CN107716563A - 基于红外光的带材自动对中检测方法 - Google Patents

Abstract

基于红外光的带材自动对中检测方法，具体包括以下步骤：步骤1，带材在红外发射管和红外接收管之间运动，控制器接收红外接收管的状态变化信息；步骤2，根据红外发射管和红外接收管的位置搭建光电对射管的数学模型，建立空间直角坐标系，确定带材边缘位置所在区域，再计算带材边缘的位置信息；步骤3，判断带材是否偏离传输中心线，若带材偏离了传输中心线，将位置偏移量发送给纠偏执行机构，对带材进行纠偏，从而实现对中。本发明解决了现有技术中存在的采用平行光的原理进行检测，检测精度不够高，检测范围有限的问题。

Description

基于红外光的带材自动对中检测方法

技术领域

本发明属于带材自动化检测技术领域，涉及一种基于红外光的带材自动对中检测方法。

背景技术

随着加工工业的发展，对于带材的需求量增大的同时，也对带材质量提出了更高的要求。在冷轧带钢轧制的生产线(包括后续的处理流程)中，伴随工艺设备的提升，整个机组运行速度逐年的提高，生产加工的带材向又宽又薄的方向发展，为了适应带钢的高速连续生产，带钢在高速传送过程中容易偏离机组的中心线，致使带材损坏及生产损失，严重时甚至会断带停产，损坏生产设备，影响生产线的正常运行，增加了生产消耗，降低了产品质量和成品率。因此，在这些大型生产线上，须进行带材位置检测，在冷轧带钢的生产过程中，必须对钢带的跑偏使用对中位置检测。这样，在前端开卷机能够将不太理想的板形的带卷精准并安全地送入到机组的中心线；对于带材剪切或定尺剪切线而言，带材准确平稳地输送入机组可以减少额外边缘修整，完成最优化的带钢正方剪切；而且，保证带钢在生产线上平稳的运行的同时也减少了板材重新卷取或者带卷受损而变成次品的事故发生；同时带卷的边缘整齐在处理及运输过程中也不易造成损伤，为存储及运输带来了便利。

市面上采用的对中传感器主要分为三种，分别为：电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器。

电感式传感器的检测原理主要是物理学中的电磁感应原理，传感器中的感应线圈感应的电动势大小会随着带材位置的偏移而变化，反过来带材的偏移量可以根据感应线圈的感应电动势变化量的大小来确定。其抗干扰能力强，不会受到静态磁场的干扰，不会由于传感器因污染绝缘阻抗发生变化而受影响，甚至不受工业现场中化学反应所产生的水蒸气的影响，可以被用于恶劣的现场环境中，使用寿命长，被用户广泛接受，但是由于检测原理的限制，只能检测导磁带材。

电容式传感器的检测原理是根据电容量的变化大小确定带材位置的偏移量大小：主要分为三种类型a.变面积式(改变s)，b.变间隙式(改变d)，c.变介电常数(改变ξ)，一般工业现场中，对中检测系统大多采用变面积式(改变s)；电容式传感器的主要特点为测量范围大、动态响应快、结构简单、适应能力强、稳定性好等，主要应用在测量压力、线性位移、加速度及旋转角等实际场合，由于其测量原理限制，容易受到现场静电的干扰，性能不稳定，仅适用于金属等带材的纠偏检测。

光电式传感器的检测原理主要是根据光电效应，把传感器接受到的光信号转换为控制器能够识别和分析的电信号，主要包括光源和光接收器，由于是光信号，测量范围和距离都很大，并且检测元件的成本低，检测精度高，其使用范围比较广泛，但由于感光元件易受外界环境如光线和灰尘等的影响，所以使用时需要经常的清洁维护。

目前市场上出现许多光电式纠偏系统，这些系统均采用平行光的原理进行检测，主要有三种方式：1)系统的检测元件只有单个感光元件，如光敏电阻、硅光电池或光敏二极管，由于检测元件个数少，有效的检测范围小；2)系统的检测元件有多个感光元件，有效的扩大了检测系统的检测范围，但是容易造成边缘检测模糊；3)检测系统的检测元件为CCD，体积小、抗电磁干扰强并且精度高，越来越多的应用在工业现场，但是价位也比较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于红外光的带材自动对中检测方法，解决了现有技术中存在的采用平行光的原理进行检测，检测精度不够高，检测范围有限的问题。

