童明勝

(山東省冶金科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250014)

1 引言

鋼筋棒材是我國消費(fèi)量最大的鋼材品種,據(jù)統(tǒng)計(jì),2008年我國鋼材產(chǎn)量58488.1萬t,其中鋼筋棒材產(chǎn)量為14379.46萬t,占全年鋼材總產(chǎn)量的24.6%。面對(duì)良好的需求市場(chǎng),眾多棒材生產(chǎn)廠通過不斷提高裝備技術(shù)水平來提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。然而目前我國大部分棒材生產(chǎn)中仍采用人工計(jì)數(shù),勞動(dòng)強(qiáng)度大,容易忙中出錯(cuò),易出現(xiàn)包裝質(zhì)量異議,且與自動(dòng)化軋鋼不相配套,影響生產(chǎn)效率的提高。棒材自動(dòng)計(jì)數(shù)分離,是提高棒材生產(chǎn)自動(dòng)化水平的重要技術(shù),對(duì)于軋鋼廠實(shí)現(xiàn)棒材生產(chǎn)負(fù)偏差軋制、按理論重量交貨、與國際市場(chǎng)接軌具有十分重要的意義。

2 目前各種棒材計(jì)數(shù)分離技術(shù)的比較

為解決棒材自動(dòng)計(jì)數(shù)分離的問題,一些鋼廠也相繼開發(fā)應(yīng)用了各種相應(yīng)的技術(shù),下面對(duì)目前幾種計(jì)數(shù)分離技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)做簡(jiǎn)要介紹。

1)傳統(tǒng)的人工計(jì)數(shù)和手工分離。其存在的問題是工人勞動(dòng)強(qiáng)度大,計(jì)數(shù)誤差較大。

2)引進(jìn)國外公司產(chǎn)品。近年一些國外公司研制了多種鋼筋計(jì)數(shù)裝置,國內(nèi)個(gè)別鋼廠也有購買使用,但引進(jìn)價(jià)格昂貴,環(huán)境要求嚴(yán)格,若生產(chǎn)線精度達(dá)不到要求,則影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

3)國內(nèi)研制的機(jī)械分離和光電計(jì)數(shù)系統(tǒng)。例如,利用高低速兩組傳送鏈將棒材強(qiáng)制分離,然后利用光電裝置進(jìn)行計(jì)數(shù);或者再增加一組分離螺桿裝置,提高分離的可靠性。其缺點(diǎn)是機(jī)械機(jī)構(gòu)復(fù)雜,使用成本高。而且光電裝置易受到溫度和現(xiàn)場(chǎng)氧化鐵屑的影響,降低計(jì)數(shù)準(zhǔn)確度。

4)國內(nèi)研制的利用光柵和脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)。其缺點(diǎn)是多個(gè)棒材沒有間隙移動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差,降低計(jì)數(shù)準(zhǔn)確度。重疊棒材也會(huì)產(chǎn)生計(jì)數(shù)誤差。

5)國內(nèi)研制的利用線陣攝像機(jī)拍攝棒材之間的間隙漏出的光線產(chǎn)生的明暗變化計(jì)數(shù)。該技術(shù)雖然能夠?qū)徊娴陌舨挠?jì)數(shù),但如果有較大數(shù)量的棒材無隙漏堆疊在一起時(shí),將無法計(jì)數(shù)。而且,交叉的棒材很難分離。

3 棒材在線視覺自動(dòng)計(jì)數(shù)分離系統(tǒng)介紹

棒材在線視覺自動(dòng)計(jì)數(shù)分離系統(tǒng)基于機(jī)器視覺技術(shù),打破了傳統(tǒng)機(jī)械式和光線遮擋型光電計(jì)數(shù)的設(shè)計(jì)思路。機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺是一項(xiàng)綜合技術(shù),包括數(shù)字圖像處理技術(shù)、控制技術(shù)、光源照明技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、傳感器技術(shù)、模擬與數(shù)字視頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)等。機(jī)器視覺強(qiáng)調(diào)實(shí)用性,能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境,要有合理的性價(jià)通用的工業(yè)接口、較高的容錯(cuò)能力和安全性,并具有較強(qiáng)的通用性和可移植性,同時(shí)它更強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性,要求高速度和高精度[1]。

