TWI619560B

TWI619560B - 鋼板量測系統及其方法

Info

Publication number: TWI619560B
Application number: TW106118110A
Authority: TW
Inventors: 楊詠宜; 林明樹; 謝博清
Original assignee: 中國鋼鐵股份有限公司
Priority date: 2017-06-01
Filing date: 2017-06-01
Publication date: 2018-04-01
Also published as: TW201902595A

Abstract

一種鋼板量測系統，用以對行進中的鋼板進行連續量測以求得鋼板之有效寬度、中心偏移量、彎曲量與歪斜量，包括線狀發光二極體(LED)燈源、影像擷取單元以及電腦設備。線狀LED燈源用以做為鋼板之背光燈源。影像擷取單元包括二一維攝影機與影像擷取卡，一維攝影機架設於鋼板上方，影像擷取卡電性連接一維攝影機以產生影像資料。電腦設備用以接收影像資料並進行資料處理以求得鋼板之有效寬度、中心偏移量、彎曲量與歪斜量。

Description

鋼板量測系統及其方法

本揭露是有關於一種鋼板量測系統及其方法，且特別是有關於一種用以求得鋼板之有效寬度、中心偏移量、彎曲量與歪斜量的鋼板量測系統及其方法。

由於鋼板之生產流程是從扁鋼胚開始歷經加熱、除銹、軋延、加速冷卻、整平與剪切，這些過程可能使得鋼板產生例如中心偏移、彎曲、歪斜...等等的形變，甚至使得鋼板之有效寬度不足而成為不良品。有關於鋼板各種外形尺寸的量測，除了依賴檢測員藉由人工的方式以捲尺來做量測外，目前現有的量測系統於實作上仍存在一些缺點或限制。

中華民國專利公告號I362301所揭示者是以高畫素之面型感光耦合元件(CCD)攝影機及影像擷取卡來對行進中的鋼帶進行取像，以獲取鋼帶邊緣外形量測資訊。然而，由於受限於量測系統的系統配置與量測原理，當鋼帶有厚度變化、或是行進時有上下跳動或是傾斜的狀況時，皆會影響到量測的精確度。

本揭露的目的是在於提供一種鋼板量測系統，具備立體量測效果，即使在鋼板有厚度變化、或是鋼板在行進時有上下跳動或是傾斜的狀況下，仍能精確地量測出鋼板的有效寬度、中心偏移量、彎曲量與歪斜量。

根據本揭露之上述目的，提出一種鋼板量測系統，用以對行進中的鋼板進行連續量測以求得鋼板之有效寬度、中心偏移量、彎曲量與歪斜量，包括線狀發光二極體(LED)燈源、影像擷取單元以及電腦設備。線狀LED燈源用以做為鋼板之背光燈源。線狀LED燈源之設置方向係垂直於鋼板之行進方向。影像擷取單元包括二一維攝影機與影像擷取卡，一維攝影機架設於鋼板上方，影像擷取卡電性連接一維攝影機以產生影像資料。電腦設備用以接收影像資料並進行資料處理以求得鋼板之有效寬度、中心偏移量、彎曲量與歪斜量。

在一些實施例中，上述電腦設備更判斷影像資料是否為鋼板尾端：若非鋼板尾端，則電腦設備持續接收影像資料並進行資料處理以求得鋼板之邊緣數據；若是鋼板尾端，則電腦設備對邊緣數據進行資料處理以求得鋼板之有效寬度、中心偏移量、彎曲量與歪斜量。

在一些實施例中，當鋼板之有效寬度未落在訂單寬管制範圍內時，電腦設備發出異常警示以通知有異常。

根據本揭露之上述目的，另提出一種鋼板量測方法，用以對行進中的鋼板進行連續量測以求得鋼板之有效寬度、中心偏移量、彎曲量與歪斜量，包括以下步驟：(S1)以線狀LED燈源做為鋼板之背光燈源，並以一維攝影機進行取像以產生影像資料，其中線狀LED燈源之設置方向係垂直於鋼板之行進方向；(S2)針對影像資料的影像灰度值(gray scale)以特定閥值來篩選出暗區影像物件；(S3)利用次像素(sub-pixel)方法來求出暗區影像物件之邊緣；(S4)進行座標轉換，以求出鋼板之邊緣數據；(S5)進行鋼板尾端判斷；以及(S6)根據邊緣數據以計算出鋼板之有效寬度、中心偏移量、彎曲量與歪斜量。

