八钢冷轧酸轧入口应用工业视觉识别技术前景浅析

2021-11-29王公平王毅明于俊轩

新疆钢铁 2021年3期

向华，陶涛，王公平，王毅明，于俊轩

(1.新疆八一钢铁股份有限公司轧钢厂；2.中冶赛迪股份有限公司)

前言

新疆八钢冷轧机组酸轧联机改造后，具备了酸洗轧制连续生产的能力。冷轧酸轧入口作业环节包括：热轧钢卷收料(包括质量检验)、入库、上料(包括二次质量检验)、拆捆、对中、开卷等环节。入口区域目前设置5个操作岗位(4班配置共20名操作工：行车工、上料操作工、上卷操作工、操作室主操、焊机操作工)。该区域现场环境复杂，主要依靠人工作业。

一些冷轧厂在酸洗入口区域引入传统工业机器人，但因机器人缺乏视觉识别，机器人操作的地点和区域极其受限。随着自动化控制技术、工业视觉识别技术的发展，一些冷轧厂在酸洗入口区域引入工业视觉识别技术并与自动化控制技术相结合，实现区域全自动控制，最终实现酸洗入口无人化。具有视觉能力的工业机器人比传统的工业机器人生产效率高，同时提升了生产安全。

工业视觉识别技术，是通过计算机模拟人类的视觉系统，再通过计算机自带的智能识别装置，对机器或计算机视觉系统所扫描到的信息进行读取并识别信息的种类，辨别读取到的信息是属于数字信息、文字信息还是图像信息等。通过机器或计算机的智能系统，在之前输入机器或计算机内的信息的基础上，最后得出正确的信息识别结果。具有高灵敏度、响应速度快的特点。

一些研究认为，冷轧酸洗入口区域采用工业视觉识别技术应用，通过调整自动化程序，增设若干高清工业摄像头、图像识别算法及程序系统。将视觉识别技术应用于自动化控制技术中，可以在一定程度上提高自动化控制技术的应用效率，进而促进酸连轧生产效率提升。

1 八钢冷轧酸轧机组入口及上卷作业现状

酸轧入口段生产工艺：热轧卷收卷(质量检查)→上卷→对中(质量确认)→转运→拆捆→转运→上卷→切头尾→激光焊接热轧钢卷卷芯内径为762mm，最大外径为1950mm，最大单重为23t；钢卷宽度为700～1300mm(酸洗卷最大宽度为1500mm)。

酸洗原料库库存量约10000t，可提供有效库位500个，原料跨共有行车2台(一用一备)；两个收料大门，一般采用1#门进料，10#作为特殊情况备用；在酸洗上料步进梁运行区域，配置1套自动拆捆机器人，可实现自动拆捆作业；2套开卷机，分为上线开卷机和下线开卷机，可独立作业。

八钢酸连轧机组的激光焊接采用国产激光焊机，由于采用固态激光源，激光源功率最高为8000kW。可实现自动焊接功能，配置焊缝自动检测系统。

吊卷作业：热轧来料钢卷车进入冷轧原料库后，由天车指吊员指挥天车将钢卷吊放到库区的指定位置。原料库天车不仅要满足钢卷入库，还需满足酸轧机组原料卷上料需求。天车指吊员在原料库内来回穿梭，存在非常大的安全隐患，极大的增加了指吊员的工作强度。

运卷作业：(1)天车将钢卷吊装到步进梁上后，L1自动化根据转运鞍座的有无钢卷可触发步进梁自动运卷，也可人工半自动单步运卷。步进梁和天车无任何连锁，也无法检测鞍座上钢卷是否在中心位。因此步进梁运卷存在翻卷的安全隐患。(2)主操作台操作工根据现场监控摄像，将吊装到步进梁上的钢卷，在L2系统中将卷号输入到对应步进梁上的鞍座位。如钢卷角度不合适，时常出现看不到的情况，还需到现场观察记录卷号。(3)现场上卷操作工，在上卷鞍座观察钢卷质量，如发现质量异常，此时只能通过酸轧跨天车吊走钢卷。生产无法及时发现异常质量的钢卷，严重影响机组生产效率。

