金相自動檢測機器人系統(tǒng)研究

錢雪平，張華偉，趙亞娟

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

金相是指金屬或合金的化學成分以及各種成分在合金內部的物理狀態(tài)和化學狀態(tài)。目前理化室金相試驗室的各種金相試驗非常依賴有經(jīng)驗的分析員進行人工判定，同時分析一張照片耗時久，操作復雜，并且在試驗完成之后，需要人工統(tǒng)計規(guī)范報表，耗時耗力。

為此南鋼檢測中心于2020年開始研發(fā)全國首例工業(yè)機器人自動上下料金相檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)全自動上下料、腐蝕、干燥保存、自動拍照拼接、自動判級分析、實驗數(shù)據(jù)自動上傳，提高金相自動化程度，改善工人勞動條件，降低人工誤差，提高工作效率，為鋼鐵金相產業(yè)轉型提供解決方案。

1 金相檢測機器人系統(tǒng)控制原理

1.1 金相系統(tǒng)網(wǎng)絡架構

本系統(tǒng)由磨床制樣系統(tǒng)、試樣腐蝕系統(tǒng)、制樣上下料機器人系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、顯微鏡拍照系統(tǒng)、檢測上下料機器人系統(tǒng)等六大系統(tǒng)組成，綜合應用了MES、數(shù)據(jù)庫、機器人和PLC等多種先進手段，實現(xiàn)自動制樣、自動上下料、自動腐蝕、自動取圖拼接、自動判級、自動上傳結果等功能，替代人工手動作業(yè)，降低勞動強度，避免人為因素導致數(shù)據(jù)不準確，提高金相檢測智能化水平。具體系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)通信控制

全自動金相檢測主系統(tǒng)采用TIA 1516 PLC，通過OPC UA通信協(xié)議與QATM制樣機通信，控制六工位制樣機自動上下料，自動制樣。

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

主系統(tǒng)PLC與顯微鏡通過TCP通信，控制顯微鏡自動調整焦距、自動切換倍率、自動拍照，并通過S7通信協(xié)議與AI算法和檢化驗軟件進行通信，上傳檢測結果。

2 全自動金相檢測系統(tǒng)設計方案

全自動金相檢測系統(tǒng)可采用兩種方式，第一種采用運輸線方式進行搬運，第二種采用機器人方式進行搬運。

2.1 運輸鏈研發(fā)方案

圖2為運輸線體全自動金相檢測研發(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。輸送線將夾好的試樣夾具自動輸送到制樣機前上料機構的上料位置，桁架從上料位置取料輸送至制樣機存料位并旋轉放料，上下料桁架自動將試樣輸送到制樣機進行制樣，并將制樣好的試樣從制樣機取出，根據(jù)試樣規(guī)格自動判別試樣是否需要腐蝕。如需要腐蝕，輸送線自動將試樣送至輸送線分支腐蝕工位，到達腐蝕工位后由三軸機械手自動從托盤取夾具至腐蝕槽，并負責腐蝕槽、清洗槽和吹干槽之間的試樣搬運。將腐蝕結束后的夾具送回輸送線，輸送線將托盤輸送至試樣檢測單元，兩軸機械手將夾具從輸送線托盤中取出并放入定位中轉臺，然后由六軸機器人將夾具從中轉臺搬運至顯微鏡下方，進行自動取圖。取圖結束后機器人自動將檢測好的試樣搬運至檢后輸送線，檢后輸送線將夾具輸送至人工操作臺，人工將試樣從夾具中取下，同時AI算法自動拼接處理取圖照片，自動判級，并將結果上傳檢化驗系統(tǒng)，完成全流程檢測。

圖2 運輸線體全自動金相檢測研發(fā)方案

2.2 機器人搬運研發(fā)方案

圖3為機器人全自動金相檢測研發(fā)方案，由人工夾持試樣，并將夾持好的夾具擺放至轉運小車。人工將轉運小車推至上料貨架并進行上料，機器人從上料貨架取下夾具。將夾具放置制樣機存料位，并取走已經(jīng)制好的試樣，機器人根據(jù)生產計劃自動判別試樣是否需要腐蝕，將需要腐蝕的試樣自動搬運至腐蝕槽，兩軸機械手負責將試樣夾具放置腐蝕槽，腐蝕結束后從腐蝕槽取出，然后進行沖洗和吹干腐蝕完的試樣。機器人將腐蝕吹干的試樣取走，放置干燥中轉箱。中轉機器人從干燥箱中抓取夾具送至金相檢測單元，并取走檢測完成的夾具。中轉機器人將檢測完成夾具放置于檢后返回輸送線，檢后返回輸送線將夾具輸送至人工操作臺，人工將試樣從夾具上取下。