整套系統(tǒng)分為2個(gè)子系統(tǒng),即棒材自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)和棒材自動(dòng)分離系統(tǒng)。棒材自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)采用非接觸式機(jī)器視覺技術(shù)和計(jì)算機(jī)比較控制技術(shù),完美地實(shí)現(xiàn)了高精度計(jì)數(shù)的目的,統(tǒng)計(jì)精度可優(yōu)于0.01%;棒材自動(dòng)分離系統(tǒng)由精密機(jī)械分離裝置、液壓裝置、鏈輪傳動(dòng)裝置及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成,該系統(tǒng)能精確分離任意規(guī)格、任意設(shè)定支數(shù)的棒材。

3.1 棒材自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)

3.1.1 自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)組成及功能

該子系統(tǒng)由視頻采集、圖像處理、目標(biāo)識(shí)別、多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤、容錯(cuò)計(jì)數(shù)、操作控制等硬件和軟件模塊構(gòu)成。采用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對(duì)隨移鋼機(jī)運(yùn)動(dòng)的棒材進(jìn)行計(jì)數(shù)。

棒材自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)主要由圖象采集監(jiān)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)分為:VA40機(jī)器視覺系統(tǒng)、VA30視覺伺服控制與位置控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制單元、圖像顯示單元幾部分。VA40機(jī)器視覺系統(tǒng)包括光源、光學(xué)鏡頭、CCD攝相機(jī)、圖像采集卡、圖像處理單元、機(jī)器視覺處理軟件、監(jiān)視器、通訊/輸入輸出單元等。視覺系統(tǒng)工作原理為:由光源發(fā)出的平行光束照射到隨移鋼機(jī)運(yùn)動(dòng)的棒材橫截面上,其邊緣輪廓經(jīng)過顯微光學(xué)鏡組成像在攝像機(jī)的面陣CCD像面上,計(jì)算機(jī)通過圖像增強(qiáng)、數(shù)據(jù)編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、融合、匹配等不同的算法來對(duì)圖像進(jìn)行處理[2],進(jìn)行圖像處理后獲得被測(cè)對(duì)象邊緣輪廓的位置,進(jìn)而通過計(jì)算達(dá)到棒材計(jì)數(shù)的目的。

系統(tǒng)功能包括:從移鋼機(jī)一側(cè)采集運(yùn)動(dòng)棒材端面圖像,經(jīng)圖像檢測(cè)、圖像識(shí)別、目標(biāo)跟蹤后實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)數(shù),當(dāng)捆計(jì)數(shù)值達(dá)到所設(shè)定值后,指導(dǎo)或控制移鋼機(jī)啟停。可用于實(shí)時(shí)顯示分鋼位置指導(dǎo)工人進(jìn)行人工分鋼。系統(tǒng)布局示意圖見圖1。

圖1 棒材自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)布局示意圖Fig.1 The sketch map of steel bar automatic counting system

3.1.2 自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)工作流程

高速視覺攝像頭對(duì)運(yùn)動(dòng)中的鋼材進(jìn)行攝像,拍攝到的彩色視頻信號(hào)經(jīng)過圖像采集卡數(shù)字解碼器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、比例縮放、裁剪、色空變換等處理,通過PCI總線輸入到計(jì)算機(jī)中對(duì)鋼材進(jìn)行計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)到達(dá)一捆的數(shù)目時(shí),發(fā)送一個(gè)命令給繼電器,使傳送裝置停下來,同時(shí)跟蹤計(jì)數(shù)的最后一根鋼材的位置。當(dāng)傳送裝置完全停下時(shí),CRT顯示器顯示分鋼位置,等分鋼完成后,按啟動(dòng)按鈕或自動(dòng)(自動(dòng)分鋼)重新開始計(jì)數(shù)。系統(tǒng)工作流程拓?fù)鋱D見圖2。

