不銹冷軋帶鋼表面質量自動判級系統的應用

李鵬飛, 徐書峰, 武志平, 武天宇, 費江華

（1.山西太鋼不銹鋼股份有限公司冷軋廠,山西 太原 030003；2.上海寶信軟件股份有限公司 上海 201203）

隨著近些年不銹鋼行業“激烈”的結構調整，太鋼依托本世紀初幾輪不銹鋼技術改造[1]，競爭力由品種產量增長為主轉向質量提升為主。太鋼不銹冷軋廠通過工藝攻關和技術創新，串聯“連軋+退火+酸洗+平整+拉矯+縱切”六位一體工藝流程，建成了高生產效率，低設備投資，短產品生產周期，快周轉速度[2]的全球最先進的不銹鋼冷軋帶鋼全連續生產線。不銹鋼帶表面缺陷自動判級系統應用在其卷取機前部。

生產過程中產生的缺陷，對不銹鋼的耐蝕性、耐磨性、耐熱性、成型性、焊接性、拋光性均會產生較大影響[3-4]。因此，對不銹鋼的評價中，表面質量是在規格、性能符合要求后，最重要的檢驗對象?；跈C器視覺的帶鋼表面缺陷檢測裝備，能夠非接觸、可靠地獲取表面缺陷的大量信息，已成為有效、快速實現帶鋼表面缺陷檢測方式之一[5-6]。但收集后的缺陷信息的判定分析應用，則沒有相關成熟產品，只能通過自主開發。

1 系統設計背景

不銹鋼生產的過程速度已提升到350 m/min，機組各種功能的整合使得裝備長度增加，必要的活套數量和套量也相應增加，即帶鋼的存儲長度增加，充、放套時間更長，在正常負荷生產運行中，單卷生產時間縮短，可停車檢查帶鋼的米數越來越短。在這樣快節奏生產的條件下，即使配備檢測設備再輔助人工檢驗，也不能滿足工作質量的更高要求，人工借助設備檢驗的局限性也隨著產能的增大而凸顯。市場化的加速競爭，對優質鋼帶的產量和表面的優級需求也不斷上升，定量地區分產品質量等級已成為衡量用戶滿意度最直觀標準。越來越多的用戶需要提供產品表面分析報告，來減少再次開卷檢驗的成本。

當前人工借助設備計算缺陷率的方式準確率低、效率低、差異率高，無法實現標準化產品定位，甚至失檢漏驗，這樣必將丟掉市場份額，喪失客戶的信任，甚至影響企業生存。此時表面質檢的主要矛盾必須由檢驗員借助設備查看表面向設備可自動將產品表面分級進行轉化。

鋼帶表面質量自動判級系統的設計思路是設備自動將所有可識別、可分類的缺陷進行全面分析、分級；人工核實自動判級結果，并對影響產品成交的缺陷馬上進行停車復查、原因查證，同時確保設備正常使用和第一時間處理自動設備的異常問題。

本套系統由太鋼不銹冷軋廠與上海寶信軟件公司聯合開發。

2 系統硬件設計

不銹冷軋廠使用的是AMETEC[7]表面缺陷檢測儀，設備綜合應用了光、機、電多學科知識，利用機器視覺的基本原理，通過工業高速CCD線陣攝像頭作為圖像傳感器，在專用平行光源的配合下，對鋼帶表面進行實時逐行連續掃描，以非接觸方式獲取目標圖像后使用圖像采集卡和圖像處理器，拼接完成對整卷產品的檢測。鋼帶在寬度方向上根據機組極限規格選擇兩顆或三顆相機進行信號采集，兩個表面分別部署明視場和暗視場兩組檢測單元，合作檢測表面中發生的異常情況。根據圖像處理和模式識別的算法自動優化信號，從得到灰度圖像的特征進行分析、識別和做出判斷，以定位、篩選、分類缺陷。產品完成剪切后，自動建立缺陷數據庫。

3 系統軟件設計

3.1 設計概述

自動判級系統軟件本體由參數設置和人機交互兩大部分組成。參數設置包含缺陷分級、單位分級、表面分級、產品質量分級、篩選等級等五大模塊，如圖1所示；人機交互包含自動判級過程顯示和人工審核過程顯示兩大模塊。通過以上載體，完整的將質量檢驗過程轉化為順控模型：缺陷自動檢測、等級自動分析、非表面質量判定、人工過程確認等四步。

