Способ детектирования сварного шва на станах бесконечной холодной прокатки

Аппроксимация полиномом второй степени даёт значение дисперсии 0,003 вокруг исходного ряда. Фрактальная же аппроксимация, проведённая распределением, полученным на основе фрактала Мандельброта, даёт значение дисперсии 0,0009. Очевидно, что фрактальная кривая наиболее точно повторяет исходный ряд, а аппроксимация полиномом сильно искажает характер распределения экспериментальных данных, делая выборку неадекватной.

Опробованный алгоритм аппроксимации экспериментальных данных фрактальными распределениями применительно к оптико-электронным системам способен в 1,8 - 7,0 раз сократить затраты ресурсов памяти на их хранение, что, в свою очередь, может повлиять на материальные затраты, связанные с покупкой дополнительных накопителей информации. В случае строго лимитиро-

ванного объёма накопителей этот алгоритм позволит заложить в систему большее количество данных, а следовательно, улучшить качество прогнозирования. Проведённое сравнение алгоритма фрактальной аппроксимации с аппроксимацией полиномом показало его значительные преимущества как по параметрам сжатия, так и по качеству (наиболее точному повторению исходных значений).

Список литературы

1. Ершов, Е.В. Аппроксимация рядов экспериментальных данных фракталом Мандельброта / Е.В. Ершов, С.Н. Хисамутдинов // Известия вузов. Черная металлургия. -2002.-№11.-С. 63 -64.

2. Anson, L.F. Fractal Image Compression / L.F. Anson // BYTE. - 1993,-V. 18, № 11.

Ершов Евгений Валентинович - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой ПО ЭВМ, первый проректор Череповецкого государственного университета.

Тел.: 8 (8202) 55-64-19; e-mail: eve@chsu.ru

Виноградова Любовь Николаевна - старший преподаватель кафедры ПО ЭВМ Института информационных технологий Череповецкого государственного университета.

E-mail: lnvinogradova@bk.ru

Ershov Evgeniy Valentinovich - Candidate of Science (Technology), Head of the Software Department, Institute of Information Technologies, First Pro-Rector, Cherepovets State University.

Tel.: 8 (8202) 55-64-19; e-mail: eve@chsu.ru

Vinogradova Lubov Nickolayevna - Senior Lecturer, Software Department, Institute of Information Technologies, Cherepovets State University.

E-mail: lnvinogradova@bk.ru

УДК 669.1

В. П. Егоров, В.Б. Топеха

СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ СВАРНОГО ШВА НА СТАНАХ БЕСКОНЕЧНОЙ

ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ

V.P. Egorov, V.B. Topekha

A MEANS OF DETECTING WELD JOINTS IN CONTINUOUS COLD-ROLLING MILLS

Изложен новый способ обнаружения сварных швов на стане бесконечной холодной прокатки в реальном времени. Сформулировано условие гарантированного обнаружения шва. Предложен вариант реализации. Даны рекомендации по разработке алгоритма распознавания сварного шва в общем потоке информации.

Стан бесконечной холодной прокатки, стальная полоса, сварной шов, обнаружение шва, матрица-CMOS, источник света, изображение поверхности, пиксель, глубина цвета.

The paper describes a new means of detecting weld joints in continuous cold-rolling mill, presents the condition for guaranteed detection of weld joint is, suggests a variant of introducing this means, provides recommendations for the development of an algorithm of detecting weld joints in the flow of information.

Cold-rolling mill, steel strip, weld joint, weld joint detection, CMOS- matrix, source of light, surface-mapping, pixel, palette.

В состав бесконечного стана бесконечной холодной прокатки входят следующие основные функциональные элементы (рис. 1): подающий конвейер, передаточная тележка, отгибатель переднего конца с прижимным роликом, два разма-тывателя, листоправильная и стыкосварочная машины, петлевой накопитель с натяжными тележками, группа рабочих клетей (например, пять), летучие ножницы, моталка, сниматель рулонов, цепные транспортеры, передаточная тележка [2].

Группа механизмов на входной стороне стана (головной части) обеспечивает прием горячекатаного рулона с травильных линий и проведение последовательных механизированных операций по заправке переднего конца рулона в прокатный стан. При прокатке на валки подают охлаждающую жидкость и технологическую смазку на полосу. Полоса отрезается летучими ножницами на выходе из стана и сматывается в рулон на моталке. Бесконечная прокатка осуществляется в результате стыковой сварки переднего конца, поступающего на стан, с задним концом предыдущего. Во время остановки полосы подкат продолжает поступать в стан из петлевого устройства [3].

