在线测宽测长测厚系统概述.docx
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在线测宽测长测厚系统概述
四辊轧机
在线测宽测长测厚系统
1、技术要求
1.1、钢板测量温度750-1200℃;
1.2、测量钢板宽度1600-2700mm长度1600-27000mm厚度6-80mm(连续测量);
1.3、测量精度宽度±4mm长度±8mm厚度±0.01mm(动态测量);
1.4、响应速度45ms;
1.5、测量方式动态连续在线测量;
1.6、钢板运行速度不大于5m/s;
1.7、数据显示记录记录测量日期、班次、钢板序号、长、宽、厚测量值及曲线,钢板轮廓图(镰刀弯显示)等,数据最少存储6个月。
1.8、通讯要求通过计算机网络可与轧机AGC系统进行数据交换;
1.9、适应工作环境环境温度-15℃—60℃,强震动、多粉尘、强电磁干扰、雾气等;
1.10、系统运行要求系统运行可靠,维护一次时间间隔大于6个月;
1.11、系统标定要求系统标定简单;
1.12、数据显示显示画面清晰易懂,主要数据醒目,轧机操作台与主机柜同时显示数据;
1.13、可靠性要求必须具备一天24小时连续可靠运行能力,光学器件保证可靠运行2年以上,电气器件保证可靠运行1.5年以上;
1.14、工期要求自签订合同后四个月内设备投入试运行。
2、实施方案
根据用户对此项目的技术要求和现场实际情况,在不改动原有设备和轧板工艺的基础上,本方案分为两个子系统,一个是测宽/测长/板形子系统,采用CCD固体摄象机空间摄影图象测量技术,将待测钢板(坯)的图象经CCD摄象机输入计算机。
由计算机对钢板的数字图象自动进行平面二维几何尺寸解算、测量、规划并输出测量结果。
一个钢板精密测厚子系统,采用激光辅助测量钢板的实际厚度。
为了保证测量精度,采用高分辨率、优象质、高光敏度的航空测量型CCD固体摄象机。
2.1、第一部分:
钢板测宽/测长/板形子系统测量原理
应用CCD摄影数字图象/图形测量技术。
将CCD摄象机安放在测量场(四辊轧机的入口区域,如图一所示)的正上方房樑平台上,对在测量场内的钢板进行摄影,将光学图象转换为电子图象。
电子图象经高速图象/图形采集卡转换为数字图象输入计算机。
计算机将钢板的数字图象自动进行三维几何尺寸的测量、规划,计算出钢板的长度和宽度以及钢板形状,将数据和图形显示给操作人员,并输入轧机AGC系统和车间工业以太网(TCP/IP)。
2.2、测量设备
如图一所示,1~6号是6台768×576×8bit单色CCD摄象机安放在房樑平台上(距滚道约18m)的防护机箱内,对进入测量场内的钢板进行摄象;7号是1台768×576×8bit单色CCD摄象机安放在滚道右侧(距滚道约5~10m),对钢板右侧厚度方向进行摄象。
每台摄象机各带一台视频自动增益控制器,将视频信号增益放大。
视频电缆将7台CCD面阵摄象机分别与两台计算机连接起来,5、6、7号CCD摄像机的视频信号输入1号计算机内的图象/图形采集卡,1、2、3、4号CCD摄像机的视频信号输入2号计算机内的图象/图形采集卡。
由图象同步控制器将7台CCD摄象机的图象同时输入1号和2号计算机。
图象/图形采集卡将视频图像信号转换为数字图像信号并输入计算机内存。
测量场(虚线内)钢板运动方向
3000mm.
