帶鋼跑偏與漂浮量雷射掃描檢測方法及糾偏系統的製作方法

2023-06-06 22:29:56

專利名稱：帶鋼跑偏與漂浮量雷射掃描檢測方法及糾偏系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及帶鋼跑偏與漂浮量雷射掃描檢測方法及糾偏系統，主要針對冷熱軋帶鋼運行過程橫向跑偏、上下漂浮、及板型實時量化檢測及糾偏量輸出給糾偏執行機構，同時也可應用於連鑄板坯、方坯板型檢測，以及其他帶材糾偏應用領域(例如輕金屬行業、銅行業、印刷和裝訂行業以及造紙和橡膠化學行業等)實時檢測，屬於冶金技術領域。
背景技術：
帶鋼連續處理機組在穿帶和生產過程中常出現跑偏現象，其結果不僅會造成帶鋼缺陷產生、成材率減少，還會影響機組的正常運行和損壞生產設備，進而導致整體生產能力下降。帶材糾偏系統(Edge Position Control，簡稱EPC)是軋鋼生產線上的常用技術，普遍應用於酸洗、冷熱軋、平整、塗鍍層、重卷、剪切等機組中，由於受機組各設備的安裝精度、 輥組偏差和振動、輥子長期磨損、帶材斷面不均勻及帶鋼張力波動等因素影響，帶鋼跑偏已成為常見現象。因此，實時有效地檢測出帶鋼的橫向偏移量，並實施糾偏控制，是保證帶鋼處理機組順利進行，提高帶鋼處理質量的關鍵一環，這可以保證帶鋼的無故障運送，卷取時邊緣整齊，以及在包裝、運輸和碼放都很方便，有利於帶鋼較好地完成技術指標，提高經濟效益，降低成本。實踐表明，跑偏現象是客觀存在不可避免的。因此，如何採用有效的跑偏檢測技術，精確檢測出帶材的跑偏量並將信號實時傳送給糾偏執行機構，來滿足生產工藝要求，是解決問題的關鍵所在。從理論上講，如果能精確計算出帶鋼運行過程中的偏移量，就可以根據計算結果實時控制糾偏執行機構動作，但該數據的準確快速計算非常困難。因為跑偏的主要原因是由於帶鋼本身板形和機械設備安裝誤差造成的，因此，採用數值計算的方法會存在很多難以確定的邊界條件。現有的帶材跑偏識別方法主要通過各種傳感器實現，帶鋼測量傳感器目前共有電感式、電容式、光電式等三種類型。目前，國外該方面的檢測技術比較成熟，但技術複雜，成本高，設備昂貴，而國內自主開發的帶鋼跑偏檢測控制系統基本為零，其主要原因在於傳感器的設計技術不成熟，檢測精度低，並且不能保證長期可靠運行。

發明內容
針對現有技術存在的上述不足，本發明的目的是提供一種結構簡單、成本低、檢測精度高、實時性強、抗幹擾能力強的帶鋼跑偏與漂浮量雷射掃描檢測方法。本發明同時基於本檢測方法設計了一套帶鋼跑偏糾偏系統。本發明解決上述技術問題的技術手段是這樣實現的 帶鋼跑偏與漂浮量雷射掃描檢測方法，其檢測步驟為
1)利用線性雷射發射器(傾斜一定角度)照射帶鋼，在帶鋼寬度方向上形成一條垂直於長度方向的高亮度雷射線形光束，雷射線形光束全覆蓋帶鋼寬度且大於帶鋼寬度；2)在帶鋼上方設置面陣圖像傳感器，由面陣圖像傳感器實時掃描雷射線形光束，面陣圖像傳感器掃描方向垂直於帶鋼表面；
3)將掃描的雷射線形光束送入計算機，由於雷射線形光束在帶鋼上的圖像和帶鋼外的圖像之間存在明顯的差異，在帶鋼邊緣處有明顯的分界線，通過該差異即可由計算機確定帶鋼邊緣；