圖1 參數設置四大模塊圖

3.2 參數設置

3.2.1 缺陷分級模塊

對缺陷分級，是自動判級系統的基礎層。各種、各個缺陷類型，都是由相應的特征參數來建立對缺陷屬性的描述，包括位置、形貌、明視場和暗視場亮度庫、暗度庫特征等三百余個參數。通過設置特征參數限定值，可以將每一個缺陷按照數軸區間，嚴格的劃分入唯一對應的等級。需要設置缺陷名稱、缺陷類型、規則類型、比較方式、分類級別、限定值等來完成一條分級規則，隨后能夠針對任意缺陷的長度、寬度、面積、單位密度等特征參數設置缺陷等級。這樣便將缺陷規則細化到具體的量化數組中，由這些參數設置組成了缺陷分級的規則體系。

3.2.2 單位分級模塊

根據用戶對產品要求，設定一個N m長的判定單位，一個鋼卷則被分為鋼卷總長度/N個最小單元，N可以是0.5 m、1 m、5 m等。每個判定單位的質量等級由該單元內最嚴重的缺陷等級決定，即在此處N m米內出現的所有缺陷中，缺陷等級最高的缺陷等級，就是該判定單位的等級。

3.2.3 表面分級模塊

鋼卷判級的主要依據是各判定單位等級占整個鋼帶長度的百分比，等級優異的判定單位所占百分比越高，單表面等級也就越優異，因此各判定單位等級必然也影響產品質量分級。與區分缺陷等級類似，通過設置判定單位的若干等級的百分比，可以將每一個表面按照邏輯區間，嚴格的劃分入唯一對應的等級，或滿足相同要求時，按照預定權重進行唯一性劃分。

3.2.4 產品分級模塊

產品分級是結合正、反兩個表面的等級的排列組合來判定產品的最終表面質量等級。表面等級若分為N級，相應的產品表面質量有N2種排列組合，將每一種組合按照檢驗標準中的表面設計進行唯一性劃分為若干個等級，從而滿足企業對于產品表面質量分級的最終定位要求。

3.2.5 篩選等級模塊

對訂單要求高的特殊用戶，可以將影響成交的缺陷發生率設置為具體參數值，這樣可以直接得到相應用戶的產品等級，將不滿足的產品挑出后，也可很直觀的匹配到符合要求的用戶或用途。系統需要為用戶設置對應單表面等級，例如，根據用戶名稱、訂單信息、生產信息、特殊要求等進行模糊查詢、匹配等。

3.3 人機交互

3.3.1 自動判級過程顯示

當每個連續鋼卷完成卷板剪切并在MES系統完成產出后，判級系統就會根據產品訂單的用戶或特殊需求，匹配缺陷分級、單位分級、表面分級、產品分級、篩選等級模塊中對應的規則組，自動對該鋼卷表面質量信息進行數據分析，最終核算出鋼卷等級，并在相應的設定區域顯示整個判級過程，以便查看機器判級是否符合檢驗標準。已判級產品就會顯示在鋼卷信息欄內，若因系統問題導致未判定成功，會提示相應信息指導人工查詢未正常運行原因，待排除故障后，選中相應一卷或多卷未判定鋼卷條目，再次對所選條目進行自動質量判級。自動判級過程顯示如圖2。

圖2 判級系統的自動判及過程顯示

3.3.2 人工審核過程顯示

人工審核過程顯示模塊可以根據實時下線的產品判級及初步判定數據，糾正表檢儀未準確分類的缺陷或等級，添加非表面的質量缺陷，并自動對應判級體系邏輯使結果隨之變化。在模塊中，顯示已判級的鋼卷信息列表，單擊一條鋼卷信息后可載入該鋼卷具體信息，并按下線時間自動生成該卷鋼卷對應的質量報告。該模塊起到顯示、保存、改判、傳遞本工序質量信息的作用，同時減去人工的判級計算、缺陷信息匯總和報表統計的工作量。后期可抽樣某鋼種、某表面、某時間段等的具體數據，用六西格瑪管理[8]工具Minitab工具進行分析。

圖3 人工審核過程顯示

4 結語

太鋼的產品定位為“質量是決勝市場的利器”。日益激烈的市場競爭無疑在倒逼企業產品在質量檢驗上改革、創新以適應工業產業的快速發展。因此，進一步開發帶鋼表面質量自動判級系統并細化表面缺陷檢查、判定、分析、改進的標準，對全面提高產品質量、過程控制水平及提升用戶滿意度有著非常重大的意義。