八鋼冷軋酸軋入口應用工業視覺識別技術前景淺析

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

新疆八鋼冷軋機組酸軋聯機改造后，具備了酸洗軋制連續生產的能力。冷軋酸軋入口作業環節包括：熱軋鋼卷收料(包括質量檢驗)、入庫、上料(包括二次質量檢驗)、拆捆、對中、開卷等環節。入口區域目前設置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、焊機操作工)。該區域現場環境復雜，主要依靠人工作業。

一些冷軋廠在酸洗入口區域引入傳統工業機器人，但因機器人缺乏視覺識別，機器人操作的地點和區域極其受限。隨著自動化控制技術、工業視覺識別技術的發展，一些冷軋廠在酸洗入口區域引入工業視覺識別技術并與自動化控制技術相結合，實現區域全自動控制，最終實現酸洗入口無人化。具有視覺能力的工業機器人比傳統的工業機器人生產效率高，同時提升了生產安全。

工業視覺識別技術，是通過計算機模擬人類的視覺系統，再通過計算機自帶的智能識別裝置，對機器或計算機視覺系統所掃描到的信息進行讀取并識別信息的種類，辨別讀取到的信息是屬于數字信息、文字信息還是圖像信息等。通過機器或計算機的智能系統，在之前輸入機器或計算機內的信息的基礎上，最后得出正確的信息識別結果。具有高靈敏度、響應速度快的特點。

一些研究認為，冷軋酸洗入口區域采用工業視覺識別技術應用，通過調整自動化程序，增設若干高清工業攝像頭、圖像識別算法及程序系統。將視覺識別技術應用于自動化控制技術中，可以在一定程度上提高自動化控制技術的應用效率，進而促進酸連軋生產效率提升。

1 八鋼冷軋酸軋機組入口及上卷作業現狀

酸軋入口段生產工藝：熱軋卷收卷(質量檢查)→上卷→對中(質量確認)→轉運→拆捆→轉運→上卷→切頭尾→激光焊接熱軋鋼卷卷芯內徑為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#門進料，10#作為特殊情況備用；在酸洗上料步進梁運行區域，配置1套自動拆捆機器人，可實現自動拆捆作業；2套開卷機，分為上線開卷機和下線開卷機，可獨立作業。

八鋼酸連軋機組的激光焊接采用國產激光焊機，由于采用固態激光源，激光源功率最高為8000kW。可實現自動焊接功能，配置焊縫自動檢測系統。

吊卷作業：熱軋來料鋼卷車進入冷軋原料庫后，由天車指吊員指揮天車將鋼卷吊放到庫區的指定位置。原料庫天車不僅要滿足鋼卷入庫，還需滿足酸軋機組原料卷上料需求。天車指吊員在原料庫內來回穿梭，存在非常大的安全隱患，極大的增加了指吊員的工作強度。

運卷作業：(1)天車將鋼卷吊裝到步進梁上后，L1自動化根據轉運鞍座的有無鋼卷可觸發步進梁自動運卷，也可人工半自動單步運卷。步進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。因此步進梁運卷存在翻卷的安全隱患。(2)主操作臺操作工根據現場監控攝像，將吊裝到步進梁上的鋼卷，在L2系統中將卷號輸入到對應步進梁上的鞍座位。如鋼卷角度不合適，時常出現看不到的情況，還需到現場觀察記錄卷號。(3)現場上卷操作工，在上卷鞍座觀察鋼卷質量，如發現質量異常，此時只能通過酸軋跨天車吊走鋼卷。生產無法及時發現異常質量的鋼卷，嚴重影響機組生產效率。

上卷作業：上卷小車根據步進梁上測量的鋼卷卷徑，自動調整小車上卷高度到設定的位置使卷芯和卷筒芯軸重合。如鋼卷卷徑測量異常，將導致小車高度對中失敗，不能自動上卷，此時需要人工調整；即使小車高度計算正確，也需操作人工確認鋼卷高度正常。這增加了操作人員的勞動強度。

