CN101979168B - 一种高精度板带材板形在线测量仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度板带材在线测量仪及测量方法，涉及冷、热态无张力状态下金属板带材板形的测量。本发明采用3束线激光沿被测板带材运动方向分布，照射在板带宽度方向表面，形成3条激光照射线，线激光与水平面的夹角为30-60度，板带材激光照射区域上方的3台全高清面扫描数字摄像机高速拍摄正在运动的板带材表面激光照射线的位置变化，并分别送到DSP数据处理单元，得到每条测量带上激光点位置，经过测量控制柜计算得到板带材的板形参数显示在计算机的屏幕上并存储在计算机中。本发明适应范围宽、测量精度高、测量速度快，可广泛应用在冷、热轧金属板带材的板形测量，能够在冶金生产非常恶劣的环境下保证长期可靠稳定运行。

Description

一种高精度板带材板形在线测量仪及测量方法

技术领域

本发明属于光机电一体化的测量技术领域，具体涉及冷、热态无张力状态下金属板带材板形(平直度)的在线测量。

背景技术

冷、热轧金属板带材的板形(平直度)参数是描述产品质量的一项重要指标，为了在板带材生产过程中进行板形控制或按照板形指标对产品进行分类，都需要在生产线上安装板形测量仪。板形测量分为接触和非接触两种测量方式，热轧环境金属板带材处于高温状态，目前板形测量使用的接触式传感器无法承受高温的影响。热轧环境需要采用非接触式方法，普遍采用光学方法进行板形测量。光学方法适用于热轧板带建立张力前或冷轧板带矫直线、精整线横切机组后等无张力状态下的板形测量。

光学方法板形测量仪的光源部分又分为激光光源和白光光源(卤素光源)，由于卤素光源是面投射光源，为了在被测板带材上形成测量光学信号需要在光源前安装光栅，使光源在板带材上形成条纹信号，结构相对复杂；另外，测量用卤素光源连续工作的寿命比较短，通常几个月需要更换光源，增加了维护工作量，因此多数光学板形仪使用激光作为光源。

激光板形仪的激光光源又可以分为点激光光源和线激光光源。点激光光源分为沿板带材宽度方向单排排列和多排排列(又称点阵排列，一般2-3排，代表产品：冶金工业部自动化研究院的LF-100激光板形仪，激光排列为3排，每排7点。专利号：ZL 96100723.0)。

激光单排排列的点激光或线激光板形仪在测量原理上是连续测量板带材的高度值得到板带材的平直度，当被测板带材出现浪形滑动现象(板带材正常行进，板带材的浪形在测量位置不动的现象)时，该方法测量的平直度结果严重失真。

单排或多排排列的点激光光源在板带材的宽度方向是不连续分布的，当板带材的宽度规格发生变化或板带材在行进中左右摆动，多数情况激光不能正好照射到板带材的边缘，因此，板形仪测出的边浪数据并不是真正的边浪数据带来测量误差。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的缺陷，提供了一种采用3台线激光器、3台全高清面扫描数字摄像机的高精度板带材板形在线测量仪及其测量方法。为了提高测量数据的采集与处理速度，每台摄像机配备一个DSP数据处理单元，摄像机与DSP数据处理单元之间通过1000MHz高速以太网总线相连，确保测量图像数据无失真的实时传送。

本发明为了适用于板带材不同宽度范围、不同测量精度要求，提供经济的解决方案，采用了模块式的设计结构，当板带材的宽度比较窄或测量精度比较低时，可以选用像素较低的高清或标清摄像机，也可以减少摄像机的数量(用一台或两台)，达到经济适用的目的。

本发明中将三条线激光倾斜照射到运动的被测板带材的表面，每条线激光与水平(被测板带材表面)夹角为30°-60°，在被测板带材的宽度方向(横向)形成三条等距离的激光照射线，沿被测板带材运动方向排列的三条激光照射线相距50mm-350mm。在激光照射线的垂直上方沿被测板带材宽度方向安装3台全高清数字摄像机，当被测板带材为理想平板时，摄像机拍摄到板带材上的激光照射线是三条等距离直线，当被测板带材不平时(有波浪)，摄像机拍摄到被测板带材上的激光照射线变成弯曲的线条，线条的弯曲程度与被测板带材的平直度相关。沿被测板带材运动方向(纵向)任一测量带上连续测量3个激光点的高度变化，经过光学三角法计算可以得到该测量带的浪形数据。根据板形控制的需要，沿被测板带材的宽度方向选取两边位置、中心位置、1/4位置及3/4位置，测量出5个位置的连续浪形，就得到了描述板带材平直度质量的板形数据。若要在计算机屏幕上做出三维板形图像，在上述5个典型位置之间再增加1-2个测量点就能满足制图需要。

