一種鋼材一體化智能檢測和輸送系統(tǒng)設計

趙建幫 代曉林 于 偉 萬 毅 高 遠

（1.大連船舶重工集團有限公司，大連 116083；2.大連惠友自動化有限公司，大連 116001；3.大連嘉濟自動化機電科技有限公司，大連 116602）

鋼板作為冶金業(yè)的主要產(chǎn)品之一，在航空航天、船舶以及汽車等行業(yè)發(fā)揮著重要作用[1-2]。在船舶制造過程中需要使用大量鋼板，而在鋼板的制造及運輸、儲存過程中，由于連鑄鋼坯、軋制設備、加工工藝、運輸及儲存方式等因素，導致鋼板表面出現(xiàn)多種缺陷。板材表面質(zhì)量的優(yōu)劣不僅影響船體表面的美觀，而且最終影響船舶的抗腐蝕性、耐磨性以及疲勞強度等性能。國內(nèi)造船企業(yè)一直沿用著效率低且遺漏率較高的人工目視抽查方法進行表面缺陷檢測，尚無有效的智能化技術手段對鋼板表面進行在線檢測[3-5]。此外，諸多鋼鐵廠在進行生產(chǎn)活動時，鋼材的檢測環(huán)節(jié)與輸送環(huán)節(jié)是相互獨立、分隔開的。這種生產(chǎn)模式需要大量人力物力，生產(chǎn)效率較低，同時增加了制造成本。如今，鋼材智能檢測與輸送一體化系統(tǒng)逐漸成為相關企業(yè)的追求。

基于這樣的背景，提出了一種針對船舶制造的鋼材一體化智能檢測和輸送系統(tǒng)。該系統(tǒng)由鋼板缺陷在線自動檢測系統(tǒng)、柔性自動定位傳輸系統(tǒng)、內(nèi)部構件自動傳輸系統(tǒng)、板材自動傳輸系統(tǒng)以及集控系統(tǒng)5部分組成。

1 鋼板缺陷在線自動檢測系統(tǒng)

根據(jù)鋼板表面麻點檢測系統(tǒng)的現(xiàn)場需求，系統(tǒng)設置鋼板預處理后，即被檢測鋼板是剛剛經(jīng)過首次拋丸作業(yè)的。該系統(tǒng)通過平面數(shù)字圖像處理、三維輪廓掃描及人工智能算法等實現(xiàn)鋼板表面麻點缺陷的在線檢測，并通過與空間標識系統(tǒng)的配合標記缺陷位置，方便后期切割避讓和人工修磨。整個檢測系統(tǒng)接入集控系統(tǒng)中形成船用鋼板加工整個工序的一體化與智能化。鋼板缺陷在線自動檢測系統(tǒng)的三維模擬圖如圖1所示。

圖1 鋼板缺陷在線自動檢測系統(tǒng)

1.1 鋼材缺陷在線自動檢測系統(tǒng)主要構成

鋼板缺陷在線自動檢測系統(tǒng)主要由空間標識系統(tǒng)、光纖激光打標機、成像系統(tǒng)、攝像頭計算機組、服務器和控制臺、軟件系統(tǒng)以及檢測輥道組成。其中，該系統(tǒng)的核心部件為線陣工業(yè)相機、線陣工業(yè)鏡頭、線性工業(yè)光源、光源控制器、高性能工控機以及深度（Z軸）測量單元。

1.2 鋼板缺陷在線自動檢測系統(tǒng)工作原理

鋼板缺陷在線自動檢測系統(tǒng)用于在線實時測量鋼板的缺陷面積占比和缺陷深度，主要針對船舶建造鋼板表面缺陷（麻點、剝落、結疤、刻痕以及氣孔）進行檢測，構建鋼板表面缺陷大數(shù)據(jù)知識庫，建立基于人工智能算法的缺陷庫自學習機制，實現(xiàn)基于機器視覺的鋼材表面缺陷自動識別和鋼板原材料檢測的全覆蓋。鋼板缺陷在線自動檢測系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 鋼板缺陷在線自動檢測系統(tǒng)工作原理

1.2.1 成像系統(tǒng)

成像系統(tǒng)可以在線完成鋼板上、下表面檢驗，識別鋼板表面的瑕疵，檢出劃痕、刮傷、孔洞、結疤以及墊坑等缺陷，并可以構建缺陷的粗檢模型和細檢模型，分別進行標注、數(shù)據(jù)擴增、模型訓練和調(diào)優(yōu)。粗檢用于粗定位，細檢用于精確定位缺陷并計算占比，最后根據(jù)相關標準進行缺陷判定。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)對空間標識系統(tǒng)的實時傳輸，系統(tǒng)的檢測結果可反饋給集控系統(tǒng)，以鋼板編號為索引，形成質(zhì)檢結果數(shù)據(jù)庫。質(zhì)檢結果的輸出形式可根據(jù)方案進行功能的選擇和定制化。針對質(zhì)量監(jiān)測軟件具有全套的功能清單、質(zhì)量統(tǒng)計表以及檢測記錄表格式樣。

