CN102319743B - 带钢跑偏与漂浮量激光扫描检测方法及纠偏系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带钢跑偏与漂浮量激光扫描检测方法,1）利用线性激光发射器照射带钢，在带钢宽度上形成激光线形光束；2）由带钢上方的面阵图像传感器实时扫描激光线形光束；3）将扫描的激光线形光束送入计算机，由计算机根据激光线形光束确定带钢边缘；4）根据不同时刻计算机确定的带钢边缘即可计算出带钢跑偏量，同时根据激光线形光束在带钢长度方向上的位移量即可计算出带钢上下漂浮量。本发明成本低、检测精度高、实时性强、抗干扰能力强，可在复杂环境中长期稳定运行，有利于提高带钢跑偏自动化检测水平，设备安装维护方便，对带钢的高效生产提供技术支撑。

Description

带钢跑偏与漂浮量激光扫描检测方法及纠偏系统

技术领域

本发明涉及带钢跑偏与漂浮量激光扫描检测方法及纠偏系统，主要针对冷热轧带钢运行过程横向跑偏、上下漂浮、及板型实时量化检测及纠偏量输出给纠偏执行机构，同时也可应用于连铸板坯、方坯板型检测，以及其他带材纠偏应用领域（例如：轻金属行业、铜行业、印刷和装订行业以及造纸和橡胶化学行业等）实时检测，属于冶金技术领域。

背景技术

带钢连续处理机组在穿带和生产过程中常出现跑偏现象，其结果不仅会造成带钢缺陷产生、成材率减少，还会影响机组的正常运行和损坏生产设备，进而导致整体生产能力下降。带材纠偏系统(Edge Position Control，简称EPC)是轧钢生产线上的常用技术，普遍应用于酸洗、冷热轧、平整、涂镀层、重卷、剪切等机组中，由于受机组各设备的安装精度、辊组偏差和振动、辊子长期磨损、带材断面不均匀及带钢张力波动等因素影响，带钢跑偏已成为常见现象。因此，实时有效地检测出带钢的横向偏移量，并实施纠偏控制，是保证带钢处理机组顺利进行，提高带钢处理质量的关键一环，这可以保证带钢的无故障运送，卷取时边缘整齐，以及在包装、运输和码放都很方便，有利于带钢较好地完成技术指标，提高经济效益，降低成本。

实践表明，跑偏现象是客观存在不可避免的。因此，如何采用有效的跑偏检测技术，精确检测出带材的跑偏量并将信号实时传送给纠偏执行机构，来满足生产工艺要求，是解决问题的关键所在。从理论上讲，如果能精确计算出带钢运行过程中的偏移量，就可以根据计算结果实时控制纠偏执行机构动作，但该数据的准确快速计算非常困难。因为跑偏的主要原因是由于带钢本身板形和机械设备安装误差造成的，因此，采用数值计算的方法会存在很多难以确定的边界条件。现有的带材跑偏识别方法主要通过各种传感器实现，带钢测量传感器目前共有电感式、电容式、光电式等三种类型。目前，国外该方面的检测技术比较成熟，但技术复杂，成本高，设备昂贵，而国内自主开发的带钢跑偏检测控制系统基本为零，其主要原因在于传感器的设计技术不成熟，检测精度低，并且不能保证长期可靠运行。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种结构简单、成本低、检测精度高、实时性强、抗干扰能力强的带钢跑偏与漂浮量激光扫描检测方法。

本发明同时基于本检测方法设计了一套带钢跑偏纠偏系统。

本发明解决上述技术问题的技术手段是这样实现的：

带钢跑偏与漂浮量激光扫描检测方法,其检测步骤为：

1）利用线性激光发射器（倾斜一定角度）照射带钢，在带钢宽度方向上形成一条垂直于长度方向的高亮度激光线形光束，激光线形光束全覆盖带钢宽度且大于带钢宽度；

2）在带钢上方设置面阵图像传感器，由面阵图像传感器实时扫描激光线形光束，面阵图像传感器扫描方向垂直于带钢表面；

3）将扫描的激光线形光束送入计算机，由于激光线形光束在带钢上的图像和带钢外的图像之间存在明显的差异，在带钢边缘处有明显的分界线，通过该差异即可由计算机确定带钢边缘；

4）根据不同时刻计算机确定的带钢边缘即可计算出带钢跑偏量，并可重构出带钢的板形形态（即两长边缘轮廓线）；同时根据激光线形光束在带钢长度方向上的位移量（再结合面阵图像传感器的高度）即可计算出带钢上下漂浮量。

一种带钢纠偏系统，它包括对带钢运行速度检测的测速机构和带钢跑偏后的纠偏执行机构，在带钢上方设有用于照射带钢以在带钢宽度方向形成激光线形光束的线性激光发射器和用于捕获激光线形光束的面阵图像传感器，线性激光发射器和面阵图像传感器分别设于高温保护罩内；所述面阵图像传感器通过图像采集卡与控制单元连接，测速机构的输出接控制单元，控制单元通过信号转换电路与纠偏执行机构连接。

