CN102506736A - 一种圆钢坯挠度的非接触在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢材成型加工领域，具体涉及一种圆钢坯挠度的非接触在线检测方法。本发明要克服现有技术存在的测量精度易受景深影响、不能对大尺度的钢坯进行挠度检测和测量系统需要较大安装空间的问题。技术方案如下：一种圆钢坯挠度的非接触在线检测方法，首先构建检测系统，该系统包括基准线发生器、成像系统、计算机、钢坯转动控制器、电机系统和投影平板，然后根据影像技术获取测试件与标尺线的影像，根据测试件的外部轮廓和标尺线的相对位置关系，获得测试件的挠度分布。与现有技术相比，本发明的优点是：（1）拓宽了现有技术的测量对象范围，（2）测量过程简便快速：（3）测量过程非接触：（4）提高了测量精度。

Description

一种圆钢坯挠度的非接触在线检测方法

技术领域

本发明涉及钢材成型加工领域，具体涉及一种钢坯挠度检测方法，特别涉及一种圆钢坯挠度的非接触在线检测方法。

背景技术

在现有的圆钢坯挠度检测中，对钢坯进行挠度检测的方法通常有两种：接触法和非接触法。

接触法：在测量的过程中，测量探头与钢坯以一定压力接触，并沿着钢坯轴向移动，根据移动过程中探头的跳动范围得到钢坯在某一方向上的挠度。在该方法中，测量探头与钢坯一直处于压力接触状态，并有相对运动过程，因此对测量探头和钢坯具有一定的破坏作用。同时，钢坯测量时经常处于中高温状态，使操作者也处于恶劣的工作环境下。在“一种检测变形桁架梁的挠度测量系统”（宋峰 CCD挠度测量系统的研究  硕士学位论文）中，在桁架梁的支点正上方安装激光发生器，在需要监测变形移位的位置放置激光接收器，根据激光接收器上光斑的位置得到被测点的变形，对多个点进行测量，计算出变形桁架梁的挠度。该方法需要在测量对象上安装激光发生器和激光接收器，是一种接触式测量方法，测量过程比较费时。在专利“挠度测试仪”（专利号：94231409.3）提供了一种脆性金属材料挠度试验的测试仪。测试仪安在万能试验机的立柱上，杠杆的测试端置于被测试件的下端，当试件发生变形时，测试端下移转到杠杆示值端上移即百分表可显示出挠度值，达到测试脆性金属材料挠度的目的。本发明中采用接触法测量试件挠度，测量结果通过百分表显示，缺点是该方法测量挠度的过程中需要使用万能试验机,仅仅用于实验室作为一种实验仪器使用；同时，受万能试验机本身结构尺寸的限制，仅仅用于小尺寸试件的挠度测量。专利“一种测量转轴挠度的方法”（申请号：200810037708.9）涉及一种测量转轴挠度的方法，在该方法中，在转轴的轴颈和转轴最大挠度预估计点，分别布置基准激光器和移动激光器，转轴在初始位置的基础上转动两个相同的角度，每次记录激光在激光靶上的平行偏差和角度偏差，由此测出移动激光靶中心相对基准激光靶中心的垂直偏差和垂直角度偏差。转轴最大挠度预估点处的挠度就可以通过测量值间接算出，通过多点测量后，取其中最大值就可得到转轴的最大挠度。该方法中需要在测量对象上布置基准激光器和移动激光器，测量费时。

为了克服接触法的缺陷，非接触法的应用越来越广泛，但现有技术仍然存在着不足之处：

在“一种用多线结构光的影像传感器”（Bin Wu, etc, “A novel method for round steel measurement with a multi-line structured light vision sensor”. 2010 Meas. Sci. Technol. 21 025204）中,给出的方案是通过将多线结构光垂直投影在圆钢坯上，在另一角度对投影光进行成像，投影光成像为椭圆形曲线，图像根据三角法原理恢复出投影线位置处的变形，轴心的位置通过曲线拟合获得，从而获得钢坯的挠度。该方法的缺点在于: （1）在该方法中，由于椭圆形曲线上每个点有不同的物距引起放大率不同，同时，测量过程中需要进行大景深成像，不同景深处有不同的像差，这将在很大程度上影响测量精度。（2）多线结构光的每一条光线具有不同物距，受成像镜头F数的限制，仅仅只能获得短区间内少量离散位置处的变形，使测量范围受到限制，因此，该方法不能对大尺度的钢坯进行挠度检测。（3）在该方法中，多线结构光的投影方向和成像系统的光轴之间有一定的夹角要求，测量系统需要较大的安装空间。