基于上述的测量仪，本发明还提供一种高精度板带材板形在线测量方法，包括如下步骤：

第一步，采用三台线激光器照射被测板带材，在被测板带材的运动方向形成三条平行的激光照射线；

第二步，沿着被测板带材的宽度方向划分出5个以上的测量带，每个测量带宽度为3～5个像素；每条测量带与三条激光照射线形成三个相交的激光点；

第三步，激光照射线上方沿被测板带材的宽度方向设置三台摄像机，采用光学三角法测量激光点处被测板带材的高度值；

第四步，根据平直度的定义，通过在单位时间内，将多次测量的被测板带材的弧线长度求和除以被测板带材的速度与单位时间的乘积，得到每条测量带内被测板带材的平直度数据。

本发明的优点在于：

(1)采用1000MHz高速以太网总线连接传输信号，实现了在线实时板形测量。

(2)本发明提供的在线测量仪简单易于制造，并且成本低，适合于大规模推广使用；

(3)本发明采用3条线激光光源及面阵列摄像机，可以准确测量板带材边部位置、中部位置、1/4边部位置及3/4边部位置的平直度参数及准确测量板带材出现浪形滑动时的平直度参数，使测量数据更可靠，克服了单束激光不能检测浪形滑动及点激光测量边部位置不确定对仪器精度的影响。

(4)检测箱内DSP数据采集处理单元只采集处理测量控制柜确定的9个测量带内的图像信息，使信号处理时间大为减少，保证了仪器进行实时高速测量。

(5)检测箱内的摄像机与DSP数据采集处理单元采用一一对应的方式组合，便于形成标准化产品，对于不同的板带材生产线，提供不同数量、不同分辨率摄像机多种解决方案。

附图说明

图1本发明提供的板形在线测量仪的原理结构框图；

图2本发明中测量带的划分示意图；

图3为本发明提供的板形测量仪的高度测量原理示意图；

图4为本发明中板形模型原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提供的高精度板带材板形在线测量仪包括横跨在板带材生产线上方的现场安装支架6、光源箱1、检测箱2、板带速度测量仪3、安装在操作室的测量控制柜4和显示器5。所述的现场安装支架6横跨在被测板带材7的上方，所述的检测箱2和光源箱1分别固定安装在两个现场安装支架6上，并且光源箱1所处的高度要低于检测箱2所处的高度，光源箱1的高度主要取决于激光线与被测板带材7表面的夹角的设计。在所述的被测板带材7上方还设置有板带速度测量仪3，所述的板带速度测量仪3通过固定在生产线边部的悬臂装置固定在生产线中心位置的被测板带材7上方。所述的光源箱1、检测箱2和板带速度测量仪3分别与测量控制柜4通过导线连接，测量控制柜4还连接有显示器5，用于显示被测板带材7的测量参数信息。

所述的光源箱1和检测箱2在热轧环境时带有冷却水套，保证箱体内部温度在电子元器件允许范围内。光源箱1和检测箱2的窗口带有防止烟尘、水气污染装置。光源箱1内上下安装的3个线激光器通过侧面带有防护装置窗口倾斜照射到被测板带材7的表面。

光源箱1内包括激光器供电电源、三个上下排列的带有可调整安装角度支架的线激光器，在光源箱1的侧面(对应检测箱2的一面)开有通光孔101，三个线激光器发射的线激光102倾斜照射到被测板带材7表面，形成三条横跨被测板带材7宽度方向的平行激光照射线103。所述线激光102与被测板带材7表面的夹角为30°-60°，在被测板带材7上形成的三条激光照射线103的间距为50mm-350mm(根据板带材的宽度及最高运行速度确定间距)。在激光照射线103正上方的检测箱2内，沿被测板带材7的宽度方向并排安装三台全高清数字摄像机201、一台包含三个DSP模块的DSP数据采集处理单元，三台摄像机201均采用面阵摄像机，三台摄像机的视场范围拼接后覆盖生产线最大宽度范围。为了提高数据采集速度、减少无用数据的采集量，开始测量前根据设定的产品宽度(也即是板带材7的宽度)，可以预知被测板带材7的边缘在摄像机201视场的位置，将被测板带材7两个边缘范围对应的摄像机201有效视场宽度方向八等分，在宽度方向与每条平行激光照射线103形成九个激光点9，如图2所示，在九个激光点9的位置开一个宽度三到五个像素纵向贯穿视场的测量带8，DSP数据采集处理单元只采集测量带8内的三个激光点9的图像信息，被测板带材7的不平度(高度变化)引起激光照射线103在测量带8内纵向位置变化。DSP数据采集处理单元通过1000MHz以太网总线连接摄像机201，并采集摄像机拍摄到的含有被测板带材7的板形信息的数字图像信号，经过图像处理、分析、滤波等过程后得到每个测量带8内三个激光点9的精确位置信号，将位置信号传到测量控制柜4，利用九个测量带8内27个激光点9的位置信号及板带速度测量仪3传来的被测板带材7的速度信号，测量控制柜4通过光学三角法模型计算得到被测板带材7的平直度数据，并根据27个激光点9的精确位置信息绘制三维板形图像，一路送显示器5显示，另一路送上位计算机供板形控制使用。