在一些實施例中，當鋼板尾端判斷之判斷結果為非，則進行資料累積，並重複步驟(S1)至(S5)；當鋼板尾端判斷之判斷結果為是，則進行步驟(S6)。鋼板尾端判斷包括以下判斷步驟：暗區影像物件於垂直鋼板的行進方向上是否位於二亮區影像物件之間；判斷鋼板之寬度是否大於最小量測寬度；以及判斷鋼板之寬度是否小於最大量測寬度。若以上判斷步驟之判斷結果皆為是，則非鋼板尾端。

在一些實施例中，上述座標轉換係以對應函數(mapping function)來將一維攝影機所組成之二維影像座標轉換至對應實際空間之笛卡兒座標系，轉換公式如下：

y=ʃVdt

其中，X軸垂直於鋼板的行進方向，Y軸為鋼板的行進方向，Z軸為鉛直方向，a為校正參數，V為鋼板的行進速度，(u,v)代表一維攝影機所組成之二維影像座標之座標點，m為冪次且可視所需量測精度進行調整。

在一些實施例中，上述鋼板之中心偏移量的計算步驟如下：利用邊緣數據以得到鋼板之鋼板中心線；以及計算鋼板中心線相對於生產線中心線之多個垂直距離的平均即為鋼板之中心偏移量。

在一些實施例中，上述鋼板之彎曲量的計算步驟如下：(8a)利用邊緣數據以得到鋼板之鋼板中心線；(8b)取鋼板中心線之頭尾直線連線為基準線，其中基準線之方程式為x=m*y+b；以及(8c)鋼板之彎曲量=。其中，(x _c,y _c) 代表鋼板中心線上距離基準線最遠點之座標點。

在一些實施例中，鋼板之歪斜量=

其中，(x _i,y _i)代表鋼板中心線上之座標點。

在一些實施例中，上述鋼板之有效寬度的計算步驟如下：(10a)鋼板之兩側分別為凹陷側與凸出側，取凹陷側之最凹點為第一基準點；(10b)當m 0，取凸出側之起點為第二基準點，當m>0，取凸出側之終點為第二基準點；(10c)取通過第一基準點且斜率為m之直線為第一基準線，取通過第二基準點且斜率為m之直線為第二基準線；以及 (10d)計算第一基準線與第二基準線之間距即為鋼板之有效寬度。

為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧鋼板量測系統

1000‧‧‧鋼板量測方法

110‧‧‧線狀LED燈源

120‧‧‧影像擷取單元

122、124‧‧‧一維攝影機

126‧‧‧影像擷取卡

130‧‧‧電腦設備

200‧‧‧鋼板

201‧‧‧凹陷側

202‧‧‧凸出側

C4‧‧‧第一基準點

C5‧‧‧第二基準點

L_1L、L_2L、L_1R、L_2R‧‧‧直線

P_L(X_L,Z_L)、P_R(X_R,Z_R)、(x _c,y _c)‧‧‧座標點

S1~S6‧‧‧步驟

X、Y、Z‧‧‧座標軸

Y1‧‧‧鋼板中心線

Y2‧‧‧生產線中心線

Y3‧‧‧基準線

Y4‧‧‧第一基準線

Y5‧‧‧第二基準線

△x₁、△x₂、△x₃、△x₄、△x_n-1、△x_n‧‧‧距離

從以下結合所附圖式所做的詳細描述，可對本揭露之態樣有更佳的了解。需注意的是，根據業界的標準實務，各特徵並未依比例繪示。事實上，為了使討論更為清楚，各特徵的尺寸都可任意地增加或減少。

