die kleinste zu klassifizierende Fehlergröße festgelegt und unterliegt den optischen Abbildungsgesetzen. Die minimale Fehlergröße wird vorzugsweise durch mindestens 16 detektierte, d.h. vom System als fehlerhaft erkannte Bildpunkt abgedeckt, um eine gute Klassifikation in der nachgeschalteten Verarbeitung zu erzielen. Zur Optimierung der speziellen Fehlerabbildungen ist die Wahl der Beobachtungsrichtung und Neigung der Kameras von Bedeutung. Vorherrschend sind Hellfeld- und Dunkefeldbeobachtungen, neuerdings werden auch Seitenfeldbeobachtun- gen eingesetzt. Aus der Kombination der verschiedenen Beleuchtungen und Kameraanordnungen können die für den jeweiligen Anwendungsfall optimalen Einbaubedingungen entwickelt werden.
In der Bildverarbeitungseinheit können die kontinuierlich aufgenommenen Oberflächenbilder auf ihren Informationsgehalt überprüft werden. Die Merkmale der "Fehlerbilder" können mit hinterlegten Fehlermerkmalen verglichen werden. Bei entsprechender Übereinstimmung kann die automatische Klassifikation in eine der "vortrainierten" Fehlerklassen erfolgen. Die Extraktion und der Vergleich von Bildmerkmalen erfordert derzeit eine hohe Rechenleistung.
Die gegenwärtig verfügbaren Inspektionssysteme vergleichen die aufgenommenen Bildpunkte mit Schwellwerten. Als fehlerhaft erkannte Bildpunkte werden gesetzt, alle anderen werden nicht gesetzt. Aus diesen "Binärbildern" und den zu jedem Bildpunkt gespeicherten Helligkeitsinformationen werden Parameter zur Klassifikation gewonnen.
Die Interface-Einheit wird in der Regel anwendungsspezifisch ausgelegt, um dem Oberflächeninspektionssystem die wichtigen Band- und Steuerungsinformationen zeitrichtig zur Verfügung zu stellen. Hierbei handelt es sich um eine Standardaufgabe der Automatisierungs- und Datentechnik.
Die beschriebenen Systeme zur Messung der Planheit und zur Oberflä- cheninspektion arbeiten im Stande der Technik unabhängig voneinander und werden räumlich getrennt voneinander betrieben, um gegenseitige Beeinflussungen auszuschließen. Hierdurch ist häufig ein großer Bauraum erforderlich.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein System zu schaffen, welches eine verbesserte Messung erlaubt und sich zudem raumsparend ausgestalten läßt. Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereitgestellt.
Durch Integrationsmöglichkeit der Vorrichtungen und Verfahren werden Synergieeffekte erreicht, die die Meßsicherheit erhöhen.
Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde die Planheitsmessung und die Oberflächeninspektion auf der Basis einer Bilderfassung mit vorzugsweise hochauflösenden, schnellen Zeilenkameras zusammenzuführen. Das System läßt sich zusätzlich für die Messung der Band- bzw. Blechbreite nutzen.
Dadurch können sich je nach Ausgestaltung folgende Vorteile ergeben:
Die Zahl der erforderlichen Komponenten wird durch die "Mehrfachnutzung", insbesondere der Beleuchtungseinheit reduziert. Der erforderliche Bauraum wird im Vergleich zu Einzweckmeßsystemen wesentlich vermindert.
Eine Einbeziehung der Ergebnisse der Oberflächenformmessung in die Breitenmessung erhöht die Meßsicherheit der Breitenmessung bei nicht ebener Bandform. Eine Einbeziehung der Ergebnisse der Oberflächenformmessung in die Oberflächeninspektion ermöglicht eine verzerrungsfreie Fehlerdarstellung, insbesondere bei Bändern, die infolge von Flatterbewegungen nicht in der pass-line liegen bzw. keine ebene Bandform haben. Die Bilderfassung durch Zeilenkameras wird dadurch auch in einem Bereich ermöglicht, in dem das Band nicht durch Zusatzeinrichtungen, z.B. auf einer Umlenkrolle gestrafft wird. Eine Einbeziehung der Ergebnisse der Oberflächenform-Auswertbarkeit reduziert den Pseudofehleranteil der Oberflächeninspektion signifikant.