上卷作业：上卷小车根据步进梁上测量的钢卷卷径，自动调整小车上卷高度到设定的位置使卷芯和卷筒芯轴重合。如钢卷卷径测量异常，将导致小车高度对中失败，不能自动上卷，此时需要人工调整；即使小车高度计算正确，也需操作人工确认钢卷高度正常。这增加了操作人员的劳动强度。

开卷穿带：机组拥有自动开卷装置，可以实现自动开卷穿带。但如果带钢出现翘头/扣头，在穿带时带钢时常穿入下层通道或卡入设备缝隙。自动穿带无法运行，有时甚至还损坏设备。

2 酸轧机组入口自动上卷技术必要性分析

目前八钢冷轧酸洗线入口段处于半自动化生产阶段，各工序都出现过故障，加上来料质量不稳定，无法保证生产的连续稳定，影响到作业率。

基于产线现状，入口段配有5名专职操作工：1名天车工，负责热轧来料钢卷入库及原料上卷吊装；1名上料操作工，在现场保障来料综合质量及运输的稳定；1名上卷操作工，在现场保障拆捆机、上卷机的正常工作；1名主操，在操作室监控开卷和穿带过程有无异常发生；1名焊机操作工，在激光焊机附近地面监视激光焊接作业及异常处置。由于工作的高重复性和强持续性，容易疲劳而产生不当操作，影响最终轧制产出率甚至造成生产意外事故。冷轧酸洗线入口段实现无人化作业将有效促进各工序的稳定高效运转，保障操作工安全的同时也能优化其工作内容，提高现场作业效率。

在钢卷综合质量检测和上卷过程中，需要对钢卷的端面进行各种缺陷或故障异常检测，比如检测钢卷是否有边裂、塌卷、内卷、散卷、加带头等问题。每次停放时，钢卷的位置与姿态难免存在一定的偏差，为了提供系统检测的稳定性，需要针对钢卷位置和状态进行自适应适配。

一种自适应复杂环境下的钢卷端部缺陷检测技术，钢卷号检测采用正面相机对钢卷环形面进行拍照，并通过OCR技术来检测和识别钢卷号的具体数字(并与产销钢卷号核对、天车吊运指令核对)。塔型检测则采用3D激光雷达从侧面分别检测钢卷上下端面，扫描并建模钢卷的3D模型，从而分析钢卷塔型的幅度。针对钢卷上下端面的相机扫描，也可以通过图像识别技术扫描钢卷的内外测轮廓，与既有钢卷模型进行对比，从而实现钢卷的边裂、塔卷与内卷松等缺陷类型的检测。

八钢酸轧机组入口引入工业视觉识别技术，可以实现无人化操作，提高钢卷检测水平。

3 自动上卷作业工业视觉识别的关键技术

近年来，随着工业智能化的迅速发展，具有便捷性、精确性、迅速性、智能化等优点的机器视觉技术被广泛应用于工业生产各领域，其作为一种现代化检测手段，越来越受到人们的重视。PCA方法(即主成分分析技术，又称主分量分析技术，旨在利用降维的思想，把多指标转化为少数几个综合指标)是一种有效的、常用的多变量基础数学分析方法，能够从散乱的数据集合中筛选出重要的关联信息，满足现代工厂生产要求机器视觉系统能够快速，准确地利用双目定位找到目标物并确认其位置。运用PCA机器视觉技术在工业上的案例很多，技术相对成熟，根据实际工况对PCA算法进行改进，可满足工业设计需求。

酸洗入口机器视觉识别主要包括，钢卷号视觉、钢卷外观质量缺陷识别、钢卷对中识别、钢卷带头异常情况识别等。为实现入口段工艺流程的高效化和智能化辅助检测，需要对钢卷的立体几何形状以及周围相关的物件进行三维重建与几何模型提取。根据预设模型以及采集到的三维点云数据，对点云进行裁剪、滤波等预处理，并对其进行拼接与重建，是一种在复合场景下多种不规则物件的三维测量与重建方法。