[圖1]係根據本揭露實施例之鋼板量測系統的系統架構圖。

[圖2]係根據本揭露實施例之鋼板量測方法的流程圖。

[圖3]係根據本揭露實施例之使用二一維攝影機來求出鋼板的邊緣數據之示意圖。

[圖4]係根據本揭露實施例之計算鋼板的中心偏移量之示意圖。

[圖5]係根據本揭露實施例之計算鋼板的彎曲量之示意圖。

[圖6]係根據本揭露實施例之計算鋼板的有效寬度之示意圖。

以下仔細討論本揭露的實施例。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論、揭示之實施例僅供說明，並非用以限定本揭露之範圍。此外，關於本文中所使用之『第一』、『第二』、...等，並非特別指次序或順位的意思，其僅為了區別以相同技術用語描述的元件或操作。

圖1係根據本揭露實施例之鋼板量測系統100的系統架構圖。鋼板量測系統100用以對行進中的鋼板200進行連續量測。鋼板量測系統100包含線狀LED燈源110、影像擷取單元120以及電腦設備130。

線狀LED燈源110用以做為鋼板200之背光燈源，且線狀LED燈源110的排列方向垂直於鋼板200的行進方向。其中，線狀LED燈源110的排列方向平行於X軸，且鋼板200的行進方向平行於Y軸。於本實施例中，使用直流的線狀LED燈源來避免閃爍問題。應注意的是，若鋼板200為熱軋鋼胚，代表鋼板200會發出紅熱光，在此情況下，線狀LED燈源110的亮度需高於紅熱光，以利後續辨別作業得以順利進行。

影像擷取單元120包括一維攝影機122、124與影像擷取卡126。鋼板量測系統100架設時，先將一維攝影機122、124架設於鋼板200的上方，再以線狀LED燈源110的排列方向往上延伸的鉛直方向所構成之XZ平面來輔助調整一維攝影機122、124的位置，使得一維攝影機122、124的所連成的一直線於鉛直方向對準於線狀LED燈源110的排列方向。為了提升鋼板量測系統100的偵測能力，一維攝影機122、124採用高像素與高掃描頻率的感光耦合元件(CCD)線形(line-scan)攝影機以每秒1000次的掃描頻率進行掃描，但本揭露不限於此。

影像擷取卡126電性連接一維攝影機122、124以產生影像資料。於電腦設備130中裝設影像資料處理及換算座標之軟體，以使得電腦設備130用以接收影像資料並進行資料處理以求得鋼板200之邊緣數據。

圖2係根據本揭露實施例之鋼板量測方法1000的流程圖。請一併參照圖1與圖2。於步驟S1，以線狀LED燈源110做為鋼板200之背光燈源，並以一維攝影機122、124進行取像以產生影像資料。接著，於步驟S2，針對影像資料的影像灰度值(gray scale)以特定閥值來篩選出暗區影像物件。

上述「閥值」或稱「門檻值(threshold)」是用以將影像資料進行二值化(binarization)，使得背景物與待測物得以分離。在本揭露中，因為線狀LED燈源110係作為鋼板200之背光燈源，因此待測物(即鋼板200)在攝影成像上的影像灰度值會比背景的影像灰度值低。據此，如果經由適當地調整閥值，並捨棄影像灰度值高於閥值的影像區域，便可以得出鋼板200的位置，即暗區影像物件。

請再次參照圖2，於步驟S3，利用次像素(sub-pixel)方法來求出暗區影像物件之兩邊邊緣。在步驟S3當中，主要是由整張影像中分析出由亮變暗或由暗變亮的邊緣座標像素(pixel)，並利用次像素方法來精確地計算出兩邊緣所對應之影像座標值，上述方法稱為次像素解析，其作用為提高取像精度。

接著，於步驟S4，進行座標轉換，並接著計算鋼板200之邊緣數據。其中座標轉換係透過對應函數(mapping function)的應用來將一維攝影機122、124所組成之二維影像座標轉換至對應實際空間之笛卡兒座標系，轉換公式如下：

y=ʃVdt (2)

其中，X軸垂直於鋼板的行進方向，Y軸為鋼板的行進方向，Z軸為鉛直方向，a為校正參數，V為鋼板的行進速度，(u,v)代表一維攝影機122、124所組成之二維影像座標之座標點，m為冪次且可視所需量測精度進行調整，越高的m值在影像座標與實際空間座標的趨近會有越佳的效果，但其所需的運算量也會越大。關於校正參數之計算方法，請參照中華民國專利公開號I251661之「4．系統校正」段落的內容，在此不贅述。

