不锈冷轧带钢表面质量自动判级系统的应用

李鹏飞, 徐书峰, 武志平, 武天宇, 费江华

（1.山西太钢不锈钢股份有限公司冷轧厂,山西 太原 030003；2.上海宝信软件股份有限公司 上海 201203）

随着近些年不锈钢行业“激烈”的结构调整，太钢依托本世纪初几轮不锈钢技术改造[1]，竞争力由品种产量增长为主转向质量提升为主。太钢不锈冷轧厂通过工艺攻关和技术创新，串联“连轧+退火+酸洗+平整+拉矫+纵切”六位一体工艺流程，建成了高生产效率，低设备投资，短产品生产周期，快周转速度[2]的全球最先进的不锈钢冷轧带钢全连续生产线。不锈钢带表面缺陷自动判级系统应用在其卷取机前部。

生产过程中产生的缺陷，对不锈钢的耐蚀性、耐磨性、耐热性、成型性、焊接性、抛光性均会产生较大影响[3-4]。因此，对不锈钢的评价中，表面质量是在规格、性能符合要求后，最重要的检验对象。基于机器视觉的带钢表面缺陷检测装备，能够非接触、可靠地获取表面缺陷的大量信息，已成为有效、快速实现带钢表面缺陷检测方式之一[5-6]。但收集后的缺陷信息的判定分析应用，则没有相关成熟产品，只能通过自主开发。

1 系统设计背景

不锈钢生产的过程速度已提升到350 m/min，机组各种功能的整合使得装备长度增加，必要的活套数量和套量也相应增加，即带钢的存储长度增加，充、放套时间更长，在正常负荷生产运行中，单卷生产时间缩短，可停车检查带钢的米数越来越短。在这样快节奏生产的条件下，即使配备检测设备再辅助人工检验，也不能满足工作质量的更高要求，人工借助设备检验的局限性也随着产能的增大而凸显。市场化的加速竞争，对优质钢带的产量和表面的优级需求也不断上升，定量地区分产品质量等级已成为衡量用户满意度最直观标准。越来越多的用户需要提供产品表面分析报告，来减少再次开卷检验的成本。

当前人工借助设备计算缺陷率的方式准确率低、效率低、差异率高，无法实现标准化产品定位，甚至失检漏验，这样必将丢掉市场份额，丧失客户的信任，甚至影响企业生存。此时表面质检的主要矛盾必须由检验员借助设备查看表面向设备可自动将产品表面分级进行转化。

钢带表面质量自动判级系统的设计思路是设备自动将所有可识别、可分类的缺陷进行全面分析、分级；人工核实自动判级结果，并对影响产品成交的缺陷马上进行停车复查、原因查证，同时确保设备正常使用和第一时间处理自动设备的异常问题。

本套系统由太钢不锈冷轧厂与上海宝信软件公司联合开发。

2 系统硬件设计

不锈冷轧厂使用的是AMETEC[7]表面缺陷检测仪，设备综合应用了光、机、电多学科知识，利用机器视觉的基本原理，通过工业高速CCD线阵摄像头作为图像传感器，在专用平行光源的配合下，对钢带表面进行实时逐行连续扫描，以非接触方式获取目标图像后使用图像采集卡和图像处理器，拼接完成对整卷产品的检测。钢带在宽度方向上根据机组极限规格选择两颗或三颗相机进行信号采集，两个表面分别部署明视场和暗视场两组检测单元，合作检测表面中发生的异常情况。根据图像处理和模式识别的算法自动优化信号，从得到灰度图像的特征进行分析、识别和做出判断，以定位、筛选、分类缺陷。产品完成剪切后，自动建立缺陷数据库。

3 系统软件设计

3.1 设计概述

自动判级系统软件本体由参数设置和人机交互两大部分组成。参数设置包含缺陷分级、单位分级、表面分级、产品质量分级、筛选等级等五大模块，如图1所示；人机交互包含自动判级过程显示和人工审核过程显示两大模块。通过以上载体，完整的将质量检验过程转化为顺控模型：缺陷自动检测、等级自动分析、非表面质量判定、人工过程确认等四步。