本发明所采用的技术方案是，基于红外光的带材自动对中检测方法，具体包括以下步骤：

步骤1，带材在红外发射管和红外接收管之间运动，控制器接收红外接收管的状态变化信息；

步骤2，根据红外发射管和红外接收管的位置搭建光电对射管的数学模型，建立空间直角坐标系，确定带材边缘位置所在区域，再计算带材边缘的位置信息；

步骤3，判断带材是否偏离传输中心线，若带材偏离了传输中心线，将位置偏移量发送给纠偏执行机构，对带材进行纠偏，从而实现对中。

步骤2中，确定带材边缘位置所在区域的具体过程为：

带材在传输线上运动时，点亮一个红外发射管，找出红外接收管中对应能收到光信号和收不到光信号的两个交界点，记录下该红外发射管的坐标和两个交界点的坐标，组成一个三角形，带材边缘位置位于该三角形内；依次点亮所有红外发射管，找出所有符合条件的三角形，三角形依次相交得到凸多边形，即为带材边缘位置所在区域。

步骤2中，三角形依次相交的过程中不断形成凸多边形，在平面直角坐标系中，采用平面扫描法求任意两凸多边形相交后的交集的过程为：

设凸多边形A的顶点依次为A1，A2，...，An，凸多边形B的顶点依次为B1，B2，B3，...，Bm，以凸多边形B的所有边依次切割一遍凸多边形A，当凸多边形B的一条边切割凸多边形A时，依次判断凸多边形A的相邻顶点是否在凸多边形B的该条边的左右两边，如果在，求解凸多边形A的相邻顶点构成的直线和凸多边形B的该条边的交点，并储存，最后储存空间中的储存点序列即为凸多边形A和凸多边形B相交后的交集，设为凸多边形P。

步骤2中，以凸多边形P的中心坐标值或重心坐标值来表示带材的位置信息。

以凸多边形P的中心坐标值表示带材的位置信息具体为：

设凸多边形P的顶点依次为P1，P2，P3，...,Pm，所有顶点的横坐标依次为x1,x2,x3...xm，所有顶点的纵坐标依次为y1,y2,y3...ym，凸多边形P的中心M的坐标用公式(1)计算，x，y分别为中心M的横坐标和纵坐标：

以凸多边形P的重心坐标值表示带材的位置信息具体为：

将凸多边形P以顶点P1剖解成m-2个三角形，依次求出所有三角形的重心和面积，三角形的面积用公式(2)计算：

s＝((x3-x1)×(y2-y1)-(x2-x1)×(y3-y1))/2 (2)

因此凸多边形P的重心N的坐标用公式(3)计算，x，y分别为重心N的横坐标和纵坐标：

其中si为第i个三角形的面积，σxi为第i个三角形重心的横坐标，σyi为第i个三角形重心的纵坐标。

本发明的有益效果是，基于红外光的带材自动对中检测方法，当带材在红外发射管和红外接收管之间发生横向偏差移动时，采集红外接收管接收到的光的变化信息，根据红外发射管和红外接收管的位置参数，搭建光电对射管的数学模型并建立空间直角坐标系，找出红外接收管中对应能收到光信号和收不到光信号的两个交界点组成一个三角形，三角形依次相交后形成凸多边形，即为带材的大致范围，通过计算凸多边形的中心坐标值或重心坐标值得到带材边缘位置，再判断带材是否偏离预先设定的传输中心线，将位置偏移量发送到纠偏执行机构实现对中，整个方法检测精度高，检测范围大，稳定性好，抗干扰能力强。

附图说明

图1是本发明采用的检测装置的结构示意图；

图2是本发明实施时的传感器A和传感器B的安装示意图；

图3是本发明的检测原理示意图；

图4是本发明采用平面扫描法求凸多边形交集的示意图；

图5是本发明中带材处于特定位置的误差仿真图；

图6是本发明中用凸多边形重心代表带材的边缘位置的检测精度图。

图中，1.传感器组A，2.传感器组B，3.控制器，4.纠偏执行机构，5.带材，6.安装槽架，7.绝缘柱。

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。

如图1所示，基于红外光的带材自动对中检测方法，依赖的检测装置的结构是，包括沿带材走向的两侧边缘分别设置的传感器组A1和传感器组B2，传感器组A1和传感器组B2均包括发射端和接收端，每组发射端设置有多组红外发射管，每组接收端对应设置有多组红外接收管，发射端的作用是控制扫描红外发射管依次发射光线，接收端主要发射扫描控制信号，传感器组A1与传感器组B2共同与控制器3连接，控制器3与带材5传输线上的纠偏执行机构4连接，控制器3还与上位机连接；如图2所示，安装时，传感器组A1和传感器组B2分别通过绝缘柱7与上方的安装槽架6连接。