Eine Verwendung der Ergebnisse der Oberflächenformmessung zur Korrek- tur der Oberflächeninspektionsergebnisse reduziert die für diese Korrektur erforderliche Rechenzeit signifikant.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum optischen Messen der Oberflächenform und zur optischen Oberflächeninspektion kann für jegliche bewegte oder stationäre Langkörper, vorzugsweise für Bänder und Bleche eingesetzt werden.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 : die Erzeugung und Erfassung der Meßlinien auf einem Bandabschnitt;
Fiα. 2: die Anordnung eines Projektors und einer Kamera hinter einer Fertigstaffel;
Fig. 3: die Anordnung des Projektors und der Kamera vor einer Haspel- grübe;
Fig. 4: ein Blockdiagramm der Planheitsregelung.
EicL_5 und 6: die erfindungsgemäße Integration der Planheitsmessung und Oberflächeninspektion in einer Vorrichtung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist vorzugsweise einen Aufbau gemäß Fig. 5 auf, bei dem die Zeilenkameras auf der gleichen Achse liegen wie der Projektor.
Quer zum Band 1 verlaufende Meßlinien 2 werden durch einen Projektor 3 auf der Meß- bzw. Bandoberfläche 4 erzeugt.
Die Meßanordnung ist im Auslauf der Fertigstaffel 6 einerseits und vor dem Haspel 7 andererseits an einem Meßhaus 13 angeordnet. Die CCD-Kamera 5 befindet sich auf der dem Haspel 6 abgewandten Meßhausseite in einem wassergekühlten Gehäuse. Der Projektor 3 ist auf der dem Haspel 6 zugewandten Meßhausseite angeordnet. Zur Wärmeabfuhr wird das Gehäuse mit Kühlluft beaufschlagt. Die Kühlung des Projektors 3 und der Kamera 5 ist zum Abführen der Eigenwärme und der von dem etwa 1000°C heißen Band 1 ausgehenden Wärmestrahlung erforderlich.
Die bezüglich der Bandlaufrichtung hintereinander angeordnete Kamera 5 und der Projektor 3 sind auf einen zwischen ihnen befindlichen Bandbereich ausgerichtet, auf dem das Linienmuster erzeugt und abgetastet wird. Als Projektor läßt sich beispielsweise eine Xenon-Lichtquelle einsetzen, die auch auf heißem Walzgut ein gut lesbares Linienmuster erzeugt.
Unebenheiten auf der Bandoberfläche 4 bewirken einen unregelmäßigen Verlauf der Meßlinien 2 bzw. deren Abweichung von der geometrischen Ge- raden.
Mit einer CCD-Kamera 5 werden die Meßlinien 2 und damit auch deren durch Unebenheiten veränderter Verlauf erfaßt. Das Meßbild wird nach der Erfassung rechnerisch mit einem zuvor aufgenommenen Referenzmuster verglichen. Aus den Abweichungen ergeben sich unmittelbar die Höhendifferenzen und die Parameter für die Regelung der Fertigstraße. Dadurch entsteht ein vollständiges Planheitsbild des sich in Pfeilrichtung bewegenden Bandes bzw. Bleches 1. Grundsätzlich kann die Messung aber auch bei ruhendem Walzgut erfolgen.
Aus dem Diagramm der Planheitsregelung (Fig. 4) ergibt sich der erfindungsgemäße Aufbau. Das Warmband 1 durchläuft die Fertigstraße 6 und die Bandkühlung 8 bis zum Haspel 7 in der Haspelgrube. Im Auslauf der Fertigstraße 6 wird die Planheit des Warmbandes erfaßt, analysiert und zur Ansteuerung der letzten Gerüste der Fertigstaffel (Walzenbiegung und Schwenken) verwertet. Diese innere Planheits-Regelschleife 9 wird durch eine äußere Planheits-Regelschleife 10 ergänzt. Durch eine Messung der Bandplanheit hinter der Bandkühlung 8 vor dem Haspel 7 wird die äußere Planheits-Regelschleife 10 zur Anpassung des Sollwertes der inneren Regelschleife aufgebaut.
