CN111421001A

CN111421001A - 一种高速线材轧机在线精确对中系统及其对中方法

Info

Publication number: CN111421001A
Application number: CN201910023127.8A
Authority: CN
Inventors: 朱兴安; 谢超
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2019-01-10
Filing date: 2019-01-10
Publication date: 2020-07-17
Anticipated expiration: 2039-01-10
Also published as: CN111421001B

Abstract

本发明公开了一种高速线材轧机在线精确对中系统及其对中方法，包括机架连轧机组，还包括激光器、工业相机、数据处理模块和显示模块；激光器设于机架连轧机组的出口位置，工业相机设于机架连轧机组的入口位置；激光器内发射激光依次穿过机架连轧机组每个机架孔型，直至工业相机的镜头内，工业相机用以捕捉激光与每个机架孔型轮廓图像信息，并将信息发送至数据处理模块，数据处理模块根据激光光斑位置和每个机架孔型情况用以计算出每个机架的偏离中心数据，并将数据发送至显示模块，显示模块用以实时显示每个机架的偏离中心数据。本发明根据识别算法能够给出各个机架的偏离中心数值，精确提供设备对中依据，提高了轧线对中精度和自动化水平。

Description

一种高速线材轧机在线精确对中系统及其对中方法

技术领域

本发明涉及高速线材轧机对中技术，更具体地说，涉及一种高速线材轧机在线精确对中系统及其对中方法。

背景技术

当前，高速线材轧制的速度可以达到110m/s以上，以此同时，高线生产粗中轧预应力轧机各机架之间距离较远，粗中轧1H～14V机架之间间距可以达到几十米，这就导致现场实际对中偏差较大。为了保证轧制稳定，提高产品质量，各个机架中心精度要求控制在0.1mm级别，这对于线材粗中轧轧机的对中技术提出了很高的要求。

传统的操作规程中，通常是在轧线定修期间，通过人工拉钢丝绳的方法逐个调整每个机架的孔型中心，保证整个轧线的对中精度。在生产实践中，该方法耗时很长，往往会延长定修时间，而精度又比较差。近年来相关技术人员也在探索新的对中技术。比如专利“高速线材轧机中心激光测量用发射器工装”(中国专利公开号CN 201455006 U)，提出在轧机入口处固定一个激光发射器，使用激光为基准，进行轧机对中的装置；又如专利“一种远距离高精度的对中调试装置及其调试方法”(中国专利公开号CN 108007394 A)，提出光电位置传感器接受激光信号，完成高精度对中的方法与装置。

虽然上述这些方法都是可以替代人工拉线，提高高线轧机对中的效率，但是都无法定量提供各机架的对中精度，仍然要依靠人工经验来调整各机架。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种高速线材轧机在线精确对中系统及其对中方法，根据识别算法能够给出各个机架的偏离中心数值，精确提供设备对中依据，提高了轧线对中精度和自动化水平。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，一种高速线材轧机在线精确对中系统，包括：机架连轧机组，还包括：激光器、工业相机、数据处理模块和显示模块；

所述激光器设于所述机架连轧机组的出口位置，所述工业相机设于所述机架连轧机组的入口位置；

所述激光器内发射激光依次穿过所述机架连轧机组每个机架孔型，直至所述工业相机的镜头内，所述工业相机用以捕捉激光与每个机架孔型轮廓图像信息，并将信息发送至所述数据处理模块，所述数据处理模块根据激光光斑位置和每个机架孔型情况用以计算出每个机架的偏离中心数据，并将数据发送至所述显示模块，所述显示模块用以实时显示每个机架的偏离中心数据。

所述激光器通过独立支架固定于所述机架连轧机组的出口位置。

所述工业相机为CCD工业相机，或CMOS工业相机。

所述数据处理模块为工控机、PLC或DSP。

所述显示模块为显示器。

另一方面，一种高速线材轧机在线精确对中方法，包括：标定、计算和自校；

所述标定，具体如下：

1)工业相机调整，开启机架连轧机组出口位置处的激光器，激光穿过各个机架孔型后落入工业相机镜头内，调整工业相机位置，使得激光光斑中心位于工业相机检测窗口中心，即为对中中心，调整工业相机角度，使得现场内只能看到激光光斑，而看不到光束，即为激光垂直于工业相机靶面，然后固定工业相机；

