摘要：講述了濟(jì)鋼中厚板廠2500mm產(chǎn)線長寬板形在線自動測量系統(tǒng)的工作原理、具體應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：長寬板型,自動測量,攝像機(jī)

1.前言

濟(jì)鋼中厚板2500產(chǎn)線經(jīng)過雙四輥軋機(jī)與新精整線改造，裝備能力逐步提升，具備了中低端、高效產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)能力，可較好地適應(yīng)國內(nèi)市場需求，也具有較高的生產(chǎn)盈利能力。

但多年來2500線裝備改造都集中在主體設(shè)備升級上，其配套裝備能力不足的影響日漸突出，檢測測量系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)成為當(dāng)前制約2500生產(chǎn)線經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)發(fā)展的主要因素。

從同內(nèi)同行業(yè)同類型廠家對比情況看，主流中厚板廠家大多實施了自動化測量技術(shù)的配備和改造，新建中厚板廠如舞鋼、鞍鋼厚板、沙鋼、三明中厚板等在生產(chǎn)信息過程自動化、自動測厚（測寬、測長）、板形儀監(jiān)控方面更加完善，已成為當(dāng)今中厚板行業(yè)技術(shù)競爭的主要手段。因此，長寬板形在線自動測量項目對提高2500產(chǎn)線軋制精度、改進(jìn)板形控制能力和質(zhì)量合格率都有較好的作用，改造非常必要。

根據(jù)此項目的技術(shù)要求和現(xiàn)場實際情況，在不改動原有2500產(chǎn)線四輥精軋機(jī)設(shè)備和軋板工藝的基礎(chǔ)上，本工程實施方案采用CCD固體攝像機(jī)空間攝影圖像測量技術(shù)，將待測鋼板的圖像經(jīng)CCD攝像機(jī)輸入計算機(jī)。由計算機(jī)對鋼板的數(shù)字圖像自動進(jìn)行平面二維幾何尺寸解算、測量、規(guī)劃并輸出測量結(jié)果。為了保證測量精度，采用高分辨率、優(yōu)象質(zhì)、高光敏度的航空測量型CCD固體攝像機(jī)。

2.長寬板形在線自動測量系統(tǒng)原理

四輥軋機(jī)長寬板形在線自動測量系統(tǒng)（以下簡稱測量系統(tǒng)）應(yīng)用CCD攝影數(shù)字圖像／圖形測量技術(shù)。將CCD攝像機(jī)安放在測量場（四輥軋機(jī)的出口后方，避開除塵罩，如圖一所示）輥道的正上方房頂平臺上，對在測量場內(nèi)的自發(fā)光熱鋼板進(jìn)行攝影，將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電子圖像。電子圖像經(jīng)高速圖像／圖形采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像輸入計算機(jī)。計算機(jī)將鋼板的數(shù)字圖像自動進(jìn)行二維平面幾何尺寸的測量、規(guī)劃，計算出鋼板的長度和寬度，以及鋼板形狀，將數(shù)據(jù)和圖形顯示給操作人員，并輸入軋機(jī)AGC系統(tǒng)和車間工業(yè)以太網(wǎng)（TCP/IP）。

2.1測量設(shè)備

如圖一所示，1～13號是13臺768×576×8bit單色面陣CCD攝像機(jī)安放在廠房房頂平臺上（距輥道約20m）的防護(hù)機(jī)箱內(nèi)，對進(jìn)入測量場內(nèi)的鋼板進(jìn)行攝像。每臺攝像機(jī)各帶一臺視頻自動增益控制器，將視頻信號增益放大。視頻電纜將12～13號兩臺CCD攝像機(jī)與1號計算機(jī)連接起來，CCD攝像機(jī)的視頻信號輸入1號計算機(jī)內(nèi)的圖像／圖形采集卡數(shù)字化后進(jìn)行寬度的測量。視頻電纜將1～11號11臺CCD攝像機(jī)與2號計算機(jī)連接起來，CCD攝像機(jī)的視頻信號輸入2號計算機(jī)內(nèi)的圖像／圖形采集卡數(shù)字化后進(jìn)行長/寬和板形的測量。同步控制器通過信號電纜（圖一中虛線所示）同步13臺CCD攝像機(jī)的圖像獲取，以消除運(yùn)動帶來的測量誤差。

1～10號CCD攝像機(jī)的測量場為四輥精軋機(jī)后方4000mm到42080mm，承擔(dān)鋼板長度與板形的測量，測量場長度為38080mm，寬度為2880mm。

