八鋼冷軋酸軋入口應(yīng)用工業(yè)視覺識別技術(shù)前景淺析

向 華， 陶 濤， 王公平， 王毅明， 于俊軒

(1.新疆八一鋼鐵股份有限公司軋鋼廠；2.中冶賽迪股份有限公司)

前言

新疆八鋼冷軋機(jī)組酸軋聯(lián)機(jī)改造后，具備了酸洗軋制連續(xù)生產(chǎn)的能力。冷軋酸軋入口作業(yè)環(huán)節(jié)包括：熱軋鋼卷收料(包括質(zhì)量檢驗(yàn))、入庫、上料(包括二次質(zhì)量檢驗(yàn))、拆捆、對中、開卷等環(huán)節(jié)。入口區(qū)域目前設(shè)置5個操作崗位(4班配置共20名操作工：行車工、上料操作工、上卷操作工、操作室主操、焊機(jī)操作工)。該區(qū)域現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，主要依靠人工作業(yè)。

一些冷軋廠在酸洗入口區(qū)域引入傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人，但因機(jī)器人缺乏視覺識別，機(jī)器人操作的地點(diǎn)和區(qū)域極其受限。隨著自動化控制技術(shù)、工業(yè)視覺識別技術(shù)的發(fā)展，一些冷軋廠在酸洗入口區(qū)域引入工業(yè)視覺識別技術(shù)并與自動化控制技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)區(qū)域全自動控制，最終實(shí)現(xiàn)酸洗入口無人化。具有視覺能力的工業(yè)機(jī)器人比傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)效率高，同時提升了生產(chǎn)安全。

工業(yè)視覺識別技術(shù)，是通過計(jì)算機(jī)模擬人類的視覺系統(tǒng)，再通過計(jì)算機(jī)自帶的智能識別裝置，對機(jī)器或計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)所掃描到的信息進(jìn)行讀取并識別信息的種類，辨別讀取到的信息是屬于數(shù)字信息、文字信息還是圖像信息等。通過機(jī)器或計(jì)算機(jī)的智能系統(tǒng)，在之前輸入機(jī)器或計(jì)算機(jī)內(nèi)的信息的基礎(chǔ)上，最后得出正確的信息識別結(jié)果。具有高靈敏度、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。

一些研究認(rèn)為，冷軋酸洗入口區(qū)域采用工業(yè)視覺識別技術(shù)應(yīng)用，通過調(diào)整自動化程序，增設(shè)若干高清工業(yè)攝像頭、圖像識別算法及程序系統(tǒng)。將視覺識別技術(shù)應(yīng)用于自動化控制技術(shù)中，可以在一定程度上提高自動化控制技術(shù)的應(yīng)用效率，進(jìn)而促進(jìn)酸連軋生產(chǎn)效率提升。

1 八鋼冷軋酸軋機(jī)組入口及上卷作業(yè)現(xiàn)狀

酸軋入口段生產(chǎn)工藝：熱軋卷收卷(質(zhì)量檢查)→上卷→對中(質(zhì)量確認(rèn))→轉(zhuǎn)運(yùn)→拆捆→轉(zhuǎn)運(yùn)→上卷→切頭尾→激光焊接熱軋鋼卷卷芯內(nèi)徑為762mm，最大外徑為1950mm，最大單重為23t；鋼卷寬度為700～1300mm(酸洗卷最大寬度為1500mm)。

酸洗原料庫庫存量約10000t，可提供有效庫位500個，原料跨共有行車2臺(一用一備)；兩個收料大門，一般采用1#門進(jìn)料，10#作為特殊情況備用；在酸洗上料步進(jìn)梁運(yùn)行區(qū)域，配置1套自動拆捆機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)自動拆捆作業(yè)；2套開卷機(jī)，分為上線開卷機(jī)和下線開卷機(jī)，可獨(dú)立作業(yè)。

八鋼酸連軋機(jī)組的激光焊接采用國產(chǎn)激光焊機(jī)，由于采用固態(tài)激光源，激光源功率最高為8000kW。可實(shí)現(xiàn)自動焊接功能，配置焊縫自動檢測系統(tǒng)。

吊卷作業(yè)：熱軋來料鋼卷車進(jìn)入冷軋?jiān)蠋旌螅商燔囍傅鯁T指揮天車將鋼卷吊放到庫區(qū)的指定位置。原料庫天車不僅要滿足鋼卷入庫，還需滿足酸軋機(jī)組原料卷上料需求。天車指吊員在原料庫內(nèi)來回穿梭，存在非常大的安全隱患，極大的增加了指吊員的工作強(qiáng)度。

