CN103727876A - 基于平行激光线的带材宽度及中心测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平行激光线的带材宽度及中心测量系统，本发明还公开了一种基于平行激光线的带材宽度及中心测量方法，将面阵CCD固定，使平行激光线光源与带材垂直，面阵CCD通过检测平行激光线，获得带材边沿位置相关的信号，此信号经过外部高速A/D转换器，得到数字信号，然后通过FPGA处理器，对相关信号进行处理，将此信号再通过USB2.0传送到上位机中，最后将结果显示出来。本发明的系统和方法，具有检测精度高、稳定性好及设计结构简单的特点。

Description

基于平行激光线的带材宽度及中心测量系统和方法

技术领域

本发明属于光电测量技术领域，涉及一种基于平行激光线的带材宽度及中心测量系统，本发明还涉及一种基于平行激光线的带材宽度及中心测量方法。

背景技术

随着现代工业的日益发展，高速生产线上的带材宽度和中心参数测量是现代工业生产中需要解决的重要问题，带材生产过程中的自动化程度不断提高，便出现如下的工业需求：为了提高带材的成材率，稳定产品质量，生产中需对带材的宽度进行测量；同时为了克服带材卷绕过程中跑偏的现象，必须对带材的中心所在的位置进行准确确定。如上所述的这些问题对应着带材的宽度和中心位置两个重要参数。而在高速生产线中存在实时性差、受振动干扰的弊端，已成为制约带材生产相关行业发展的瓶颈。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于平行激光线的带材宽度及中心测量系统，采用非接触式测量，充分利用平行激光信息和面阵CCD的预测性，简单而准确地获取带材的宽度和中心参数，能够较好的提高带材在高速生产线上的实时性和抗干扰性。

本发明的另一目的是提供一种基于平行激光线的带材宽度及中心测量方法。

本发明所采用的技术方案是，一种基于平行激光线的带材宽度及中心测量系统，包括设置在输送线正上方的平行激光源和检测传感器，检测传感器另与FPGA处理器连接。

本发明所采用的另一技术方案是，一种上述的系统进行的带材宽度及中心测量方法，在平行激光线与带材垂直的理想情况下，平行激光线与带材边沿为直角，通过检测平行激光线以便得到带材的边沿信息，以平行激光线与带材的理想中心线位置的交点为坐标原点O，则图像中带材的右端点A在空间的坐标为(x₁,y₁)、带材的左端点D在空间的坐标为(x₁′,y₁′)，则带材的中心对应的坐标应为

将此坐标与理想中心坐标相比，如果两坐标相等说明带材的位置不应调整，否则需根据坐标的偏差量进行带材中心的调整。

一种上述的系统进行的带材宽度及中心测量方法，在带材偏离状态时，以第一条平行激光线与理想中心线的交点为坐标原点O建立二维空间坐标系，同时检测三条平行激光线同带材的右端点A、B、C和左端点D、E、F，分别计算该六个端点的坐标，而后借助于三条平行激光线之间的间距d，得到平行激光线与带材的夹角α，即为带材的偏离角度，同时将带材的宽度信息转化成为A、D两点之间的距离，从而得到带材斜偏角度以及带材的中心位置。

本发明的有益效果是，平行激光器照射在带材上的光线，被CCD相机拍摄下来，通过FPGA进行图像数据的采集和存储，相关的信息经USB信号线传回到上位机，在上位机中经过相关的处理、分析和计算后，得到带材边沿位置的坐标信息，最后经过相关的转换后得到带材的中心位置和宽度参数。该系统响应速度快，稳定性好，成本较低，抗振动干扰能力强，安装、操作简便，易于维护与调试。

附图说明

图1是本发明的带材宽度及中心测量系统工作原理图；

图2是在理想对正状态下的带材宽度及中心线信息测量原理图；

图3是在实际偏离状态下的带材宽度及中心线信息测量原理图。

图中，1.上位机，2.USB信号线，3.FPGA处理器，4.外部高速A/D，5.面阵CCD，6.平行激光源，7.带材。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1，本发明的测量系统结构是，包括设置在输送线正上方的平行激光源6和检测传感器，检测传感器另与FPGA处理器3连接，

平行激光源6采用波长为635nm～650nm的平行激光器，能够向输送线上的带材发射出平行激光线，功率高，使用寿命长、安装容易和使用方便，平行激光源6垂直向下照射的平行激光线要与带材平面垂直，另外照在带材上的平行激光线与带材前进方向必须保证垂直；

FPGA处理器3具有高速数字信号处理功能，FPGA处理器3用于图像数据的采集和存储，FPGA的运行速率可达几百兆，这是普通单片机无法达到，这样有助于提高系统的快速性及实时性。FPGA处理器3通过USB信号线2（型号采用USB2.0）与上位机1连接，另外在上位机1中进行了相关信息的处理、分析和计算，最后得到带材宽度参数和中心线的信息。

