CN101675316B - 用于进行圆型材的圆度测量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种方法，用于对在轧机中沿纵向方向向前行进的圆型材进行圆度测量或形状偏差测量，其中，以已知的方式、借助于一带有至少两个激光扫描器的测量装置，产生和测量至少三个贴在待测圆型材上、包围所述圆型材并形成一多边形的投影边缘并由此计算出相应的切线，所述激光扫描器分别包括光敏传感器和激光器。该方法的特征在于，a)在测量前，如果所述测量装置的测量场的中心(Z0)尚未确定，则在所述测量装置的测量场中校准和确定该中心(Z0)；b)确定从中心(Z0)到所述切线(T1-T6’)垂线(r1-r6’)，进而计算从所述中心(Z0)到所述切线(T1-T6’)的距离；c)计算所述包围圆型材的多边形的各角点(A至K)，其中求出一轮廓；d)相对于所述轮廓这样确定一参考圆，使得i)所述轮廓与所述参考圆的形状方差最小，或者ii)所述参考圆表示围绕所述轮廓匹配的可能的最小圆，或者iii)所述参考圆表示在所述轮廓中匹配的可能的最大圆，或者iv)所述参考圆连同与该参考圆同心的另一圆一起以最小的半径差将所述轮廓夹在中间；e)计算所述参考圆的直径(Dref)，由空间位置确定参考中心(Zp)，该参考中心为该参考圆的圆心点；以及f)计算从所述参考中心(Zp)到所述轮廓的至少两个向量，由所述数据确定不圆度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于对在轧机中沿纵向方向向前行进的圆型材进行圆度测量或形状偏差测量的方法，其中以本身已知的方式借助具有至少两个激光扫描器的测量装置，产生和测量至少三个贴靠在待测量的圆型材上并包围该圆型材的、形成多边形的投影边缘，并由此计算出相应的切线，该激光扫描器分别具有光敏传感器和激光器。
背景技术
在钢铁工业中，在专用的轧机/轧机机列中轧制所谓的长形产品/条钢(Langprodukt)，以得到希望的最终产品。如果要将这些长形产品轧制成圆棒材，则通常在一具有多个轧制模块(通常为3辊式模块/3辊组)的三辊精轧机架/机座(Gerüst)中将这些长形产品轧制成成品尺寸并输送到一用于冷却的冷却床。一般使用四个分别带三个轧辊的轧制模块，其中从一个轧制模块到下个轧制模块，轧辊的中心面转过了60°。这种棒钢通常相对于圆形形状具有多边形的形状偏差，主要为“三波纹”或“六波纹”的形状。
如果在周缘上利用一机械卡尺或光学地测量多边形棒钢的直径，则所测得的所有直径都具有相同的值。然而，实际上该产品不是圆的，而是不圆的/波纹形的。这种产品被称为“常宽曲线(Gleichdick)”。
为确定所谓的常宽曲线误差，使用带有支承棱柱(Auflageprisma)的卡尺。建议根据周向廓形的波纹形使用不同的支承角度。
从数十年前起便在相关的DIN标准中解释和说明了对圆度的机械测量及其计算，例如德国标准DIN ISO 4291“Verfahren für die Ermittlung derRundheitabweichung(用于确定圆度偏差的方法)”、DIN ISO 6318“Rundheitmessung，Begriffe und 
für die Rundheit(圆度测量、圆度的术语和参数)”、以及DIN ISO 4292“Verfahren zum Messen vonRundheitabweichung，Zweipunkt-und Dreipunkt-Messverfahren(用于测量圆度偏差的方法，两点或三点测量法)”。
利用机械式圆度测量装置对本文所述类型的长形产品进行的机械式测量必须离线/在生产线外进行。对于这种测量操作，必须将样品夹紧在精密转动装置中。一描绘器/接触检测器(Tastfühler)在旋转运动期间测量型材/廓形的半径偏差。作为结果得到周向廓形的图形显示，该周向廓形具有与各角度相关的直径。对该周向廓形的分析在上述的相关标准中有详细说明。