11號CCD攝像機(jī)負(fù)責(zé)精軋機(jī)后整塊鋼板視頻圖像的獲取，并直接顯示至視頻顯示器。

12～13號CCD攝像機(jī)的測量場為四輥粗軋機(jī)前方2500mm到4217mm，承擔(dān)鋼板長度與板形的測量，測量場長度為1717mm，寬度為2540mm。

數(shù)據(jù)交換機(jī)承擔(dān)1號計算機(jī)、2號計算機(jī)與3號計算機(jī)的數(shù)據(jù)通信，并將測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與車間以太網(wǎng)互聯(lián)，方便技術(shù)人員對軋板數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。實際上3號計算機(jī)類似于一個網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)，車間以太網(wǎng)不能進(jìn)入1號計算機(jī)和2號計算機(jī)，只能在3號計算機(jī)內(nèi)查找數(shù)據(jù)。這樣可以保護(hù)測量系統(tǒng)的安全。

鋼板長寬尺寸以及板形的數(shù)據(jù)由安置在四輥精軋機(jī)操作室(4CS)的顯示器顯示給操作人員并上傳給四輥精軋機(jī)AGC系統(tǒng)。四輥粗軋機(jī)前測寬數(shù)據(jù)傳輸至四輥粗軋機(jī)操作室（2CS）。除了13臺CCD攝像像機(jī)安放在廠房房頂平臺上的防護(hù)機(jī)箱內(nèi)，主機(jī)柜安放在四輥精軋機(jī)操作室(4CS)內(nèi)。四輥粗軋機(jī)操作室內(nèi)安置22英寸液晶顯示器顯示1號計算機(jī)鋼板的寬度測量結(jié)果。

2.2測量與控制過程

安裝在四輥粗軋機(jī)前方的12號和13號CCD攝像機(jī)同步獲取進(jìn)入測量場的鋼板影像，并輸入1號計算機(jī)完成鋼板的寬度測量。

鋼板運(yùn)動方向

圖一系統(tǒng)構(gòu)成圖

當(dāng)四輥精軋機(jī)后方輥道上沒有鋼板時，房頂平臺上的1號CCD攝像機(jī)對輥道進(jìn)行實時檢測，其他設(shè)備處于休眠狀態(tài)（這樣有利于系統(tǒng)的保護(hù)與延長使用壽命）。當(dāng)鋼板進(jìn)入測量視場時，房頂平臺上的1號CCD攝像機(jī)自動搜尋并確定鋼板在輥道平面的方位，并通過2號計算機(jī)同步啟動其他CCD攝像機(jī)對鋼板進(jìn)行攝影。

當(dāng)鋼板頭部走出1號CCD攝像機(jī)視場時，2號計算機(jī)自動啟動全系統(tǒng)其余2～10號CCD攝像機(jī)對鋼板的頭部不斷地進(jìn)行檢測，并同時用1號CCD攝像機(jī)不斷地檢測鋼板的尾部是否出現(xiàn)。若檢測到鋼板尾部，同時檢測鋼板頭部是否仍在視場內(nèi)，若2～10號CCD攝像機(jī)任何一臺CCD攝像機(jī)發(fā)現(xiàn)鋼板的頭部，則2號計算機(jī)向1～10號CCD攝像機(jī)發(fā)出同步信號，對鋼板進(jìn)行攝像。然后將鋼板影像輸入2號計算機(jī)，并解算鋼板的長寬尺寸與板形。當(dāng)鋼板頭部在測量場內(nèi)運(yùn)動時同樣的過程會多次重復(fù)，獲得多次長度測量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)會自動進(jìn)行測量誤差的處理，保證得到最佳測量精度。這樣可以得到長度從1600mm～36000mm無級變化的鋼板的全部影像，從而解算得到鋼板的長寬尺寸與板形。整個過程是實時進(jìn)行的，保證在線動態(tài)實時測量。

由于使用面陣CCD攝像機(jī)，所以，無論鋼板是否平行或傾斜于輥道；是否具有彎曲度（鐮刀彎），鋼板長寬尺寸與板形測量儀都可以測量鋼板的實際長度、寬度和板形。而操作人員無須進(jìn)行任何操作，測量系統(tǒng)是全自動地完成測量全過程。

系統(tǒng)性能的根本保證在于系統(tǒng)所使用的是二維面陣CCD攝像機(jī)，可以得到鋼板的平面二維影像，而一維線陣CCD攝像機(jī)只能得到一維影像，無法得到二維信息。若用相互正交的兩組一維線陣CCD攝像機(jī)在同步控制以及數(shù)據(jù)處理上將無法保證系統(tǒng)的功能與精度。