检测传感器包括面阵CCD5以及配套连接的外部高速A/D4，外部高速A/D4与FPGA处理器3连接，另外，FPGA处理器3的驱动信号通过CCD驱动（电路）与面阵CCD5控制连接，FPGA处理器3的A/D控制信号与外部高速A/D4控制连接。面阵CCD5采用电荷耦合器件CCD作为光电转换器件（摄像头），性能较高、图像信息比较稳定，由于面阵CCD5能够感应环境中的可见光，为了滤除环境光的干扰和减小反光量，在面阵CCD5的镜头前安装有滤光片，从而使面阵CCD5对平行激光源6所发出的光比较敏感，保证检测的准确性。

本发明装置工作原理是，采用固定位置的面阵CCD5和平行激光源6，被测带材位于面阵CCD5和平行激光源6的正下方，沿输送线前行。在系统运行前对平行激光源6进行调焦，保证它的亮度尽可能高，并使在带材上的三条平行激光线要完全处于面阵CCD5的拍摄范围内。面阵CCD5要固定好保证其不会抖动，否则会导致采集到的图像存在系统误差，另外也要进行焦距的调节，保证采集到的图像画面比较清楚。系统运行时平行激光源6的三条平行激光线照到带材上，被面阵CCD5采集到，得到带材的边沿信息、带材的斜偏角度实时信息，得到的图像信息经过外部高速A/D4处理后，得到相应的数字信号，再经过FPGA处理器3的处理、分析和判断后得到带材的宽度和中心线信息，最后将结果通过USB信号线2将数据传输到上位机1实现显示及输出，在上位机中通过相关计算最终得到带材的宽度和斜偏角度，上位机1还可以计算相关参数对驱动调节系统进行反馈控制。

如图2，是在理想状态时（带材直线输送）本发明方法的测量原理示意图。本发明的方法是，在平行激光线与带材垂直的理想情况下，平行激光线与带材边沿为直角，通过检测平行激光线以便得到带材的边沿信息，以平行激光线与带材的理想中心线位置的交点为坐标原点O，则图像中带材的右端点A在空间的坐标为(x₁,y₁)、带材的左端点D在空间的坐标为(x₁′,y₁′)，则带材的中心对应的坐标应为将此坐标与理想中心坐标相比，如果两坐标相等说明带材的位置不应调整，否则需根据坐标的偏差量进行带材中心的调整，保证卷出的带材边沿齐整，提高生产效率。

在实际生产过程中，高速运动的带材受到振动等因素的影响，左右边沿会出现翘起、倾斜和垂直上下震动等情况，由于这些不利因素的影响，此时带材会发生一定的偏移，导致平行激光线与带材边沿形成一定的夹角，即出现带材偏离现象，为了克服这些不利因素的影响，就必须及时发现及时处理。

如图3，是在带材偏离状态时本发明方法的测量原理示意图。本发明的方法测量是，以第一条平行激光线与理想中心线的交点为坐标原点O建立二维空间坐标系，同时检测三条平行激光线同带材的右端点A、B、C和左端点D、E、F，分别计算该六个端点的坐标，而后借助于三条平行激光线之间的间距d（固定值），得到平行激光线与带材的夹角α，即为带材的偏离角度，同时将带材的宽度信息转化成为A、D两点之间的距离，从而得到带材斜偏角度以及带材的中心位置。

在本发明方法中之所以采用三条平行激光线，是因为当带材偏离中心较小时，如果使用第一条和第二条平行激光线，则带材的偏离角度不易测量，为此采用第一条和第三条平行激光线，就能够增加纵向的距离，提高了测量的精确度。但当带材的偏离角度较大时，由于第一条和第三条之间的距离过大，这样可能会引入粗大误差，为此采用第一条和第二条激光测量，能够减小误差。

本发明测量方法的计算原理是：

首先，建立坐标系，得到基本数据

以第一条平行激光线与带材理想中心的交点为坐标原点O，定义平行激光线为X轴、带材的理想中心线为Y轴，建立二维空间坐标系，带材在空间的任意位置图像信息通过面阵CCD5得到，则通过三条平行激光线测得带材的右端点A、B、C在空间的坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)，测得带材的左端点D、E、F在空间的坐标分别为(x₁′,y₁′),(x′₂,y′₂),(x₃′,y₃′)，这些坐标只表示距离数值，与方向无关，相邻两条平行激光线的间隔距离仍为d，

然后，根据带材的左端点（或右端点）横坐标两两之间的差值大小判断带材的偏离程度

1）当带材偏离角度较大时，使用第一条和第二条平行激光线作为参照计算参数，带材与平行激光线的水平夹角α为：

则有：

则带材的宽度w为：w＝(x₁+x′₁)cosα，

式中，x₁为A到坐标原点O的水平分量；x₂为B到坐标原点O的水平分量；α为带材与平行激光线的夹角；

2）当带材偏离角度较小时，使用第一条和第三条平行激光线作为参照计算参数，带材与平行激光线的水平夹角β为：

则有：

则带材的宽度w为：w＝(x₁+x′₁)cosβ，

式中，x₁为A点到坐标原点O的水平分量；x₃为C点到坐标原点O的水平分量；α为带材与平行激光线的夹角；

最后，根据α值的大小，就能判断出带材的准确状态，其判断结果如下：如果得到α的值为90°，则表明带材处于正中央，没有发生偏离；否则表明带材没有处于正中央，发生了偏离，需对带材的中心位置进行调整。