基于红外光的带材自动对中检测方法，具体包括以下步骤：

步骤1，带材5在红外发射管和红外接收管之间运动，发生横向偏差移时，就会对部分红外发射管发出的信息进行了遮挡，红外接收管接收到的光会发生变化，控制器3接收红外接收管的状态变化信息；

步骤2，根据红外发射管和红外接收管的位置搭建光电对射管的数学模型，建立空间直角坐标系；确定带材5边缘位置所在区域，再计算带材5边缘的位置信息；

搭建光电对射管的数学模型：如图3所示，A1，A2，A3…Ai为实际的红外发光二极管，B1，B2，B3…Bj为所对应的红外接收管；带材5的纵向位置随意放置，带材5处于连线r所在位置，带材5与中线f的距离设置为h，带材5最左边位置在平面直角坐标系中的坐标即为带材5边缘位置，红外发射管和红外接收管之间的安装距离为H，相邻两接收管和相邻两发射管之间的安装距离均为L，红外发射管和红外接收管的个数均为N；

建立空间直角坐标系：以B1为零点，即B1(0，0)，A与B间距为H，A1在y轴上，则A1(0，H)，以此类推，则所有点的坐标是：

A1(0,H)、A2(L,H)、A3(2L,H)、A4(3L,H)、A5(4L,H)……Ai((i-1)L,H),i＝0,1,2,3……N；

B1(0,0)、B2(L,0)、B3(2L,0)、B4(3L,0)、B5(4L,0)……Bj((j-1)L,0),j＝0,1,2,3……N；

由斜率公式可得第m个发射管到第w个接收管的直线斜率为：m＝1,2,3,4......n；w＝1,2,3,4......n；

则可以求出任何一条光线的方程为：

x＝(w-1)×L+y×L×(m-w)÷H (2)

其中：w是平移的次数，w＝0,1,2......(N-1)；m是一个红外发射管发射时红外接收管接收的全部直线方程个数，m＝1,2,3,4......n；

确定带材5边缘位置所在区域：

带材5在传输线上运动时，系统上电后依次点亮所有的红外发射管，根据散射光原理，发射光线在散射过程中，有些红外接收管能够接收到红外发射管发射过来的光线，有些红外接收管由于带材的阻挡，并不能接收到信号，比如，点亮红外发射管A1，此时红外接收管B1，B2，B3均能接收到发射光线，输出信号为0，而其余的红外接收管不能接收到发射光，线输出信号为1；所有红外接收管中能够接收到红外发射管光线和不能接收到红外发射管光线的红外接收管必然有两个交界点，一个红外接收管输出信号为0，相邻的红外接收管输出信号为1，比如，点亮红外发射管A1，红外接收管B1，B2，B3能够接收到发射光线，输出信号为0，其余红外接收管均不能接收到发射光线，输出信号为1，找到的两个交界点状态红外接收管为B3，B4，与红外发射管A1在平面直角坐标系中组成三角形A1B3B4，此时带材5边缘位置必定在该三角形内，该三角形即为点红外亮发射管A1时所找到的符合条件的三角形，依次点亮剩余的红外发射管，找出所有符合条件的三角形。

有时由于带材5位置的影响，点亮某一红外发射管时，所有的红外接收管都接收不到发射光线，输出信号均为1，不能找到符合条件的三角形，即并不是所有红外发射管都对应一个符合条件的三角形；循环点亮一遍红外发射管，找到所有符合条件的三角形，带材5边缘位置必定于所有符合条件的三角形内，为了最终确定带材5的位置，所有符合条件的三角形依次相交后可以得出一个边数未知的凸多边形，为能够确定带材的位置的最小范围，即为带材5边缘位置所在区域。

步骤2中，三角形依次相交的过程中不断形成凸多边形，多边形的边一直在发生变化，计算过程中多边形边数未知，并不是简单的两个三角形相交，为了便于分析和计算，研究出平面直角坐标系中任意两凸多边形相交求交集的通用算法，即平面扫描法：