Mit den hinter der Bandkühlung erfaßten Meßwerten wird ferner eine erste unterlagerte Regelschleife 11 erzeugt, die eine Anpassung des Sollwertes für die Kühlstrecke 8 erlaubt, und eine zweite unterlagerte Regelschleife 12, die eine Anpassung des Sollwertes für den Haspelzug 7 erlaubt, aufgebaut.
Die Abtastung der Bandoberfläche zur Detektion von Fehlstellen erfolgt durch zusätzlich installierte hochauflösende schnelle Zeilenkameras (Fig. 5), die die Erfassung der Oberfläche über die komplette Bandbreite ermöglichen. Beide Zeilenkameras werden auf einen durch den Projektor beleuch- teten ("hellen") Streifen ausgerichtet. Dabei erfolgt die optische Achse der Kamera jeweils in Richtung der Projektionsstrahlen, damit auch bei einer Höhenänderung der Bandoberfläche der jeweilige beleuchtete Streifen von der Zeilenkamera erfaßt wird. Durch die angepaßte Anordnung der beiden Zeilenkameras unter Berücksichtigung der Anordnung des Projektors zur Bandoberfläche wird erreicht, daß eine Kamera im "Hellfeld" und die zweite im "Dunkelfeld" arbeitet (Fig. 5), was zur Optimierung der Detektionsleistung bei Oberflächenfehlern unterschiedlicher Ausprägung erforderlich ist. Die Bilder beider Kameras werden einer Bildverarbeitungseinheit zur Fehleridentifikation zugeführt.
Zur geometrischen Entzerrung der Bilder der Zeilenkameras können die mit dem Planheitsmeßsystem ermittelten Höhenprofile entlang der Meßfelder der Zeilenkameras verwendet werden.
Darüber hinaus kann die Identifikation von Fehlern wie zum Beispiel Querrissen und Kantenrissen, die beim Walzprozeß durch die örtliche Über- schreitung der Bruchfestigkeit entstehen können, durch die unmittelbare Verknüpfung der Informationen aus der Planheitsmessung - insbesondere das Längungsprofil quer zur Längsrichtung - und der Fehlerbilder verbessert werden, wobei gleichzeitig ein Hinweis auf die Fehlerursache abgeleitet werden kann.
Zusätzlich zur Oberflächeninspektion können die Bildinformationen beider Zeilenkameras in Kombination mit den Ergebnissen der parallelen Planheitsmessung zur quantitativen Bestimmung der Bandkantenlage und der Bandbreite mit hoher Auflösung genutzt werden. Dazu werden die mit dem Planheitsmeßsystem ermittelten Höhenprofile entlang der Meßfelder der Zeilenkameras und die von den Zeilenkameras detektierten Bandkanteninformationen für eine geometrische Transformation genutzt.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum optischen Messen der Oberflächenform und zur optischen Oberflächeninspektion von Langkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß Oberflächenformmessung und Oberflächeninspektion integriert sind.
2. Beleuchtungseinheit für die Oberflächenmessung von Walzband oder Walzblech, gekennzeichnet durch die Verwendung sowohl für die Messung der Oberflächenform als auch der Oberflächeninspektion.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Ergeb- nisse der Oberflächenformmessung in die Oberflächeninspektion einbezogen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine Bilderfassung durch Zeilenkameras.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeilenkameras auf einer Achse mit dem Projektor angeordnet sind.
6. Verfahren zum Messen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächengeometrie unter Erzeugung von Linien auf der
Bandoberfläche mittels einer Lichtquelle erfolgt und daß auf dem Walzband (1 ) ein Muster aus einer Vielzahl von Linien (2) durch Projektion, insbesondere durch einen Projektor erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Muster (2) auf der Bandoberfläche (1 ) zur Planheitsmessung erzeugt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Muster (2) nach der Erfassung durch eine Kamera (5) rechnerisch mit einem Referenzmuster verglichen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die erhaltenen Meßwerte zur Steuerung einer Fertigstraße verwendet werden.
10. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß als Projektionslichtquelle (3) eine Xenonlampe verwendet wird.
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