打印机操作室显示器车间以太网
图一:
系统构成图
1号计算机负责处理7号CCD摄像机的厚度图像,解算得到被测钢板的厚度(精度在±5~±10mm),用于修正钢板长宽尺寸测量时对于投影差的修正。
如果钢板长度小于10m,则5号与6号CCD摄像机通过计算机控制的同步器对在视场内的钢板进行二维摄像,并将图像输入1号计算机,有1号计算机对钢板的长宽尺寸进行解算,同时经过图像处理和测量得到整个钢板的板形。
若钢板的长度大于10m,系统将控制1、2、3、4号CCD摄像机同步对钢板进行摄像,并对1号~7号CCD摄像机所得到的整个钢板图像进行长宽尺寸进行解算,同时经过图像处理和测量得到整个钢板的板形。
钢板长宽尺寸以及板形的数据由安置在四辊轧机操作室(4CS)的显示器显示给操作人员并上传给四辊轧机。
除了7台CCD摄象机安放在房樑平台上和滚道侧面的防护机箱内,其他的设备安放在四辊轧机操作室(4CS)内。
2.3、测量与控制过程:
当滚道上没有钢板时,房樑平台上的6号CCD摄象机对滚道进行实时检测,其他设备处于休眠状态(这样有利于系统的保护与延长使用寿命)。
当钢板进入测量视场时,房樑平台上的6号CCD摄象机自动搜寻并确定钢板在滚道平面的位置,并将测量的钢板宽度和方位数据输入1号计算机,同时系统启动7号CCD摄象机对钢板右侧的厚度进行测量,并将测量的钢板厚度数据输入1号计算机。
1号计算机将获得的宽度和方位数据以及右侧的厚度数据进行方位几何校正,同时也用获得的厚度数据对钢板的宽度以及长度数据进行投影差校正,从而获得钢板长度和宽度以及板形的准确数据。
而这个过程将不断地进行,直到6号CCD摄像机检测到不到钢板的头部时,5号CCD摄像机在1号计算机的控制下对钢板尾部不断地进行检测,并同时用1号CCD摄像机不断地检测钢板的尾部是否出现。
若检测到钢板尾部,同时检测钢板头部是否仍在视场内,如果仍在5号摄像机的视场内,则通过1号计算机对6号和5号CCD摄像机发出同步信号,6、5号CCD摄像机同时对钢板进行摄像并解算钢板的长宽尺寸与板形。
如果钢板的头部已不再5号CCD摄像机的视场内,1号计算机通过本系统的网络激活2号计算机并在4号,或3号,或2号,或1号CCD摄像机检测钢板的头部位置。
如果4号CCD摄像机检测到钢板的头部,同时6号CCD摄像机检测到钢板的尾部,1号计算机和2号计算机则通过同步器同时分别对6,5,4号CCD摄像机发出同步摄像信号,6、5、4号CCD摄像机同时对视场内的钢板进行摄像,并将影像输入相应的计算机,并解算钢板的长宽尺寸与板形。
同样的过程可以分别对4、3、2、1号CCD摄像机,以及6、5、4、3、2、1号CCD摄像机进行同步摄像控制,得到长度从1600mm~27000mm无级变化的钢板的全部影像,从而解算得到钢板的长宽尺寸与板形。
整个过程是实时进行的,保证在线动态实时测量。
由于使用面阵CCD摄像机,所以,无论钢板是否平行或倾斜于轨道;是否具有弯曲度(镰刀弯),钢板长宽尺寸与板形测量仪都可以测量钢板的实际长度、宽度和板形。
而操作人员无须进行任何操作,测量系统是全自动地完成测量全过程。
系统性能的根本保证在于系统所使用的是二维面阵CCD摄像机,可以得到钢板的平面二维影像,而一维线阵CCD摄像机只能得到一维影像,无法得到二维信息。
若用相互正交的两组一维线阵CCD摄像机在同步控制以及数据处理上将无法保证系统的功能与精度。
2.4、数据显示
数据显示分为两大部分。
一部分是钢板长宽尺寸与板形数据,一部分是系统运行状态显示。
2.4.1、钢板长宽尺寸数据
对于钢板长宽尺寸数据,系统将在显示器上显示钢板长宽尺寸的极大值、极小值与平均值以及公差带图形。
2.4.1、钢板板形数据
系统将在显示器上显示钢板弯曲度(镰刀弯)、不平直程度、头尾形状等。
2.5实时性保证:
系统选用的图象/图形采集卡转换频率为25幅/秒,图象的转换时间为40ms,解算时间少于2ms,因此实时性可以保证在45ms以内,即1秒钟内做22次位置检测和数据测量。
2.6、测量误差分析:
系统分辨率为X=视场尺寸/CCD象素总数
长度方向X=4500mm/768=5.86mm
进行象元细分后X=5.86/10=0.59mm
宽度方向Y=3000mm/576=5.21mm