基于上述的高精度板带材板形测量仪，如图3所示，本发明采用光学三角法测量板带材7的高度值h，并提供一种高精度板带材板形测量方法。

h＝tgα×ΔX                                                      (1)

式(1)中h为摄像机201测量时刻被测板带材7在测量的激光点9的高度值，ΔX为通过摄像机测量系统测出的激光线102偏离初始位置的距离，α为线激光102与被测板带材7表面的夹角，设备安装时即确定。

所述的测量方法具体如下：

如图4所示，三束线激光102同时照射被测板带材7，在被测板带材7的宽度方向形成三条平行的激光照射线.

在被测板带材7上的每个测量带8上能够同时测量板带材7上3个激光点9(A、B和C点)的瞬时高度值，分别如下：

h₁＝ΔX₁×tgα₁                                                   (2)

h₂＝ΔX₂×tgα₂                                                   (3)

h₃＝ΔX₃×tgα₃                                                   (4)

其中，ΔX₁、ΔX₂和ΔX₃分别为通过摄像机测量系统测出的三束线激光偏离初始位置的距离，α₁、α₂和α₃分别为三束线激光102与被测板带材7表面的夹角；每一次测量在每个测量带8内被测板带材7的弧线长度可近似为

如图4所示，所述的每个测量带8内板带材7的弧线长度通过下式计算得到：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{AB}}={[X_{12}^2+{(h_2-h_1)}^2]}^{1/2}---\left(5\right)$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{BC}}={[X_{23}^2+{(h_3-h_2)}^2]}^{1/2}---\left(6\right)$

其中，h₁、h₂、h₃分别为被测板带材7上在一条测量带8上的三个激光点9处的高度值；X₁₂和X₂₃分别通过下式得到：

X₁₂＝L₁₂+ΔX₁-ΔX₂                                           (7)

X₂₃＝L₂₃+ΔX₂-ΔX₃                                           (8)

其中，L₁₂为第一束线激光与第二束线激光在基准面上的距离，L₂₃为第二束线激光与第三束线激光在基准面上的距离，L₁₂和L₂₃在仪器安装调试完成后即确定；ΔX₁、ΔX₂和ΔX₃分别为通过摄像机测量系统测出的三束线激光偏离初始位置的距离。

通常相对延伸差：

${\mathrm{\ϵ}}_0=\frac{\stackrel{\∩}{\mathrm{OP}}-\stackrel{\‾}{\mathrm{OP}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{OP}}}---\left(9\right)$

考虑到实际需要及测量方便，以近似值ε来评价ε₀。

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{AB}}+\stackrel{\‾}{\mathrm{BC}}}{X_{13}}---\left(10\right)$

其中，X₁₃＝X₁₂+X₂₃。

根据平直度的定义，也可以通过在单位时间内，将多次测量的被测板带材7弧线长度求和除以板带材7的速度v与单位时间的乘积得到该测量带8内板带材7的平直度数据ε：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\∩}{l}}_i}{v\×t}---\left(11\right)$

式(11)中

为单位时间第i次测量的弧长，n为单位时间内的测量次数，t为测量选取的单位时间。

若平直度以国际单位I来表示则再乘以10⁵，即

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\∩}{l}}_i}{v\×t}\×{10}^5---\left(12\right)$

若在测量过程中板带材生产线生产速度是变化的，式(12)改为

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\∩}{l}}_i}{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i\×\mathrm{\Δ}{t}_i}\×{10}^5---\left(13\right)$