圖3 機器人全自動金相檢測方案設計

2.3 檢測中轉臺設計

圖4為全自動金相檢測中轉檢測研發(fā)方案布局。中轉臺由中轉機器人及夾具系統(tǒng)、自動干燥送料架、上料工裝、安全防護系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)及全自動金相顯微鏡等系統(tǒng)組成，將前道工序的試樣進行干燥保存，實現(xiàn)自動給顯微鏡上下料，自動拍照拼接，自動判級分析，實驗數(shù)據(jù)自動上傳，中轉機器人自動將檢測完成試樣夾具送回前道收回系統(tǒng)，完成金相全自動檢測。

圖4 中轉檢測方案布局

中轉檢測臺配備自動測高吹塵裝置，檢測前中轉機器人自動將試樣搬運至吹塵工位，吹塵工位自動調高高度，保證吹塵效果。

3 金相檢測軟件系統(tǒng)設計

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

（1）用戶操作軟件界面管理系統(tǒng)，主要有組批管理界面、試驗開始界面、數(shù)據(jù)審核上傳界面、報表生成界面、實時狀態(tài)及異常信息界面。用戶進行數(shù)據(jù)組批，選擇試樣組批數(shù)據(jù)進行實驗，將試樣數(shù)據(jù)上傳檢化驗系統(tǒng)，生成相關試樣的圖片數(shù)據(jù)報表，查看當前試驗狀態(tài)以及異常信息等；試樣數(shù)據(jù)組批是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源，其與檢化驗數(shù)據(jù)接口采用Oracle/ODBC協(xié)議訪問檢化驗數(shù)據(jù)庫，通過SQL_SERVER/ODBC協(xié)議訪問本系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口。

（2）后臺控制軟件管理系統(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、檢驗識別算法模塊，自動實時監(jiān)控當前試驗數(shù)據(jù)與PLC進行數(shù)據(jù)交互，控制機器人進行試樣的上下料處理；監(jiān)控當前所有顯微鏡狀態(tài)以及試樣信息，進行試樣的自動分配；控制顯微鏡進行X、Y、Z軸的移動、自動聚焦、采集與存儲圖像、自動拼接等；獲取試樣數(shù)據(jù)的檢驗信息并進行相關試樣的自動識別評級，將結果上傳至本地數(shù)據(jù)庫。

①顯微鏡控制模塊。主要控制顯微鏡載物臺移動，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反饋信號。

③算法調用模塊。輸入圖像的絕對路徑，輸出處理后的圖像以及評級數(shù)據(jù)結果。

④數(shù)據(jù)處理模塊。試樣上下料信息，圖像命名信息，算法評級結果數(shù)據(jù)上傳。

軟件與顯微鏡TOF相機定位系統(tǒng)采用SDK調用、TCP/IP通信的方式控制顯微鏡，與PLC采用TCP/IP通信方式進行數(shù)據(jù)通信，通過SQL SERVER/ODBC協(xié)議獲取當前實驗數(shù)據(jù)，具體業(yè)務流程如圖5所示。

圖5 軟件業(yè)務流程

4 算法應用

系統(tǒng)具備算法平臺，平臺可兼容多種算法，實現(xiàn)多種算法的判級功能。現(xiàn)已開發(fā)HIC裂紋算法、全品類夾雜、奧氏體晶粒度、碳化物（液析、帶狀、網(wǎng)狀）等檢驗項目的自動檢測功能，涵蓋了理化室全部檢驗項目50%的樣品范圍，并兼容各種規(guī)格尺寸的金相試驗。HIC裂紋算法準確率不低于99%；奧氏體晶粒度算法準確率不低于94%；夾雜算法準確率不低于96%；碳化物（帶狀、網(wǎng)狀、液析）算法準確率不低于95%。

5 結束語

本系統(tǒng)為全國首套將機器人、AI算法應用于金相檢測領域中，在人工進行批量的上料、組批及任務下達后，可實現(xiàn)自動制樣、上下料、腐蝕、干燥保存、自動拍照拼接、自動判級分析、試驗數(shù)據(jù)自動上傳的全流程動作，提高了實驗室自動化水平，推進金相實驗室的自動化和智能化進程，大幅提高實驗員的工作效率以及實驗室的生產效率，并且能夠進一步降低人員差異性所帶來的檢驗結果誤差。使得金相檢驗的工作流程逐步走向規(guī)范化和標準化。