现有的测量方法主要用于等直径钢坯的挠度检测，对于非等径的钢坯进行挠度检测一直没有有效的方法。

发明内容：

    本发明要提供一种圆钢坯挠度的非接触在线检测方法，以克服现有技术存在的测量精度易受景深影响、不能对大尺度的钢坯进行挠度检测和测量系统需要较大安装空间的问题。

为了克服现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案如下： 

一种圆钢坯挠度的非接触在线检测方法，首先构建检测系统，该系统包括基准线发生器、成像系统、计算机，钢坯转动控制器，电机系统和投影平板；平板位于过钢坯轴线并和成像光轴垂直的平面上，基准线发生器投射出两束线激光，在投影平板上形成两束平行的激光线，成像系统和钢坯转动控制器分别与计算机相连接，钢坯转动控制器控制电机绕钢坯的轴心进行转动；

第一步：基准线发生器发出两束线激光，在空间形成一定间距的激光平面，投影在安装在钢坯两边的平板上，形成为设定空间间距的标尺线，设标尺线之间的实际距离为                                                

；

第二步：成像系统对钢坯和标尺线进行成像，计算机对图像进行采集，在获得的数字图像中，设定L1和L2为标尺线在成像系统中成的像，L1和L2之间的的像素数为D，M1和M2为测试件的外部轮廓线，在垂直于L1的任意一个截面上，M1和M2到L1的像素数分别为

和

，则测试件中心线在该截面上的位置为：

计算机根据标尺线和钢坯边缘的位置关系，获得钢坯的轮廓线位置，从而计算出钢坯的中心线曲线分布，获得测试纵向截面上的挠度；

第三步：钢坯转动控制器控制电机系统使钢坯绕轴线匀速转动，对钢坯旋转过程中的多个位置按照第二步的方法进行成像和数据处理，从而可以获得整个钢坯在过轴线的不同纵向截面上的中心线曲线分布，并给出该截面上的挠度值；

第四步：通过对第三步获得的不同纵向截面上的挠度值进行比较，最大挠度值即为钢坯的挠度，最大挠度值所在的纵向截面为挠度面；挠度面上中心线曲线分布上偏离轴心最大的位置即为最大挠度值的横向位置。

本发明根据影像技术获取测试件与标尺线的影像，根据测试件的外部轮廓和标尺线的相对位置关系，获得测试件的挠度分布，实现对挠度的数字化非接触测量。与现有技术相比，本发明的优点是：

（1）本发明提出的测量方法拓宽了现有技术的测量对象范围，不但用于等直径钢坯的挠度测量，而且也用于非等直径同轴钢坯的挠度测量；

（2）测量过程简便快速：本发明中提出的测试方法采用成像技术实现测量对象的快速成像，实时数据处理，在测量过程中测量装置无运动机构，测量时间由钢坯的旋转速度决定，可以实现钢坯挠度的快速测量； 

（3）测量过程非接触：测量过程完全采用光学方法，成像系统和基准线发生器与测量对象之间的距离可以根据现场的空间布置，基准线发生器与成像系统可以安装在一起，安装空间要求不高，测量系统与测量对象之间完全实现无接触，避免了测量系统与测量对象之间机械结构影响；

（4）提高了测量精度：本发明中标尺线与钢坯的轮廓线基本处于同样一个空间平面上，每个挠度测量数据都是与同样物距出的标准线结构光距离直接进行同方向比较，数据获得过程遵守阿贝原则，避免了现有非接触方法的数据拟合过程，消除了非等物距测量时放大率变化和像差对挠度计算的影响；从而提高了测量精度。

附图说明：

图1是测量系统原理图；

图2是测量系统中投影平板和钢坯的位置分布图；

图3是钢坯轮廓及标准线成像示意图。

附图标记说明如下：

1-基准线发生器，2-成像系统，3-计算机，4-钢坯转动控制器，5-电机系统，6-钢坯，7-投影平板。

具体实施方式：

下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地说明。

参见图1，本发明方法所采用的检测系统包括基准线发生器1、成像系统2、计算机3、钢坯转动控制器4、电机系统5和投影平板7，所说的成像系统2和钢坯转动控制器4分别与计算机3相连接，所说的电机系统5包括电机、减速器和钢坯固定组件，电机系统5通过钢坯转动控制器4与计算机3相接，钢坯转动控制器4和电机系统5控制钢坯固定组件使钢坯6实现转动。所说成像系统2中的投影平板7位于钢坯6的相对两侧。

其中：（1） 基准线发生器1采用常规的结构，通常都包括基准光源、光源支架、光源底座3个模块组成，主要作用是在测量区域基准测量线；

（2） 成像系统2的常见结构包括CCD、光学镜头、图像采集硬件、光机附件模块组成，主要作用是将测量对象不失真成像于CCD靶面上，并传输到数据处理系统；

（3）计算机3中包括图像采集卡、PCI控制卡、图像处理软件、电机控制软件，主要作用是对成像系统2的图像进行采集和处理，获得所需要的测量数据、实现数据的保存和传输功能，电机控制软件主要作用是根据图像处理软件传输过来的数据，控制电机的运动，使钢坯旋转运动到一定的工位，以便进行下一步的测量；