圖2 棒材自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)工作流程拓?fù)鋱DFig.2 Work flow diagram of steel bar automatic counting system

3.2 棒材自動(dòng)分離系統(tǒng)

3.2.1 自動(dòng)分離系統(tǒng)組成及功能

3.2.1.1 視覺反饋分鋼子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)在視覺計(jì)數(shù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加分鋼機(jī)械、分鋼控制模塊和基于視覺反饋模塊的決策模塊等硬件和軟件構(gòu)成。

系統(tǒng)功能包括:在每捆額定支數(shù)計(jì)數(shù)滿時(shí),自動(dòng)停止移鋼機(jī),系統(tǒng)根據(jù)視覺反饋模塊的反饋棒材分布信息,進(jìn)行分鋼動(dòng)作決策,選擇合適的分鋼動(dòng)作,由分鋼控制模塊控制分鋼機(jī)械動(dòng)作。在分鋼過程中,視覺反饋模塊實(shí)時(shí)跟蹤棒材的運(yùn)動(dòng),根據(jù)棒材變化調(diào)整分鋼策略,準(zhǔn)確控制在一頭分離棒材,實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)分鋼自動(dòng)化。可通過啟動(dòng)下一節(jié)鏈床繼續(xù)拉開前后捆棒材間的間距。

3.2.1.2 視覺反饋隨動(dòng)分鋼子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)在視覺計(jì)數(shù)分鋼系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加隨動(dòng)分鋼機(jī)組、視覺反饋隨動(dòng)分鋼控制模塊和基于視覺反饋模塊的決策模塊等硬件和軟件。

系統(tǒng)功能包括:在分鋼機(jī)械從一頭分開前后捆棒材之后,通過頂部攝像裝置獲得棒材在移鋼機(jī)上的擺放情況,找出分鋼機(jī)動(dòng)作后產(chǎn)生的豁口走向,控制隨動(dòng)分鋼機(jī)組各隨動(dòng)分鋼楔在合適的豁口位置依次向上頂開棒材,實(shí)現(xiàn)棒材全部分離。系統(tǒng)布局示意圖見圖3。

圖3 棒材自動(dòng)分離系統(tǒng)布局示意圖Fig.3 The sketch map of steel bar automatic separating system

3.2.2 自動(dòng)分離系統(tǒng)工作流程

剪切后的螺紋鋼/圓鋼,經(jīng)過一頭對(duì)齊整理后,依次經(jīng)過精密自動(dòng)分隔器和計(jì)數(shù)視覺攝像機(jī)系統(tǒng),在達(dá)到打包數(shù)量時(shí),傳送鏈A停止,精密自動(dòng)分隔器啟動(dòng),準(zhǔn)確分隔前后兩捆鋼材。然后一組液壓分隔器和傳送鏈B相繼動(dòng)作,最終完成分隔。液壓分堆擋板放下,讓已分堆鋼捆通過。傳送鏈C啟動(dòng),將分堆鋼捆運(yùn)送到打包機(jī),完成一次分隔計(jì)數(shù)。系統(tǒng)工作示意圖見圖4,系統(tǒng)工作流程拓?fù)鋱D見圖5。

圖4 棒材自動(dòng)分離系統(tǒng)工作示意圖Fig.4 The work sketch map of steel bar automatic separating sy stem

圖5 棒材自動(dòng)分離系統(tǒng)工作流程拓?fù)鋱DFig.5 The work flow diagram of steelbar automatic separating sy stem

4 棒材在線視覺自動(dòng)計(jì)數(shù)分離系統(tǒng)的特點(diǎn)和技術(shù)指標(biāo)