在实验室中进行机械测量时，可通过样品的转动得到无限数量的周向点。而在沿纵向方向输送产品的生产线上，对所有期望的切线的测量必须同时进行，以便能够得到局部横截面的廓形。因此在线的机械测量是不可能的。
在对不圆度进行分析和确定时的重要输出参数包括，所谓的参考圆及其圆心，测量过程的所有其它步骤都与它们相关。在上述标准中说明了四种不同的确定方式。
除机械测量装置外，同样从数十年前起便(例如由DE 39 16 715和DE 40 37 383 A1)已知非接触式的测量装置。另外在JP 56-117107A中公开了一种廓形测量方法，其中借助于激光束测量或扫描待测的长形产品。例如，该文献公开了，即使对于常宽曲线也可这样实现精确的廓形测量：在一廓形待测的物体的外周上，设置第一、第二和第三切线，通过由这些切线确定的圆与待测长形产品的廓形之间的差来进行廓形测量。这里这些切线的设置借助于激光束或投影光束来进行。
另外由DE 100 23 172 A已知一种用于测量本文所述的圆形产品或圆型材的不圆度的方法。该方法使用包括三个以上的激光扫描器的测量装置，这些激光扫描器分别具有光敏传感器和激光器。圆形产品被来自各激光扫描器的激光束这样照射，使得圆形产品在相配属的传感器上投影一个或两个投影边缘。为每个投影边缘算出一平行于激光束延伸的直线。另外，由每三个求得的直线算出一个圆，所述直线作为切线贴靠在该圆上。重复地计算出圆，将圆的最大直径与最小直径的差作为不圆度。
这种不圆度确定(方法)的缺点在于，极小的角度误差也会导致测量值显著失真。特别是在切线并不是精确位于周向廓形的最大值或最小值上时会出现这种情况。另外，圆心在空间上并不确定，这导致例如在形状偏差非对称时，所确定的廓形却具有与切线数量和布置相关的周期性的对称性，不能反映真实的廓形特征。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种方法，利用该方法能够借助于非接触式测量装置、在生产线中尽可能精确地确定廓形和不圆度。
所述目的通过权利要求来实现。
在根据本发明的方法中，借助于一带有至少两个激光扫描器的测量装置产生至少三个贴靠在待测圆型材上的投影边缘。所述激光扫描器分别包括光敏传感器和激光器。
这种测量装置由上述的JP 56-117107A以及DE 10023172A已知。
如果仅使用两个激光扫描器，则必须使待测圆型材完全位于两个激光扫描器的光场中，以便利用这些激光扫描器产生和测量所需的(至少三个)投影边缘。
如果使用三个激光扫描器，则当圆型材仅部分被照射，从而使每个激光扫描器仅产生一个投影边缘时便足够。
由所述投影边缘计算出与所述圆型材相切的直线或切线。这里各直线之间的角度是已知的。在此这样布置或选择激光扫描器，使得由至少三个投影边缘形成一多边形。则待测圆型材位于由该多边形张成的面内。在三个投影边缘的情况下所述面是三角形面。
此外，本发明的方法的特征还在于，在步骤a)中，在测量装置的测量场中校准并确定中心(Z0)。测量场的平面适合于布置成与圆型材的向前的运动相垂直。测量装置的校准、进而在测量场中对中心Z0的确定仅需进行一次，例如在组装测量装置时，和/或在将测量装置安装在轧机中后、在对本文所述的圆型材进行在线测量之前。但推荐的是，时不时地检查并在必要时重复进行所述校准。
在根据本发明的方法的步骤b)中，确定从中心Z0到在所述方法中测量的切线的垂线，进而计算从中心Z0到所述切线的距离。
在步骤c)中，由在步骤b)中算出的数据计算所述包围圆型材的多边形的各角点，其中得出一轮廓。
然后在本发明方法的步骤d)中，在该轮廓中确定一参考圆。在此可用四种不同的方式确定该参考圆，即：