(1)鞍座对中检测技术：受现场环境的不确定性因素影响，在不同时刻由高清工业摄像头抓取的钢卷端面图像和曲面图像会出现不同的背景干扰，对钢卷特征部位的提取和对中产生影响，因此需研究机器视觉算法在此工况下基于图像特征提取相结合的对中检测技术。采用图像识别技术，从两侧分别识别鞍座与钢卷的边缘轮廓，提取鞍座侧向中心轴与钢卷的中心坐标，从而计算出钢卷与鞍座之间水平方向的距离偏差，判断出落卷是否与鞍座对中。钢卷上下端面的相机可以实现对钢卷内外径和钢卷厚度的检测，结合红外测温仪可以实现对钢卷特定位置的温度测量。

(2)钢卷综合质量检测技术：需要对钢卷的端面进行各种缺陷或故障异常检测，比如钢卷的边裂、塌卷、内卷、散卷、加带头等，每次停放时，钢卷的位置与姿态难免存在一定的偏差，为了提供系统检测的稳定性，需要针对钢卷位置和姿态进行自适应适配，研究一种自适应复杂环境下的钢卷端部缺陷检测技术。其中钢卷号检测采用正面相机对钢卷环形面进行拍照，并通过OCR技术来检测和识别钢卷号的具体数字。塔型检测则采用3D激光雷达从侧面分别检测钢卷上下端面，扫描并建模钢卷的3D模型，从而分析钢卷塔型的幅度。针对钢卷上下端面的相机扫描，也可以通过图像识别技术扫描钢卷的内外测轮廓，与既有钢卷模型进行对比，从而实现钢卷的边裂、塔卷与内卷松等缺陷类型的检测。

(3)上卷智能检测技术：通过3D激光点云对钢卷内芯和开卷机卷轴分别进行扫描，并采用3D建模技术，对二者分别进行建立实时的3D模型，从而提取出钢卷内芯与开卷机卷轴的轴芯所在的直线。通过计算出两条直线之间的相关关系，即可判断钢卷在上卷之前与开卷机卷轴之间的对中程度。同时，通过分析钢卷的内外侧形状，亦可分析出在上卷过程中，钢卷是否存在抽芯、散卷、夹带头等问题。

(4)带头综合检测系统：通过机器视觉技术，对开卷后钢卷的带头的位置与形状进行跟踪，当检测到钢卷带头不动时，结合现场运动情况以及钢卷中间状态起伏情况，可以判断出开卷后的钢卷是否存在卡钢、起套等问题。根据钢卷开卷之后的形状，可以进一步判断带头的质量，比如表面平整度以及钢卷头部的尺寸等。

4 引入工业视觉识别需要优化的问题

以机器视觉为代表的智能化传感检测器件与系统，为检测识别技术带来颠覆性的变革，借助软件实现对图像数据的分析与处理，赋予加工设备、工业机器人与产线更高级的智能，也是轧钢实现智能制造的重要着力点。由于质量检测和控制的要求越来越高，对视觉检测设备的检测能力的要求越来越高，需要提高识别精度，扩宽识别范围。

(1)对机器设备进行自动化控制，通过机器的视觉感知系统，采集客观存在的信息，然后依据采集到的信息，判断机器人正处于的环境状况，然后通过机器人的智能控制端输入的指令，作出正确的反应，进而达到对机器人的自动化控制效果。对于机器的自动化控制来说，视觉识别技术在其中的应用还有另一个方面，机器内部安置的一个视觉识别器，该视觉识别器主要作用是在特定的时间对机器内部的各个结构进行扫描，并通过智能系统判断其内部结构是否出现故障问题，再将判断结果传送给自动化控制系统，自动化控制系统发出指令，让机器系统作出正确反应。

(2)在酸洗入口机器视觉识别主要包括，钢卷号视觉、钢卷外观质量缺陷识别、钢卷对中识别、钢卷带头异常情况识别等。在实际现场应用中会受到地面粉尘、光线等因素影响，导致机器视觉识别精度降低，或者产生干扰信号。

因此在进行酸洗入口机器视觉识别开发应用的过程还必须考虑到现场粉尘的处理、异常光线的处理等。另外，为了实现酸洗入口段各项作业的无人化，还需对自动化进行优化处理，比如下线切头、切尾的自动运输问题还需要改进。