圖3係根據本揭露實施例之使用二一維攝影機122、124來求出鋼板200的邊緣數據之示意圖，對一維攝影機122而言，鋼板200透過一維攝影機122的攝影機鏡心成像於一維攝影機122的感知器，即鋼板200的兩邊邊緣投影於一維攝影機122的感知器的投影像素位址可知，則藉由投影像素位址與攝影機鏡心之連線可求得直線L_1L與直線L_1R。同理，對一維攝影機124而言，可求得直線L_2L與直線L_2R。由於直線L_1L與直線L_2L之交點P_L即表示鋼板左邊緣，直線L_1L與直線L_2L之交點P_R表示鋼板右邊緣，透過前述之座標轉換的方式可求出的交點P_L(即鋼板左邊緣)的座標(X_L，Z_L)與交點P_R(即鋼板右邊緣)的座標(X_R，Z_R)，上述之鋼板左邊緣的座標與鋼板右邊緣的座標即為鋼板200的邊緣數據。應注意的是，隨著鋼板200持續行進，鋼板200的邊緣數據會隨之改變，因此電腦設備130會進行鋼板200的邊緣數據之資料累積。換言之，電腦設備130所累積之邊緣數據除了X軸方向、Z軸方向的座標點數值以外，更包含Y軸方向(即鋼板的行進方向)的座標點數值。

請再次參照圖1與圖2，於步驟S5，進行鋼板尾端判斷，若非鋼板尾端，則電腦設備130持續鋼板200的邊緣數據之資料累積，並重複步驟S1-S4以持續接收影像資料來求出鋼板200的邊緣數據；若是鋼板尾端，則進行步驟S6，根據鋼板200的多個邊緣數據以計算出鋼板200之有效寬度、中心偏移量、彎曲量與歪斜量。

於步驟S5當中，鋼板尾端判斷包括以下步驟：(S51)暗區影像物件於垂直鋼板的行進方向上是否位於亮區影像物件之間；(S52)判斷鋼板之寬度是否大於最小量測寬度；以及(S53)判斷鋼板之寬度是否小於最大量測寬度。若暗區影像物件不位於亮區影像物件之間，則有幾種可能，如(1)已為鋼板尾端，則影像當中只會存在亮區影像物件； (2)鋼板行進過程已嚴重偏移，使得暗區影像物件有其中一側已無亮區影像物件。另外，當產線上有異常，例如有異物進入，可能導致實際上無鋼板，但仍存在暗區影像物件，因此使用者可視實際需求來設定最小量測寬度與最大量測寬度，並在步驟S5中，判斷鋼板寬度數值是否落於最小量測寬度至最大量測寬度之間，其中上述之鋼板寬度數值即為步驟S4所求得之兩交點P_L、P_R的距離。若步驟S51-S53判斷皆為是，代表非鋼板尾端；若步驟S51-S53判斷有其中一者為否，代表是鋼板尾端。

圖4係根據本揭露實施例之計算鋼板200的中心偏移量之示意圖。首先，利用電腦設備130所累積之鋼板200的邊緣數據以得到鋼板之鋼板中心線Y1，其中鋼板中心線Y1，如圖4所示，即為鋼板200之兩邊邊緣的中心點所連接而成的曲線。接著計算鋼板中心線Y1相對於生產線中心線Y2之多個垂直於鋼板200的行進方向(即Y軸)之距離△x₁、△x₂、△x₃、△x₄、...、△x_n-1、△x_n。值得一提的是，生產線中心線Y2，如同其字面意義，乃是鋼板生產線的中心線，由於本揭露之鋼板量測系統100為直接建立於鋼板生產線上以便能即時監控鋼板外形尺寸是否有異常，意即，若是在鋼板200之行進過程中完全沒有偏移的情況下，鋼板中心線Y1應與生產線中心線Y2重合。另外，由於鋼板量測系統100之建置亦須配合鋼板生產線的中心來做對準，因此在計算鋼板200的中心偏移量的階段，對鋼板量測系統100而言，生產線中心線Y2乃屬於已知參數。最後，將上述距離 △x₁、△x₂、△x₃、△x₄、...、△x_n-1、△x_n取平均後所得之數值，即為鋼板200之中心偏移量。