開卷穿帶：機組擁有自動開卷裝置，可以實現自動開卷穿帶。但如果帶鋼出現翹頭/扣頭，在穿帶時帶鋼時常穿入下層通道或卡入設備縫隙。自動穿帶無法運行，有時甚至還損壞設備。

2 酸軋機組入口自動上卷技術必要性分析

目前八鋼冷軋酸洗線入口段處于半自動化生產階段，各工序都出現過故障，加上來料質量不穩定，無法保證生產的連續穩定，影響到作業率。

基于產線現狀，入口段配有5名專職操作工：1名天車工，負責熱軋來料鋼卷入庫及原料上卷吊裝；1名上料操作工，在現場保障來料綜合質量及運輸的穩定；1名上卷操作工，在現場保障拆捆機、上卷機的正常工作；1名主操，在操作室監控開卷和穿帶過程有無異常發生；1名焊機操作工，在激光焊機附近地面監視激光焊接作業及異常處置。由于工作的高重復性和強持續性，容易疲勞而產生不當操作，影響最終軋制產出率甚至造成生產意外事故。冷軋酸洗線入口段實現無人化作業將有效促進各工序的穩定高效運轉，保障操作工安全的同時也能優化其工作內容，提高現場作業效率。

在鋼卷綜合質量檢測和上卷過程中，需要對鋼卷的端面進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、內卷、散卷、加帶頭等問題。每次停放時，鋼卷的位置與姿態難免存在一定的偏差，為了提供系統檢測的穩定性，需要針對鋼卷位置和狀態進行自適應適配。

一種自適應復雜環境下的鋼卷端部缺陷檢測技術，鋼卷號檢測采用正面相機對鋼卷環形面進行拍照，并通過OCR技術來檢測和識別鋼卷號的具體數字(并與產銷鋼卷號核對、天車吊運指令核對)。塔型檢測則采用3D激光雷達從側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掃描，也可以通過圖像識別技術掃描鋼卷的內外測輪廓，與既有鋼卷模型進行對比，從而實現鋼卷的邊裂、塔卷與內卷松等缺陷類型的檢測。

八鋼酸軋機組入口引入工業視覺識別技術，可以實現無人化操作，提高鋼卷檢測水平。

3 自動上卷作業工業視覺識別的關鍵技術

近年來，隨著工業智能化的迅速發展，具有便捷性、精確性、迅速性、智能化等優點的機器視覺技術被廣泛應用于工業生產各領域，其作為一種現代化檢測手段，越來越受到人們的重視。PCA方法(即主成分分析技術，又稱主分量分析技術，旨在利用降維的思想，把多指標轉化為少數幾個綜合指標)是一種有效的、常用的多變量基礎數學分析方法，能夠從散亂的數據集合中篩選出重要的關聯信息，滿足現代工廠生產要求機器視覺系統能夠快速，準確地利用雙目定位找到目標物并確認其位置。運用PCA機器視覺技術在工業上的案例很多，技術相對成熟，根據實際工況對PCA算法進行改進，可滿足工業設計需求。

酸洗入口機器視覺識別主要包括，鋼卷號視覺、鋼卷外觀質量缺陷識別、鋼卷對中識別、鋼卷帶頭異常情況識別等。為實現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的物件進行三維重建與幾何模型提取。根據預設模型以及采集到的三維點云數據，對點云進行裁剪、濾波等預處理，并對其進行拼接與重建，是一種在復合場景下多種不規則物件的三維測量與重建方法。

(1)鞍座對中檢測技術：受現場環境的不確定性因素影響，在不同時刻由高清工業攝像頭抓取的鋼卷端面圖像和曲面圖像會出現不同的背景干擾，對鋼卷特征部位的提取和對中產生影響，因此需研究機器視覺算法在此工況下基于圖像特征提取相結合的對中檢測技術。采用圖像識別技術，從兩側分別識別鞍座與鋼卷的邊緣輪廓，提取鞍座側向中心軸與鋼卷的中心坐標，從而計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可以實現對鋼卷內外徑和鋼卷厚度的檢測，結合紅外測溫儀可以實現對鋼卷特定位置的溫度測量。