4.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

1)打破機(jī)械加光電以及用CCD做透光檢測(cè)的傳統(tǒng)計(jì)數(shù)思路,針對(duì)普遍采用的成批剪切工藝提出了切實(shí)可行的在線視覺棒材點(diǎn)支的方案。

2)提出了K級(jí)容錯(cuò)計(jì)數(shù)算法和基于運(yùn)動(dòng)估計(jì)的評(píng)判表決錯(cuò)誤校正算法,保證任何情況下的正確計(jì)數(shù)。排除了因棒材在鏈床上的不規(guī)則晃動(dòng),很容易出現(xiàn)錯(cuò)識(shí)別和跟蹤錯(cuò)位的現(xiàn)象,計(jì)數(shù)精度高,對(duì)/12～/14多層鋼筋計(jì)數(shù)誤差率小于0.01%,粗鋼計(jì)數(shù)誤差率更低。

3)通過視覺傳感器從無遮擋的端部獲取棒材數(shù)字圖像,在計(jì)算機(jī)中采用靈活的圖像處理技術(shù),分析并提取棒材截面的特征,進(jìn)行檢測(cè)、計(jì)數(shù),具有速度快、精度高、適應(yīng)性強(qiáng)等許多優(yōu)點(diǎn),能靈活處理各種復(fù)雜的變化情況。

4)生產(chǎn)線在線計(jì)數(shù),可對(duì)生產(chǎn)線上多層堆積鋼筋直接計(jì)數(shù)。

5)可拆分為獨(dú)立計(jì)數(shù)系統(tǒng)和全自動(dòng)計(jì)數(shù)分捆系統(tǒng)。

6)獨(dú)立計(jì)數(shù)系統(tǒng)具有無機(jī)械分捆,不需對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行改造,安裝調(diào)試不影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。不影響生產(chǎn)線的大、中、小修,不影響行車正常運(yùn)行的特點(diǎn)。

7)全自動(dòng)計(jì)數(shù)分捆系統(tǒng)需要對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行小范圍的改造、安裝調(diào)試不影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。不影響生產(chǎn)線的大、中、小修,不影響行車正常運(yùn)行的特點(diǎn)。

8)基本無易損件,工作穩(wěn)定可靠,可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

9)復(fù)核檢測(cè)系統(tǒng)有兩種方案?jìng)溥x:一種采用攜帶方便、體積小的便攜式成捆棒材復(fù)核檢測(cè)裝置。一種是在線式復(fù)核檢測(cè)系統(tǒng),采用靜態(tài)棒材側(cè)面圖像識(shí)別技術(shù)二次校驗(yàn)計(jì)數(shù),使最終分堆準(zhǔn)確率再次上升1到2個(gè)數(shù)量級(jí),幾乎無差錯(cuò)。

4.2 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

1)獨(dú)立計(jì)數(shù)系統(tǒng)允許在線鋼筋堆積厚度＜80 mm。

2)生產(chǎn)線傳動(dòng)鏈速度可控,最大速度＜600 mm/s。

4)最大允許斜度≤15°。

5)設(shè)備安裝空間:傳送鏈方向3 m。

5 結(jié)論

基于機(jī)器視覺技術(shù)的棒材自動(dòng)計(jì)數(shù)分離系統(tǒng),解決了我國棒材生產(chǎn)線最后一個(gè)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化難題。目前,該系統(tǒng)已在漣源鋼鐵集團(tuán)棒材一廠、棒材二廠,濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)第一小型軋鋼廠成功投用。該系統(tǒng)的應(yīng)用在軋鋼自動(dòng)化領(lǐng)域具有積極意義,不僅大大減少了棒材生產(chǎn)線職工的勞動(dòng)強(qiáng)度,且提高了工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量,受到了使用單位的一致好評(píng),具有較好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

[1]陳梅蘭.機(jī)器視覺關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例分析[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī),2006(1):21-25.

[2]曹國斌,劉雪蛟,王花.圖像和機(jī)器視覺技術(shù)概述[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2008,37(8):27-31.