圖5係根據本揭露實施例之計算鋼板200的彎曲量之示意圖。首先，電腦設備130所累積之鋼板200的邊緣數據以得到鋼板中心線Y1，其求得方式已於先前段落說明，在此不贅述。接著，取鋼板中心線Y1之頭尾直線連線為基準線Y3，其中基準線Y3之方程式為x=m*y+b。最後，計算鋼板中心線Y1上距離基準線Y3最遠點(如圖5所示，即為座標點(x _c,y _c))與基準線Y3的距離即為鋼板200的彎曲量，換言之，鋼板200的彎曲量=。

請再次參閱圖5，鋼板200的歪斜量的計算公式為，其中(x _i,y _i)為鋼板中心線Y1上的第i個座標點(圖未示)。

圖6係根據本揭露實施例之計算鋼板200的有效寬度之示意圖。鋼板200之兩側分別為凹陷側201與凸出側202。首先，取凹陷側201之最凹點為第一基準點C4。接著，當m 0，取凸出側之起點為第二基準點，當m>0，取凸出側之終點為第二基準點，其中m如前述，為基準線Y3的斜率。在如圖6的實施例中，由於m>0，故取凸出側202之終點為第二基準點C5。再者，取通過第一基準點C4且斜率為m之直線為第一基準線Y4，並取通過第二基準點C5且斜率為m之直線為第二基準線Y5；最後，計算第一基準線Y4與第二基準線Y5之間距即為鋼板200之有效寬度。

在本揭露的實施例中，當鋼板200之有效寬度未落在訂單寬管制範圍內時，電腦設備130發出異常警示以通知有異常。其中，訂單寬管制範圍可為產線人員依實際需求所設定的長度範圍。舉例而言，若欲出貨給客戶之鋼板的寬度不得低於某下限數值，則該訂單寬管制範圍為從該下限數值開始至該下限數值加上一可接受公差。

由上述可知，本揭露之鋼板量測系統及方法可透過線狀LED燈源作為鋼板之背光燈源，並配合二一維攝影機、影像擷取卡、電腦設備來對鋼板進行立體量測，以求得行進中鋼板之有效寬度、中心偏移量、彎曲量與歪斜量。同時，當有效寬度未落在訂單寬管制範圍內時，透過電腦設備發出異常警示以通知產線人員停止生產，再者，檢修人員可根據鋼板之中心偏移量、彎曲量與歪斜量來進行對應的產線調整，以更有效率且精確地方式達到即時檢測之功效。

以上概述了數個實施例的特徵，因此熟習此技藝者可以更了解本揭露的態樣。熟習此技藝者應了解到，其可輕易地把本揭露當作基礎來設計或修改其他的製程與結構，藉此實現和在此所介紹的這些實施例相同的目標及/或達到相同的優點。熟習此技藝者也應可明白，這些等效的建構並未脫離本揭露的精神與範圍，並且他們可以在不脫離本揭露精神與範圍的前提下做各種的改變、替換與變動。