運(yùn)卷作業(yè)：(1)天車將鋼卷吊裝到步進(jìn)梁上后，L1自動化根據(jù)轉(zhuǎn)運(yùn)鞍座的有無鋼卷可觸發(fā)步進(jìn)梁自動運(yùn)卷，也可人工半自動單步運(yùn)卷。步進(jìn)梁和天車無任何連鎖，也無法檢測鞍座上鋼卷是否在中心位。因此步進(jìn)梁運(yùn)卷存在翻卷的安全隱患。(2)主操作臺操作工根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控?cái)z像，將吊裝到步進(jìn)梁上的鋼卷，在L2系統(tǒng)中將卷號輸入到對應(yīng)步進(jìn)梁上的鞍座位。如鋼卷角度不合適，時常出現(xiàn)看不到的情況，還需到現(xiàn)場觀察記錄卷號。(3)現(xiàn)場上卷操作工，在上卷鞍座觀察鋼卷質(zhì)量，如發(fā)現(xiàn)質(zhì)量異常，此時只能通過酸軋跨天車吊走鋼卷。生產(chǎn)無法及時發(fā)現(xiàn)異常質(zhì)量的鋼卷，嚴(yán)重影響機(jī)組生產(chǎn)效率。

上卷作業(yè)：上卷小車根據(jù)步進(jìn)梁上測量的鋼卷卷徑，自動調(diào)整小車上卷高度到設(shè)定的位置使卷芯和卷筒芯軸重合。如鋼卷卷徑測量異常，將導(dǎo)致小車高度對中失敗，不能自動上卷，此時需要人工調(diào)整；即使小車高度計(jì)算正確，也需操作人工確認(rèn)鋼卷高度正常。這增加了操作人員的勞動強(qiáng)度。

開卷穿帶：機(jī)組擁有自動開卷裝置，可以實(shí)現(xiàn)自動開卷穿帶。但如果帶鋼出現(xiàn)翹頭/扣頭，在穿帶時帶鋼時常穿入下層通道或卡入設(shè)備縫隙。自動穿帶無法運(yùn)行，有時甚至還損壞設(shè)備。

2 酸軋機(jī)組入口自動上卷技術(shù)必要性分析

目前八鋼冷軋酸洗線入口段處于半自動化生產(chǎn)階段，各工序都出現(xiàn)過故障，加上來料質(zhì)量不穩(wěn)定，無法保證生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定，影響到作業(yè)率。

基于產(chǎn)線現(xiàn)狀，入口段配有5名專職操作工：1名天車工，負(fù)責(zé)熱軋來料鋼卷入庫及原料上卷吊裝；1名上料操作工，在現(xiàn)場保障來料綜合質(zhì)量及運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定；1名上卷操作工，在現(xiàn)場保障拆捆機(jī)、上卷機(jī)的正常工作；1名主操，在操作室監(jiān)控開卷和穿帶過程有無異常發(fā)生；1名焊機(jī)操作工，在激光焊機(jī)附近地面監(jiān)視激光焊接作業(yè)及異常處置。由于工作的高重復(fù)性和強(qiáng)持續(xù)性，容易疲勞而產(chǎn)生不當(dāng)操作，影響最終軋制產(chǎn)出率甚至造成生產(chǎn)意外事故。冷軋酸洗線入口段實(shí)現(xiàn)無人化作業(yè)將有效促進(jìn)各工序的穩(wěn)定高效運(yùn)轉(zhuǎn)，保障操作工安全的同時也能優(yōu)化其工作內(nèi)容，提高現(xiàn)場作業(yè)效率。

在鋼卷綜合質(zhì)量檢測和上卷過程中，需要對鋼卷的端面進(jìn)行各種缺陷或故障異常檢測，比如檢測鋼卷是否有邊裂、塌卷、內(nèi)卷、散卷、加帶頭等問題。每次停放時，鋼卷的位置與姿態(tài)難免存在一定的偏差，為了提供系統(tǒng)檢測的穩(wěn)定性，需要針對鋼卷位置和狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)適配。

一種自適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的鋼卷端部缺陷檢測技術(shù)，鋼卷號檢測采用正面相機(jī)對鋼卷環(huán)形面進(jìn)行拍照，并通過OCR技術(shù)來檢測和識別鋼卷號的具體數(shù)字(并與產(chǎn)銷鋼卷號核對、天車吊運(yùn)指令核對)。塔型檢測則采用3D激光雷達(dá)從側(cè)面分別檢測鋼卷上下端面，掃描并建模鋼卷的3D模型，從而分析鋼卷塔型的幅度。針對鋼卷上下端面的相機(jī)掃描，也可以通過圖像識別技術(shù)掃描鋼卷的內(nèi)外測輪廓，與既有鋼卷模型進(jìn)行對比，從而實(shí)現(xiàn)鋼卷的邊裂、塔卷與內(nèi)卷松等缺陷類型的檢測。