2)成像标定，工业相机只需针对每个机架单独标定，调整工业相机参数，直到机架孔型在工业相机中成像清晰，大小合适为止，记录下此时工业相机的设置，然后依次完成所有机架的标定；

3)比例标定，工业相机在步骤2)设置的情况下，标定该机架成像和实物的比例，即在该机架上固定一个标尺，工业相机读取标尺刻度，再除以像素值，即可得到该机架的比例系数；

4)兴趣区域分割，工业相机在步骤2)设置的情况下，分割出兴趣区域，将除该机架以外的其他背景去除掉，得以计算该机架孔型的中心、倾角信息；

所述计算，具体为：在标定结束以后，对每个机架进行对中计算，从第一台机架开始，将工业相机调整成相对应的设置，计算第一台机架中心和倾角，然后以此类推，直至最后一台机架；

所述自校，包括：

当工业相机与激光器之间产生水平和垂直位移，采用当前光斑中心位置与对中中心之差来求得；

当工业相机发生倾斜时，激光光斑会变大，通过计算水平和垂直两个方向的光斑直径，对倾斜进行估计。

所述兴趣区域分割中，在去除其他背景时，若该机架辊缝被遮挡，那么就提取机架孔型边缘区域，后续再进行拟合计算。

所述计算时，若可以检测到机架辊缝位置，那么两侧辊缝的连线与水平线之间的夹角即为倾角，两侧辊缝连线的中点即为机架中心，机架中心与对中中心的水平偏差和垂直偏差乘以比例系数，即为机架水平偏差和垂直偏差；

若无法检测到机架辊缝位置，那么只提取孔型边缘点的位置来推算孔型的中心位置和倾角，可以通过HOUGH变换或者最小二乘的方法，使用孔型边缘点的坐标来计算孔型中心和倾角。

在上述的技术方案中，本发明所提供的一种高速线材轧机在线精确对中系统及其对中方法，还具有以下几点有益效果：

1)本发明对中系统采用抗干扰能力极强的CCD或CMOS工业相机，捕捉轧机出口处发射的激光和各机架孔型轮廓图像，从而精确的在线检测各个机架偏离孔型中心的程度，提高了检测稳定性和精确性；

2)本发明对中系统能够将工业相机捕捉到的信号，通过识别算法，自动给出各个机架偏离中心的具体数值，为扎线提供精确的对中依据；

3)本发明对中系统可定量描述各机架的对中偏差，提高精确的对中依据，同时显著提升对中效率和扎线的自动化水平，可广泛应用于高线轧制的精确对中领域。

附图说明

图1是本发明对中系统的使用状态图；

图2是本发明对中系统实施例1的使用状态图；

图3是本发明对中系统实施例1中兴趣区域分割时辊缝未被遮挡时的示意图；

图4是本发明对中系统实施例1中兴趣区域分割时辊缝被遮挡时的示意图；

图5是本发明对中系统实施例1中计算倾角时的示意图；

图6是本发明对中系统实施例2的使用状态图；

图7是本发明对中系统实施例2中兴趣区域分割时辊缝被遮挡时的示意图；

图8是本发明对中系统实施例2中计算倾角时的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

请结合图1所示，本发明所提供的一种高速线材轧机在线精确对中系统，包括：由若干个机架1组成的机架连轧机组，还包括：激光器2、工业相机3、数据处理模块4和显示模块5。

较佳的，所述激光器2设于所述机架连轧机组的出口位置，所述工业相机3设于所述机架连轧机组的入口位置。

较佳的，所述激光器2内发射激光6作为机组中心基准，激光6依次穿过所述机架连轧机组每个机架孔型7，直至所述工业相机3的镜头内，所述工业相机3用以捕捉激光6与每个机架孔型7轮廓图像信息，并将信息发送至所述数据处理模块4，所述数据处理模块4根据激光6光斑位置和每个机架孔型7情况用以计算出每个机架1的偏离中心数据，并将数据发送至所述显示模块5，所述显示模块5用以实时显示每个机架1的偏离中心数据，供操作人员参考。

