CN112517647B - 一种视觉传感的电磁调控轧辊辊型监测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种视觉传感的电磁调控轧辊辊型监测装置及其方法，所述装置包括电磁调控轧辊、感应线圈温度传感器、轧辊温度传感器、热成像仪、电磁棒、信号滑环和信号采集分析系统；电磁棒内置于电磁调控轧辊的轴心处，轧辊温度传感器均布在与电磁棒感应加热区对应的轧辊内孔壁上，感应线圈温度传感器均布在电磁棒感应线圈的上下两侧，信号滑环设置在电磁调控轧辊的一端，感应线圈温度传感器和轧辊温度传感器通过信号滑环连接至信号采集分析系统，所述热成像仪设置在电磁调控轧辊的外侧。本发明具有在线、非接触测量辊型的动态监测能力，可针对电磁调控轧辊的辊型过程变化特性进行实时的辊型检测，不但响应速率高，而且对轧制过程无影响。

Description

一种视觉传感的电磁调控轧辊辊型监测装置及其方法

技术领域

本发明涉及冶金工业轧钢设备技术领域，尤其涉及一种视觉传感的电磁调控轧辊辊型监测装置及其方法。

背景技术

板带钢生产中常见的产品质量问题就是板形问题，其因轧制过程中辊缝大小并非横向均一，进而诱发板带不同区段延伸、轧薄差异，最终造成板形缺陷。随着板带钢产品市场需求的提升、板带钢应用领域及产品品类的进一步拓展，板带钢的板形要求愈发严格。在这一背景下，辊型电磁调控技术、DSE系列技术、VC系列技术等辊型柔性调节技术相继提出，辊型调控成为当下板形控制的研究热点。现有技术“一种可柔性调节辊型曲线的轧辊”（CN102527727A）与“一种分段柔性辊凸度调控轧辊”（CN108372204A）均为辊型电磁调控轧辊，其以轧辊内部电热胀棒为驱动元件，借助电磁感应加热原理，实现柔性辊型的在线调控，具有调控能力强、轧辊刚度高的特点。

目前对于辊型电磁调控技术的辊型监测主要是采用在轧辊表面布置传感器，以传感器识别径向位移量并产生电信号来实现轧辊胀形量的监控。同时，轧辊内部还设有单个温度传感器，用于监测电磁棒感应加热区中心位置的温度，但该种方式的测量仅能够实现轧辊离线辊型调控的测量，在轧制工况中轧辊为旋转体，其旋转动作将破坏测量绕线，且由于轧制工况中轧辊辊面各处旋转一个周期内均与轧件接触，以形成轧制，若传感器处于辊缝中则并将造成传感器的破坏。因此，该种方式不适用于轧制工况中的辊型在线测量。除此方式之外，还有使用压力表、位移表等装置在辅助轨道上进行辊型滑动测量的方法，但是测量效率和精确度较低，难以适应轧制中的辊型调控需求。为此，急需一种具有在线监测、非接触测量的辊型监测装置。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有辊型监测能力、非接触式监测、快速响应，并具有反馈调节能力、视觉传感能力的一种视觉传感的电磁调控轧辊辊型监测装置及其方法。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所提出的一种视觉传感的电磁调控轧辊辊型监测装置，包括电磁调控轧辊、感应线圈温度传感器、轧辊温度传感器、热成像仪、电磁棒、信号滑环和信号采集分析系统；所述电磁棒内置于电磁调控轧辊的轴心处，所述轧辊温度传感器均布在与电磁棒感应加热区对应的轧辊内孔壁的上下两侧，所述感应线圈温度传感器均布在电磁棒感应线圈的上下两侧，所述感应线圈温度传感器对应布置在轧辊温度传感器的内侧，且所述轧辊温度传感器和感应线圈温度传感器的数量均与电磁棒上的感应加热区的数量相等，用于检测对应部位轧辊内壁的温度；所述信号滑环设置在电磁调控轧辊的一端，所述感应线圈温度传感器和轧辊温度传感器分别通过信号滑环连接至信号采集分析系统，且连接方式为分路多通道连接；所述热成像仪设置在电磁调控轧辊的外侧，其采集图像区域可朝电磁调控轧辊进行投影，投影区中心位于电磁调控轧辊辊身轴线的中心位置。

进一步的，所述电磁棒的端面轴心处设置有圆周均布的轴向孔，所述轴向孔的深度等于电磁棒端面至其感应加热区中心位置的长度，且所述轴向孔的数量是电磁棒感应加热区数量的二倍，所述感应线圈温度传感器对应设置在轴向孔内部。