i)这样确定该参考圆，使得所述轮廓与所述参考圆的形状方差/二次方形状偏差最小；
ii)这样确定该参考圆，使得所述参考圆是围绕所述轮廓匹配的可能的最小圆；
iii)这样确定该参考圆，使得所述参考圆是在所述轮廓中匹配的可能的最大圆；或者
iv)这样相对于所述轮廓确定该参考圆，使得所述参考圆连同与该参考圆同心的另一圆一起以最小的半径差将所述轮廓夹在中间。
这些可选的可能的参考圆定义对应于在上述标准中给出的定义。为此特别是参见DIN ISO 6318“Rundheitsmessung(圆度测量)”，其中上述参考圆的定义位于第5节，定义如下：
5.1最小方差圆(LSC)；
5.2最小外接圆(MCC)；
5.3最大内切圆(MIC)；以及
5.4具有最小环区的圆(MZC)。
在计算和确定参考圆之后，在根据本发明的方法的步骤e)中，计算参考圆的直径。由空间位置计算出参考中心Zp，该参考中心Zp为该参考圆的圆心点。
在根据本发明的方法的步骤f)中，从该参考中心计算从所述参考中心到所述轮廓的至少两个向量。由所述数据确定不圆度。
一般不必使用所有产生的投影边缘来计算相应的切线。对用于进行进一步计算的投影边缘的选择根据需要和希望的参数、例如切线的距离和角度来进行。进一步计算所基于的垂线的数量也同样如此。
但是很显然，同时测量的切线越多，轮廓或廓形就越精确。
然而，出于成本原因以及由于测量装置的受限制的结构尺寸，激光扫描器的数量一般总是受限制的。尽管如此，为了能够尽可能完整地示出廓形，优选由关于该多边形的可用数据计算出一模拟轮廓。这种模拟轮廓可表示成连续函数作为对多边形的数值逼近(Weierstrass函数逼近定理)。优选地，所述轮廓模拟借助于合适的样条插值来进行。这种平滑化计算对技术人员是一般公知的。
上述步骤使得接下来可使用所有可能的分析和测量方法并在该分析和测量过程中能够考虑到总体型材特征。特别是能得到典型的测量值，所述测量值应当相对于圆型材以一确定的角度求得或者必须与测量装置有确定的角系数。例如对于3辊式轧机机架情况就是如此，其中典型的值GT和DT在对单个机架、特别是最后一个和倒数第二个机架的调节进行优化方面非常重要。
这种轮廓模拟的另一优点在于，该轮廓模拟可用于任意数量的激光扫描器。激光扫描器的布置和角度分布不必均匀或规则，而是可以根据需要进行选择。与之相关的重要因素例如是空间情况和预期的形状误差。
在最简单的情况下，在根据本发明的方法中仅计算两个向量、进而计算从参考中心Zp到轮廓或到模拟轮廓的距离。因为所述向量指向不同的方向、一般大小不同，所以由此已经得到不圆度的值。然而，一般情况下这仅是不圆度的近似值。因此优选地，这样确定和计算这些向量，使得它们表示从参考中心Zp到轮廓或到模拟轮廓的最小距离Rmin和最大距离Rmax。
在根据本发明的方法的步骤f)中，优选确定包括2个、3个或多个向量(VGT1、VGT2和VGT3和/或VDT1、VDT2和VDT3)的一个组或多个组，所述向量从所述参考中心Zp延伸到所述轮廓或模拟轮廓。一组中的向量特别是相互间夹相同的角度，例如60°或120°。在120°的情况下，这样的一组包括3个向量。
优选地，一组向量从所述参考中心Zp指向最后一个轧机机架的轧辊间隙的方向，而另一组向量从所述参考中心Zp指向最后一个轧机机架的轧辊中心/轧辊内芯的方向。
对于多个向量组的情况，各向量之间所夹的角度优选对于所有的向量组都相同。此外，每组向量优选相对于另外组的向量彼此偏转。例如，特别是可计算分别含三个向量的两个组，其中每个组的向量相互间夹一120°的角度。如果第一组的一个向量例如沿测量场(更准确地，测量场的平面)的0°方向(当然，必须确定该参考方向)从Zp指到所述轮廓或模拟轮廓，则另外两个向量沿120°和240°的方向指到所述轮廓或模拟轮廓。为此，第二组的三个向量被转过例如60°，使得它们分别从Zp指向60°、180°和300°的方向。由此可无难度地计算3辊式轧机机架的典型值GT和DT。