Весьма важное значение в прокатке имеет скоростной режим стана. После заправки полосы в первую клеть прокатка ведется на постоянной заправочной скорости до тех пор, пока передний конец полосы не пройдет все клети и на моталке не образуются 2-3 витка полосы. Затем скорость повышается до рабочей и рулон прокатывается с постоянной рабочей скоростью. Перед сварным швом скорость прокатки замедляется до скорости пропуска сварного шва. Затем следует разгон стана до рабочей скорости, и дальше все повторяется [2].

Прокатка сварных швов на замедленной скорости объясняется нестабильностью механических свойств швов и изменением толщины. Если при прохождении сварных швов между валками скорость не снижать, то это приведет к сильным ударам и может произойти разрыв полосы [1], [2].

Анализ показателей работы отечественных станов холодной прокатки показал, что доля их простоев, обусловленная обрывом полосы, составляет 20 - 40 % от общих аварийных технологических простоев. При этом уменьшение производительности из-за названных простоев достигает 10-12% [4].

Для эффективного управления процессом прокатки сварных соединений, а также во избежание потерь производительности и снижения качества листовой продукции необходимо своевременно

проводить индикацию сварных швов перед станом [!]•

Для слежения за сварным швом на станах бесконечной прокатки в основном применяется один или несколько способов [1], [5], [6]:

1. Определение координаты сварного шва осуществляется по сигналам датчиков контрольных отверстий. Надежность обнаружения шва такими датчиками низка вследствие тяжелых эксплуатационных условий, в которых они находятся.

2. Расчетный косвенный метод слежения за сварным швом при его движении по стану основывается на информации от датчика угловых перемещений (энкодера). Данный способ имеет невысокую точность в связи с отличием физико-механических свойств шва и стыкуемых полос и наследственной разнотолщинности подката. Использование данного способа требует задания ре-перной точки после каждого останова стана.

3. Прохождение шва детектируется с помощью толщинометра. В данном способе возникает сложность в выделении сигнала сварного шва из общего спектра на фоне разнотолщинности полосы.

В связи с вышеизложенным актуальна задача разработки прибора-детектора сварного шва. Разрабатываемый прибор должен отвечать следующим требованиям: бесконтактное измерение; возможность измерения при движении листа относительно измерительного устройства с рабочей скоростью (до 27 м/с); контроль изделий большой протяженности, выдача измерительной информации в цифровом виде для обеспечения обработки в реальном масштабе времени. Прибор должен обеспечивать независимость точности измерения от скорости объекта и вибрации.

Соединение полос, предназначенных для прокатки, выполняется стыковой сваркой - методом оплавления кромок и электродуговой стыковой сваркой - плавящимся электродом.

Концы свариваемых полос зажимаются зажимным устройством в электродах сварочной машины (рис. 2). Один из электродов 1 установлен в подвижной станине 2. Второй электрод 3 расположен на неподвижной станине 4. Обе станины электрически изолированы друг от друга. Вторичные витки сварочного трансформатора 5 соединены со станинами гибкими шинами. Первичная обмотка трансформатора питается от сети переменного тока. В пространство между электродами обеих станин вводится клин 6. Подающие ролики 7 и 8 подводят концы полос до упора в клин. После зажима клин выводится из положения между полосами.

са

(Ъ п

Й

а «

Л

(Ъ

л>

а о

ея Л

-С Я о

3 >1

0

ь

01 43 п

Й

а> =

а о

3 ^

а

63

п 43 о

а

ш

СП

Н >

Ролико-задашщее цстройст&о N2 Разматы&атель лг1

ЛистопраЬильная

Центрирцющие Клеть ЛГ2 Клеть

м о о

Рис. 1. Упрощенная функциональная схема пятиклетьевого стана бесконечной прокатки

Запоайляемыи 6 лист

\//.-'г ///

О

ПрокатыЬаемыи

Л- и

ШШШШШвШШ

Рис. 2. Принципиальная схема стыковой сварочной машины

Перемещением подвижной станины концы полос сближаются до образования электрического контакта. Вследствие нагревания электрическим током между торцами свариваемых полос образуется перемычка жидкого металла. Для поддержания процесса оплавления необходимо плавно сближать торцы свариваемых полос и создавать новые контакты между ними. Процесс сварки состоит из трех стадий: оплавления, осадки под током, осадки без тока. В результате получается сварной шов с вытесненным из стыка металлом неправильной формы - гратом.

