热轧带钢激光平坦度仪的研究与设计

    0 引言

    在带钢轧制过程和成品检验中,平坦度是衡量带钢板形的一项重要指标,它描述的是带钢在垂直于板面方向的翘曲程度,即平坦度缺陷。平坦度的测量方法很多,但由于热轧带钢生产及测量环境恶劣,多采用非接触式的几何测量方法。激光平坦度仪就是应用激光三角测距原理,通过非接触式测量带钢纵向纤维的相对延伸差,在线检测热轧带钢板形质量的一种仪器[1]。

    本文讨论了基于激光三角测距法的平坦度检测原理,针对武钢热轧厂1 020~1 550 mm平坦度仪的改造工程,进行了测量系统的结构设计和集成,开发了平坦度仪测量系统及其应用软件。系统2004年3月投入使用后,测量效果符合带钢生产实际情况,满足了热轧带钢平坦度测量的要求。

    1 测量原理

    带钢平坦度缺陷是指沿带钢宽度方向的不同位置上,存在着纵向纤维长度差异而导致浪形的出现,如中浪、边浪等,这种差异是由于轧制过程中,宽度各处的纵向延伸不一致造成的[2]。激光平坦度仪通过检测带钢中心和两边(操作侧、传动侧)共三个位置的长度,分别计算它们的相对延伸差,并加以比较,从而获得平坦度和非对称度。

    如图1所示,设带钢纤维最短长度为LMI,操作侧、中心和传动侧带钢纤维长度分别为LOP、LCE和LEN,则它们之间长度差的相对值为

    将带钢平坦度F和非对称度D分别定义为

    平坦度和非对称度的单位用I-Unit表示,一般简写为I。

    带钢纤维长度的测量是基于激光三角测距原理,计相邻两个测量点的高度差,然后以折线代曲线近似计算来实现。如图2所示,激光束斜射到带钢表面形成光斑,光斑的漫反射光通过摄像头的会聚透镜成像于线阵CCD的光敏元阵列上。由于带钢浪形的存在,光斑将在带钢运行过程中随着带钢表面高度的变化h,沿激光束方向产生位移$u,即光斑的位置由a移动到b,这时,光斑像点在光敏元阵列上也相应地产生位移$U,$U=Ub-Ua,即光斑像点位置由ac移动到bc。根据斯凯姆普夫拉格条件和三角形相似原理[3],相邻两次测量的高度差可由公式(3)确定

    式中,k0、k1为系数,通过系统标定确定;Ua、Ub分别为光斑像点在CCD上的位置。

    2 系统设计

    系统主要由激光器+CCD组成的测量装置(位移传感器)、图像信号预处理(前端机)、系统控制与参数计算(上位机)和电气控制4个部分组成。图3为系统的结构示意图,带钢宽度、带钢速度和轧制过程的状态参数,由机组的过程控制计算机提供。