2.3數(shù)據(jù)顯示

數(shù)據(jù)顯示分為三部分：

（1）鋼板長寬尺寸與板形數(shù)據(jù)；

（2）整塊鋼板視頻顯示；

（3）系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示。

2.3.1鋼板長寬尺寸數(shù)據(jù)

對于鋼板長寬尺寸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將在顯示器上顯示鋼板長寬尺寸的極大值、極小值與平均值以及公差帶圖形，如圖二。

圖二測量數(shù)據(jù)顯示界面

2.3.2鋼板板形數(shù)據(jù)

如圖三所示系統(tǒng)將在顯示器上顯示鋼板彎曲度（鐮刀彎）、不平直程度、頭尾形狀等。

圖中虛線部分表示的是可以剪切出來的最大內(nèi)接矩形。將以數(shù)字形式顯示此矩形的具體長度、寬度及其四周的△W值。

板型儀顯示鋼板實時輪廓、每米鋼板鐮刀彎數(shù)值，保留上一塊鋼板整體輪廓、鐮刀彎數(shù)值，鐮刀彎數(shù)值超過每米20mm（具體報警數(shù)值可靈活調(diào)整）顏色報警，在鋼板輪廓上予以變色顯示，以提醒操作工注意調(diào)整。

板型儀顯示鋼板整體視頻板型，操作工可直觀地看到板型情況，便于操作調(diào)整板型。

圖三板形定義圖示

鋼板毛長顯示實時長度測量數(shù)值，同時保留上一塊軋制總長度數(shù)值。鋼板毛寬顯示實時寬度測量數(shù)值，頭部舍去300~500mm，每5米測量并顯示一個寬度數(shù)值，同時保留上一塊軋件寬度數(shù)值。

2.4實時性保證

系統(tǒng)選用的圖像／圖形采集卡轉(zhuǎn)換頻率為25幅／秒，圖像的轉(zhuǎn)換時間為40ms，解算時間少于2ms，因此實時性可以保證在45ms以內(nèi)，即1秒鐘內(nèi)做22次位置檢測和數(shù)據(jù)測量。

2.5測量誤差分析

2.5.1寬度測量精度

測寬CCD攝像機(jī)組合由12號和13號兩臺CCD攝像機(jī)組成。每臺CCD攝像機(jī)的視場為2290mm，測量場長度為1717mm，寬度為2540mm。兩臺CCD攝像機(jī)的視場相互之間有20mm的重疊覆蓋由此來保證無縫測量和平差處理。

單臺測寬攝像機(jī)分辨率=視場范圍/攝像機(jī)像素數(shù)=2290/768=2.98mm

應(yīng)用鋼板自發(fā)光無縫連續(xù)特點進(jìn)行2倍像素細(xì)分，則分辨率=2.98/2=1.49mm

寬度測量精度=±√(1.49²+1.49²)=±2.11mm

±2.11mm＜±4.00mm

2.5.2長度測量精度

測長CCD攝像機(jī)組合由1～10號10臺CCD攝像機(jī)組成。每臺CCD攝像機(jī)的視場為長3840mm，寬度為2880mm，10臺CCD攝像機(jī)的視場相互之間有20mm的重疊覆蓋由此來保證無縫測量和平差處理，整個測量場長度為38080mm。

單臺測長攝像機(jī)分辨率=視場范圍/攝像機(jī)像素數(shù)=3840/768=5.00mm

應(yīng)用鋼板自發(fā)光無縫連續(xù)特點進(jìn)行2倍像素細(xì)分，則分辨率=5.00/2=2.50mm

長度測量精度=±√(2.50²+2.50²)=±3.54mm

±3.54mm＜±8.00mm

2.5.3鏡頭畸變誤差

這屬于系統(tǒng)誤差，一般攝像機(jī)鏡頭的畸變小于2%，

畸變＝誤差／視場半徑＝2%

長度畸變誤差≥3840/2×0.02=38.40mm

寬度畸變誤差≥1540/2×0.02=22.90mm

這時誤差是很大的，必須修正。方法是用光學(xué)測量的方法實測出每個鏡頭的畸變曲線，然后由計算機(jī)對鋼板的數(shù)字圖像進(jìn)行實時修正，一般精度可達(dá)到5‰，即長度畸變誤差在0.19mm以內(nèi)，寬度0.11mm。由于畸變是隨視場變化的，所以視場越??；畸變則越小。

2.5.4CCD像素刻化的不均勻性

CCD像素的尺寸是比較嚴(yán)格的，一般的刻化誤差在1‰～5‰左右。這個誤差是隨機(jī)誤差，但由于器件的分等級方法，所以用于測量的器件應(yīng)該對其CCD像素進(jìn)行精密量測檢驗，若按1‰～5‰計算，誤差在0.10mm以下。

