专利名称：平直度自动测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及采用光学测量方法为其特征的仪器，是一种平直度自动测量方法及装置，尤其是测量与检验薄钢板的激光平直度自动测量系统。
背景技术：
在工业、国防、科研、生产各个地方，如飞机、火箭、潜艇、汽车、冰箱，仪器机架，甚至易拉罐等等都要用到板材，对板材表面的平直度(又称不平度或凸度)有不同的要求甚至是严格的要求。所以，生产与使用部门的对平直度的检验显得非常重要。可是，目前公知的平直度测量是采用比较简单的工具由人工方法进行的，如国内一些大的钢铁企业，虽然采用先进的进口生产线和测试设备，但是钢板平直度的测量却采用角尺和塞尺进行。
查到的一些专利，仍然用人工进行，如弹簧板、板上安装2根钢丝的钢板不平度测量仪(CN01268644.1)，用直尺和百分表的平直度检测器(CN92228820)用水准器和扭簧表的新颖平直度测量仪(计量与测试技术，1994，No5)等。
稍微自动一些的如板材不平度自动数字测量仪，(CN91231110.X)，它由导轨、直尺、测量架和一个数显百分表等组成，测量时，导轨放在板材上，钢直尺与板材直接接触，测量架在导轨上来回运动，由数显表测出钢直尺和板材距离，单片机数字显示出不平度，免去了部分计算，由于导轨与钢尺直接与被测板材接触，所以不能用来测薄板。
还有用5组3激光光源的在线轧制带材平直度测量仪(CN96100723.0)、7×3组激光的在线LF-100型激光平直度，只能够测2mm以上钢板，误差1mm。
而测张力分布的带材平直度测量装置(CN01125785)、法国韦克莱奇姆公司的测高温金属产品平直度的平直度的测量方法及其装置(CN01143319.1)等平直度的自动测量装置，这些仪器或造价昂贵，或精度低或不能测薄板，不宜灵活用于生产现场和钢板使用单位的产品检验。
发明内容
本发明的目的是解决板材，尤是薄金属板材的平直度的自动测量问题，解决在轧钢厂高温环境下，人工进行平直度测量时劳动强度大，测量占用的停工时间长，效率低等问题。
本发明的技术方案是提供一种平直度自动测量装置，采用激光与图象处理等技术对物体表面平直度进行全自动测量；它由计算机4控制的激光浪形测量传感器1，测量线及测头位置自动设定器2和非接触导轨机座3加上系统软件5而构成。
激光浪形测量传感器1由半导体激光器7、挡光板8、CCD摄像头11、图象采集卡13与测头滑块10等组成，图象采集卡13插在计算机4中，测头滑块10固定激光器7和CCD摄像头11，并载着它们在X方向导轨14上滑动。
测量线及测头位置自动设定器2由计算机4控制的两个伺服电机17、18、相应的传动机械和固定在机架19上的两组导轨14、20组成，伺服电机17带动测头滑块10通过传动带沿X方向导轨14滑动定位；伺服电机18通过传动轮带动整个测量机架19沿Y方向在机座导轨20上移动。
Y方向导轨20由两条合金铝方型材固定在两根固定支脚21上，构成非接触导轨机座3，被支撑在测量平台15之上；在X方向导轨14与Y方向导轨20的两端都装有限位微动开关；单片机控制的伺服电机驱动电路板固定在测量机架19上。
测量装置与计算机的连接一条电缆从机内单板机的RS232串口接至计算机RS232串口；一条视频线从CCD摄像头11输出接至计算机内插的图象卡13的视频输入口。
本发明自动测定板材平直度的方法是使用平直度自动测量装置，用一字形可见光半导体激光束垂直照射到被测板材16表面，表面上形成的高亮度的代表表面平直度的特征曲线；CCD摄像头11配合图象采集卡13或数码摄像头获取曲线的数字图象信号；计算机4通过系统软件5控制的X、Y方向伺服电机17、18驱动的定位机械，使CCD摄像头11自动按程序定位在测量平台15与被测板材16表面的中间、表面的边缘，采取多条取样测量线上的多个位置自动进行测量，获得各测量取样线上连续的图象信号；计算机4处理全部数字图象信号，取得曲线上各点的Xi、Yi值，便绘出并在计算机4屏幕显示出的沿各取样测量线上板材16表面的浪形曲线、浪高、浪距、板材厚度、平直度、急峻度、延伸差等测量结果，并自动判断板材16平直度的质量等级，打印出测量结果报表，实现超差报警，数据查询等工作。CCD摄像头的像素越多、配合图象采集卡的分辨率越高，或数码摄像头的像素越多，CCD视场中摄取的面积越小，测量精度越高。取样测量线越多，测得结果的代表性越好，最终可以取得物体表面起伏的数字三维模型。
而测量线材的平直度时，测量一条取样测量线即可。