进一步的，所述电磁棒的圆周表面设置有间隔一定距离并与轧辊温度传感器对应的环形槽。

一种视觉传感的电磁调控轧辊辊型监测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S1、将电磁调控轧辊连接至感应加热变频电源，将热成像仪连接至图像处理计算机，将感应加热变频电源连接至上位机PLC，将上位机PLC、图像处理计算机和信号采集分析系统分别连接至电磁调控计算机；所述电磁调控计算机于相同时段读取感应线圈温度信号TDi、轧辊内部温度TRi和辊面i区段温度f(xi)；

S2、向电磁调控计算机内输入目标辊型f(x)，将目标辊型均等划分为i个区段，输入电磁调控轧辊结构参数，包括电磁调控轧辊直径Dr、电磁调控轧辊辊身长度L、电磁棒直径Dd、电磁棒感应加热区段个数i、电磁棒各感应加热区长度Li、接触区个数k和电磁棒各接触区长度Lk；

S3、输入目标辊型的预设电磁参数，包括各感应加热区电流密度Ji、频率fi和各区段辊型调控时间ti；

S4、启动前进行系统初始化，对热成像仪、轧辊温度传感器和感应线圈温度传感器初始化；

S5：通过信号采集分析系统获取感应线圈温度信号TDi和轧辊内部温度TRi，匹配至电磁棒各区段参数组；

S6、通过热成像仪获取轧辊表面温度分布图像，基于机器视觉技术，通过图像处理计算机对轧辊辊身温度场图像进行灰度处理，获取灰度矩阵g(n,m)；

S7、对灰度矩阵进行划分，划分成k段，每段长度等于该区段电磁调控轧辊内部电磁棒接触区长度加该接触区长度两侧感应加热区均值，即Lk+(Li+Li)/2；

S8、以最大灰度值pmax匹配热成像仪反馈全局最高温度Tmax，以最小灰度值pmin匹配热成像仪反馈全局最低温度Tmin，继而得出与灰度范围[pmin，pmax]对应的温度范围[Tmin，Tmax]；

S9、由灰度矩阵g(n,m)获取灰度等值线fj(n,m)，系统判断灰度等值线fj(n,m)与步骤S7划分的灰度区段交叉情况，并根据步骤S8得出的灰度-温度映射关系，得出交叉位置温度分布情况；

S10、以步骤S5中采集到的感应线圈温度信号TDi和轧辊内部温度TRi作为电磁调控轧辊内部温度数据，以步骤S8得到的辊面最高、最低温度范围[Tmin，Tmax]作为电磁调控轧辊辊面温度数据，以步骤S2输入的所有参数作为电磁调控轧辊调控初始参数，在系统内现有的电磁调控轧辊温度场-辊型数据库中进行数据寻址，将匹配度高的数据作为本次测量的参照，并输出所匹配的辊型数据，进而获取实时辊型。

进一步的，所述感应加热变频电源内置信号采集模块和信号转换模块。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

与千分尺测量的方式相比，本发明具有辊型动态监测能力，可针对电磁调控轧辊的辊型过程变化特性进行实时的辊型检测，克服了千分尺测量方式无动态测量能力的问题；

与现有的电磁调控轧辊辊型测量方法相比，本发明具有在线、非接触测量能力，无需在轧辊表面布设应变片，仅依托感应线圈温度点、轧辊内部温度点、轧辊辊面温度场以及辊型电磁调控参数等信息来映射辊型，不但响应速率高，而且对轧制无影响。

附图说明

图1是本发明所提出的一种视觉传感的电磁调控轧辊辊型监测装置一个实施例的整体结构示意图；

图2是图1中电磁调控轧辊的内部结构示意图；

图3是图2中电磁棒的结构示意图；

图4是本发明辊型监测的流程示意图。

其中，附图标记：1-电磁调控轧辊；2-感应线圈温度传感器；3-轧辊温度传感器；4-热成像仪；5-电磁棒；6-信号滑环；7-信号采集分析系统；41-投影区；51-环形槽；52-轴向孔。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。

参见附图1至3，给出了本发明所提出的一种视觉传感的电磁调控轧辊辊型监测装置一个实施例的具体结构。所述装置包括电磁调控轧辊1、感应线圈温度传感器2、轧辊温度传感器3、热成像仪4、电磁棒5、信号滑环6和信号采集分析系统7；所述电磁棒5内置于电磁调控轧辊1的轴心处，所述轧辊温度传感器3均布在与电磁棒5感应加热区对应的轧辊内孔壁的上下两侧，用于检测对应区域轧辊内壁的温度，所述电磁棒5的圆周表面设置有等距间隔并与上下两侧的轧辊温度传感器3对应的环形槽51，所述感应线圈温度传感器2均布在电磁棒5感应线圈的上下两侧，所述感应线圈温度传感器2对应布置在轧辊温度传感器3的内侧，且所述轧辊温度传感器3和感应线圈温度传感器2的数量均与电磁棒5上的感应加热区的数量相等，用于检测对应部位轧辊内壁的温度；所述信号滑环6设置在电磁调控轧辊1的一右端部，所述感应线圈温度传感器2和轧辊温度传感器3分别通过信号滑环6连接至信号采集分析系统7，且连接方式为分路多通道连接，可实现同步多通道检测功能；所述热成像仪4设置在电磁调控轧辊1的外侧，其采集图像区域可朝电磁调控轧辊进行投影，投影区41中心位于电磁调控轧辊1辊身轴线的中心位置，用于采集轧辊辊身全长温度分布及历程变化；所述热成像仪4采集温度像可与电磁棒5的调控区域相对应，从而采集各个调控区的温度变化；所述热成像仪4可连接至图像处理计算机，用于同实时获取轧辊表面温度场分布状况，经图像处理后可获得温度场等温线和标志点温度数据。