八鋼酸軋機(jī)組入口引入工業(yè)視覺識別技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)無人化操作，提高鋼卷檢測水平。

3 自動上卷作業(yè)工業(yè)視覺識別的關(guān)鍵技術(shù)

近年來，隨著工業(yè)智能化的迅速發(fā)展，具有便捷性、精確性、迅速性、智能化等優(yōu)點(diǎn)的機(jī)器視覺技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)各領(lǐng)域，其作為一種現(xiàn)代化檢測手段，越來越受到人們的重視。PCA方法(即主成分分析技術(shù)，又稱主分量分析技術(shù)，旨在利用降維的思想，把多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合指標(biāo))是一種有效的、常用的多變量基礎(chǔ)數(shù)學(xué)分析方法，能夠從散亂的數(shù)據(jù)集合中篩選出重要的關(guān)聯(lián)信息，滿足現(xiàn)代工廠生產(chǎn)要求機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠快速，準(zhǔn)確地利用雙目定位找到目標(biāo)物并確認(rèn)其位置。運(yùn)用PCA機(jī)器視覺技術(shù)在工業(yè)上的案例很多，技術(shù)相對成熟，根據(jù)實(shí)際工況對PCA算法進(jìn)行改進(jìn)，可滿足工業(yè)設(shè)計(jì)需求。

酸洗入口機(jī)器視覺識別主要包括，鋼卷號視覺、鋼卷外觀質(zhì)量缺陷識別、鋼卷對中識別、鋼卷帶頭異常情況識別等。為實(shí)現(xiàn)入口段工藝流程的高效化和智能化輔助檢測，需要對鋼卷的立體幾何形狀以及周圍相關(guān)的物件進(jìn)行三維重建與幾何模型提取。根據(jù)預(yù)設(shè)模型以及采集到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對點(diǎn)云進(jìn)行裁剪、濾波等預(yù)處理，并對其進(jìn)行拼接與重建，是一種在復(fù)合場景下多種不規(guī)則物件的三維測量與重建方法。

(1)鞍座對中檢測技術(shù)：受現(xiàn)場環(huán)境的不確定性因素影響，在不同時刻由高清工業(yè)攝像頭抓取的鋼卷端面圖像和曲面圖像會出現(xiàn)不同的背景干擾，對鋼卷特征部位的提取和對中產(chǎn)生影響，因此需研究機(jī)器視覺算法在此工況下基于圖像特征提取相結(jié)合的對中檢測技術(shù)。采用圖像識別技術(shù)，從兩側(cè)分別識別鞍座與鋼卷的邊緣輪廓，提取鞍座側(cè)向中心軸與鋼卷的中心坐標(biāo)，從而計(jì)算出鋼卷與鞍座之間水平方向的距離偏差，判斷出落卷是否與鞍座對中。鋼卷上下端面的相機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對鋼卷內(nèi)外徑和鋼卷厚度的檢測，結(jié)合紅外測溫儀可以實(shí)現(xiàn)對鋼卷特定位置的溫度測量。

(2)鋼卷綜合質(zhì)量檢測技術(shù)：需要對鋼卷的端面進(jìn)行各種缺陷或故障異常檢測，比如鋼卷的邊裂、塌卷、內(nèi)卷、散卷、加帶頭等，每次停放時，鋼卷的位置與姿態(tài)難免存在一定的偏差，為了提供系統(tǒng)檢測的穩(wěn)定性，需要針對鋼卷位置和姿態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)適配，研究一種自適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的鋼卷端部缺陷檢測技術(shù)。其中鋼卷號檢測采用正面相機(jī)對鋼卷環(huán)形面進(jìn)行拍照，并通過OCR技術(shù)來檢測和識別鋼卷號的具體數(shù)字。塔型檢測則采用3D激光雷達(dá)從側(cè)面分別檢測鋼卷上下端面，掃描并建模鋼卷的3D模型，從而分析鋼卷塔型的幅度。針對鋼卷上下端面的相機(jī)掃描，也可以通過圖像識別技術(shù)掃描鋼卷的內(nèi)外測輪廓，與既有鋼卷模型進(jìn)行對比，從而實(shí)現(xiàn)鋼卷的邊裂、塔卷與內(nèi)卷松等缺陷類型的檢測。