4)根據不同時刻計算機確定的帶鋼邊緣即可計算出帶鋼跑偏量，並可重構出帶鋼的板形形態(即兩長邊緣輪廓線)；同時根據雷射線形光束在帶鋼長度方向上的位移量(再結合面陣圖像傳感器的高度)即可計算出帶鋼上下漂浮量。一種帶鋼糾偏系統，它包括對帶鋼運行速度檢測的測速機構和帶鋼跑偏後的糾偏執行機構，在帶鋼上方設有用於照射帶鋼以在帶鋼寬度方向形成雷射線形光束的線性雷射發射器和用於捕獲雷射線形光束的面陣圖像傳感器，線性雷射發射器和面陣圖像傳感器分別設於高溫保護罩內；所述面陣圖像傳感器通過圖像採集卡與控制單元連接，測速機構的輸出接控制單元，控制單元通過信號轉換電路與糾偏執行機構連接。線性雷射發射器所在的高溫保護罩與冷卻氣體輸送機構連通，由冷卻氣體輸送機構向線性雷射發射器所在的高溫保護罩內輸送冷卻氣體。面陣圖像傳感器所在的高溫保護罩前面安裝有僅讓雷射線形光束通過的濾色片。面陣圖像傳感器的成像靶面與帶鋼上表面平行。所述測速機構設於驅動帶鋼運行的驅動輥上，根據驅動輥的轉速確定帶鋼運行速度。所述面陣圖像傳感器為面陣(XD/CM0S圖像傳感器。本發明可同時檢測帶鋼跑偏量和上下浮動(漂浮)量，以光學成像方法通過圖像處理技術實現了帶鋼運行中的邊緣形態的監控，且檢測精度可控。本發明根據帶鋼傳送速度實現快速掃描，並實時重構出雷射線帶鋼邊緣點陣圖像走向，並根據雙邊緣形態可視化帶鋼運行過程中的板形變化形態。本檢測裝置檢測視場寬度大，可在複雜環境中長期穩定運行，能免除工業現場電磁和雷射線光譜以外的強光幹擾以及溫度影響，通過信號轉換電路可同步傳輸糾偏信號給糾偏執行機構，有利於提高帶鋼跑偏自動化檢測水平，設備安裝維護方便，對帶鋼的高效生產提供技術支撐。本發明可廣泛應用於各種CPC和EPC檢測系統中，尤其針對複雜壞境下帶鋼跑偏、 浮動和板形檢測，以及連鑄坯板形檢測，對提帶材生產效率起到直接推動作用。


圖1-本發明帶鋼糾偏系統結構示意圖。圖2-本發明跑偏與上下浮動量測量示意圖。圖3-本發明信號採集與數據處理示意圖。
具體實施方式
本發明帶鋼跑偏與漂浮量雷射掃描檢測方法，其檢測步驟為
1)利用線性(線寬Imm)雷射發射器(傾斜一定角度)照射帶鋼，在帶鋼寬度方向(即橫向)上形成一條垂直於長度方向(即運行方向或縱向)的高亮度雷射線形光束，雷射線形光束全覆蓋帶鋼寬度且大於帶鋼寬度；
2)在帶鋼上方設置面陣圖像傳感器，由面陣圖像傳感器實時掃描雷射線形光束，面陣圖像傳感器掃描方向垂直於帶鋼表面(即成像靶面與帶鋼表面平行，這樣計算簡單，更利於後續計算和數據處理)；面陣圖像傳感器實時掃描幀率取決於帶鋼速率；並根據檢測精度要求選定面陣圖像傳感器(攝像機)分別率、鏡頭視場角、幀率(本發明選擇高速攝像機成像) 及垂直安裝高度；
3)對帶鋼表面雷射線形光束進行快速圖像掃描和實時處理，並計算帶鋼橫向左右邊緣處雷射線條光斑像素位移量和雷射線條的縱向浮動量。具體來講，由於雷射線形光束在帶鋼上的圖像和帶鋼外的圖像之間存在明顯的差異，在帶鋼邊緣處存在明顯的分界線，只要將掃描的雷射線形光束送入計算機，通過該差異即可由計算機確定帶鋼邊緣；
4)根據不同時刻計算機確定的帶鋼邊緣即可計算出帶鋼跑偏量，並可重構出帶鋼的板形形態(即兩長邊緣輪廓線)；同時根據雷射線形光束在帶鋼長度方向上的位移量(再結合面陣圖像傳感器的高度)即可計算出帶鋼上下漂浮量。本發明還根據上述檢測方法設計了一套帶鋼糾偏系統，見圖1，它包括對帶鋼運行速度檢測的測速機構1和帶鋼跑偏後的糾偏執行機構，在帶鋼上方設有用於照射帶鋼以在帶鋼寬度方向形成雷射線形光束的線性雷射發射器2和用於捕獲雷射線形光束的面陣圖像傳感器3，線性雷射發射器1和面陣圖像傳感器3分別設於高溫保護罩4內；所述面陣圖像傳感器3通過圖像採集卡與控制單元連接，測速機構1的輸出接控制單元，控制單元通過信號轉換電路與糾偏執行機構連接。下面對各部分進行詳細說明
