錢(qián)雪平，張華偉，趙亞娟

（1.南京鋼鐵一煉鋼連鑄車(chē)間，江蘇南京 210035；2.南京鋼鐵檢測(cè)中心，江蘇南京 210035）

金相是指金屬或合金的化學(xué)成分以及各種成分在合金內(nèi)部的物理狀態(tài)和化學(xué)狀態(tài)。目前理化室金相試驗(yàn)室的各種金相試驗(yàn)非常依賴(lài)有經(jīng)驗(yàn)的分析員進(jìn)行人工判定，同時(shí)分析一張照片耗時(shí)久，操作復(fù)雜，并且在試驗(yàn)完成之后，需要人工統(tǒng)計(jì)規(guī)范報(bào)表，耗時(shí)耗力。

為此南鋼檢測(cè)中心于2020年開(kāi)始研發(fā)全國(guó)首例工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)上下料金相檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)上下料、腐蝕、干燥保存、自動(dòng)拍照拼接、自動(dòng)判級(jí)分析、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳，提高金相自動(dòng)化程度，改善工人勞動(dòng)條件，降低人工誤差，提高工作效率，為鋼鐵金相產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型提供解決方案。

1 金相檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)控制原理

1.1 金相系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本系統(tǒng)由磨床制樣系統(tǒng)、試樣腐蝕系統(tǒng)、制樣上下料機(jī)器人系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、顯微鏡拍照系統(tǒng)、檢測(cè)上下料機(jī)器人系統(tǒng)等六大系統(tǒng)組成，綜合應(yīng)用了MES、數(shù)據(jù)庫(kù)、機(jī)器人和PLC等多種先進(jìn)手段，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制樣、自動(dòng)上下料、自動(dòng)腐蝕、自動(dòng)取圖拼接、自動(dòng)判級(jí)、自動(dòng)上傳結(jié)果等功能，替代人工手動(dòng)作業(yè)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，避免人為因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，提高金相檢測(cè)智能化水平。具體系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)通信控制

全自動(dòng)金相檢測(cè)主系統(tǒng)采用TIA 1516 PLC，通過(guò)OPC UA通信協(xié)議與QATM制樣機(jī)通信，控制六工位制樣機(jī)自動(dòng)上下料，自動(dòng)制樣。

主系統(tǒng)通過(guò)Profinet通信控制機(jī)器人，自動(dòng)控制機(jī)器人在制樣機(jī)、腐蝕機(jī)等區(qū)域上下料。

主系統(tǒng)PLC與顯微鏡通過(guò)TCP通信，控制顯微鏡自動(dòng)調(diào)整焦距、自動(dòng)切換倍率、自動(dòng)拍照，并通過(guò)S7通信協(xié)議與AI算法和檢化驗(yàn)軟件進(jìn)行通信，上傳檢測(cè)結(jié)果。

2 全自動(dòng)金相檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

全自動(dòng)金相檢測(cè)系統(tǒng)可采用兩種方式，第一種采用運(yùn)輸線(xiàn)方式進(jìn)行搬運(yùn)，第二種采用機(jī)器人方式進(jìn)行搬運(yùn)。

