一種開卷落料線卷料缺陷自動識別拋料系統

文/李濤，廖端，尹志勇，黃永普，陳亮·廣汽乘用車有限公司宜昌分公司

為了提高沖壓落料線的成材率及生產效率，降低原材工藝報廢。我司與鋼廠共同推進提升單卷交付重量，促進成材率提升課題。通過行業內交流，得知目前各主機廠提升平均卷重的最優對策為：卷料局部問題區域標記，帶缺陷交付。帶缺陷卷料交付后，主機廠在使用過程中需對缺陷部位進行識別、挑選、處理，通過調研分析，目前采用智能相機在開卷落料線進行缺陷標記識別，然后進行缺陷材料自動拋料處理，提升落料線生產效率和成材率，同時消除缺陷材料對沖壓生產線帶來的品質不良或設備損傷。

2023 年消費恢復形勢未達市場預期，汽車消費低迷。開年以來乘用車整體市場持續下行，3 月份競爭進入白熱化階段，部分車企發起了力度空前的價格戰，這場血拼異常慘烈，艱苦卓絕。面對這場殘酷的攻堅戰，沖壓車間積極響應降本增效戰略，通過調研及行業對比分析論證，材料報廢及開卷線生產效率提升最為棘手，沖壓聯合各鋼廠共同提出材料鋼卷大卷帶缺陷交付課題，旨在提高沖壓落料線的成材率及生產效率，降低原材工藝報廢，降低制造成本、提升利潤空間。

沖壓開卷落料工藝流程及成材率

根據企業與鋼廠的采購協議，將卷重8 噸及以上的鋼卷稱為大卷，小于8 噸的鋼卷統稱為小卷。由于卷料受生產工藝限制，生產過程中會產生如亮點、黑點、劃痕等7 種缺陷，過往為保證卷料生產品質，鋼廠會對生產中發現的異常部分進行分切，造成交付卷重較小，鋼卷數量變多，生產同樣多的板材需要進行多次穿卷、切除料頭、料尾的卷料，導致材料報廢，生產效率低下。開卷落料線的生產工藝流程如圖1 所示。

圖1 開卷落料線生產工藝流程圖

從鋼廠運輸過來的鋼卷需要通過起重機吊運至承卷臺上，由芯軸實現穿料，保證鋼卷固定，同時能轉動開卷成為鋼帶，為保證生產材料潔凈度，鋼卷外圈需要切除，防止異物通過設備帶入粘附在生產的板材上，導致品質異常，切除卷料外圈的鋼帶首先通過清洗機進行清洗，然后進入矯直機進行矯平，消除鋼卷的彎曲應力，保證板材平整，再通過輸送機送至壓機，按照需要的板材大小、形狀進行剪裁，品質確認無異常后，進行正常落料，最后通過皮帶輸送機進行運輸，高精度伺服拍檔器進行堆垛，達到設定數量后通過叉車叉運材料入庫。

結合開卷落料線生產工藝，梳理出材料成材率示意圖如圖2 所示，得出成材率的計算公式：成材率≈X/(a+X+b)，通過公式可得卷料越大，單卷落料長度越大，成材率越高。

圖2 開卷落料線材料成材率示意圖

通過對比同種零件生產同樣數量的板料，10 噸的大卷相對于6 噸的小卷的生產時間及材料報廢，見表1，可得大卷相對于小卷可以節省穿卷時間27min，效率提升33.33%，料頭料尾報廢損失減少119kg，報廢率降低29.82%，成材率提升0.8%。

表1 開卷落料線材料成材率

開卷落料線材料缺陷識別處理方案

為了提高沖壓落料線的成材率及生產效率，降低原材工藝報廢。宜昌分公司沖壓科及采購科聯合各鋼廠，共同推進提升單卷交付重量，促進成材率提升的課題。通過對比分析及溝通交流，得知目前各主機廠提升平均卷重的最優對策為：卷料局部問題區域標記，帶缺陷交付。帶缺陷卷料交付后，主機廠在使用過程中需對缺陷部位進行識別、挑選、處理。