Для обеспечения безобрывной прокатки сварного стыка на стане шов после сварки зачищают. Зачистка (снятие) грата производится гратоснима-телем, установленным за сварочной машиной либо встроенным в машину. На станах холодной прокатки зачистку сварного шва выполняют строганием резцовыми гратоснимателями (рис. 3).

Рис. 3. Принципиальная схема резцового гратоснимателя

Строгание сварного шва обеспечивает необходимое качество зачистки поверхности стыка. Резцовые гратосниматели позволяют зачищать грат как с превышением уровня в месте сварного шва, так и с заглублением его, а также с плавным переходом от одной полосы к другой. В резцовых гра-тоснимателях (рис. 3) полосу со швом 2 зажимают

опорными планками нижней 4 и верхней кареток. В каретках смонтированы строгальные штоссели с резцедержателями 5, которые перемещают по направляющим кареток. Во время рабочего хода резцы 3 зачищают шов (снимают грат).

В результате сварки свойства и напряженное состояние металла шва и стыкуемых полос различаются.

Геометрические параметры сварных швов определяются различием толщин стыкуемых полос, конструкцией гратоснимателя. В зависимости от конструкции и настройки гратоснимателя и разно-толщинности концов стыкуемых полос грат после зачистки может возвышаться над стыкуемыми полосами, иметь с ними или с одной из них одинаковую толщину либо быть тоньше полос. После сварки и зачистки сварной шов может приобретать одну из представленных на рис. 4 конфигураций.

у/т I I ЕД—?

с

2 Оа

I—ЯР

Рис. 4. Возможные конфигурации участка сварного соединения полос

В сварных стыках зона самого шва занимает в среднем 5-6 мм, зоны термического влияния достигают 15-16 мм. При этом, как правило, большей толщине полосы соответствует большая протяженность зоны термического влияния (до 20 мм). Исследования [1] показали, что разнотол-щинность концов свариваемых полос не более 0,05; 0,1 и 0,17 мм наблюдалась, соответственно, в 20; 43,8 и 60,9 % случаев. При существенной раз-нотолщинности концов (равной и большей 0,1 мм) более чем в 10 % случаев шов зачищают на уровне поверхности одной из полос. В сварных стыках передний по ходу холодной прокатки конец полосы, как правило, толще заднего. Разница между толщинами в 0,05; 0,1 примерно в 80,5 и 20 % случаев соответственно. Поверхность металла на участке шва обычно имеет разную шероховатость по длине полосы. Шероховатость поверхности участка стыка, зачищенного гратоснимателем, как правило, меньше, чем шероховатость концов стыкуемых полос. При шероховатости стыкуемых полос 2-3 мкм шероховатость участка стыка составляет обычно 0,5 - 1,5 мкм [1], [5].

Необходимо детектировать сварной шов перед станом для снижения скорости прокатки (узел «1») и после стана для повышения точности реза по шву (узел «2») (рис. 1). Следует отметить, что в узле «2» детектируется прокатанный шов.

Сложность детектирования шва обуславливается высокой скоростью прокатки на фоне малых размеров шва относительно полосы. При этом предъявляются повышенные требования к достоверности и точности обнаружения.

Разрабатываемый прибор основан на анализе отраженного от поверхности света. Упрощенная функциональная схема показана на рис. 5. В качестве датчика применяется КМОП-матрица (CMOS) с источником освещения. В отличие от ПЗС матрицы, КМОП (активно-пиксельные) обладают более высоким быстродействием. При этом ключевую роль при последующей разработке алгоритма распознавания приобретает «природа» источника освещения поверхности полосы и технические характеристики CMOS.

Датчик выполняет покадровую регистрацию поверхности листа, находящегося в поле зрения, с помощью матрицы CMOS. Матрица CMOS - пан-нохромная, так как обладает в 3 раза большей чувствительностью, чем цветная. Каждый зарегистрированный кадр кодируется и передается в ЭВМ контроллером интерфейса. Кадр (изображение), хранящийся в памяти компьютера, представляет собой массив, размер которого соответствует количеству пикселей матрицы CMOS. Значение элемента массива соответствует амплитуде фотосиг-

нала в соответствующем пикселе — яркости. Оптимальный выбор поля зрения (места установки оптического измерителя и фокусного расстояния) осуществляется исходя из обеспечения четкости (детализации), гарантирующей вероятность правильного решения. Изменяя угол наклона источника света и CMOS к нормали листа, можно настраивать контрастность получаемого изображения.