2.1 運(yùn)輸鏈研發(fā)方案

圖2為運(yùn)輸線(xiàn)體全自動(dòng)金相檢測(cè)研發(fā)方案，由人工夾持試樣到夾具上，并將夾具推至制樣前輸送線(xiàn)。輸送線(xiàn)將夾好的試樣夾具自動(dòng)輸送到制樣機(jī)前上料機(jī)構(gòu)的上料位置，桁架從上料位置取料輸送至制樣機(jī)存料位并旋轉(zhuǎn)放料，上下料桁架自動(dòng)將試樣輸送到制樣機(jī)進(jìn)行制樣，并將制樣好的試樣從制樣機(jī)取出，根據(jù)試樣規(guī)格自動(dòng)判別試樣是否需要腐蝕。如需要腐蝕，輸送線(xiàn)自動(dòng)將試樣送至輸送線(xiàn)分支腐蝕工位，到達(dá)腐蝕工位后由三軸機(jī)械手自動(dòng)從托盤(pán)取夾具至腐蝕槽，并負(fù)責(zé)腐蝕槽、清洗槽和吹干槽之間的試樣搬運(yùn)。將腐蝕結(jié)束后的夾具送回輸送線(xiàn)，輸送線(xiàn)將托盤(pán)輸送至試樣檢測(cè)單元，兩軸機(jī)械手將夾具從輸送線(xiàn)托盤(pán)中取出并放入定位中轉(zhuǎn)臺(tái)，然后由六軸機(jī)器人將夾具從中轉(zhuǎn)臺(tái)搬運(yùn)至顯微鏡下方，進(jìn)行自動(dòng)取圖。取圖結(jié)束后機(jī)器人自動(dòng)將檢測(cè)好的試樣搬運(yùn)至檢后輸送線(xiàn)，檢后輸送線(xiàn)將夾具輸送至人工操作臺(tái)，人工將試樣從夾具中取下，同時(shí)AI算法自動(dòng)拼接處理取圖照片，自動(dòng)判級(jí)，并將結(jié)果上傳檢化驗(yàn)系統(tǒng)，完成全流程檢測(cè)。

圖2 運(yùn)輸線(xiàn)體全自動(dòng)金相檢測(cè)研發(fā)方案

2.2 機(jī)器人搬運(yùn)研發(fā)方案

圖3為機(jī)器人全自動(dòng)金相檢測(cè)研發(fā)方案，由人工夾持試樣，并將夾持好的夾具擺放至轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)。人工將轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)推至上料貨架并進(jìn)行上料，機(jī)器人從上料貨架取下夾具。將夾具放置制樣機(jī)存料位，并取走已經(jīng)制好的試樣，機(jī)器人根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃自動(dòng)判別試樣是否需要腐蝕，將需要腐蝕的試樣自動(dòng)搬運(yùn)至腐蝕槽，兩軸機(jī)械手負(fù)責(zé)將試樣夾具放置腐蝕槽，腐蝕結(jié)束后從腐蝕槽取出，然后進(jìn)行沖洗和吹干腐蝕完的試樣。機(jī)器人將腐蝕吹干的試樣取走，放置干燥中轉(zhuǎn)箱。中轉(zhuǎn)機(jī)器人從干燥箱中抓取夾具送至金相檢測(cè)單元，并取走檢測(cè)完成的夾具。中轉(zhuǎn)機(jī)器人將檢測(cè)完成夾具放置于檢后返回輸送線(xiàn)，檢后返回輸送線(xiàn)將夾具輸送至人工操作臺(tái)，人工將試樣從夾具上取下。

圖3 機(jī)器人全自動(dòng)金相檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

2.3 檢測(cè)中轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)

圖4為全自動(dòng)金相檢測(cè)中轉(zhuǎn)檢測(cè)研發(fā)方案布局。中轉(zhuǎn)臺(tái)由中轉(zhuǎn)機(jī)器人及夾具系統(tǒng)、自動(dòng)干燥送料架、上料工裝、安全防護(hù)系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)及全自動(dòng)金相顯微鏡等系統(tǒng)組成，將前道工序的試樣進(jìn)行干燥保存，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)給顯微鏡上下料，自動(dòng)拍照拼接，自動(dòng)判級(jí)分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳，中轉(zhuǎn)機(jī)器人自動(dòng)將檢測(cè)完成試樣夾具送回前道收回系統(tǒng)，完成金相全自動(dòng)檢測(cè)。

圖4 中轉(zhuǎn)檢測(cè)方案布局

中轉(zhuǎn)檢測(cè)臺(tái)配備自動(dòng)測(cè)高吹塵裝置，檢測(cè)前中轉(zhuǎn)機(jī)器人自動(dòng)將試樣搬運(yùn)至吹塵工位，吹塵工位自動(dòng)調(diào)高高度，保證吹塵效果。

3 金相檢測(cè)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金相檢測(cè)控制系統(tǒng)軟件功能主要由用戶(hù)操作軟件界面管理系統(tǒng)和后臺(tái)控制軟件系統(tǒng)兩部分組成，具體功能如下。