进行象元细分后Y=5.21/10=0.52mm
厚度方向Z=80mm/768=0.10mm
进行象元细分后Z=0.10/10=0.01mm
2.6.1、镜头畸变误差:
这属于系统误差,一般摄象机镜头的畸变小于2%,
畸变=误差/视场半径=2%
长度畸变误差≤4500/2×0.02=45mm
宽度畸变误差≤3000/2×0.02=30mm
厚度畸变误差≤80/2×0.02=0.8mm
这时误差是很大的,必须修正。
方法是用光学测量的方法实测出每个镜头的畸变曲线,然后由计算机对钢板的数字图象进行实时修正,一般精度可达到1‰,即长度0.05mm,宽度0.03mm,厚度0.0008mm。
由于畸变是随视场变化的,所以视场越小;畸变则越小。
2.6.2、CCD象素刻化的不均匀性:
CCD象素的尺寸是比较严格的,一般的刻化误差在1‰~5‰左右。
这个误差是随机误差,但由于器件的分等级方法,所以用于测量的器件应该对其CCD象素进行精密量测检验,若按1‰~5‰计算,误差在0.01mm以下。
2.6.3、数字化给对准判别带来的误差:
这个是指图象采集卡A/D转换给对准目标点造成的误差。
由于A/D转换为8bit,误差为4‰可以通过调整CCD摄象机系统的亮度/对比度使得最亮和平均暗区定义为255和0,这样可以使钢板图象的边缘比较容易识别,因此可达到20%的分辨,误差在0.782mm以下,这个误差应予修正。
2.6.4、投影差的修正:
这是所有光学测量仪器都具有的测量误差,不论投影的
方向如何。
如图二所示,不同宽度的钢坯就有不同的高度,
(既离摄象机的距离S不同),对于不同宽度的钢坯L1和
L2在摄象机的CCD象面上投影得到的宽度是一样的,这种投
影差ΔL与摄象镜头的半视场角ω和摄影距离S成正切关系,
ΔL=L1-L2=2×(S1-S2)×tgω;按技术条件,设:
Arctgω
=3000/2/18000=4.76º,S1-S2=80mm,ΔL=13.33mm,不修
正投影差是不能保证测量精度的。
要修正投影差必须使用面阵CCD摄象机,可同时获得钢
板的厚度,不同厚度的钢板可以知道不同的高度(既离摄象机
的距离S1和S2),就可以修正投影差保证测量精度。
本系统测量钢板长宽度的测量精度为±5mm和±2mm,而房樑平台离测量平面(辊道平面)距离远(18m左右),所以半视场角ω小(距离越近ω越大,误差越大)。
本系统的投影差已修正到小于±0.02mm以下,保证了测量精度。
这是线阵CCD摄象机做不到的。
2.5.5、环境因素引入的误差:
这些误差包括行车行走、轧机震动和其他振动带来的测量误差。
这些可以通过在地面上布测空间精密测量控制网来加以修正,同时也保证了60个摄象机以及精密测厚装置之间相互关联的精密性和稳定性。
这是技术关键。
2.5.6全系统精度保证:
采用象元细分技术来提高分辨率,保证测量精度。
相对精度控制在±0.1‰以下。
既宽度±4mm;长度±8mm(动态);
2.7、钢板精密测厚子系统
测厚子系统是基于双光点侧投射激光辅助三角测量测厚原理(如图三所示),
图三、双光点侧投影激光辅助三角测测厚原理
侧投影时,厚度变化与CCD测得的值是非线性的,关键的是如何修正这个原理性的非线性误差。
面阵CCD提点的优点在于二维多方位加权处理,克服了非旋转对称性,提高了光点定位的精度。
线阵CCD不能做到这一点。
双光点给非线性校正提供了四个非相关参数,见图四所示。
从而可以大大提高测量精度。
精度可达到0.01mm~0.005mm。
图四、双光点投影校正非线性误差原理
精密测厚子系统安置在辊道侧面,距辊道1000mm~1500mm,由于没有测量部件进入辊道内部,避免了钢板的高温、水汽和碰撞的影响。
由于投影角度可调,也尽量避免了测量部件的移动,提高了测量的稳定性和仪器的可靠性。
整个测量部件安置在带有保护功能的不锈钢护套内,水套起到防辐射、降温以及防尘等作用,仪器对轧机前后环境具有良好的防护保护。
2.8、测量设备的防护措施
由于现场的环境比较恶劣,必须对测量设备采取防护措施。
2.8.1、CC
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