较佳的，激光6是对中的基准，所述激光器2应稳定地固定在机架连轧机组上，或者通过独立支架固定于所述机架连轧机组的出口位置。

较佳的，所述工业相机3选用抗干扰能力强的CCD工业相机，或CMOS工业相机。

较佳的，所述数据处理模块4选用工控机、PLC或DSP。

较佳的，所述显示模块5选用显示器。

本发明还提供了一种高速线材轧机在线精确对中方法，包括：标定、计算和自校三个部分。

较佳的，所述标定，具体如下：

1)工业相机调整，开启机架连轧机组出口位置处的激光器2，激光6穿过各个机架孔型7后落入工业相机3镜头内，调整工业相机3位置，使得激光6光斑中心位于工业相机3检测窗口中心，即为对中中心，调整工业相机3角度，使得现场内只能看到激光6光斑，而看不到光束，即为激光6垂直于工业相机3靶面，然后固定工业相机3；

2)成像标定，由于高线轧线长度较大，工业相机3无法同时清晰摄入所有机架孔型7，所以工业相机3只需针对每个机架1单独标定。以i机架为例(i＝1，2……，N-1，N)，调整工业相机3焦距、光圈、变倍等参数，直到i机架孔型7在工业相机3中成像清晰，大小合适为止，记录下此时工业相机3的设置，可以标识为设置i，然后依次完成所有机架1的标定；

3)比例标定，在工业相机3设置i的情况下，标定i机架成像和实物的比例，即在i机架上固定一个标尺，工业相机3读取标尺刻度，再除以像素值，即可得到该机架的比例系数；

4)兴趣区域分割，在工业相机3设置i的情况下，拍摄到的图像并不是所有区域都需要处理，只需i机架孔型的中心、倾角信息，所以可以分割出兴趣区域，将除该机架1以外的其他背景去除掉，提高处理速度，减少干扰。对于不同的孔型，要计算该机架孔型的中心、倾角信息，情况有所差异，最理想的情况是i机架辊缝没有被遮挡，那么只需要截取两侧辊缝区域即可，若该机架辊缝被遮挡，那么就提取机架孔型边缘区域，后续再进行拟合计算。

较佳的，所述计算，具体为：在标定结束以后，可以对每个机架1进行对中计算，通常从第一台机架1开始，将工业相机3调整成设置1，计算第一台机架中心和倾角，然后以此类推，直至最后一台机架。

对于机架i，可以检测到机架辊缝位置，那么两侧辊缝的连线与水平线之间的夹角即为倾角，两侧辊缝连线的中点即为机架中心，机架中心与对中中心的水平偏差和垂直偏差乘以比例系数，即为机架水平偏差和垂直偏差；

对于机架i，若无法检测到机架辊缝位置，那么只提取孔型边缘点的位置来推算孔型的中心位置和倾角。通常来说椭圆孔型会被遮挡，那么可以通过HOUGH变换或者最小二乘的方法，使用孔型边缘点的坐标来计算孔型中心和倾角。

较佳的，所述自校，包括：

由于机组震动，地面沉降等原因，工业相机3与激光器2位置之间不可避免的会发生变化，而这会影响对中的精度，所以在机组空闲状态下需要进行校正。当工业相机3与激光器2之间产生水平和垂直位移，采用当前光斑中心位置与对中中心之差来求得，得到的水平和垂直位移可以反馈计算部分，补偿中心偏移；也可以不反馈，只用来输出给操作人员参考。

同时，工业相机3也可能发生倾斜，当工业相机3发生倾斜时，激光6光斑会变大，通过计算水平和垂直两个方向的光斑直径，对倾斜进行估计。当测量到直径相对原始光斑直径偏差过大时可以报警提示操作人员。

实施例1

如图2所示，工业相机3选用CCD工业相机，数据处理模块4选用工控机，自带显示器作为显示模块5，轧机机组为七个机架11、12、13、14、15、16、17连轧，孔型7采用“圆-椭圆-圆”系列。

(1)标定部分如下：

A)工业相机调整

开启轧机出口处的激光器2，激光6穿过各个机架孔型7之后落入工业相机3镜头内。调整工业相机3位置，使得光斑中心位于检测窗口中心，此时记录光斑中心位置(X₀＝800,Y₀＝600)，即为对中中心。记录光斑直径作为原始直径D₀＝20。调整工业相机3角度，使得视场内只能看到光斑，看不到光束，即激光6垂直于工业相机3靶面。然后固定工业相机3。

B)成像标定

整个轧线长度100米，工业相机3无法同时清晰摄入所有机架孔型7，所以工业相机3需要针对每个机架单独标定。从机架11开始调整焦距、光圈、变倍等参数，直到机架11孔型7在工业相机3中成像清晰，大小合适为止。记录下此时工业相机3的设置，可以标识为设置1。以此方法依次标定机架12～17，得到相机设置2～7。