1.2.2 空間標識系統(tǒng)

空間標識系統(tǒng)（光纖激光標識系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)）為上下龍門懸臂結構，含基礎結構、升降機構、橫移機構以及電機驅(qū)動等。龍門架上、下方各布置了8臺光纖激光打標機，滿足4.5 m×24 m板幅的標識范圍，并可根據(jù)板厚自動調(diào)節(jié)升降高度，滿足不同板厚板材的標識工作需求。

空間標識系統(tǒng)安裝在成像系統(tǒng)工序后，實時接收檢測數(shù)據(jù)后，從軟件和硬件上同時統(tǒng)一進行缺陷標注，可在系統(tǒng)中形成坐標圖作為質(zhì)檢結果，也可在鋼板表面形成明顯的標識框作為鋼板修磨指導。該系統(tǒng)形成的坐標圖可實時傳輸給集控系統(tǒng)，缺陷標識實現(xiàn)率為100%，不會出現(xiàn)漏標情況。標識外形采用矩形框，可將缺陷全部圈定，不會出現(xiàn)漏圈、少圈等情況。鋼板從預處理線出來后，上下表面油漆厚度為20～40 μm，激光標識灼傷油漆表面的最大深度為10 μm，不會傷及母材，打標速度為12 000 mm·min-1，打印寬度為2 mm。

1.3 復雜環(huán)境下的圖像采集技術、案例

1.3.1 中車集團工件檢測定位系統(tǒng)

針對“轉(zhuǎn)K6型搖枕、側架”兩種產(chǎn)品的“澆冒口（含飛邊毛刺、排氣棒）切割”與“表面修磨”兩大工序，目的是在保證兩大工序作業(yè)質(zhì)量的前提下實現(xiàn)機械化作業(yè)，通過3D機器視覺進行鑄件的表面點云采集，通過人工智能算法，在三維空間中進行模板匹配和精確的空間位置、俯仰角度輸出。基于識別和計算的鑄件空間參數(shù)輸出給機械臂，并引導機械臂夾持氣割噴頭切割鑄件的澆冒口。系統(tǒng)實際工作時引導到位精度，切割澆冒口精度與打磨和檢測精度分別為±1 mm和±0.5 mm。

1.3.2 林德集團化工分離塔工件加工質(zhì)量檢測系統(tǒng)

項目主要集中在兩個場景，填料網(wǎng)格面檢測和方形液體分布管。兩個場景不在同一工作區(qū)域，檢測手段不同，設備不同，算法技術手段類似。

場景一：填料網(wǎng)格面檢測?，F(xiàn)場采集使用3D激光立體掃描技術和高清2D平面圖像處理技術，采集設備圖像信息，通過現(xiàn)場工業(yè)計算機的預處理，經(jīng)5G網(wǎng)絡上傳到ModelArts系統(tǒng)進行識別和處理，并將處理結果反饋到終端進行質(zhì)量檢測輔助決策，同時在云端數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)留存樣本備查。

場景二：方形液體分布管?，F(xiàn)場布防專用檢測平臺，采用專用大口徑、高精度圖像采集設備進行多孔孔徑、孔距、邊距等信息的圖像采集。圖像處理技術與高精度的運動控制技術相結合，采集設備圖像信息，通過現(xiàn)場工業(yè)計算機的預處理，經(jīng)5G網(wǎng)絡上傳到ModelArts AI系統(tǒng)進行識別和處理，并將處理結果反饋到終端進行質(zhì)量檢測輔助決策，同時在云端數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)留存樣本備查。此時，孔徑精度為0.02 mm。

通過項目智能化質(zhì)量檢測系統(tǒng)的應用，客戶可以實現(xiàn)從進口半成品入庫檢測，到生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制，至未來裝備維修維護和質(zhì)量追溯的全數(shù)字化和智能化。通過生產(chǎn)過程質(zhì)量數(shù)據(jù)進行質(zhì)量趨勢預估，制定相應的質(zhì)量管理策略，通過上下游質(zhì)量數(shù)據(jù)聯(lián)動、生產(chǎn)制造水平以及后期維護數(shù)據(jù)的分析，優(yōu)化質(zhì)量管理決策，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的企業(yè)質(zhì)量體系。

2 柔性自動定位傳輸系統(tǒng)

柔性自動定位傳輸系統(tǒng)是連接鋼料堆場、鋼板預處理線、中厚板校平機、薄板校平機以及理料工場的鋼板定位傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由鋼材進出料及傳輸輥道、高精度吊排、噴碼系統(tǒng)、編碼識別系統(tǒng)、庫管物流管理以及集控系統(tǒng)構成。