半平面常用ax+by<＝c来表示，给出n个类似ax+by<＝c的半平面找到所有满足它们的点所组成的交集，合并后区域形如凸多边形，可能无界；每条半平面最多形成相交区域的一条边，因此相交区域不会超过n条边，相交后的区域有可能是一条直线，射线，线段或者点，当然也可能是空集；求两个平面凸多边形A和B的交集(一个新凸多边形)，主要思想是以两凸多边形的交点为分界点，将边分为内外两种，内边相互连接，即成为所求的凸多边形。

假设有一条垂直的扫描线从左往右扫描，我们称被扫描线扫描到的x坐标叫做X事件，任何时刻该扫描线和两个凸多边形最多有四个交点，如图4，Au和Bu靠下的部分以及Al和Bl靠上的部分组成了当前多边形的内部区域。从左向右扫描过程中，并不需要扫描所有的有理数，称Au，Al，Bu，Bl所在的边叫做e1，e2，e3，e4，下一个X事件将在这四条边的端点以及两两交点中选中；为了便于分析和说明，现在举例说明该算法的具体实现步骤：

设凸多边形A的顶点依次为A1，A2，...，An，凸多边形B的顶点依次为B1，B2，B3，...，Bm，顶点以顺时针排列，以凸多边形B的所有边依次切割一遍凸多边形A：

Step 1：直线B1B2切割凸多边形A，依次判断凸多边形A的顶点，若凸多边形A的顶点与其相邻顶点分别在直线B1B2的左右两边，求解凸多边形A的顶点与其相邻顶点构成的直线和直线B1B2形成的交点，并储存，跳到下一步骤；

Step 2:直线B1B2切割凸多边形A，依次判断凸多边形A的顶点，若凸多边形A的顶点与其相邻顶点分别在直线B1B2的左右两边，求解凸多边形A的顶点与其相邻顶点构成的直线和直线B1B2形成的交点，并储存，跳到下一步骤；

……

Step m:直线Bm-1Bm切割凸多边形A，依次判断凸多边形A的顶点，若凸多边形A的顶点与其相邻顶点分别在直线Bm-1Bm的左右两边，求解凸多边形A的顶点与其相邻顶点构成的直线和直线Bm-1Bm形成的交点，并储存，求解结束；

最后储存空间中的储存点序列即为凸多边形A和凸多边形B相交后的交集，设为凸多边形P，其中储存点序列以顺时针排列。

步骤2中，带材在平面直角坐标系中的位置信息是用一个点的坐标值表示的，用平面扫描法依次计算出一个最小的凸多边形，带材必定在该凸多边形中，以凸多边形P的中心坐标值或重心坐标值来表示带材的位置信息。

以凸多边形P的中心坐标值表示带材的位置信息具体为：

设凸多边形P的顶点依次为P1，P2，P3，...,Pm，所有顶点的横坐标依次为x1,x2,x3...xm，所有顶点的纵坐标依次为y1,y2,y3...ym，凸多边形P的中心M的坐标用公式(1)计算，x，y分别为中心M的横坐标和纵坐标：

以凸多边形P的重心坐标值表示带材的位置信息具体为：

凸多边形的质量是均匀分布在其内部区域的，与面积有关，重心计算公式不能简单的用公式(1)来表示，将凸多边形P以顶点P1剖解成m-2个三角形，依次求出所有三角形的重心和面积，三角形的面积用公式(2)计算：

s＝((x3-x1)×(y2-y1)-(x2-x1)×(y3-y1))/2 (2)

因此凸多边形P的重心N的坐标用公式(3)计算，x，y分别为重心N的横坐标和纵坐标：

其中si为第i个三角形的面积，σxi为第i个三角形重心的横坐标，σyi为第i个三角形重心的纵坐标。

步骤3，判断带材5是否偏离传输中心线，若带材5偏离了传输中心线，将位置偏移量发送给纠偏执行机构4，对带材5进行纠偏，从而实现对中。

如图5所示，带材5纵向位置固定为25mm时，横向位置变化，系统的检测误差也随之发生变化，在整个检测区域中，因为传感器A和传感器B的分布，两侧为无效检测区域，中间为有效检测区域，误差大小有差异，两测检测误差大，中间部分检测误差小。在实际的工业现场应用中，带材右端位置是放置在传感器中间区域，两测位置误差大，可以忽略。如图6所示，带材在不同位置时，用凸多边形重心寻找带材边缘位置的检测精度，能够看出中间区域误差较小。