（1）用戶(hù)操作軟件界面管理系統(tǒng)，主要有組批管理界面、試驗(yàn)開(kāi)始界面、數(shù)據(jù)審核上傳界面、報(bào)表生成界面、實(shí)時(shí)狀態(tài)及異常信息界面。用戶(hù)進(jìn)行數(shù)據(jù)組批，選擇試樣組批數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將試樣數(shù)據(jù)上傳檢化驗(yàn)系統(tǒng)，生成相關(guān)試樣的圖片數(shù)據(jù)報(bào)表，查看當(dāng)前試驗(yàn)狀態(tài)以及異常信息等；試樣數(shù)據(jù)組批是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)源，其與檢化驗(yàn)數(shù)據(jù)接口采用Oracle/ODBC協(xié)議訪(fǎng)問(wèn)檢化驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)SQL_SERVER/ODBC協(xié)議訪(fǎng)問(wèn)本系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口。

（2）后臺(tái)控制軟件管理系統(tǒng)，主要有PLC數(shù)據(jù)交互控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯微鏡控制模塊、檢驗(yàn)識(shí)別算法模塊，自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前試驗(yàn)數(shù)據(jù)與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，控制機(jī)器人進(jìn)行試樣的上下料處理；監(jiān)控當(dāng)前所有顯微鏡狀態(tài)以及試樣信息，進(jìn)行試樣的自動(dòng)分配；控制顯微鏡進(jìn)行X、Y、Z軸的移動(dòng)、自動(dòng)聚焦、采集與存儲(chǔ)圖像、自動(dòng)拼接等；獲取試樣數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)信息并進(jìn)行相關(guān)試樣的自動(dòng)識(shí)別評(píng)級(jí)，將結(jié)果上傳至本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。

①顯微鏡控制模塊。主要控制顯微鏡載物臺(tái)移動(dòng)，圖像拍攝、圖像拼接與保存。

②PLC數(shù)據(jù)交互模塊。主要功能是接收上下料指令及相關(guān)反饋信號(hào)。

③算法調(diào)用模塊。輸入圖像的絕對(duì)路徑，輸出處理后的圖像以及評(píng)級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)果。

④數(shù)據(jù)處理模塊。試樣上下料信息，圖像命名信息，算法評(píng)級(jí)結(jié)果數(shù)據(jù)上傳。

軟件與顯微鏡TOF相機(jī)定位系統(tǒng)采用SDK調(diào)用、TCP/IP通信的方式控制顯微鏡，與PLC采用TCP/IP通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過(guò)SQL SERVER/ODBC協(xié)議獲取當(dāng)前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具體業(yè)務(wù)流程如圖5所示。

圖5 軟件業(yè)務(wù)流程

4 算法應(yīng)用

系統(tǒng)具備算法平臺(tái)，平臺(tái)可兼容多種算法，實(shí)現(xiàn)多種算法的判級(jí)功能?，F(xiàn)已開(kāi)發(fā)HIC裂紋算法、全品類(lèi)夾雜、奧氏體晶粒度、碳化物（液析、帶狀、網(wǎng)狀）等檢驗(yàn)項(xiàng)目的自動(dòng)檢測(cè)功能，涵蓋了理化室全部檢驗(yàn)項(xiàng)目50%的樣品范圍，并兼容各種規(guī)格尺寸的金相試驗(yàn)。HIC裂紋算法準(zhǔn)確率不低于99%；奧氏體晶粒度算法準(zhǔn)確率不低于94%；夾雜算法準(zhǔn)確率不低于96%；碳化物（帶狀、網(wǎng)狀、液析）算法準(zhǔn)確率不低于95%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)為全國(guó)首套將機(jī)器人、AI算法應(yīng)用于金相檢測(cè)領(lǐng)域中，在人工進(jìn)行批量的上料、組批及任務(wù)下達(dá)后，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制樣、上下料、腐蝕、干燥保存、自動(dòng)拍照拼接、自動(dòng)判級(jí)分析、試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳的全流程動(dòng)作，提高了實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化水平，推進(jìn)金相實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)化和智能化進(jìn)程，大幅提高實(shí)驗(yàn)員的工作效率以及實(shí)驗(yàn)室的生產(chǎn)效率，并且能夠進(jìn)一步降低人員差異性所帶來(lái)的檢驗(yàn)結(jié)果誤差。使得金相檢驗(yàn)的工作流程逐步走向規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。