线性激光发射器所在的高温保护罩与冷却气体输送机构连通，由冷却气体输送机构向线性激光发射器所在的高温保护罩内输送冷却气体。

面阵图像传感器所在的高温保护罩前面安装有仅让激光线形光束通过的滤色片。

面阵图像传感器的成像靶面与带钢上表面平行。

所述测速机构设于驱动带钢运行的驱动辊上，根据驱动辊的转速确定带钢运行速度。

所述面阵图像传感器为面阵CCD/CMOS图像传感器。

本发明可同时检测带钢跑偏量和上下浮动（漂浮）量，以光学成像方法通过图像处理技术实现了带钢运行中的边缘形态的监控，且检测精度可控。本发明根据带钢传送速度实现快速扫描，并实时重构出激光线带钢边缘点阵图像走向，并根据双边缘形态可视化带钢运行过程中的板形变化形态。

本检测装置检测视场宽度大，可在复杂环境中长期稳定运行，能免除工业现场电磁和激光线光谱以外的强光干扰以及温度影响，通过信号转换电路可同步传输纠偏信号给纠偏执行机构，有利于提高带钢跑偏自动化检测水平，设备安装维护方便，对带钢的高效生产提供技术支撑。

本发明可广泛应用于各种CPC和EPC检测系统中，尤其针对复杂坏境下带钢跑偏、浮动和板形检测，以及连铸坯板形检测，对提带材生产效率起到直接推动作用。

附图说明

图1-本发明带钢纠偏系统结构示意图。

图2-本发明跑偏与上下浮动量测量示意图。

图3-本发明信号采集与数据处理示意图。

具体实施方式

本发明带钢跑偏与漂浮量激光扫描检测方法,其检测步骤为：

1）利用线性（线宽1mm）激光发射器（倾斜一定角度）照射带钢，在带钢宽度方向（即横向）上形成一条垂直于长度方向（即运行方向或纵向）的高亮度激光线形光束，激光线形光束全覆盖带钢宽度且大于带钢宽度；

2）在带钢上方设置面阵图像传感器，由面阵图像传感器实时扫描激光线形光束，面阵图像传感器扫描方向垂直于带钢表面（即成像靶面与带钢表面平行，这样计算简单，更利于后续计算和数据处理）；面阵图像传感器实时扫描帧率取决于带钢速率；并根据检测精度要求选定面阵图像传感器（摄像机）分别率、镜头视场角、帧率（本发明选择高速摄像机成像）及垂直安装高度；

3）对带钢表面激光线形光束进行快速图像扫描和实时处理，并计算带钢横向左右边缘处激光线条光斑像素位移量和激光线条的纵向浮动量。具体来讲，由于激光线形光束在带钢上的图像和带钢外的图像之间存在明显的差异，在带钢边缘处存在明显的分界线，只要将扫描的激光线形光束送入计算机，通过该差异即可由计算机确定带钢边缘；

4）根据不同时刻计算机确定的带钢边缘即可计算出带钢跑偏量，并可重构出带钢的板形形态（即两长边缘轮廓线）；同时根据激光线形光束在带钢长度方向上的位移量（再结合面阵图像传感器的高度）即可计算出带钢上下漂浮量。

本发明还根据上述检测方法设计了一套带钢纠偏系统，见图1，它包括对带钢运行速度检测的测速机构1和带钢跑偏后的纠偏执行机构，在带钢上方设有用于照射带钢以在带钢宽度方向形成激光线形光束的线性激光发射器2和用于捕获激光线形光束的面阵图像传感器3，线性激光发射器1和面阵图像传感器3分别设于高温保护罩4内；所述面阵图像传感器3通过图像采集卡与控制单元连接，测速机构1的输出接控制单元，控制单元通过信号转换电路与纠偏执行机构连接。

下面对各部分进行详细说明

①安装高精度线形激光发射器，以特定角度斜射带钢表面。

本发明的线形激光发射器为He-Na激光发射器，安装在耐高温耐酸保护罩内，保护罩采用哈氏B-2合金制成。同时线性激光发射器所在的高温保护罩与冷却气体输送机构连通，将冷却气体（如洁净氮气）向保护罩内输送以使保护罩耐高温。线形激光发射器按照一定角度(激光线照射面与带钢表面呈小于90大于0度角)安装，在带钢横向面上形成一条垂直于运行方向的高亮度激光线形光束。

②安装用于提取带钢表面激光线变化信息的面阵图像传感器

本发明的面阵图像传感器为高速高清晰的面阵CCD/CMOS图像传感器，面阵图像传感器安装在高温耐酸保护罩内，并在保护罩前加装特定波长滤色片，其目的是保证图像采集质量和保护相机镜头，同时防止其它波长光源干扰成像，安装过程中图像传感器成像靶面与带钢运行表面平行，并与激光线照射平面成一定空间角度关系，见图1。