В качестве излучателя света можно применять диффузионный (лампы накаливания, газоразрядные и т.д.) или прямой источники (параллельно поляризованные светодиоды).

Каждый из способов освещения имеет свои достоинства и недостатки. Как показали исследования, диффузионное освещение позволяет формировать объемное изображение поверхности, а прямой свет - двухмерное изображение (табл. 1).

Из табл. 1 следует, что для обнаружения сварного шва необходимо освещение поверхности стальной полосы поляризованным светом. При этом достаточно панхроматичного изображения с глубиной цвета 4 бита, что обеспечивает четкую градацию «светлый - темный» изображения поверхности полосы, т.е. контраста, который, в свою очередь, зависит от угла наклона источника света и матрицы CMOS к нормали полосы. При а» Ъ сварной шов фиксируется как темное пятно определенного размера на светлом фоне. Описанный способ обнаружения сварного шва существенно облегчает алгоритм распознавания, реализуемый на ЭВМ.

Рис. 5. Упрощенная функциональная схема прибора детектора сварного шва

Таблица 1

Изображения прокатанного сварного шва под разным освещением

Глубина цвета Источник освещения -натриевая лампа, а ~ Ъ Источник освещения -натриевая лампа, а» Ь Источник освещения -поляризованный свето-диод, а ~ Ъ Источник освещения -поляризованный свето-диод, а» b

32 бита (true Color) ннннн п ......ЛзЬИ Q

4 бита (панмоно-хроматич-ное) НВИИНВ kt^i Lj

1 бит (монохромное) щ Щ  []

Таблица 2

Изображение прокатанного сварного шва на разном расстоянии от оптической системы

Глубина цвета На расстоянии от точки отражения света В точке отражения света

32 бита (true Color) ш

4 бита (панмоно-хроматичное) МННННННН ь. ШШшшШЛтттш!:^

Качество изображения шва определяется характеристиками CMOS и оптической системы:

• Разрешающая способность CMOS - количество пикселей на единицу длины.

• Быстродействие CMOS - количество кадров в секунду при заданном разрешении.

• Фокусное расстояние обеспечивает проецирование участка поверхности полосы требуемого геометрического размера на матрицу сенсора.

Размер пикселя детектора В определяется выражением

D = LJ 5

при условии, что для однозначного распознавания шва размером Ь0 на него должно приходиться не менее пяти пикселей матрицы (рис. 6).

Рис. 6. Формирование изображения полосы

При скорости прокатки V полосы быстродействие камеры Р должно удовлетворять условию

F> V/Lmo6p (кадров/с),

где ¿изобр - реальная длина изображения поверхности полосы по направлению прокатки. Требуемое разрешение матрицы CMOS вычисляется по формуле

Д=1Ш0бр/£>(Мрх1).

Критерием для расчета точности и быстродействия прибора может быть один или несколько геометрических размеров сварного шва: шерохо-

ватость 0,5 - 1,5 мкм, ширина шва 5-6 мм, ширина зоны термического влияния 15-16 мм, разно-толщинность стыкуемых полос в диапазоне 0,05; 0,1 и 0,17 мм. Выбор параметра зависит от требуемой детализации. Для детектирования, факта наличия шва в качестве критерия следует использовать его геометрическую ширину. Решая совместно (1) - (3), можно определить разрешение R матрицы при заданной точности D и скорости прокатки V и сделать вывод о её физической реализуемости (табл. 3). Быстродействие матрицы определяется её техническими характеристиками, причем разрешение R получаемого изображения обратно пропорционально быстродействию F.

Если в качестве критерия использовать разно-толщинность стыкуемых полос, то, как видно из табл. 3, требуется очень высокое разрешение матрицы CMOS, которое не может быть реализовано на сегодняшний день. Для однозначного обнаружения шва по критерию «ширина шва» достаточно разрешения 0,8 Mpxl (1024 х 768). В этом случае геометрический размер изображения составит ¿изобр х И^зобр 1024 х 768 мм. Для измерения по всей ширине листа следует использовать несколько матриц CMOS.

Алгоритм распознавания, реализуемый на ЭВМ, может основываться на сравнении и оценке средней яркости текущей строки изображения поверхности с предыдущей. Превышение некоторого порога означает наличие шва. Значение порога зависит от настройки оптической системы и определяется экспериментально.