根据另一优选实施形式，使所述测量装置围绕所述圆型材转动，优选以超过60°进行振荡的形式转动。原则上，对于本发明的目的三个激光扫描器便足以，所述激光扫描器分别仅产生一个投影边缘/切线。然而，在仅产生或求出很少的投影边缘/切线的情况下，可通过优选的振荡转动提高所产生或求出的投影边缘/切线的数量，进而另外提高测量精度。
在这种情况下，测量在不同的时间点进行。另外还求出单个测量之间的时间间隔。由这些数据可计算圆型材的运动向量，从而可以识别并补偿圆型材的运动。换言之，这样计算处理所测得的数据，使得在时间上相间隔地进行的测量参照相同的圆型材参考中心。具体地这表示，在转动或振荡运动的第一位置或起始位置记录第一数据组，该数据组的参考中心Zp1以本文所述方式确定。然后由这些用于可用切线的数据得到相应的多边形。所述用于切线等的第一数据组被存储。
在一第二步骤中，在一确定的转动角度后记录相应的第二数据组，该第二数据组的数据连同相应的参考中心Zp2被存储。重复这些方法步骤，直至整个扇形被记录。这里存在n个数据组和相应数量的参考中心Zpn。
对于带有三个在360°上规则分布的激光扫描器的装置，这意味着例如通过转动或振荡运动覆盖一60°的扇形。
如果记录下所有数据组，则将全部多边形这样叠置，使得参考中心Zp1到Zpn位于相同的位置。由此得到具有单个数据组的n倍数量的切线的多边形。
因此，在上述带三个扫描器、每5°确定一个数据组的示例中，由每六条切线得到12个数据组的多边形。这些共同形成带有72个面的多边形。通过对这样得到的多边形进行平滑，如本文所述地形成最终结果或结果轮廓。优选地为所述平滑应用样条函数。
当然，在整个周界上求出的数据组越多，对廓形的复制越精确。另外，在确定足够大量的切线后，轮廓被这样精确地形成，使得根本不需要平滑或样条运算。
还可能根据可产生的投影边缘或切线的数量将转动运动的角度范围选择成小于60°。
然而，如果具有足够数量的激光扫描器和/或能够产生足够数量的投影边缘、进而产生足够数量的切线，则优选不使测量装置转动。
在实施根据本发明的方法时得到的数据和测量值以一常规的方式输送到一分析装置，并在该分析装置中进行处理。这种分析装置是已知的，因此无需进一步加以解释。
具体实施方式
下面结合示例、参照示意性的附图对本发明进行更详细的说明，所述附图图示出根据本发明的方法步骤。
图1示出一待测圆型材的横截面，该圆型材的外轮廓以粗实线示出。在该圆型材上，借助于六个激光扫描器总共设置12个投影边缘，所述投影边缘形成切线T1、T2、T3、T4、T5、和T6以及T1’、T2’、T3’、T4’、T5’、和T6’。这里，切线对T1、T1’；T2、T2’；T3、T3’；T4、T4’；T5、T5’和T6、T6’各属于一个激光扫描器。因此总共使用了六个激光扫描器，其中待测圆型材完全处于这些激光扫描器的测量场中。
通常在设置投影边缘或切线之前，较精确地确定和校准测量装置的测量场的中心Z0。
虽然在本示例中在圆型材上设置有12条切线，但是切线T的数量也可以是任意的。然而，至少需要三条切线以形成一包围圆型材的多边形。其中这些切线相互间具有已知的角位置。
在确定切线之后，确定从Z0到各切线的垂线r1、r2、r3、r4、r5、r6、r1’、r2’、r3’、r4’、r5’、和r6’，进而确定从Z0到各切线的垂直距离。
图2示出，以上述方式得到的切线形成一包围圆型材的、具有角A至L的多边形。在图2中，该多边形以粗实线示出，而圆型材以点线示出。
在图3中示出图2中的多边形(在图3中以点线表示)在借助于合适的样条插值进行平滑后的形状。由此形成一模拟轮廓(粗实线)，该模拟轮廓在很大程度上对应于真实的圆型材(细实线)。这样便在整个曲线上得到可用的数据。换言之，对于在真实地通过投影边缘或切线得到的值以外的位置也能够确定数据。