(2)鋼卷綜合質量檢測技術：需要對鋼卷的端面進行各種缺陷或故障異常檢測，比如鋼卷的邊裂、塌卷、內卷、散卷、加帶頭等，每次停放時，鋼卷的位置與姿態難免存在一定的偏差，為了提供系統檢測的穩定性，需要針對鋼卷位置和姿態進行自適應適配，研究一種自適應復雜環境下的鋼卷端部缺陷檢測技術。其中鋼卷號檢測采用正面相機對鋼卷環形面進行拍照，并通過OCR技術來檢測和識別鋼卷號的具體數字。塔型檢測則采用3D激光雷達從側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掃描，也可以通過圖像識別技術掃描鋼卷的內外測輪廓，與既有鋼卷模型進行對比，從而實現鋼卷的邊裂、塔卷與內卷松等缺陷類型的檢測。

(3)上卷智能檢測技術：通過3D激光點云對鋼卷內芯和開卷機卷軸分別進行掃描，并采用3D建模技術，對二者分別進行建立實時的3D模型，從而提取出鋼卷內芯與開卷機卷軸的軸芯所在的直線。通過計算出兩條直線之間的相關關系，即可判斷鋼卷在上卷之前與開卷機卷軸之間的對中程度。同時，通過分析鋼卷的內外側形狀，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：通過機器視覺技術，對開卷后鋼卷的帶頭的位置與形狀進行跟蹤，當檢測到鋼卷帶頭不動時，結合現場運動情況以及鋼卷中間狀態起伏情況，可以判斷出開卷后的鋼卷是否存在卡鋼、起套等問題。根據鋼卷開卷之后的形狀，可以進一步判斷帶頭的質量，比如表面平整度以及鋼卷頭部的尺寸等。

4 引入工業視覺識別需要優化的問題

以機器視覺為代表的智能化傳感檢測器件與系統，為檢測識別技術帶來顛覆性的變革，借助軟件實現對圖像數據的分析與處理，賦予加工設備、工業機器人與產線更高級的智能，也是軋鋼實現智能制造的重要著力點。由于質量檢測和控制的要求越來越高，對視覺檢測設備的檢測能力的要求越來越高，需要提高識別精度，擴寬識別范圍。

(1)對機器設備進行自動化控制，通過機器的視覺感知系統，采集客觀存在的信息，然后依據采集到的信息，判斷機器人正處于的環境狀況，然后通過機器人的智能控制端輸入的指令，作出正確的反應，進而達到對機器人的自動化控制效果。對于機器的自動化控制來說，視覺識別技術在其中的應用還有另一個方面，機器內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器內部的各個結構進行掃描，并通過智能系統判斷其內部結構是否出現故障問題，再將判斷結果傳送給自動化控制系統，自動化控制系統發出指令，讓機器系統作出正確反應。

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

因此在進行酸洗入口機器視覺識別開發應用的過程還必須考慮到現場粉塵的處理、異常光線的處理等。另外，為了實現酸洗入口段各項作業的無人化，還需對自動化進行優化處理，比如下線切頭、切尾的自動運輸問題還需要改進。

5 結束語

八鋼酸連軋機組經過聯機改造后，酸洗軋機具備了連續生產的能力，生產能力大幅提升，為了實現酸軋機組出入口無人化，建議繼續進行自動化升級改造，采用工業視覺識別技術與自動化控制技術相結合。對比八鋼冷軋工況，認為具有較高的實施可行性，也符合工業生產智能化的發展要求。

工業視覺識別技術將來應用到八鋼酸軋機組，將極大提高酸軋機組出入口自動控制水平，在復雜的工業環境中實現無人化控制功能，必將大幅減輕工人的勞動強度，提高生產效率。