其中，v_i和Δt_i分别为在第i次测量时，被测板带材的运行速度和时间。

通常情况下，在误差允许范围内两种算法结果一致，在现场环境出现异常的情况下，两种算法结果不同，可以进行异常判断并互相进行数据修正。

以某钢厂2050mm热轧厂设计的板带材板形在线测量为例，该生产线的产品规格为：

带钢宽度：900～1900mm

带钢厚度：2.5～9mm

考虑到生产中钢板在生产线上的左右偏移，3台摄像机201的宽度方向视场都是700mm，形成宽度方向2050mm的总视场，中间摄像机与两边摄像机的视场有少量重叠。当生产最宽钢板时，每个摄像机201分布拍摄3条测量带8，当生产最窄钢板时，两边摄像机各分布拍摄2条测量带8、中心摄像机分布拍摄5个测量带8，因此，每个摄像机201需要处理的最多也只有5条测量带8内的信号，若每个测量带8取5个像素的宽度，对于全高清数字摄像机横向1080个像素，进行处理的5条测量带8共25个像素宽度，只占所有像素宽度的2.5％，信号处理时间大为减少，保证了测量仪器进行实时高速测量。

在本实施例中选用的是3台分辨率为1400×1024的工业数字摄像机，帧频60fps，每台摄像机201的视场范围是700mm(板带材7宽度方向)×512mm(测量高度变化方向)，三条激光线102照射到测量基准面(基准面定义为板带材零厚度时对应的平面)上每相邻两条激光照射线103之间相距100mm，靠视场右侧。当测量位置高度变化时，测量的激光点9向视场左侧偏移，左侧的激光点到达视场最左侧时对应的高度值既是该仪器的最大测量范围。

对应每一个测量带8，一帧图像可以测量板带材7上3个激光点9处的高度值，在本发明中，对于帧频60fps、三条线激光102照射在基准面上的激光照射线103之间相距100mm，当被测板带材7的速度为18m/s时，相邻两帧画面的激光点图像可以等距离拼接，当被测板带材7的速度低于12m/s时，相邻两帧画面的激光点图像将有重叠。在每帧图像信号进行处理后，根据板带速度测量仪3得到的被测板带材7的运行速度，将测量出的被测板带材7的高度值按照被测板带材7的长度方向排列，所有按照长度方向排列高度值的包络线近似代表了该测量带8内的板带材7表面的浪形。根据平直度的定义，将同一时刻板带材7两边缘位置、左右1/4位置、中间位置5个板带浪形数据进行计算，可以得到即时的平直度数据供板形控制和仪器显示。

Claims (4)

1.一种高精度板带材板形在线测量仪，其特征在于：包括光源箱、检测箱、板带速度测量仪、现场安装支架、测量控制柜和显示器，所述的现场安装支架横跨在被测板带材的上方，所述的检测箱和光源箱分别固定安装在两个现场安装支架上，所述的板带速度测量仪通过安装在生产线边部的悬臂装置固定在生产线中心位置的被测板带材上方；所述的光源箱、检测箱和板带速度测量仪分别与测量控制柜通过导线连接，测量控制柜还连接有显示器，用于显示被测板带材的测量参数信息；

所述的光源箱内包括激光器供电电源、三个上下排列的带有可调整安装角度支架的线激光器，在光源箱的对应检测箱的一面开有通光孔，三个线激光器发射的线激光倾斜照射到被测板带材表面，形成三条横跨被测板带材宽度方向的平行激光照射线；所述线激光与被测板带材表面的夹角为30°-60°，在被测板带材上形成的三条激光照射线的间距为50mm-350mm；

所述的检测箱内并排安装三台全高清数字摄像机、三个DSP数据采集处理单元，所述的摄像机采用面阵摄像机，用于拍摄到含有被测板带材的板形信息的数字图像信号；所述的DSP数据采集处理单元用于采集摄像机拍摄到的数字图像信号，并进行图像处理、分析、滤波后得到精确的位置信号传到测量控制柜。

2.一种高精度板带材板形在线测量方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，采用三台线激光器照射被测板带材，在被测板带材的宽度方向形成三条平行的激光照射线；

第二步，沿着被测板带材的宽度方向划分出5个以上的测量带，每个测量带宽度为3~5个像素；每条测量带与三条激光照射线形成三个相交的激光点；

第三步，激光照射线上方设置摄像机，采用光学三角法测量出测量带上激光点处被测板带材的高度值；

第四步，根据平直度的定义，通过在单位时间内，将多次测量的板带材的弧线长度求和除以板带材的速度与单位时间的乘积，得到每条测量带内板带材的平直度数据。

3.根据权利要求2所述的高精度板带材板形在线测量方法，其特征在于：第二步中的测量带通过如下方法确定：测量控制柜基于板带材的设定宽度，确定板带材两边位置、中心位置、1/4位置及3/4位置处对应摄像机视场的五个位置，分别对应五个测量带。

4.根据权利要求3所述的高精度板带材板形在线测量方法，其特征在于：对五个测量带形成的四个宽度进一步等分后产生4个测量带，共9个位置确定9个测量带。

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