所述电磁棒5的左右两端面轴心处对称设置有圆周均布的轴向孔52，所述轴向孔52的深度等于电磁棒5端面至其感应加热区中心位置的长度，且所述轴向孔52的数量是电磁棒5感应加热区数量的二倍，所述感应线圈温度传感器2分别对应设置在轴向孔52的内部，且所述感应线圈传感器2探头的端部与轴向孔52的底部接触。

使用本装置监测辊型时，可将电磁调控轧辊1连接至感应加热变频电源，可由感应加热变频电源操控实现电磁棒5感应线圈的分路控制；所述感应加热变频电源内置信号采集模块和信号转换模块，可实时读取、储存并输出电磁棒5感应线圈的电流参数和频率参数；将感应加热变频电源连接至上位机PLC，其向电磁调控轧辊1输出的电流量、频率等参数均可由上位机PLC动态调控。

上述图形处理计算机、信号采集分析系统7和上位机PLC均可连接至电磁调控计算机；其中，图像处理计算机可为电磁调控计算机提供处理后的辊面i区温度f(xi)；信号采集分析系统7可为电磁调控计算机提供辊型调控过程的轧辊内壁温度TRi和感应线圈温度TDi；上位机PLC可按照电磁调控计算机中预设的目标辊型计算结果，写入辊型调控参数，并形成PLC语言指令，传递至感应加热变频电源。

所述电磁调控计算机接收的辊面温度场信息、轧辊温度信息、感应线圈温度信息及其传递给上位机PLC的信息，均存入辊型数据库，以便于进一步丰富温度场-辊型数据。

一种视觉传感的电磁调控轧辊辊型监测方法，所述方法包括以下步骤：

S1、将电磁调控轧辊1与感应加热变频电源连接，将热成像仪4与图像处理计算机连接，同时将感应加热变频电源与上位机PLC连接，并将上位机PLC、图像处理计算机和信号采集分析系统7分别与电磁调控计算机连接；所述电磁调控计算机于相同时段读取感应线圈温度信号TDi、轧辊内部温度TRi和辊面i区段温度f(xi)；

S2、向电磁调控计算机内输入目标辊型

mm，将目标辊型均等划分为十个区段，输入电磁调控轧辊1的结构参数，包括电磁调控轧辊直径Dr=270mm、电磁调控轧辊辊身长度L=600mm、电磁棒直径Dd=100mm、电磁棒感应加热区段个数i=2、电磁棒各感应加热区长度Li=25mm、接触区个数k=1、电磁棒5的各接触区长度Lk=50mm；

S3、输入目标辊型的预设电磁参数，包括各感应加热区电流密度Ji=3A·mm^-2、频率fi=400Hz，各区段辊型调控时间ti=600s；

S4、启动前进行系统初始化，对热成像仪4、轧辊温度传感器3和感应线圈温度传感器2初始化；

S5：通过信号采集分析系统7获取感应线圈温度信号TD1~TD8、轧辊内部温度TR1~TR4，匹配至电磁棒5的各区段参数组；

S6、通过热成像仪4获取轧辊表面温度分布图像，基于机器视觉技术，通过图像处理计算机对轧辊辊身温度场图像进行灰度处理，获取灰度矩阵g(800，600)；

S7、对灰度矩阵进行划分，划分成2段，每段长度等于该区段电磁调控轧辊1内部电磁棒5接触区长度加该接触区长度两侧感应加热区均值，即Lk+(Li+Li)/2=75mm；

S8、以最大灰度值255匹配热成像仪4反馈全局最高温度150℃，以最小灰度值0匹配热成像仪4反馈全局最低温度30℃，继而得出与灰度范围[0，255]对应的温度范围[30，150]；

S9、由灰度矩阵g(800，600)获取灰度等值线fj(800，600)，系统判断灰度等值线fj(800，600)与步骤S7划分的灰度区段交叉情况，并根据步骤S8得出的灰度-温度映射关系，得出交叉位置温度分布情况；