在图4中图示出，如何将一参考圆(点划线)放置在模拟轮廓(粗实线)中，使得该模拟轮廓与参考圆(点划线)的形状方差达到最小值。为所述参考圆计算其直径Dref。由参考圆的空间位置确定参考中心Zp。
在图5中图示出，如何从这样确定的中心Zp开始求得两个向量，即从参考中心Zp到模拟轮廓的最小距离Rmin和最大距离Rmax，以及如何由这些值确定不圆度。所求得的极值可位于模拟轮廓的任意位置上，因此也可位于在初始的测量点之间的轮廓段中的角位置上。
在图6中图示出一种可选的计算方法。这里，在根据本发明的方法的步骤f)中，计算向量VGT1、VGT2和VGT3以及VDT1、VDT2和VDT3，所述向量从参考中心Zp沿一轧机的最后两个3辊式轧机机架的轧辊的方向延伸，其中假定，倒数第二个轧机机架的轧辊的中心面位于0°、120°和240°，而最后一个轧机机架的中心面位于60°、180°和300°。在图6中0°和180°的平面为这样的平面：该平面垂直于纸面经过VGT1和VDT2延伸，并由图6中竖直延伸的点划线表示。换言之，向量VGT1、VGT2和VGT3指向最后一个轧机机架的轧辊之间的间隙，而向量VDT1、VDT2和VDT3指向最后一个轧机机架的轧辊的轧辊中心或压力中心。此压力中心通常位于倒数第二个轧机机架的轧辊的轧辊间隙通常所在的位置处。
由向量VGT1、VGT2和VGT3可通过简单的数学计算算出本文中感兴趣的、用于调节轧机机架的值GT，其中，该值GT是一长度量。对于向量VDT1、VDT2和VDT3也类似，由这些向量可计算出希望的、同样为一长度量的值DT。
如上所述，这些值对于单个的3辊式模块的调节的优化有重要意义，并相对转过一60°的固定角度。
通常，根据本发明的方法所需的测量装置不能直接设置在最后一个轧机机架后面(例如出于空间原因)，而是以一定路程布置在下游。这就导致，完成轧制的圆型材在从最后一个轧机机架到测量装置的测量平面的路程中被转动，其中圆型材在该路程中绕纵轴线转动的角度对于单个轧机通常是已知的。
在图7中图示出是如何尽管圆型材转动仍能计算出希望的值GT和DT的。因为在图7中以α表示的转角已知，上述向量不是如图6所示地确定成在0°、120°和240°(适用于VGT1、VGT2和VGT3)和/或60°、180°和300°(适用于VDT1、VDT2和VDT3)的方向上从Zp直到模拟轮廓，而是这些向量同样被转过转角α。因此对围绕Zp转过角度α的、从Zp直到模拟轮廓(粗实线)的向量VGT1、VGT2、VGT3和VDT1、VDT2和VDT3进行计算。向量VGT1、VGT2和VGT3在图7中分别以实线箭头表示，而向量VDT1、VDT2和VDT3则以虚线箭头表示。
因此，即使在离开最后一个轧机机架一定路程后才进行测量，但在从相同的参考中心Zp开始、对于任意的角度位置α进行测量、考虑所有三个向量VGT1、VGT2和VGT3或VDT1、VDT2和VDT3的情况下，仍可在最后一个轧机机架的位置处求得典型值GT和DT。
因为向量VGT1、VGT2和VGT3和/或VDT1、VDT2和VDT3中每个向量都可单独地确定，所以利用本发明的方法能求出各轧机机架的单个轧辊的绝对进给。例如，如果3辊式模块的一个轧辊的压力中心比另外两个轧辊的压力中心更偏向径向内侧，则这可根据本发明的方法求出。在此情况下仅需校正仅一个轧辊的径向位置。
Claims (11)
1.一种测量的方法，用于对在轧机中沿纵向方向向前行进的圆型材进行圆度测量或形状偏差测量，其中，借助于一带有至少两个激光扫描器的测量装置，以本身已知的方式产生和测量至少三个贴靠在待测圆型材上、包围所述圆型材并形成一多边形的投影边缘，并由此计算出相应的切线，所述激光扫描器分别包括光敏传感器和激光器，