(3)上卷智能檢測技術(shù)：通過3D激光點(diǎn)云對鋼卷內(nèi)芯和開卷機(jī)卷軸分別進(jìn)行掃描，并采用3D建模技術(shù)，對二者分別進(jìn)行建立實(shí)時的3D模型，從而提取出鋼卷內(nèi)芯與開卷機(jī)卷軸的軸芯所在的直線。通過計(jì)算出兩條直線之間的相關(guān)關(guān)系，即可判斷鋼卷在上卷之前與開卷機(jī)卷軸之間的對中程度。同時，通過分析鋼卷的內(nèi)外側(cè)形狀，亦可分析出在上卷過程中，鋼卷是否存在抽芯、散卷、夾帶頭等問題。

(4)帶頭綜合檢測系統(tǒng)：通過機(jī)器視覺技術(shù)，對開卷后鋼卷的帶頭的位置與形狀進(jìn)行跟蹤，當(dāng)檢測到鋼卷帶頭不動時，結(jié)合現(xiàn)場運(yùn)動情況以及鋼卷中間狀態(tài)起伏情況，可以判斷出開卷后的鋼卷是否存在卡鋼、起套等問題。根據(jù)鋼卷開卷之后的形狀，可以進(jìn)一步判斷帶頭的質(zhì)量，比如表面平整度以及鋼卷頭部的尺寸等。

4 引入工業(yè)視覺識別需要優(yōu)化的問題

以機(jī)器視覺為代表的智能化傳感檢測器件與系統(tǒng)，為檢測識別技術(shù)帶來顛覆性的變革，借助軟件實(shí)現(xiàn)對圖像數(shù)據(jù)的分析與處理，賦予加工設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人與產(chǎn)線更高級的智能，也是軋鋼實(shí)現(xiàn)智能制造的重要著力點(diǎn)。由于質(zhì)量檢測和控制的要求越來越高，對視覺檢測設(shè)備的檢測能力的要求越來越高，需要提高識別精度，擴(kuò)寬識別范圍。

(1)對機(jī)器設(shè)備進(jìn)行自動化控制，通過機(jī)器的視覺感知系統(tǒng)，采集客觀存在的信息，然后依據(jù)采集到的信息，判斷機(jī)器人正處于的環(huán)境狀況，然后通過機(jī)器人的智能控制端輸入的指令，作出正確的反應(yīng)，進(jìn)而達(dá)到對機(jī)器人的自動化控制效果。對于機(jī)器的自動化控制來說，視覺識別技術(shù)在其中的應(yīng)用還有另一個方面，機(jī)器內(nèi)部安置的一個視覺識別器，該視覺識別器主要作用是在特定的時間對機(jī)器內(nèi)部的各個結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，并通過智能系統(tǒng)判斷其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)故障問題，再將判斷結(jié)果傳送給自動化控制系統(tǒng)，自動化控制系統(tǒng)發(fā)出指令，讓機(jī)器系統(tǒng)作出正確反應(yīng)。

(2)在酸洗入口機(jī)器視覺識別主要包括，鋼卷號視覺、鋼卷外觀質(zhì)量缺陷識別、鋼卷對中識別、鋼卷帶頭異常情況識別等。在實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用中會受到地面粉塵、光線等因素影響，導(dǎo)致機(jī)器視覺識別精度降低，或者產(chǎn)生干擾信號。

因此在進(jìn)行酸洗入口機(jī)器視覺識別開發(fā)應(yīng)用的過程還必須考慮到現(xiàn)場粉塵的處理、異常光線的處理等。另外，為了實(shí)現(xiàn)酸洗入口段各項(xiàng)作業(yè)的無人化，還需對自動化進(jìn)行優(yōu)化處理，比如下線切頭、切尾的自動運(yùn)輸問題還需要改進(jìn)。

5 結(jié)束語

八鋼酸連軋機(jī)組經(jīng)過聯(lián)機(jī)改造后，酸洗軋機(jī)具備了連續(xù)生產(chǎn)的能力，生產(chǎn)能力大幅提升，為了實(shí)現(xiàn)酸軋機(jī)組出入口無人化，建議繼續(xù)進(jìn)行自動化升級改造，采用工業(yè)視覺識別技術(shù)與自動化控制技術(shù)相結(jié)合。對比八鋼冷軋工況，認(rèn)為具有較高的實(shí)施可行性，也符合工業(yè)生產(chǎn)智能化的發(fā)展要求。

工業(yè)視覺識別技術(shù)將來應(yīng)用到八鋼酸軋機(jī)組，將極大提高酸軋機(jī)組出入口自動控制水平，在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)無人化控制功能，必將大幅減輕工人的勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。