2.1 傳輸輥道

輥道作為鋼板從上料到最后成品集配的運送載體，主要功能為正常輸送、橫向傳送、緩沖裝置和對中裝置。

（1）正常輸送：延主輥道座單向傳送，正傳、反轉(zhuǎn)以及停止等。

（2）橫向傳送：主輥道傳送至相應位置后做水平橫向移動。橫向移動作用為物料由輥道橫向移動至另一條輥道。

（3）緩沖裝置：上料初始階段，緩沖重力沖擊力，對設備起到保護作用。為避免板材歪斜對其中某一個頂點或者幾個點造成不定向沖擊，在其頂端設計了萬向軸形式，以避免不同方向的力對緩沖裝置的破壞，起到對設備的保護作用。

（4）對中裝置：物料矯正因上料歪斜后矯正對中作用。

設計的輥道把鋼板從上料、輸送、緩沖、換向、緩降以及對中過程中涉及的設備全部科學合理連接到生產(chǎn)線上，使生產(chǎn)布局更加合理，提高了工作效率。設備設計原則為結構緊湊，易于維護，應達到實用性、安全性、穩(wěn)定性等人性化設計標準。柔性自動定位傳輸系統(tǒng)傳輸輥道設計的三維模擬圖，如圖3所示。此外，內(nèi)部構件自動傳輸系統(tǒng)與板材自動傳輸系統(tǒng)的傳輸輥道也采用了此設計。

圖3 柔性自動定位傳輸系統(tǒng)輥道設計

2.2 橫移輥道

鋼板之間設置的橫向移動裝置，可實現(xiàn)鋼板平行轉(zhuǎn)向的功能。每套鋼板橫移裝置包含30套輸送鏈條和升降支架，均勻布置在相鄰兩輸送輥道之間。每條橫移鏈采用減速電機獨立驅(qū)動。橫移裝置不工作時，驅(qū)動鏈條、升降支架均低于輸送輥道工作面，不影響鋼板在輸送輥道上的輸送。當橫移鋼板時，升降支架同步升起，輸送鏈條高出輸送輥道工作面，所有輸送鏈條同步傳動輸送，將鋼板從一條輥道橫向移動至另一條輥道。此外，鋼板的傳輸過程要能具備完全自動化和完全手動控制功能，同時系統(tǒng)具備半自動半手動操作功能，如對部分輥道臨時處于手動狀態(tài)，不影響其他輥道的自動功能，做出相應的降速和停滯處理。橫移輥道三位模擬圖如圖4和圖5所示。

圖4 柔性自動定位傳輸系統(tǒng)橫移輥道示意圖

圖5 柔性自動定位傳輸系統(tǒng)橫移輥道細節(jié)及原理圖

橫移鏈主要由托輥、托輥支架、托輥傳動裝置、升降機構以及升降驅(qū)動裝置等組成。升降動作采用液壓缸形式完成，主體結構液壓缸支點不少于8點。橫移輸送輥道在鋼板橫向移動區(qū)間采用分體式均布托輥的形式，保證較薄鋼板在橫移過程中不會出現(xiàn)變形，同時保證鋼板的橫移過程與輸送輥道平滑過渡。橫移輸送機之間的驅(qū)動采用間隔驅(qū)動和隨動形式，減少橫向平行移動時對鋼板的扭轉(zhuǎn)，保證每根輥裝配平行度，避免薄板運輸時造成板歪斜和彎曲。

2.3 防彎裝置

當較薄板材進行輸送時，由于板材強度沒有厚板強度大，在重量的作用下會產(chǎn)生下彎現(xiàn)象。為避免在傳輸過程中下彎而導致傳輸受阻，在兩輥軸間增加設置了防止彎曲的輥輪裝置，且防彎輥輪裝置上表面高度低于傳輸輥軸上平面，避免在傳輸厚板時壓壞輔助支撐輥輪。防彎裝置布置三維模擬圖如圖6所示。

2.4 緩沖及矯正對中裝置

2.4.1 緩沖裝置

緩沖裝置為液壓缸形式，多點同步緩沖裝置由于液壓油壓縮比小，油缸基本無緩沖作用。為了起到緩沖作用，緩沖液壓缸管路設置泄流閥。當沖擊力達到一定值達到物料質(zhì)量時，打開液壓泄油閥，起到緩降作用。泄油閥為可調(diào)式，可在實際使用時進行調(diào)節(jié)，以適應實際使用狀態(tài)。緩降裝置即可緩降，緩降頂桿頂端具有橫向移緩沖結構，以緩解物料下落過程中產(chǎn)生的橫向力，結構形式為頂端為球形萬向節(jié)，可以適應任意方向的橫向力沖擊。單個鋼板托舉緩沖裝置三維模擬圖如圖7所示。