Claims

一種鋼板量測系統，用以對行進中的該鋼板進行連續量測以求得該鋼板之一有效寬度、一中心偏移量、一彎曲量與一歪斜(Skew)量，包括：一線狀發光二極體(LED)燈源，用以做為該鋼板之背光燈源，其中該線狀LED燈源之設置方向係垂直於該鋼板之行進方向；一影像擷取單元，包括二一維攝影機與一影像擷取卡，該些一維攝影機架設於該鋼板上方，該影像擷取卡電性連接該些一維攝影機以產生一影像資料；以及一電腦設備，用以接收該影像資料並進行資料處理以求得該鋼板之該有效寬度、該中心偏移量、該彎曲量與該歪斜量；其中該電腦設備更判斷該影像資料是否為鋼板尾端：若非鋼板尾端，則該電腦設備持續接收該些影像資料並進行資料處理以求得該鋼板之複數個邊緣數據；若是鋼板尾端，則該電腦設備對該些邊緣數據進行資料處理以求得該鋼板之該有效寬度、該中心偏移量、該彎曲量與該歪斜量。
如申請專利範圍第1項所述之鋼板量測系統，其中當該鋼板之該有效寬度未落在一訂單寬管制範圍內時，該電腦設備發出一異常警示以通知有異常。
一種鋼板量測方法，用以對行進中的該鋼板進行連續量測以求得該鋼板之一有效寬度、一中心偏移量、一彎曲量與一歪斜量，包括以下步驟：(S1)以一線狀LED燈源做為該鋼板之背光燈源，並以二一維攝影機進行取像以產生一影像資料，其中該線狀LED燈源之設置方向係垂直於該鋼板之行進方向；(S2)針對該影像資料的影像灰度值(gray scale)以一特定閥值來篩選出一暗區影像物件；(S3)利用次像素(sub-pixel)方法來求出該暗區影像物件之二邊緣；(S4)進行一座標轉換，以求出該鋼板之複數個邊緣數據；(S5)進行一鋼板尾端判斷；以及(S6)根據該些邊緣數據以計算出該鋼板之該有效寬度、該中心偏移量、該彎曲量與該歪斜量。
如申請專利範圍第3項所述之鋼板量測方法，其中當該鋼板尾端判斷之判斷結果為非，則進行資料累積，並重複步驟(S1)至(S5)；其中當該鋼板尾端判斷之判斷結果為是，則進行步驟(S6)；其中該鋼板尾端判斷包括以下判斷步驟：該暗區影像物件於垂直該鋼板的行進方向上是否位於二亮區影像物件之間；判斷該鋼板之一寬度是否大於一最小量測寬度；以及判斷該鋼板之該寬度是否小於一最大量測寬度；若以上判斷步驟之判斷結果皆為是，則非鋼板尾端。
如申請專利範圍第3項所述之鋼板量測方法，其中該座標轉換係以對應函數(mapping function)來將該些一維攝影機所組成之二維影像座標轉換至對應實際空間之笛卡兒座標系，轉換公式如下： y=ʃ Vdt 其中，X軸垂直於該鋼板的行進方向，Y軸為該鋼板的行進方向，Z軸為鉛直方向，a為校正參數，V為該鋼板的行進速度，(u,v)代表該些一維攝影機所組成之二維影像座標之座標點，m為冪次且可視所需量測精度進行調整。
如申請專利範圍第3項所述之鋼板量測方法，其中該鋼板之該中心偏移量的計算步驟如下：利用該些邊緣數據以得到該鋼板之一鋼板中心線；以及計算該鋼板中心線相對於一生產線中心線之複數個垂直距離的平均即為該鋼板之該中心偏移量。
如申請專利範圍第3項所述之鋼板量測方法，其中該鋼板之該彎曲量的計算步驟如下：(8a)利用該些邊緣數據以得到該鋼板之一鋼板中心線；(8b)取該鋼板中心線之頭尾直線連線為一基準線，其中該基準線之方程式為x=m*y+b；以及(8c)該鋼板之該彎曲量=；其中，(x _c,y _c)代表該鋼板中心線上距離該基準線最遠點之座標點。
如申請專利範圍第7項所述之鋼板量測方法，其中該鋼板之該歪斜量=；其中，(x _i,y _i)代表該鋼板中心線上之座標點。
如申請專利範圍第7項所述之鋼板量測方法，其中該鋼板之該有效寬度的計算步驟如下：(10a)該鋼板之兩側分別為一凹陷側與一凸出側，取該凹陷側之最凹點為一第一基準點；(10b)當m 0，取該凸出側之起點為一第二基準點，當m>0，取該凸出側之終點為該第二基準點；(10c)取通過該第一基準點且斜率為m之直線為一第一基準線，取通過該第二基準點且斜率為m之直線為一第二基準線；以及(10d)計算該第一基準線與該第二基準線之間距即為該鋼板之該有效寬度。