CN1034834C - 形状测定及相关的改进 - Google Patents

Abstract

用于测量诸如在支撑表面上运动的金属条的表面形状的装置，包括能把多条光束投射到移动的条的表面上的激光器。从这些激光光束形成多个光图案，每个图案均扫过条的宽度并沿条的运动方向与其他图案相分隔。一行扫描摄像机阵列在条的宽度上延伸并处于观测并记录投射的光图案的位置。对来自摄象机阵列的记录数据进行并行处理，以提供对条表面形状的测量。

Description

形状测定及相关的改进

本发明涉及确定物体形状的方法及使用该方法的装置。更确切地说，本发明涉及确定金属材料(如钢)片或条的平整度的方法和装置。

钢条或片(以下统称为“钢条”)在传统上是通过在一种多组(multi-stand)滚轧机中热或冷轧制半成品(如杆材)来制作的。如此制作的钢条的平整度自然对最终用户是非常重要的。但对条的平整度的测定却受到传统滚轧机的高运行速度的制约。因而，需要快速地测量离开滚轧机的条的平整度的方法和装置。

通常所采用的一种技术，是用激光器产生的光束照射钢条，并用电视面积摄像机(area cameras)观察光束在条上的位置。但快速分析电视图像所需的计算能力则是相当大而且昂贵的。而且，若计算能力较低，则测量的间隔会太长，从而无法给出真实的平整度表示。

本发明的一个目的，是提供快速测定物体形状，特别是钢或其他材料条的平整度的方法和装置。

根据本发明的第一个方面，提供了用于测定物体表面形状的装置，该装置包括能把多个光束投射到一物体表面上的激光装置，所述物体相对于激光装置运动，并且所述多个光束沿物体的运动方向彼此间隔，从而在物体表面上形成沿大致垂直于物体运动方向的方向伸延的多个光图案；还包括观测并记录所述光图案并并行地处理记录数据以提供对物体表面形状的测量的行扫描摄像机阵列。

可沿大致垂直于物体运动方向的方向，连续地把激光器产生的光束扫过物体表面。扫描可借助转动或振荡镜组件来实现。这些组件可包括镜式电流计。

或者，激光光束可取脉冲形式，从而在物体表面上形成开/关光图案。

可并行处理由阵列中的各个行扫描摄像机记录的图像，以分别提供对该摄像机所观测到的各个光图案部分高于一基准面的高度的测量。

在另一方面，提供了用于测定在一支撑表面上移动的金属物体表面形状的装置，该装置包括能把多个光束射到移动物体表面上的激光装置；能从这些激光光束产生多个光图案的装置，这些光图案分别沿物体的宽度分布并沿物体运动方向与其他光图案相间隔；沿物体的宽度延伸的行扫描摄像机阵列，用于观测并记录所述光图案，并且并行处理所记录的数据以提供对物体表面形状的测定。

在另一方面，提供了用于测定沿支撑表面移动的物体表面形状的方法，该方法包括如下步骤：使多个激光光束射到物体表面上以在该表面上形成沿大致垂直于物体运动方向的方向在该物体表面上延伸的多个光图案，用沿大致垂直于物体运动方向的方向设置的行扫描摄像机阵列记录所产生的光图案，并把各行扫描摄像机所记录的数据与其他这类摄像机记录的数据并行地进行处理，从而提供对物体表面形状的测定。

下面仅通过举例，并结合附图，对本发明进行描述。在附图中：

图1和图2是根据本发明的装置的侧视及平面示意图；

图3是构成图1和2所示装置的一部分的行扫描摄像机的部分剖视图；

图4和图5分别是设在滚轧机的轧制台上方的、根据本发明的装置的部分剖视和平视图；

图6是沿图4中VI-VI线取的缩小的剖面图；

图7示意显示了所示装置的行扫描摄像机与处理计算机的连接方式。

参见附图，图1和2示意显示了根据本发明的装置的操作方法，用于测定沿箭头A方向在支撑表面2上移动的钢条1的平整度。图1中为方便说明起见，夸大了钢条的形状。三束激光光束3被投射到条1的表面上。各光束均沿条的宽度方向扫描，形成线状的光图案，用沿条的宽度方向延伸的行扫描摄像机5的阵列，来观测这些光图案。偏斜激光束的投射角，使其轴与条表面法线间的夹角通常为20°。摄像机5也以大致相同的角度倾斜，从而使各摄像机的光轴与条表面法线之间成通常为20°的夹角。当条1在支撑物2上移动时，其表面因为条表面的不平整性而相对于支撑表面2上升和下降。对真正平整的条表面，光图案4将在图1中位置7处由对应的摄像机看到；但对所示的条表面，该条表面则在位置8处被摄像机看见。这样，可借助对摄像机5所收到的图像数据的适当处理，来测定条在任何给定位置处相对任意基准平面和此前标定的瞬时高度。更具体地，可记录条表面的瞬时高度，以提供对相邻光图案间的直线距离(即条纹长度)的测量。