①安裝高精度線形雷射發射器，以特定角度斜射帶鋼表面。本發明的線形雷射發射器為He-Na雷射發射器，安裝在耐高溫耐酸保護罩內，保護罩採用哈氏B-2合金製成。同時線性雷射發射器所在的高溫保護罩與冷卻氣體輸送機構連通，將冷卻氣體(如潔淨氮氣)向保護罩內輸送以使保護罩耐高溫。線形雷射發射器按照一定角度(雷射線照射面與帶鋼表面呈小於90大於0度角)安裝，在帶鋼橫向面上形成一條垂直於運行方向的高亮度雷射線形光束。②安裝用於提取帶鋼表面雷射線變化信息的面陣圖像傳感器
本發明的面陣圖像傳感器為高速高清晰的面陣CCD/CMOS圖像傳感器，面陣圖像傳感器安裝在高溫耐酸保護罩內，並在保護罩前加裝特定波長濾色片，其目的是保證圖像採集質量和保護相機鏡頭，同時防止其它波長光源幹擾成像，安裝過程中圖像傳感器成像靶面與帶鋼運行表面平行，並與雷射線照射平面成一定空間角度關係，見圖1。③為了使本系統便於安裝和調試，面陣圖像傳感器與線形雷射發射器連接在一起，在連接處安裝高精度角度調節裝置，用於調節面陣圖像傳感器的成像主光軸和雷射發射器的照射面之間的相對角度，用於算法處理單元標定和實時計算帶鋼掃描圖像橫向邊緣和縱向光斑像素位移量，並根據特定空間關係對檢測精度進行試驗二次標定，以保證帶鋼橫向跑偏量和漂浮量的檢測精度。
④在指定組輥處安裝鋼板運行測速機構，精確採集帶鋼傳速信號，並送控制單元中的軟體處理單元實時控制攝像機幀掃描頻率，其目的在於精確重構並可視化帶鋼運行過程中的邊緣跑偏走向和板型形態。⑤帶鋼跑偏量與上下浮動量提取方法
技術領域：
本發明的特點在於結合了雷射三角測距理論與計算機數字圖像處理技術，在檢測出帶鋼運行跑偏量的同時，可檢測出鋼板的上下浮動量。其方法是採用雷射器斜射和CCD/CMOS 面陣攝像機垂直照射方法進行。本方法可通過劃分圖像感興趣區域(ROI)後，快速定位帶鋼橫向邊緣雷射線條像素位置信息，並根據雷射線條的縱向位移量計算帶鋼運行中的上下漂浮量，通過標定像素位移量轉換輸出為實際帶鋼位移和漂浮測量值。其測量示意如圖2所示。其中左下方的箭頭表示帶鋼運行方向，虛線框表示圖像中劃定的ROI區，標記①和②分別代表帶鋼左右邊緣位移定位點(用於檢測跑偏)，標記③即圖中部的左右箭頭代表雷射線縱向浮動變化量(用於檢測漂浮量)。掃描過程中，在劃分的ROI區域內，通過χ方向掃描定位雷射線鋼板跑偏位移量， 邊緣定位點為圖像①②標記處，通過提取雷射線方向像素的位移量可同時得到鋼板的漂
浮量信息。帶鋼邊緣形態與板形形貌可視化重構
面陣圖像傳感器(攝像機)雷射線條掃描過程中，將鋼板上雷射線條(即①到②標記點之間的線條寬度)的像素數根據一定的圖像處理拼接算法，可視化重構出帶鋼邊緣形態，進而實時顯示運行過程中的板型形貌特徵，檢測系統信息處理方式如圖3所示。本發明可以有效地量化檢測帶鋼橫向跑偏量，採用圖像的方法不但可以保證實時檢測精度，又可以在線可視化帶鋼的板形變化；同時，對帶鋼運行過程的上下漂浮狀態亦可量化檢測，並可三維重構帶鋼整體形貌。本發明的工業應用，對提高冷熱軋帶鋼的自動化水平、降低生產成本、提高生產效率具有重要意義；同時，對開發糾偏執行機構及改進帶鋼傳送工藝，提高帶鋼生產質量具有重要的指導作用。此外，本發明還適用於非鐵磁或非電導性產品生產過程中的跑偏檢測，例如，輕金屬行業、銅工業、印刷和裝訂、塑料和橡膠化學行業、造紙業、纖維和紡織業等。本發明的上述實施僅僅是為說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其他不同形式的變化和變動。這裡無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬於本發明的技術方案所引申出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之列。