C)比例标定

在工业相机设置1的情况下，在机架11孔型7旁固定一个标尺，工业相机3读取标尺刻度，除以像素值，即可得到机架设置1下的比例系数P₁＝0.100。以此方法依次标定2～7机架，得到比例系数

P₂＝0.120，P₃＝0.074，P₄＝0.098，P₅＝0.060，P₆＝0.078，P₇＝0.048。

D)兴趣区域分割

该轧线采用“圆-椭圆-圆”孔型系列，在工业相机3视场中，“圆”孔型7可以完全检测到，那么只需要截取两侧辊缝区域即可(如图3所示)。

“椭圆”孔型辊缝被遮挡，只能截取孔型边缘区域进行检测(如图4所示)。

(2)计算部分如下：

在标定结束以后，工业相机3可以在图像中裁剪出兴趣区域，对兴趣区域进行分析可以对每个机架11～17进行对中计算。

从机架11开始，把工业相机3设定调整成设置1。机架11孔型7为“圆”(如图5所示)，那么两侧辊缝的连线与水平线之间的夹角θ即为倾角θ₁。在两侧辊缝取点E₁₁(x₁₁＝1046，y₁₁＝589)和E₁₂(x₁₂＝535，y₁₂＝620)，那么可以求得倾角θ₁

两侧辊缝连线的中点即为机架中心(X₁＝811,Y₁＝608)，机架中心与对中中心(X₀,Y₀)的水平偏差和垂直偏差乘以比例系数P₁，即为机架11水平偏差ΔX₁和垂直偏差ΔY₁。实际计算中可以加入对中中心补偿值，即

其中，x₀为对中中心水平方向补偿值，初始时取值为0；y₀为对中中心垂直方向补偿值，初始时取值为0。

把工业相机调整到设置2，机架12孔型7为“椭圆”，无法检测到辊缝位置，那么只能提取孔型7边缘点的位置来推算孔型7的中心位置和倾角。考虑到通常来说孔型7轮廓椭圆度较好，通过兴趣区域划分也最大程度去除了干扰，最小二乘法计算速度较快，占用资源少，是这里比较合适的算法。

椭圆方程：x²+Axy+By²+Cx+Dy+E＝0

在轮廓上提取5个点：

E₂₁(x₂₁＝715，y₂₁＝690)，E₂₂(x₂₂＝807，y₂₂＝660)，E₂₃(x₂₃＝892，y₂₃＝630)，

E₂₄(x₂₄＝709，y₂₄＝555)，E₂₅(x₂₅＝800，y₂₅＝529)

即可使用最小二乘法拟合出椭圆曲线，计算出5个参数A,B,C,D,E。

那么，机架中心可以用下式求得：

机架12水平偏差ΔX₂和垂直偏差ΔY₂可以计算如下：

倾角θ₂计算如下：

其中：a,b为椭圆长短轴的长度，其值为：

机架13孔型7又是“圆”可以参照机架11的方式计算，同理机架14与机架12类同。依次可以完成所有机架对中计算。

(3)自校正部分如下：

在轧机上没有坯料的机组空闲状态下可以进行自校正。工业相机获取激光光斑中心位置(X′₀＝803,Y′₀＝601)，其与对中中心(X₀,Y₀)工业的差值可以用来更新对中中心补偿值x₀和y₀。

当相机倾斜时，激光光斑会变大，计算水平和垂直两个方向的光斑直径D₁,D₂与原始直径D₀差异过大时报警：

FLAG＝(|D₁-D₀|＞F)||(|D₂-D₀|＞F)

其中：FLAG为报警标志位，F为报警阈值取值4。

当前光斑直径D₁＝21,D₂＝25，则

FLAG＝1

输出警告消息给操作人员。

实施例2

如图6所示，工业相机3选用CCD工业相机，数据处理模块4选用工控机，自带显示器作为显示模块5，轧机机组为五个机架11、12、13、14、15连轧，孔型7采用“椭圆-圆-椭圆”系列。

(1)标定部分如下：

A)工业相机调整

开启轧机出口处的激光器2，激光6穿过各个机架11～15孔型7之后落入工业相机3镜头内。调整工业相机3位置，使得光斑中心位于检测窗口中心，此时记录光斑中心位置(X₀＝800,Y₀＝600)，即为对中中心。记录光斑直径作为原始直径D₀＝30。调整工业相机3角度，使得视场内只能看到光斑，看不到光束，即激光6垂直于相机靶面。然后固定工业相机3。