通过借助摄像机阵列5来在条的宽度范围中以规则的间隔进行一系列测量，就可确定条的总体平整度。

采用多个激光束的一个好处是，可在三个沿长度方向上间隔开的位置上同时进行测量，以便能通过并行处理来确定高度差；当然，所进行的测量除受条平整度的局部变化影响之外，还特受条总的垂直运动的影响。因为由于诸如颤动等引起的条的总体垂直运动将引起激光束形成的光图案的类似水平移动，在处理过程中可方便地消除这种总体运动。因而，应理解的是，可对在线(on-line)摄像机阵列5产生的图像进行处理，以精确地确定各激光束3产生的光线条4的相对位置，并且由该数据可确定条的平整度。

激光束3可用一单个激光器方便地产生，并借助转动或振荡镜系统(如镜式电流计)来在条的宽度上扫描。或者，可设置一行发生器或多个独立的激光器，每一个均受到脉冲激励以提供通/断光图案。

现参见图3，各行扫描摄像机5均包括一透镜11；透镜11用于接收从包含在扫描6的限定“行”中的条表面部分反射来的光，并把这些反射光聚焦到包括光敏材料阵列14的接收表面12上。在接收表面12上收到的光图案的像显示在4a、4b、4c处。

线性光敏阵列14通常为传统的电荷耦合装置，且各光图案4a、4b、4c的位置，是参照由各自光图案激励的阵列14中的象素来确定的。各线性阵列14与其他摄像机的阵列相分离，且利用电子硬件来并行处理若干个线性阵列的输出。这意味着大大减少处理时间。

在图4至6中显示了根据本发明的装置的一种特殊设置。来自激光器20的光束被分成三个单独的光束21，光束21的每一个均借助位于防尘外壳22之内的三个镜式电流计扫描器22之一，扫过条的宽度。条1沿着箭头A所指方向沿轧台24移动，而由条表面所反射的光，被包括处于外壳26之内的光检测器的行扫描摄像机25的阵列所接收。激光器20通常为4瓦的氩离子激光器，且通常有二十一个行扫描摄像机25(图6中仅显示了其中的某些)均匀地沿轧台24的宽度方向上设置。各行扫描摄像机25通常装有一个F2.8200mm焦距的透镜，以便能测定高达250mm的高度变化。各行扫描摄像机通常有2048个像素，以达到亚毫米的高度分辨率。

激光器20、扫描器22、行扫描摄像机阵列25及相关的电子线路27构成的组件，通常位于热轧机出口处轧台上方3m处。行扫描摄像机25的输出，链接到位于一段距离之外的仪器中间的控制计算机28(见图7)，以进行并行处理。置于轧台23上方的所有设备均包括在一水冷或空调外壳29中，在外壳29的下侧设有窗口31，以使激光21照到条表面上并使来自该表面的反射光照到摄像机25。

在使用中，由于条表面有适当反射能力，它偏离镜面的任何角度变化(由于形状波动或“颤动”而引起)将导致激光束21在条表面上形成的各“条”(即图案)的强度发生变化。在设计的测量范围内，强度可变化几百倍。因为这会落到摄像机25的动态范围之外，所以有必要采用足够大功率的激光器，以确保当条与水平间的夹角很大时信号不致小得无法测量。其结果之一是，当条的角度接近镜面时，信号已超过饱和很多倍了，因而需要用带有“反光学膜”(anti-blooming)的线性阵列，来防止信号失真并确保始终得到准确的测量。

激光“条”通常沿条移动的方向相互间隔125mm(最外边之间相隔250mm)；该间隔确定了沿轧制方向的取样频率及可测定的最小波长形状。该间隔在每个500mm的波长(设计的最小波长)给出五个测量点。为保证完全覆盖条，条每行进250mm就应进行一次摄像机读取。这等于在轧机的最大条速度18m/s下每14毫秒作一次读取。

当条速度因产品等级及轧制作业不同而改变时，计算机监测条速度的变化并适当改变摄像机的积分时间。这样，激光点在每个积分周期中只扫过摄像机25的视场一次，且扫描器22与摄像机25同步。扫描器22由一锯齿波所驱动。该波的幅度是可调的，以适应所轧制的条的宽度。在回扫期间，可在电路上阻止各摄像机25，以使这些光点不被看见。由于激光点极快地(约50微秒)扫过各摄像机25的视场，因条表面的运动而引起的移动模糊实际上被消除了。