Из сказанного можно сделать следующие выводы:

1. Необходимое условие детектирования шва: освещение должно быть поляризованным, и угол наклона оси источника света должен быть значительно больше угла наклона детектора к нормали поверхности полосы, что позволяет воспринимать сварной шов в двухмерном изображении

Таблица 3

Зависимость разрешения матрицы CMOS от быстродействия и точности измерения

№ Размер пикселя Д мм Быстродействие Р, кадров/с Разрешение R матрицы CMOS, Mpxl* Размер изображения ¿изобр> мм ** Критерий

1 0,01 30 10 000 1000

2 0,01 60 500 500 Разнотолщинность сва-

3 0,034 30 900 1000 риваемых полос

4 0,034 60 225 500

5 1 30 1 1000 Ширина шва

6 1 25 1,44 1200

Примечание: * - квадратная матрица; ** - при скорости прокатки 30 м/с.

как темное пятно определенного размера на светлом фоне в панхроматичном четырехбитном изображении.

2. Принцип детектирования шва: сварной шов можно представить как дефект с шириной 5 — 20 мм, характерной особенностью которого является протяженность по всей ширине полосы перпендикулярно направлению прокатки. Достаточным условием обнаружения шва является изменение яркости пикселя изображения по сравнению с предыдущим или последующим и приблизительное равенство яркости соседних пикселей в строке.

3. Для обнаружения сварного шва размер пикселя матрицы сенсора должен быть не более 1 мм при условии, что для обнаружения шва достаточно 5 пикселей.

4. Для гарантированного обнаружения сварного шва на рабочей скорости прокатки (до 30 м/с) достаточно разрешения R = 0,8 Mpxl (1024 х 768) при быстродействии матрицы CMOS F = 30 кадров/с. В этом случае геометрический размер изображения составит ¿изобр х 1^„3обР 1024 х 768 мм. Для измерения по всей ширине листа следует использовать несколько матриц CMOS.

5. Алгоритм распознавания, реализуемый на ЭВМ, может основываться на сравнении и оценке средней яркости текущей строки изображения поверхности с предыдущей. Превышение некоторого порога означает наличие шва. Значение порога зависит от настройки оптической системы и определяется экспериментально.

Список литературы

1. Мазур, B.JI. Прокатка металла со сварными соединениями / B.JI. Мазур, В.И. Мелешко. — М., 1985.

2. Зотов, В.Ф. Производство проката / В.Ф. Зотов. -М., 2000.

3. Дружинин, H.H. Непрерывные станы как объект автоматизации / H.H. Дружинин. - М., 1975.

4. Мазур, B.JI. Предупреждение дефектов листового проката / B.JI. Мазур, А.И. Добронравов. - Киев, 1986.

5. Железное, Ю.Д. Совершенствование производства холоднокатаной листовой стали / Ю.Д. Железнов, В.А. Черный, А.П. Кошка. - М„ 1982.

6. Смыслова A.JI. Разработка моделей и алгоритмов для усовершенствования системы автоматического сопровождения сварных соединений на станах бесконечной холодной прокатки: Автореф. канд. техн. наук / A.JI. Смыслова. - Череповец, 2008.

Егоров Валентин Петрович - кандидат физико-математических наук, профессор кафедры математики ФОМ и ЕНД Череповецкого государственного университета. Тел.: 8 (8202) 51-73-44.

Топеха Виталий Борисович - аспирант кафедры математики Череповецкого государственного университета. Тел.: 8-921-540-75-71; e-mail: topekha@mail.ru

Egorov Valentin Petrovich - Candidate of Science (Physics&Mathematics), Professor, Department of Mathematics, Cherepovets State University. Tel.: (8202) 51-73-44.

Topekha Vitaliy Borisovich - post-graduate student, Department of Mathematics, Cherepovets State University. Tel.: 8-921-540-75-71; e-mail: topekha@mail.ru

УДК 621.771.01

K.A. Харахнин, A.JI. Смыслова, A.A. Родин

ОПТИМИЗАЦИЯ СКОРОСТНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СТАНА БЕСКОНЕЧНОЙ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ В ФУНКЦИИ ТОЛЩИНЫ ПОДКАТА

К.А. Kharakhnin, A.L. Smyslova, A.A. Rodin

THE OPTIMIZATION OF HIGH-SPEED OPERATING REGIME OF CONTINUOUS COLD-ROLLING MILL IN THE FUNCTION OF BILLET THICKNESS

В статье проанализированы скоростные режимы пятиклетьевого стана бесконечной холодной прокатки 1700 ПХЛ ЧерМК ОАО «Северсталь», выявлена зависимость средней скорости прокатки от частоты следования межрулонных и травильных швов, которая, в свою очередь, зависит от толщины поступающей в обработку полосы.