通过上述方式，基于红外光的带材自动对中检测方法，当带材在红外发射管和红外接收管之间发生横向偏差移动时，采集红外接收管接收到的光的变化信息，根据红外发射管和红外接收管的位置参数，搭建光电对射管的数学模型并建立空间直角坐标系，找出红外接收管中对应能收到光信号和收不到光信号的两个交界点组成一个三角形，三角形依次相交后形成凸多边形，即为带材的大致范围，通过计算凸多边形的中心坐标值或重心坐标值得到带材边缘位置，再判断带材是否偏离预先设定的传输中心线，将位置偏移量发送到纠偏执行机构实现对中，整个方法检测精度高，检测范围大，稳定性好，抗干扰能力强。解决了现有技术中存在的采用平行光的原理进行检测，检测精度不够高，检测范围有限的问题。

Claims (6)

1.基于红外光的带材自动对中检测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1，带材(5)在红外发射管和红外接收管之间运动，控制器(3)接收红外接收管的状态变化信息；

步骤2，根据红外发射管和红外接收管的位置搭建光电对射管的数学模型，建立空间直角坐标系，确定带材(5)边缘位置所在区域，再计算带材(5)边缘的位置信息；

步骤3，判断带材(5)是否偏离传输中心线，若带材(5)偏离了传输中心线，将位置偏移量发送给纠偏执行机构(4)，对带材(5)进行纠偏，从而实现对中。

2.根据权利要求1所述的基于红外光的带材自动对中检测方法，其特征在于，所述步骤2中，确定带材(5)边缘位置所在区域的具体过程为：

带材(5)在传输线上运动时，点亮一个红外发射管，找出红外接收管中对应能收到光信号和收不到光信号的两个交界点，记录下该红外发射管的坐标和两个交界点的坐标，组成一个三角形，带材(5)边缘位置位于该三角形内；依次点亮所有红外发射管，找出所有符合条件的三角形，三角形依次相交得到凸多边形，即为带材(5)边缘位置所在区域。

3.根据权利要求2所述的基于红外光的带材自动对中检测方法，其特征在于，所述步骤2中，三角形依次相交的过程中不断形成凸多边形，在平面直角坐标系中，采用平面扫描法求任意两凸多边形相交后的交集的过程为：

设凸多边形A的顶点依次为A1，A2，...，An，凸多边形B的顶点依次为B1，B2，B3，...，Bm，以凸多边形B的所有边依次切割一遍凸多边形A，当凸多边形B的一条边切割凸多边形A时，依次判断凸多边形A的相邻顶点是否在凸多边形B的该条边的左右两边，如果在，求解凸多边形A的相邻顶点构成的直线和凸多边形B的该条边的交点，并储存，最后储存空间中的储存点序列即为凸多边形A和凸多边形B相交后的交集，设为凸多边形P。

4.根据权利要求3所述的基于红外光的带材自动对中检测方法，其特征在于，所述步骤2中，以凸多边形P的中心坐标值或重心坐标值来表示带材的位置信息。

5.根据权利要求4所述的基于红外光的带材自动对中检测方法，其特征在于，以所述凸多边形P的中心坐标值表示带材的位置信息具体为：

设凸多边形P的顶点依次为P1，P2，P3，...,Pm，所有顶点的横坐标依次为x1,x2,x3...xm，所有顶点的纵坐标依次为y1,y2,y3...ym，凸多边形P的中心M的坐标用公式(1)计算，x，y分别为中心M的横坐标和纵坐标：

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6.根据权利要求5所述的基于红外光的带材自动对中检测方法，其特征在于，以所述凸多边形P的重心坐标值表示带材的位置信息具体为：

将凸多边形P以顶点P1剖解成m-2个三角形，依次求出所有三角形的重心和面积，三角形的面积用公式(2)计算：

s＝((x3-x1)×(y2-y1)-(x2-x1)×(y3-y1))/2 (2)

因此凸多边形P的重心N的坐标用公式(3)计算，x，y分别为重心N的横坐标和纵坐标：

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其中si为第i个三角形的面积，σxi为第i个三角形重心的横坐标，σyi为第i个三角形重心的纵坐标。