由于离开热轧机的条在经过外壳29下方时呈红热状态，通过给各摄像机25装上以激光波长(约50mm)为中心的分色带通滤色器32，来阻止来自条表面的辐射。若不安装这种滤色器，则由于摄像机的灵敏度峰值处在约800nm处，因而它们会为背景辐射变得饱和。

如图7所示意的，摄像机25每次三个一组，经七个接口板33，链接到计算机28。这些板33为电路中的模拟摄像信号34设定阈值，以产生馈入边沿检测电路的二进制视频信号。由于该处理是在硬件中并行地进行的，故它非常之快。上述边沿，即高于为输入设定的可编程阈值的转换，它们被存在一个FIFO缓冲器(先入/先出硬件缓冲器)中并对应于摄像机视场中激光“条”的位置。

在各摄像机的积分时间的终结处，产生一个中断，并且计算机28经一数据库从七个接口板FIFO缓冲器读取边沿读数。这些边沿读数随后在软件中得到滤波以除去无用数据，并被用于为每一正确的摄像机估算条上的表面条纹(即激光产生的图案1之间的直线距离)的长度。由于条的宽度会变化且不大可能完全地填满轧台24的整个宽度，故有些摄像机25不会看到所有三个“条”。软件会舍去来自这些摄像机的读数。估算的条纹长度(即各光图案4间的距离)随后在预置的条长度上得到积分，并被用于计算一些参数，从其可确定条的平整度。

与面积摄像机相比，行扫描摄像机的优点包括：行扫描摄像机的分辨率相对高于面积摄像机，且当使用面积摄像机进行精确测量时，需要采用像素之间内插技术，这进一步消耗了处理时间。另外，面积摄像机每一积分周期内所要读的数据比行扫描摄像机多得多，因而其工作速度也慢得多。面积摄像机一般只需在电视帧速率下工作，这比实际钢条轧制中所要求的可高在80Hz的速率要慢。面积摄像机还产生大量的冗余信息，且面积阵列摄像机的反光学膜特性不如行扫描摄像机好。

虽然以上结合金属条平整度检测描述了本发明，但根据本发明的装置也可被用于诸如管、轧制部件、型材工件等类似物体的表面形状检测。

应理解，以上所述的只是根据本发明的方法和装置的例子，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明范围的前提下可轻易地对本发明进行多种修改。

Claims (6)

1.用于测定物体表面形状的装置，其特征在于激光装置(20)能把多个光束(3)投射到相对于于激光装置运动的物体的表面上，且所述多个光束沿该物体的运动方向彼此间隔开，从而在物体表面上形成沿大致垂直于物体运动方向的方向延伸的多个光图案；用于沿大致垂直于物体运动方向的方向连续地扫描过物体表面的激光束的扫描装置(22)，以及观测并记录所述光图案并且并行地处理所记录的数据以提供对物体表面形状的测定的行扫描摄像机阵列(5)。

2.如权利要求1所述的装置，其中扫描装置包括一个转动或振荡镜组件(22，23)。

3.如权利要求2所述的装置，其中镜组件包括多个镜式电流计(22)。

4.用于测定在支撑表面上移动的金属物体的表面的形状的装置，其特征在于该装置可把多个光束照到该移动物体表面上的激光装置(20)；可从这些激光束(3)形成多个光图案的装置，每个所述图案均在物体的宽度上延伸并沿物体运动的方向与其它光图案相隔开；扫描装置(22)，用于沿大致垂直于物体运动方向的方向连续地扫描扫过物体表面的激光束；以及行扫描摄像机阵列(5)，它在物体的宽度方向上延伸并处于能观测并记录所述光图案的位置，并对所记录的数据作并行处理以提供对物体表面形状的测定。

5.如权利要求4所述的装置，其中所述支撑表面包括处于接收来自轧机的金属条的位置的轧台(24)。

6.用于测量在支撑表面上移动的物体的表面形状的方法，其特征在于该方法把多个激光束投射到一物体的表面上，以在该表面上形成多个光图案，这些图案沿大致垂直于物体运动方向的方向在物体表面上延伸；沿大致垂直于物体运动方向的连续地扫描扫过物体表面的激光束；用大致垂直于物体动物方向设置的扫描摄像机阵列来记录所形成的光图案，并且把各行扫描摄像机记录的数据并行地进行处理，以提供对物体表面的平整度的测量。

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