本发明中的面阵CCD5采用分辨率为1360×1024、帧率为15fps的工业相机时，采用逐行扫描的方式，相邻平行激光线之间的距离设置为10cm，带材宽度为1m时，允许带材的最高运行速度为3m/s。

本发明的带材宽度测量适用于带材较簿、宽度小于600mm窄带材的高速生产线中，克服了振动带来的不利因素的影响，使生产质量及效率得到进一步的提升，提高了生产过程的自动化程度。

Claims (7)

1.一种基于平行激光线的带材宽度及中心测量系统，其特点在于：包括设置在输送线正上方的平行激光源（6）和检测传感器，检测传感器另与FPGA处理器（3）连接。

2.根据权利要求1所述的基于平行激光线的带材宽度及中心测量系统，其特点在于：所述的平行激光源（6）采用波长为635nm～650nm的平行激光器，能够向输送线上的带材发射出平行激光线，平行激光源（6）垂直向下照射的平行激光线要与带材平面垂直，照在带材上的平行激光线与带材前进方向垂直。

3.根据权利要求1所述的基于平行激光线的带材宽度及中心测量系统，其特点在于：所述的FPGA处理器（3）通过USB信号线（2）与上位机（1）连接。

4.根据权利要求2或3所述的基于平行激光线的带材宽度及中心测量系统，其特点在于：所述的检测传感器包括面阵CCD（5）以及配套连接的外部高速A/D（4），外部高速A/D（4）与FPGA处理器（3）连接，另外，FPGA处理器（3）的驱动信号通过CCD驱动与面阵CCD（5）控制连接，FPGA处理器（3）的A/D控制信号与外部高速A/D（4）控制连接，在面阵CCD（5）的镜头前安装有滤光片。

5.一种权利要求4所述的系统进行的带材宽度及中心测量方法，其特点在于：在平行激光线与带材垂直的理想情况下，平行激光线与带材边沿为直角，通过检测平行激光线以便得到带材的边沿信息，以平行激光线与带材的理想中心线位置的交点为坐标原点O，则图像中带材的右端点A在空间的坐标为(x₁,y₁)、带材的左端点D在空间的坐标为(x₁′,y₁′)，则带材的中心对应的坐标应为

将此坐标与理想中心坐标相比，如果两坐标相等说明带材的位置不应调整，否则需根据坐标的偏差量进行带材中心的调整。

6.一种权利要求4所述的系统进行的带材宽度及中心测量方法，其特点在于：在带材偏离状态时，以第一条平行激光线与理想中心线的交点为坐标原点O建立二维空间坐标系，同时检测三条平行激光线同带材的右端点A、B、C和左端点D、E、F，分别计算该六个端点的坐标，而后借助于三条平行激光线之间的间距d，得到平行激光线与带材的夹角α，即为带材的偏离角度，同时将带材的宽度信息转化成为A、D两点之间的距离，从而得到带材斜偏角度以及带材的中心位置。

7.根据权利要求6所述的进行的带材宽度及中心测量方法，其特点在于，具体处理过程按照以下步骤实施：

首先，建立坐标系，得到基本数据

以第一条平行激光线与带材理想中心的交点为坐标原点O，定义平行激光线为X轴、带材的理想中心线为Y轴，建立二维空间坐标系，带材在空间的任意位置图像信息通过面阵CCD（5）得到，则通过三条平行激光线测得带材的右端点A、B、C在空间的坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)，测得带材的左端点D、E、F在空间的坐标分别为(x₁′,y₁′),(x′₂,y′₂),(x₃′,y₃′)，这些坐标只表示距离数值，与方向无关，相邻两条平行激光线的间隔距离仍为d，

然后，根据带材的左端点或右端点横坐标两两之间的差值大小判断带材的偏离程度

1）当带材偏离角度较大时，使用第一条和第二条平行激光线作为参照计算参数，带材与平行激光线的水平夹角α为：

则有：

则带材的宽度w为：w＝(x₁+x′₁)cosα，

式中，x₁为A到坐标原点O的水平分量；x₂为B到坐标原点O的水平分量；α为带材与平行激光线的夹角；

2）当带材偏离角度较小时，使用第一条和第三条平行激光线作为参照计算参数，带材与平行激光线的水平夹角β为：

则有：

则带材的宽度w为：w＝(x₁+x′₁)cosβ，

式中，x₁为A到坐标原点O的水平分量；x₃为C到坐标原点O的水平分量；α为带材与平行激光线的夹角，

最后，根据α值的大小，就能判断出带材的准确状态，其判断结果如下：如果得到α的值为90°，则表明带材处于正中央，没有发生偏离；否则表明带材没有处于正中央，发生了偏离。

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