③为了使本系统便于安装和调试，面阵图像传感器与线形激光发射器连接在一起，在连接处安装高精度角度调节装置，用于调节面阵图像传感器的成像主光轴和激光发射器的照射面之间的相对角度，用于算法处理单元标定和实时计算带钢扫描图像横向边缘和纵向光斑像素位移量，并根据特定空间关系对检测精度进行试验二次标定，以保证带钢横向跑偏量和漂浮量的检测精度。

④在指定组辊处安装钢板运行测速机构，精确采集带钢传速信号，并送控制单元中的软件处理单元实时控制摄像机帧扫描频率，其目的在于精确重构并可视化带钢运行过程中的边缘跑偏走向和板型形态。

⑤带钢跑偏量与上下浮动量提取方法

本发明的特点在于结合了激光三角测距理论与计算机数字图像处理技术，在检测出带钢运行跑偏量的同时，可检测出钢板的上下浮动量。其方法是采用激光器斜射和CCD/CMOS面阵摄像机垂直照射方法进行。本方法可通过划分图像感兴趣区域（ROI）后，快速定位带钢横向边缘激光线条像素位置信息，并根据激光线条的纵向位移量计算带钢运行中的上下漂浮量，通过标定像素位移量转换输出为实际带钢位移和漂浮测量值。其测量示意如图2所示。其中左下方的箭头表示带钢运行方向，虚线框表示图像中划定的ROI区，标记①和②分别代表带钢左右边缘位移定位点（用于检测跑偏），标记③即图中部的左右箭头代表激光线纵向浮动变化量（用于检测漂浮量）。

扫描过程中，在划分的ROI区域内，通过                                                

方向扫描定位激光线钢板跑偏位移量，边缘定位点为图像①②标记处，通过提取激光线方向像素的位移量可同时得到钢板的漂浮量信息。

 带钢边缘形态与板形形貌可视化重构

面阵图像传感器（摄像机）激光线条扫描过程中，将钢板上激光线条（即①到②标记点之间的线条宽度）的像素数根据一定的图像处理拼接算法，可视化重构出带钢边缘形态，进而实时显示运行过程中的板型形貌特征，检测系统信息处理方式如图3所示。

本发明可以有效地量化检测带钢横向跑偏量，采用图像的方法不但可以保证实时检测精度，又可以在线可视化带钢的板形变化；同时，对带钢运行过程的上下漂浮状态亦可量化检测，并可三维重构带钢整体形貌。本发明的工业应用，对提高冷热轧带钢的自动化水平、降低生产成本、提高生产效率具有重要意义；同时，对开发纠偏执行机构及改进带钢传送工艺，提高带钢生产质量具有重要的指导作用。此外，本发明还适用于非铁磁或非电导性产品生产过程中的跑偏检测，例如，轻金属行业、铜工业、印刷和装订、塑料和橡胶化学行业、造纸业、纤维和纺织业等。

本发明的上述实施仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.带钢跑偏与漂浮量激光扫描检测方法,其特征在于：其检测步骤为：

1）利用线性激光发射器倾斜照射带钢，在带钢宽度方向形成一条垂直于长度方向的激光线形光束，激光线形光束全覆盖带钢宽度且大于带钢宽度；

2）在带钢上方设置面阵图像传感器，由面阵图像传感器实时扫描激光线形光束，所述面阵图像传感器扫描方向垂直于带钢表面；

3）将扫描的激光线形光束送入计算机，由计算机根据激光线形光束在带钢上的图像和带钢外的图像之间的差异确定带钢边缘；

4）根据不同时刻计算机确定的带钢边缘即可计算出带钢跑偏量；同时根据激光线形光束在带钢长度方向上的位移量即可计算出带钢上下漂浮量。

2.一种带钢纠偏系统，它包括对带钢运行速度检测的测速机构和带钢跑偏后的纠偏执行机构，其特征在于：在带钢上方设有用于照射带钢以在带钢宽度方向形成激光线形光束的线性激光发射器和用于捕获激光线形光束的面阵图像传感器，所述线性激光发射器倾斜照射带钢，所述面阵图像传感器的成像靶面与带钢上表面平行，线性激光发射器和面阵图像传感器分别设于高温保护罩内；所述面阵图像传感器通过图像采集卡与控制单元连接；测速机构设于驱动带钢运行的驱动辊上，根据驱动辊的转速确定带钢运行速度，其输出接控制单元；控制单元通过信号转换电路与纠偏执行机构连接。

3.根据权利要求2所述的带钢纠偏系统，其特征在于：线性激光发射器所在的高温保护罩与冷却气体输送机构连通，由冷却气体输送机构向线性激光发射器所在的高温保护罩内输送冷却气体。

4.根据权利要求2或3所述的带钢纠偏系统，其特征在于：面阵图像传感器所在的高温保护罩前面安装有仅让激光线形光束通过的滤色片。

5.根据权利要求4所述的带钢纠偏系统，其特征在于：所述面阵图像传感器为面阵CCD/CMOS图像传感器。

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