Oberflächeninspektion von sehr schnellem rotglühendem Walzdraht

Oberflächeninspektion von sehr schnellem rotglühendem Walzdraht

voestalpine Wire Rod Austria hat vor kurzem das modernste Heißdrahtwalzwerk der Welt in der Steiermark eröffnet. Eine hohe Produktqualität ist dabei ein wichtiger Garant, um sich im rauen Wettbewerb der internationalisierten Stahlindustrie behaupten zu können. JOANNEUM RESEARCH entwickelte im Rahmen von Vision+ ein innovatives optisches Hochgeschwindigkeits-Inspektionssystem zur lückenlosen Oberflächenprüfung des produzierten Produkts. Das System liefert so einen wertvollen Beitrag zur Sicherung der Produktqualität und bildet eine essentielle Ergänzung des bestehenden Qualitätsmanagementsystems des Walzwerks.

Bei der industriellen Drahtherstellung im Warmwalzverfahren werden Stahlhalbzeuge bis zur Rotglut erhitzt und einer mehrstufigen Umformung unterzogen. Aus einem Halbzeug mit anfänglich quadratischem Querschnitt wird sukzessive dünner, kreisrunder Draht. Am Ende der Walzstraße erreicht der Draht Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 400 km/h und Gesamtlängen von mehreren Kilometern. Der hergestellte Draht hat Durchmesser zwischen 5 und 60 mm und wird als Halbzeug für viele Endprodukte wie beispielsweise Schrauben, Bolzen und Fahrwerksteile verwendet.

Die stetig steigenden Kundenanforderungen an die Qualität des erzeugten Walzdrahtes erfordern einerseits zunehmend bessere Kontrolle der Prozessparameter, andererseits aber auch eine bestmögliche Kontrolle des fertig produzierten Produktes.

Der produzierte Draht wird noch rotglühend für den Transport und die weitere Verarbeitung in Ringe gewickelt. Die Inspektion der Drahtoberfläche in diesem Zustand ist nicht mehr durchführbar, daher ergibt sich die Notwendigkeit den Draht nach dem letzten Walzschritt bei maximaler Vorschubgeschwindigkeit im rot-glühenden Zustand zu inspizieren, siehe Abb. 1.

Abb. 1: Test-Bildaufnahmesystem im Einsatz in der Drahtwalzstraße (© JR)

Ein sehr elegantes Konzept der Oberflächeninspektion beruht auf dem Einsatz von Zeilenkameras und bildbasierten Fehlerdetektionsalgorithmen. Die hohe Drahtgeschwindigkeit erfordert große Abtastraten und damit verbundenen intensiven Lichteintrag, um bei Auflösungen im Bereich von 0,5 mm pro Zeile in Vorschubrichtung noch eine hohe Bildqualität zu gewährleisten. Stahlverarbeitungsbetriebe im Allgemeinen und Warmwalzwerke im Besonderen stellen ein sehr unwirtliches Umfeld für sensible Sensorik, Optik und Elektronik dar, mit großen Temperaturschwankungen, Vibrationen, Feuchtigkeit, Staub und Schmutz im 24/7-Betrieb.

Das durch JOANNEUM RESEARCH entwickelte kamerabasierte Testsystem, das den beschriebenen Anforderungen gerecht wird, besitzt drei Zeilenkameras um die Drahtoberfläche vollständig erfassen zu können. Ringförmig angeordnete, wassergekühlte Hochleistungs-LED-Beleuchtungen liefern den notwendigen Lichteintrag im Megalux-Bereich. Jede Kamera wird von einem Rechner angesteuert, welcher auch die Bilddaten entgegennimmt und die Fehlerdetektion durchführt.

Abb. 2: Detektierte Fehler in der Produktion (© JR)

Die Fehlerdetektion basiert auf sehr schnellen entscheidungsbaumbasierten Klassifikatoren unter Verwendung statistischer Merkmale. Neben vereinzelt auftretenden Fehlern lassen sich auch periodische, von einzelnen defekten Walzen stammende Fehler identifizieren, womit Rückschlüsse auf defekte Walzen möglich sind. Abb. 2 zeigt Beispiele von detektierten Fehlern in der Produktion.

Die zum Training der Fehlerdetektionsalgorithmen notwendigen Aufnahmen stammen von 1813 km Walzdraht mit unterschiedlichen Durchmessern. Um die enorme Menge an Trainingsdaten von mehreren Terrabyte bewältigen zu können, wurde WireInspector, eine Software für die losbezogene Visualisierung langer Drahtaufnahmen und für die Analyse- und Annotation von Oberflächenfehlern entwickelt. Abb. 3 zeigt das grafische Benutzerinterface (GUI) der Software.

Abb. 3: WireInspector. Software zur Visualisierung und manuellen Annotation von Oberflächenfehlern (© JR)

Wirkungen und Effekte

Die Stahlindustrie ist seit Jahrzehnten dem starken Trend der Globalisierung unterworfen. Der Wettbewerb am Stahlmarkt wird sukzessive härter. Um sich gegen Mitbewerber aus Ländern mit niedrigem Lohnniveau und rudimentären oder keinen Umweltauflagen behaupten zu können, ist die Fokussierung auf hochtechnologische Produkte, auf Automatisierung und nicht zuletzt auf höchste Qualität essenziell.

Das von JOANNEUM RESEARCH im Rahmen von Vision+ umgesetzte bildbasierte Testsystem zur Oberflächeninspektion erlaubt eine robuste prozessbegleitende 100%-Prüfung von rot glühenden, sich sehr schnell bewegenden Drahtoberflächen und eine umfassende Dokumentation. Das System bildet eine essentielle Ergänzung des bestehenden Qualitätsmanagementsystems von voestalpine Wire Rod Austria und leistet somit einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Sicherung der Produktqualität und nicht zuletzt auch des heimischen Standortes mit hunderten qualifizierten Arbeitsplätzen. In naher Zukunft wird das Ergebnis in einem Folgeprojekt von voestalpine Wire Rod Austria und JOANNEUM RESEARCH in ein Produktivsystem übergeführt werden.