權利要求
1.帶鋼跑偏與漂浮量雷射掃描檢測方法，其特徵在於其檢測步驟為1)利用線性雷射發射器照射帶鋼，在帶鋼寬度方向形成一條垂直於長度方向的雷射線形光束，雷射線形光束全覆蓋帶鋼寬度且大於帶鋼寬度；2)在帶鋼上方設置面陣圖像傳感器，由面陣圖像傳感器實時掃描雷射線形光束；3)將掃描的雷射線形光束送入計算機，由計算機根據雷射線形光束在帶鋼上的圖像和帶鋼外的圖像之間的差異確定帶鋼邊緣；4)根據不同時刻計算機確定的帶鋼邊緣即可計算出帶鋼跑偏量；同時根據雷射線形光束在帶鋼長度方向上的位移量即可計算出帶鋼上下漂浮量。
2.根據權利要求1所述的帶鋼跑偏與漂浮量雷射掃描檢測方法，其特徵在於所述線性雷射發射器傾斜照射帶鋼，面陣圖像傳感器掃描方向垂直於帶鋼表面。
3.一種帶鋼糾偏系統，它包括對帶鋼運行速度檢測的測速機構和帶鋼跑偏後的糾偏執行機構，其特徵在於在帶鋼上方設有用於照射帶鋼以在帶鋼寬度方向形成雷射線形光束的線性雷射發射器和用於捕獲雷射線形光束的面陣圖像傳感器，線性雷射發射器和面陣圖像傳感器分別設於高溫保護罩內；所述面陣圖像傳感器通過圖像採集卡與控制單元連接， 測速機構的輸出接控制單元，控制單元通過信號轉換電路與糾偏執行機構連接。
4.根據權利要求3所述的帶鋼糾偏系統，其特徵在於線性雷射發射器所在的高溫保護罩與冷卻氣體輸送機構連通，由冷卻氣體輸送機構向線性雷射發射器所在的高溫保護罩內輸送冷卻氣體。
5.根據權利要求3或4所述的帶鋼糾偏系統，其特徵在於面陣圖像傳感器所在的高溫保護罩前面安裝有僅讓雷射線形光束通過的濾色片。
6.根據權利要求5所述的帶鋼糾偏系統，其特徵在於面陣圖像傳感器的成像靶面與帶鋼上表面平行。
7.根據權利要求6所述的帶鋼糾偏系統，其特徵在於所述測速機構設於驅動帶鋼運行的驅動輥上，根據驅動輥的轉速確定帶鋼運行速度。
8.根據權利要求6所述的帶鋼糾偏系統，其特徵在於所述面陣圖像傳感器為面陣 CCD/CMOS圖像傳感器。
全文摘要
本發明公開了一種帶鋼跑偏與漂浮量雷射掃描檢測方法,1)利用線性雷射發射器照射帶鋼，在帶鋼寬度上形成雷射線形光束；2)由帶鋼上方的面陣圖像傳感器實時掃描雷射線形光束；3)將掃描的雷射線形光束送入計算機，由計算機根據雷射線形光束確定帶鋼邊緣；4)根據不同時刻計算機確定的帶鋼邊緣即可計算出帶鋼跑偏量，同時根據雷射線形光束在帶鋼長度方向上的位移量即可計算出帶鋼上下漂浮量。本發明成本低、檢測精度高、實時性強、抗幹擾能力強，可在複雜環境中長期穩定運行，有利於提高帶鋼跑偏自動化檢測水平，設備安裝維護方便，對帶鋼的高效生產提供技術支撐。
文檔編號B21B37/00GK102319743SQ20111013536
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月24日 優先權日2011年5月24日
發明者張立志, 彭松, 李萬宏, 歐陽奇, 趙立明 申請人:重慶大學