圖6 防彎裝置布局示意圖

圖7 鋼板托舉緩沖裝置

由于物料為大規(guī)格大噸位物料，在進料輥道部分有數(shù)字化行吊吊運至輥道上方，吊運吊具為電磁吸盤，行吊吊運放下直接落至輥道上勢必會有較大沖擊力和歪斜現(xiàn)象。該處輥道設計了緩沖裝置和錐形導向結構，錐形導向結構高于緩沖裝置。扶正物料后距緩沖裝置一定距離，放下吊車吸盤落至緩沖裝置。本裝置同樣起到對設備的保護作用，避免大沖擊力對設備的損壞而造成的停工停產(chǎn)。緩沖裝置布置三維模擬圖如圖8所示。

2.4.2 矯正對中裝置

鋼材進料輥道和理料車間內(nèi)的理料車間內(nèi)的鋼材出料輥道需具有矯正對中裝置。在鋼板下落后，通過傳感器感知板材邊緣位置。當橫移輥道升起時，通過轉(zhuǎn)動使板材邊緣靠在邊緣定位擋鐵上，矯正對中動作。然后，升降輥道下降，板材落在輸送輥道，開始輸送動作。邊緣擋鐵采用錐形導向輪，鋼板下落后可延錐形下滑至接近對中位置。下落完成后，使對中在小范圍動作內(nèi)完成矯正目的。板材下落后，初步糾正歪斜的為錐形導向輪。錐形導向輪既可對下落過程中的板材進行糾正，又可以對傳輸過程中的板材進行糾正。完成鋼板對中后，錐形導向輪處設置檢測裝置，提供后續(xù)動作信號。

圖8 緩沖裝置布置示意圖

3 內(nèi)部構件自動傳輸系統(tǒng)

內(nèi)部構件自動傳輸系統(tǒng)是連接自動化行車、理料車間劃線機、切割加工車間的鋼板定位傳輸系統(tǒng)，主要由傳輸輥道、橫移輥道、廢料斗、切割平臺、信息采集系統(tǒng)、庫管物流管理以及集控系統(tǒng)構成。

3.1 橫移輥道

車體主體結構采用桁架類結構，橫移車兩端設置支撐輔助輪，車體長度過長，避免兩端產(chǎn)生撓度。橫移臺車上安裝有感應開關和機械限位，分別作為臺車停止和極限限位信號，保證對接精度并防止沖限。根據(jù)下游板材需求，鎖止裝置啟動。橫移車到達鎖止位置后，鎖止機構鎖止，將橫移車鎖止在相應位置，其他無供料需求的下游設備為關閉狀態(tài)，僅有需求的下游設備啟動鎖止裝置。內(nèi)部構件自動傳輸系統(tǒng)橫移輥道三維模擬圖如圖9所示。

圖9 內(nèi)部構件自動傳輸系統(tǒng)橫移輥道

3.2 切割平臺

切割平臺（滾動胎架）采用分段分體形式制作，由胎架骨架結構、中間連接梁、滾動鏈、驅(qū)動鏈輪、驅(qū)動減速器、驅(qū)動電機、插板、排風以及中間隔板等構成。主體結構采用箱型梁形式，兩側由板材焊接形成，附件由支撐支座、風道、上滑道、下滑道以及滑道板構成。中間連接梁為桁架類型，通過栓結組合為切割平臺體，下設支撐肘板和肘板。角鋼上附設滑道，鏈輪滾動在滑道上，由減速電機驅(qū)動聯(lián)軸器，輸送動力給主軸、鏈輪，驅(qū)動切割平臺做滾動循環(huán)使用。調(diào)整形式為被動軸調(diào)節(jié)鏈條松緊，主動軸固定。切割平臺整體三維圖如圖10所示。此外，板材自動傳輸系統(tǒng)的切割平臺也采用該設計。

圖10 切割平臺

4 結語

本文提出了一種針對船舶制造企業(yè)的鋼材一體化智能檢測和輸送系統(tǒng)，極大地提高了鋼板表面缺陷智能檢測系統(tǒng)檢測效率、鋼板生產(chǎn)率與經(jīng)濟效益。該智能檢測和輸送一體化系統(tǒng)可實現(xiàn)檢測鋼板的最大尺寸為24 m×4.5 m，質(zhì)量為25 t，檢測輥道尺寸為28 m×5 m，具有3D功能，輸送速度為0～15 m·min-1（變頻調(diào)速），橫移軌道（橫移輥道）可輸送的鋼板尺寸為12 m×3 m～24 m×4.5 m，最大橫移速度為6 m·min-1，含噴碼系統(tǒng)、編碼標識系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)庫管物流管理、集控系統(tǒng)及高精度吊排等。