S10、以步骤S4和步骤S8计算得出的温度规律以及步骤S2初始参数等信息，在系统内置温度场-辊型数据库匹配寻址，获取实时辊型。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种视觉传感的电磁调控轧辊辊型监测装置，其特征在于：所述装置包括电磁调控轧辊、感应线圈温度传感器、轧辊温度传感器、热成像仪、电磁棒、信号滑环和信号采集分析系统；所述电磁棒内置于电磁调控轧辊的轴心处，所述轧辊温度传感器均布在与电磁棒感应加热区对应的轧辊内孔壁的上下两侧，所述感应线圈温度传感器均布在电磁棒感应线圈的上下两侧，所述感应线圈温度传感器对应布置在轧辊温度传感器的内侧，且所述轧辊温度传感器和感应线圈温度传感器的数量均与电磁棒上的感应加热区的数量相等，用于检测对应部位轧辊内壁的温度；所述信号滑环设置在电磁调控轧辊的一端，所述感应线圈温度传感器和轧辊温度传感器分别通过信号滑环连接至信号采集分析系统，且连接方式为分路多通道连接；所述热成像仪设置在电磁调控轧辊的外侧，其采集图像区域可朝电磁调控轧辊进行投影，投影区中心位于电磁调控轧辊辊身轴线的中心位置。

2.根据权利要求1所述的一种视觉传感的电磁调控轧辊辊型监测装置，其特征在于：所述电磁棒的端面轴心处设置有圆周均布的轴向孔，所述轴向孔的深度等于电磁棒端面至其感应加热区中心位置的长度，且所述轴向孔的数量是电磁棒感应加热区数量的二倍，所述感应线圈温度传感器对应设置在轴向孔内部。

3.根据权利要求1或2所述的一种视觉传感的电磁调控轧辊辊型监测装置，其特征在于：所述电磁棒的圆周表面设置有间隔一定距离并与轧辊温度传感器对应的环形槽。

4.根据权利要求3所述的一种视觉传感的电磁调控轧辊辊型监测装置监测辊型的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S1、将电磁调控轧辊连接至感应加热变频电源，将热成像仪连接至图像处理计算机，将感应加热变频电源连接至上位机PLC，将上位机PLC、图像处理计算机和信号采集分析系统分别连接至电磁调控计算机；所述电磁调控计算机于相同时段读取感应线圈温度信号TDi、轧辊内部温度TRi和辊面i区段温度f(xi)；

S2、向电磁调控计算机内输入目标辊型f(x)，将目标辊型均等划分为i个区段，输入电磁调控轧辊结构参数，包括电磁调控轧辊直径Dr、电磁调控轧辊辊身长度L、电磁棒直径Dd、电磁棒感应加热区段个数i、电磁棒各感应加热区长度Li、接触区个数k和电磁棒各接触区长度Lk；

S3、输入目标辊型的预设电磁参数，包括各感应加热区电流密度Ji、频率fi和各区段辊型调控时间ti；

S4、启动前进行系统初始化，对热成像仪、轧辊温度传感器和感应线圈温度传感器初始化；

S5、通过信号采集分析系统获取感应线圈温度信号TDi和轧辊内部温度TRi，匹配至电磁棒各区段参数组；

S6、通过热成像仪获取轧辊表面温度分布图像，基于机器视觉技术，通过图像处理计算机对轧辊辊身温度场图像进行灰度处理，获取灰度矩阵g(n,m)；

S7、对灰度矩阵进行划分，划分成k段，每段长度等于该区段电磁调控轧辊内部电磁棒接触区长度加该接触区长度两侧感应加热区均值，即Lk+(Li+Li)/2；

S8、以最大灰度值pmax匹配热成像仪反馈全局最高温度Tmax，以最小灰度值pmin匹配热成像仪反馈全局最低温度Tmin，继而得出与灰度范围[pmin，pmax]对应的温度范围[Tmin，Tmax]；

S9、由灰度矩阵g(n,m)获取灰度等值线fj(n,m)，系统判断灰度等值线fj(n,m)与步骤S7划分的灰度区段交叉情况，并根据步骤S8得出的灰度-温度映射关系，得出交叉位置温度分布情况；

S10、以步骤S5中采集到的感应线圈温度信号TDi和轧辊内部温度TRi作为电磁调控轧辊内部温度数据，以步骤S8得到的辊面最高、最低温度范围[Tmin，Tmax]作为电磁调控轧辊辊面温度数据，以步骤S2输入的所有参数作为电磁调控轧辊调控初始参数，在系统内现有的电磁调控轧辊温度场-辊型数据库中进行数据寻址，将匹配度高的数据作为本次测量的参照，并输出所匹配的辊型数据，进而获取实时辊型。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述感应加热变频电源内置信号采集模块和信号转换模块。

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