（4）钢坯转动控制器4为电机控制器；主要作用是将计算机3中电机控制软件发出的指令转换为电机的输入信号；

（5）电机系统5采用常规的结构，通常都包括电机、变速器和机械连接结构三个模块组成，主要作用是将钢坯转动控制器4的运动指令形成为钢坯6的运动。

参见图2，本发明提供的方法具体描述如下：

第一步：基准线发生器1发出两束线激光，在空间形成一定间距的激光平面，投影在安装在钢坯两边的平板7上，形成为设定空间间距的标尺线，设标尺线之间的实际距离为；

第二步：成像系统2对钢坯6和标尺线进行成像，计算机3对图像进行采集，在获得的数字图像中，设定L1和L2为标尺线在成像系统中成的像，L1和L2之间的的像素数为D，M1和M2为测试件的外部轮廓线，在垂直于L1的任意一个截面上，M1和M2到L1的像素数分别为

和

，则测试件中心线在该截面上的位置为：

计算机3根据标尺线和钢坯6边缘的位置关系，获得钢坯6的轮廓线位置，从而计算出钢坯6的中心线曲线分布，获得测试纵向截面上的挠度；

第三步：钢坯转动控制器4控制电机系统5使钢坯6绕轴线匀速转动，对钢坯6旋转过程中的多个位置按照第二步的方法进行成像和数据处理，从而可以获得整个钢坯6在过轴线的不同纵向截面上的中心线曲线分布，并给出该截面上的挠度值；

第四步：通过对第三步获得的不同纵向截面上的挠度值进行比较，最大挠度值即为钢坯的挠度，最大挠度值所在的纵向截面为挠度面；挠度面上中心线曲线分布上偏离轴心最大的位置即为最大挠度值的横向位置。

该方法中的主要特点体现在：

（1）标准线投影法和光学影像法相结合，标准线提供测量标尺，光学影像法对标准线和钢坯轮廓成像，该发明中的测量装置与钢坯之间无接触。

（2）图像处理中挠度计算时需获得的位置点位于标准线形成的测量标尺上，横向截面上钢坯直径为轮廓线边缘与测量标尺进行比较测量得到，测量过程遵守阿贝原则，可以实现高精度测量。

（3）不同横向截面上的中心通过比较该截面上标准线间距和轮廓线间距比较得到，避免了不同物距时成像系统放大率不同和像差的影响。

Claims (1)

1.一种圆钢坯挠度的非接触在线检测方法，首先构建检测系统，该系统包括基准线发生器（1）、成像系统（2）、计算机（3），钢坯转动控制器（4），电机系统（5）和投影平板（7）；平板（7）位于过钢坯轴线并和成像光轴垂直的平面上，基准线发生器（1）投射出两束线激光，在投影平板（7）上形成两束平行的激光线，成像系统（2）和钢坯转动控制器（4）分别与计算机（3）相连接，钢坯转动控制器（4）控制电机（5）绕钢坯的轴心进行转动；

第一步：基准线发生器（1）发出两束线激光，在空间形成一定间距的激光平面，投影在安装在钢坯两边的平板（7）上，形成为设定空间间距的标尺线，设标尺线之间的实际距离为                                               

；

第二步：成像系统（2）对钢坯（6）和标尺线进行成像，计算机（3）对图像进行采集，在获得的数字图像中，设定L1和L2为标尺线在成像系统中成的像，L1和L2之间的的像素数为D，M1和M2为测试件的外部轮廓线，在垂直于L1的任意一个截面上，M1和M2到L1的像素数分别为和

，则测试件中心线在该截面上的位置为：

计算机（3）根据标尺线和钢坯（6）边缘的位置关系，获得钢坯（6）的轮廓线位置，从而计算出钢坯（6）的中心线曲线分布，获得测试纵向截面上的挠度；

第三步：钢坯转动控制器（4）控制电机系统（5）使钢坯（6）绕轴线匀速转动，对钢坯（6）旋转过程中的多个位置按照第二步的方法进行成像和数据处理，从而可以获得整个钢坯（6）在过轴线的不同纵向截面上的中心线曲线分布，并给出该截面上的挠度值；

第四步：通过对第三步获得的不同纵向截面上的挠度值进行比较，最大挠度值即为钢坯的挠度，最大挠度值所在的纵向截面为挠度面；挠度面上中心线曲线分布上偏离轴心最大的位置即为最大挠度值的横向位置。

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