其特征在于，
a)在测量前，如果所述测量装置的测量场的中心(Z0)尚未确定，则在所述测量装置的测量场中校准和确定该中心(Z0)；
b)确定从所述中心(Z0)到所述切线(T1、T2、T3、T4、T5、T6、T1’、T2’、T3’、T4’、T5’、T6’)的垂线(r1、r2、r3、r4、r5、r6、r1’、r2’、r3’、r4’、r5’、r6’)，进而计算从所述中心(Z0)到所述切线(T1-T6’)的距离；
c)计算所述包围圆型材的多边形的各角点(A至K)，其中求出一轮廓；
d)相对于所述轮廓这样确定一参考圆，使得
i)所述轮廓与所述参考圆的形状方差最小，或者
ii)所述参考圆是能够以围绕所述轮廓的方式进行匹配的圆中的最小的圆，或者
iii)所述参考圆是能够在所述轮廓中进行匹配的圆中的最大的圆，或者
iv)所述参考圆连同与该参考圆同心的另一圆一起以最小的半径差将所述轮廓夹在中间；
e)计算所述参考圆的直径(Dref)，由空间位置确定参考中心(Zp)，该参考中心(Zp)为该参考圆的圆心点；以及
f)计算从所述参考中心(Zp)到所述轮廓的至少两个向量，由所述数据确定不圆度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤d)前、在步骤c)后接入一步骤c1)，在该步骤c1)中，根据Weierstrass逼近定理，通过对多边形的数值逼近将在步骤c)中得到的多边形表示成连续函数，其中得到一平滑的模拟轮廓，步骤d)至f)在使用该模拟轮廓的情况下进行。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述平滑借助于合适的样条插值来进行。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤f)中这样计算和确定所述向量，使得所述向量分别是从所述参考中心(Zp)到所述轮廓/模拟轮廓的最小距离(Rmin)和最大距离(Rmax)。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，确定包括2个、3个或多个向量(VGT1、VGT2和VGT3和/或VDT1、VDT2和VDT3)的一个组或多个组，所述向量从所述参考中心(Zp)到所述轮廓或模拟轮廓延伸，一组中的向量相互间夹相同的角度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对于多个向量组的情况，由各向量夹成的角度对于所有的向量组都是相同的，但每组向量相对于另外组的向量彼此偏转。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，一组向量从所述参考中心(Zp)指向最后一个轧机机架的轧辊间隙的方向，而另一组向量从所述参考中心(Zp)指向最后一个轧机机架的轧辊中心的方向。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，计算分别含三个向量的两个组，第一组的向量与第二组的向量相对转过一60°的固定角度，由此求出3辊式轧机机架的典型值GT和DT。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，使所述测量装置围绕所述圆型材转动。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使所述测量装置进行超过60°振荡的转动。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，不使所述测量装置围绕所述圆型材转动。
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