B)成像标定

整个轧线长度80米，工业相机3无法同时清晰摄入所有机架11～15孔型7，所以工业相机3需要针对每个机架单独标定。从机架11开始调整焦距、光圈、变倍等参数，直到机架11孔型7在工业相机7中成像清晰，大小合适为止。记录下此时工业相机3的设置，可以标识为设置1。以此方法依次标定机架12～15，得到相机设置2～5。

C)比例标定

在工业相机设置1的情况下，在机架1孔型7旁固定一个标尺，工业相机3读取标尺刻度，除以像素值，即可得到机架设置1下的比例系数P₁＝0.31。以此方法依次标定机架12～15，得到比例系数P₂＝0.019，P₃＝0.025，P₄＝0.015，P₅＝0.020。

D)兴趣区域分割

该轧线采用“椭圆--圆--椭圆”孔型系列，在工业相机视场中，“圆”孔型可以完全检测到，那么只需要截取两侧辊缝区域即可(如图3所示)。

第三，第五“椭圆”孔型辊缝被遮挡，只能截取孔型边缘区域进行检测(如图4所示)。

第一“椭圆”孔型可以被完整检测到，可以截取两侧的辊缝区(如图7所示)。

(2)计算部分如下：

在标定结束以后，相机可以在图像中裁剪出兴趣区域，对兴趣区域进行分析可以对每个机架进行对中计算。

从机架11开始，把相机设定调整成设置1。机架11孔型7为“椭圆”(如图8所示)，因为其没有遮挡，与“圆”孔型类似地，两侧辊缝的连线与水平线之间的夹角θ即为倾角θ₁。在两侧辊缝取点E₁₁(x₁₁＝1211，y₁₁＝560)和E₁₂(x₁₂＝409，y₁₂＝660)，那么可以求得倾角θ₁

两侧辊缝连线的中点即为机架中心(X₁＝810,Y₁＝610)，机架11水平偏差ΔX₁和垂直偏差ΔY₁：

其中：x₀初始时取值为0；y₀初始时取值为0。

把工业相机3调整到设置2，机架12孔型7为“圆”(如图5所示)，在两侧辊缝取点E₂₁(x₂₁＝1189，y₂₁＝620)和E₂₂(x₂₂＝585，y₂₂＝599)，那么可以求得倾角θ₂

两侧辊缝连线的中点即为机架中心(X₂＝887,Y₂＝610)，机架12水平偏差ΔX₂和垂直偏差ΔY₂：

其中：x₀为对中中心水平方向补偿值，初始时取值为0；y₀为对中中心垂直方向补偿值，初始时取值为0。

把工业相机3调整到设置3，机架13孔型7为“椭圆”，无法检测到辊缝位置，需要使用最小二乘法计算。

在轮廓上提取5个点：

E₃₁(x₃₁＝733，y₃₁＝450)，E₃₂(x₃₂＝820，y₃₂＝397)，E₃₃(x₃₃＝887，y₃₃＝374)，

E₃₄(x₃₄＝745，y₃₄＝771)，E₃₅(x₃₅＝800，y₃₅＝799)

那么，机架中心(X₃,Y₃)可以用下式求得：

机架12水平偏差ΔX₂和垂直偏差ΔY₂可以计算如下：

倾角θ₃计算如下：

其中：a,b为椭圆长短轴的长度，其值为：

机架14孔型7又是“圆”可以参照机架12计算，同理机架15与机架13类同。依次可以完成所有机架对中计算。

(3)自校正部分如下：

在轧机上没有坯料的机组空闲状态下可以进行自校正。工业相机3获取激光6光斑中心位置(X′₀＝795,Y′₀＝599)，其与对中中心(X₀,Y₀)工业的差值可以用来更新对中中心补偿值x₀和y₀。

计算水平和垂直两个方向的光斑直径D₁,D₂与原始直径D₀差异过大时报警：

FLAG＝(|D₁-D₀|＞F)||(|D₂-D₀|＞F)

其中：FLAG为报警标志位，F为报警阈值取值6。

当前光斑直径D₁＝31,D₂＝33，则

FLAG＝0

不输出报警信号。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。