图1 参数设置四大模块图

3.2 参数设置

3.2.1 缺陷分级模块

对缺陷分级，是自动判级系统的基础层。各种、各个缺陷类型，都是由相应的特征参数来建立对缺陷属性的描述，包括位置、形貌、明视场和暗视场亮度库、暗度库特征等三百余个参数。通过设置特征参数限定值，可以将每一个缺陷按照数轴区间，严格的划分入唯一对应的等级。需要设置缺陷名称、缺陷类型、规则类型、比较方式、分类级别、限定值等来完成一条分级规则，随后能够针对任意缺陷的长度、宽度、面积、单位密度等特征参数设置缺陷等级。这样便将缺陷规则细化到具体的量化数组中，由这些参数设置组成了缺陷分级的规则体系。

3.2.2 单位分级模块

根据用户对产品要求，设定一个N m长的判定单位，一个钢卷则被分为钢卷总长度/N个最小单元，N可以是0.5 m、1 m、5 m等。每个判定单位的质量等级由该单元内最严重的缺陷等级决定，即在此处N m米内出现的所有缺陷中，缺陷等级最高的缺陷等级，就是该判定单位的等级。

3.2.3 表面分级模块

钢卷判级的主要依据是各判定单位等级占整个钢带长度的百分比，等级优异的判定单位所占百分比越高，单表面等级也就越优异，因此各判定单位等级必然也影响产品质量分级。与区分缺陷等级类似，通过设置判定单位的若干等级的百分比，可以将每一个表面按照逻辑区间，严格的划分入唯一对应的等级，或满足相同要求时，按照预定权重进行唯一性划分。

3.2.4 产品分级模块

产品分级是结合正、反两个表面的等级的排列组合来判定产品的最终表面质量等级。表面等级若分为N级，相应的产品表面质量有N2种排列组合，将每一种组合按照检验标准中的表面设计进行唯一性划分为若干个等级，从而满足企业对于产品表面质量分级的最终定位要求。

3.2.5 筛选等级模块

对订单要求高的特殊用户，可以将影响成交的缺陷发生率设置为具体参数值，这样可以直接得到相应用户的产品等级，将不满足的产品挑出后，也可很直观的匹配到符合要求的用户或用途。系统需要为用户设置对应单表面等级，例如，根据用户名称、订单信息、生产信息、特殊要求等进行模糊查询、匹配等。

3.3 人机交互

3.3.1 自动判级过程显示

当每个连续钢卷完成卷板剪切并在MES系统完成产出后，判级系统就会根据产品订单的用户或特殊需求，匹配缺陷分级、单位分级、表面分级、产品分级、筛选等级模块中对应的规则组，自动对该钢卷表面质量信息进行数据分析，最终核算出钢卷等级，并在相应的设定区域显示整个判级过程，以便查看机器判级是否符合检验标准。已判级产品就会显示在钢卷信息栏内，若因系统问题导致未判定成功，会提示相应信息指导人工查询未正常运行原因，待排除故障后，选中相应一卷或多卷未判定钢卷条目，再次对所选条目进行自动质量判级。自动判级过程显示如图2。

图2 判级系统的自动判及过程显示

3.3.2 人工审核过程显示

人工审核过程显示模块可以根据实时下线的产品判级及初步判定数据，纠正表检仪未准确分类的缺陷或等级，添加非表面的质量缺陷，并自动对应判级体系逻辑使结果随之变化。在模块中，显示已判级的钢卷信息列表，单击一条钢卷信息后可载入该钢卷具体信息，并按下线时间自动生成该卷钢卷对应的质量报告。该模块起到显示、保存、改判、传递本工序质量信息的作用，同时减去人工的判级计算、缺陷信息汇总和报表统计的工作量。后期可抽样某钢种、某表面、某时间段等的具体数据，用六西格玛管理[8]工具Minitab工具进行分析。

图3 人工审核过程显示

4 结语

太钢的产品定位为“质量是决胜市场的利器”。日益激烈的市场竞争无疑在倒逼企业产品在质量检验上改革、创新以适应工业产业的快速发展。因此，进一步开发带钢表面质量自动判级系统并细化表面缺陷检查、判定、分析、改进的标准，对全面提高产品质量、过程控制水平及提升用户满意度有着非常重大的意义。