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《燕山大学》 2003年
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轧辊辊型非接触检测理论与CCD实现技术的研究

郭景峰  
【摘要】: 辊型检测仪属多学科相交叉的高科技领域,至今仍处于开发研究之中。金属薄板在现代工业中的需求不断增长,其质量标准除物理和化学性能外,主要是几何尺寸和形状精度,即板的厚度差、板厚均匀性、板的平整性及表面缺陷等。在金属薄板成形中,轧制工艺是影响质量的重要环节,其中轧辊又是重要工具,轧辊的辊面形状是否达到设计要求将直接影响板材质量。在对使用后的轧辊因表面磨损必须重新修磨恢复其精度时,都应该进行检测。作为工作辊磨损均匀化技术中的主体-在线轧辊修磨装置(On-Line Roll Grinder-简称ORG)由轧辊辊型轮廓在线测定仪(On-Line Profile Measure-简称OPM)和修磨装置组成。根据板带产品质量要求和轧辊表面质量状况,由在线轧辊轮廓测定仪检测或预设轮廓数学模型计算,对轧辊运行中的工作辊用研磨轮实施全面修磨、段差修磨或两者的混合修磨。板带轧机工作辊在线修磨方法及技术属高科技先进技术,也是实施自由程序轧制技术的核心之一,但因尚未开发研制出高精度抗恶劣工况的辊型检测仪,目前仍处于开环在线修磨阶段。 目前,国内大型板带轧机上使用的在线轧辊修磨装置,由于没有在线轧辊轮廓测定仪,只能靠预置磨损模型计算实施对工作辊的磨削。因此,当轧辊表面硬度波动及ORG砂轮硬度波动时常发生轧辊修磨过大或修磨不足等问题,还不能实现工作辊均匀精度修磨。本文主要就开发研制有效稳定的在线辊型测定仪中研究非接触检测方法和数据处理方法。 首先,文中对板材轧制过程中,轧辊的磨损分类进行了介绍,并对当前研究报道较多的非接触检测方法进行了研究,包括超声波式、涡流式、激光式和CCD测位移方式。分析了各种检测方法的优缺点,选定CCD检测方法。 其次,针对轧辊工作环境和工艺要求,对非接触在线检测的数学模型进行了实验研究,包括三点定圆法、光学三角法和CCD遮光测距法。给出了一个切实可行的轧辊在线检测的数学模型,并对辊型检测与边缘检测理论的关系及建模条件进行了分析,最后给出了检测数据的处理流程。 第三,对数学形态学基本概念进行了介绍,并结合实际课题要求,将数学形态学滤波方法应用于实际,给出了形态学基本性质的证明,为应用形态学理论打下了基础。同时给出了结构元素的构造原则和多结构元素组合应用的方法。 第四,对现有滤波方法进行了论述,包括频率域滤波法、空间域滤波法、邻域 WP=5 平均法、中值滤波法等,并将这些方法与形态学滤波方法进行比较;研究经典的边缘检测算子,给出了子像素级边缘检测算法。 第五,由于轧辊辊型检测要求的检测精度很高,而普通CCD摄像机的内部、外部参数和检测系统的参数随工作条件而变化,如不进行标定,将影响检测系统的检测精度。目前常用的标定方法有的需要进行迭代而耗时过多,有的标定精度较低。在此,为了保证检测精度,导出一种CCD检测系统的成像模型,基于这种模型,利用旋转矩阵的性质,给出CCD摄像机内部、外部参数和检测系统参数的标定方法。 第六,根据前面讨论的结果,对所提出的检测方法在实验室进行了模拟实验,并对实验结果进行了分析,指出了产生误差的主要原因。同时提出了实用软件进行误差补偿的办法,并进行了实验验证。 本文提出开发研制CCD辊型检测仪,经实验证明,能够满足课题提出的技术指标要求,将辊型检测精度提高至0.1个像素水平,为开发实用的辊型仪奠定理论基础,然而,距真正实用须经历现场工业试验考核及完善。
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