2.5.5環(huán)境因素引入的誤差

這些誤差包括天車行走、軋機(jī)震動和其他振動帶來的測量誤差。這些可以通過在地面上布測空間精密測量控制網(wǎng)來加以修正，同時也保證了13個CCD攝像機(jī)之間相互關(guān)聯(lián)的精密性和穩(wěn)定性。

2.5.6全系統(tǒng)精度保證

采用像元細(xì)分技術(shù)來提高分辨率，保證測量精度。相對精度控制在±0.1‰以下。既寬度±4mm；長度±8mm(動態(tài)連續(xù)測量)。

3.軟件內(nèi)容

3.1切換、攝像和影像數(shù)字化；

3.2鏡頭畸變校正，影像邊緣增強(qiáng)、判別和規(guī)整；

3.3尺寸規(guī)劃、測量和板形及板頭、板尾測量規(guī)劃；

3.4測量數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計和輸出；可將精軋機(jī)最終測量結(jié)果通過車間以太網(wǎng)傳遞到精整各剪切區(qū)操作崗位，以便于保證實現(xiàn)最大內(nèi)接矩形的剪切；

3.5數(shù)據(jù)通信與交換；

4.測量設(shè)備的標(biāo)定與精度檢測

4.1測量設(shè)備的標(biāo)定

用帶有白色圓點的標(biāo)準(zhǔn)長尺，采用精密三維布網(wǎng)方法構(gòu)成平面白色點陣，對發(fā)光點陣攝影圖像應(yīng)用聯(lián)合平差的方法對CCD攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。若不更換CCD攝像機(jī)就無需標(biāo)定。

4.2測量設(shè)備的精度檢測

用帶有白色圓點的長尺在測量場內(nèi)按任意方位、任意長度進(jìn)行實際CCD攝影測量，所測精度應(yīng)達(dá)到工藝要求。

5.測量設(shè)備的防護(hù)措施

由于現(xiàn)場的環(huán)境比較惡劣，必須對測量設(shè)備采取防護(hù)措施。

5.1CCD攝像機(jī)的防護(hù)

現(xiàn)場溫度變化溫度-15℃～70℃，而CCD攝像機(jī)是半導(dǎo)體器件，使得CCD攝像機(jī)對溫度比較敏感。又因為現(xiàn)場的粉塵、水汽以及震動較大，本測量設(shè)備安裝在一個由鋁和復(fù)合材料制成的密封箱內(nèi)，隔絕溫度、水汽與粉塵。箱內(nèi)有雙向可逆式半導(dǎo)體致冷器和溫度傳感器組成的溫度自動控制系統(tǒng)。保證箱內(nèi)溫度控制在30±5℃。整個箱體帶有防震系統(tǒng)。

5.2CCD攝像機(jī)鏡頭的防護(hù)

鋼板軋制現(xiàn)場氧化皮和水汽多，在隨熱空氣的上升期間粉塵相互碰撞摩擦而帶電，極易吸附在鏡頭表面。本測量設(shè)備的CCD攝像機(jī)鏡頭前表面安裝了一塊鍍有消靜電膜的保護(hù)玻璃，可避免帶電粉塵的吸附。

5.3CCD攝像機(jī)鏡頭雜散光線的濾除

鋼板溫度高，輻射大量的紅外光線以及雜散光線，嚴(yán)重影響鋼板圖像的獲取。本測量設(shè)備采用紅外濾光鏡頭，濾除紅外以及雜散光，以保證圖像質(zhì)量。

6．應(yīng)用效果

長寬板形在線自動測量系統(tǒng)應(yīng)用后，效果良好，主要優(yōu)點是：全自動運(yùn)行，無需人工干預(yù)，大大減輕了操作人員的勞動強(qiáng)度；測量精度高，測量穩(wěn)定；實時測量鋼板的長度和寬度；測量鋼板的板形參數(shù)；實時顯示鋼板的板形，便于操作人員掌握鋼板的彎曲情況；實時顯示鋼板在輥道上的位置，便于操作人員掌握鋼板的跑偏情況；每塊鋼板的測量數(shù)據(jù)存儲在計算機(jī)中，便于隨時檢查分析等等。

作者簡介

霍啟軍，男，40歲，電氣高級工程師。1996年7月畢業(yè)于山東工程學(xué)院電氣工程系，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2006年畢業(yè)于山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，獲工程碩士學(xué)位?，F(xiàn)主要從事自動化控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用工作。