材料缺陷部位識別處理方法示意圖(圖3)，主要有兩種方式：方式一，在開卷落料線識別缺陷并進行處理，會導致生產停線排查，生產效率損失；方案二，在沖壓線識別缺陷并進行處理，但存在異常流出的風險。

圖3 材料缺陷識別處理方法示意圖

針對上述兩種缺陷處理方式，分別制定了兩種大卷廢料段在線檢測處理方案，如圖4 所示。方案一，采用最新線掃相機技術，需要配套光源、編碼器等，成本高，拋料邏輯實現難度較大，采用高速相機識別的準確性需驗證；方案二，采用普通的視覺相機，A/B 線各需要配套1 個智能相機，難點是拍照點受機械手動作影響，拍照時序，以及拍照視野需要探討。

圖4 大卷廢料段在線檢測處理方案

兩家廠商的面型相機均可滿足方案一，兩家的線掃相機均可滿足兩種方案，但需要增加配套光源和編碼器，報價均高于25 萬元，基恩士的新款高速面型相機20ms 的處理時間，理論上可滿足方案一現場的視覺檢測需求；通過經濟性、安裝調試周期等多方面的對比考量，最終選擇采用基恩士的面掃相機在開卷落料線進行材料缺陷識別、處理。

開卷落料線大卷材料缺陷在線檢測處理系統

創新前的情況

改善前主要存在的問題：為了防止大卷中的缺陷流入生產線，一是采用將缺陷切除，小卷交付；二是對大卷中缺陷人工標記，直接落料，主線生產為零件后再選別。

改善對策實施

⑴通過視覺相機識別材料缺陷標記。通過分析調研及現場實地考察，對生產線體工藝流程進行對比論證，將視覺相機安裝在開卷落料線進給輥之前最為合適，既能保證視覺拍照空間和拍照效果，又能提供拋料反應時間，確保精準拋料，具體安裝位置如圖5所示。

圖5 視覺相機安裝位置

⑵視覺模板制作。由于設備工藝等原因，各鋼廠采用了不同的畫線形式，但都對顏色進行了統一。標記最重要的要求為易發現，主要標記方式有兩種如圖6 所示。

圖6 兩種標記方式

通過可實施性及經濟性的對比分析，與鋼廠達成統一意見：選擇方案一的標記形式作為本次改善的標識樣式；結合視覺標識，制作視覺模板，由于視覺拍照區域在拍攝的照片中，搜索區域里面有標記的線條則認定為該處材料為缺陷材料，通過研究對比基恩士視覺系統各種工具的應用用途，最終選用“防止錯位”工具，調整拍攝亮度及曝光時間，改善拍照效果，保證在搜索區標記顏色的線條能被識別到，通過設定相似度的分值來判斷識別是否NG，同時輸出信號傳遞給PLC，通知系統識別到材料標記，按照對應的處理方式對缺陷材料進行處理。

⑶自動拋料功能優化。結合現場控制邏輯，制定自動拋料方案(圖7)，編寫自動拋料程序，視覺相機在識別到材料缺陷標記時，輸出信號給PLC，PLC根據當前生產零件的送料長度自動計算當前缺陷所在拋料張數。當落料模具沖壓到該缺陷材料時，會直接將缺陷段板料拋料，然后繼續恢復生產。

圖7 自動拋料方案

⑷HMI 控制面板新增拋料零件跟蹤顯示。為了充分展示識別到的零件與拋料零件準確性，在HMI 控制面板增加零件拋料跟蹤示意圖。當識別到缺陷材料后，屏幕顯示識別位置，同步根據零件送料情況，顯示需要拋料的零件距離及所在張數，方便人員跟進拋料零件是否正確。

創新改善驗證

通過測試驗證，視覺相機識別功能正常，自動拋料程序正常，結果見表2。能自動識別材料缺陷并自動處理，不影響正常生產，為整體的生產效率和成材率提升創造條件。

表2 測試結果

結束語

本文創新提出了一種開卷落料線自動識別拋料系統。該系統的投入使用，讓帶品質缺陷的大卷交付能夠順利實施，通過本次改善，同樣卷重的大卷可節省落料線換卷時間27min，減少材料報廢119kg；鋼廠加工成本預計可節約22.3 萬元/年。