发明的优点和积极效果1.该测量方法可以应用到其他测量平直度的领域，如路面，石材，钢轨等等的平直度自动测量，只需要调整参数结构即可；2.非接触测量，可以测量各种厚度的板材的平直度，特别是各种黑色和有色金属薄板和超薄板(箔)平直度的自动测量；3.测量过程完全自动化，测量速度快，生产线停顿时间短，效率高；4.较人工测量的取样点多，无人差，代表性误差小，精度高，较真实地反映了产品的平直度质量；5.数据记录完整，查询方便；6.工人劳动强度降低，且节省人力。
仪器适合于工厂生产线、车间及板材使用单位的检验部门以及研究实验室应用。
图1激光板材平直度自动测量装置的构成框图，图2激光浪形测量传感器工作原理图，图3测量线与测头滑块位置自动设定器的结构示意图，图4测量线及测头位置位置自动设定器的第二种结构示意图。
图1展示了计算机4通过系统软件5控制激光浪形测量传感器1、测量线及测头位置自动设定器2和非接触导轨机座3而构成的激光板材平直度自动测量装置。
图2展示了激光浪形测量传感器1的构成和工作状况。
激光浪形测量传感器1由半导体激光器7、挡光板8、CCD摄像头11、图象采集卡13与测头滑块10等组成，图象采集卡13插在计算机4中，测头滑块10固定激光器7和CCD摄像头11，并载着它们在X方向导轨14上滑动。
半导体扩束激光器7是一种可见光半导体激光器，在它的发射光路上装有扩束透镜，出射一束圆形激光光斑。该激光器7固定在测头滑块10上，使激光光轴垂直于被测板材16表面，在光路上设置一档光板8，使得在被测板材16的表面呈现出一个完整的半圆形光斑，光斑直径的边缘清晰，它与板材16表面的交线是一条反映板材16表面起伏不平的浪形曲线；该曲线成像在CCD摄像头11的视场中，并被CCD摄像头11摄取。
CCD摄像头11是一种30万以上像素的黑白或彩色摄像头，摄像头采用f＝6～10mm无桶形失真镜头。摄像头11固定在测头滑块10上，离光斑数厘米远，它的光轴与被测板材16平面成a角。摄像头11与激光器7的位置相对严格不变。摄像头11输出的视频图象信号通过视频连接电缆12送图象采集卡13。
图象采集卡13插在计算机4中，它将输入的模拟图象转换成数字图象信号，供计算机处理。图象采集卡13捕捉图象的分辨率不低于640*480，通常采用可供用户编程的SDK型卡。
CCD摄像头11与图象采集卡13得到数字图象信号，供计算机4捕捉和进行图象与数据处理。这两者也可以由功能相同或功能更强的数码摄像头代替。数字图象信号通过USB电缆接计算机4。
测头滑块10固定激光器7和CCD摄像头11，并载着它们在X方向导轨14上滑动。滑动靠计算机4控制的伺服电机17、18通过带齿传送带驱动，使整个测头滑块10沿着测量取样线，从始至终一次一次的移动、取样、测量，直至得到整个测线的连续浪形测量结果。测头滑块10也可以用其他方法如伺服电机驱动的精密丝杠等等带动。
图2中，H0——可测的最大浪高，取决于待测板材的要求；a——摄像头11光轴与测量平台15平面的夹角，根据H0和CCD摄像头11的焦距f及要求的浪高测量精度确定为小于30度。
图3展示了测量线及测头位置自动设定器2和非接触导轨机座3的构成与工作状况。
测量线及测头位置自动设定器2由计算机4控制的两个伺服电机17、18、相应的传动机械和两组导轨14、20组成。伺服电机17带动测头滑块10通过传动带沿X方向导轨14滑动定位，使在取样测量线的各个选定的位置上获取图象；伺服电机18通过传动轮带动整个测量机架19沿Y方向在机座导轨20上移动，用以选择与固定测线位置。
非接触导轨机座3由两条横跨在被测钢板16上方的导轨20和导轨20的固定支脚21构成，支脚21支撑在测量平台15上。导轨强度高，平直光滑，不变形并保证机座3与整个测量装置不与被测板材16接触。
图4展示了本发明装置用来测量线材和用来在线测量板材表面的平直度的工作状况，Y导轨20设置短或不设置。为了保证激光光斑特征线的清晰度和光电元器件不受灰尘、潮气侵扰，测量机架19被轻质材料外壳罩好。如果外界环境很明亮，还要用黑丝巾在外罩的适当地方遮光。
激光浪形测量传感器1与测量线及测头位置自动设定器2由以下装置取代，其特征是在测量机架29上，安装一个或多个激光器25垂直投射一字形光标于被测板材16上。一字形紧密排列多个同型号、同性能的CCD摄像头26，使每个摄像头摄取测线X方向上一小段图象。然后用简单的数字电路27，自动分时将图象送往图象采集卡13插入计算机4；计算机程序取得测线上板材浪形完整连续的数据和曲线。该方法可以取消要求精度较高的X方向的机电方法定位，甚至定位精度要求不高的Y导轨驱动也可以简化或半自动化，这样体积、质量可小些。对测量小宽度，小浪距板材或线材较适合；但是相对比来，对挑选CCD摄像头11及其光路调整麻烦。
一字形排列的多激光与多CCD摄像头构成的浪形测量装置可用于在线测量。只要控制多CCD摄像头同时曝光，1/1000秒高速拍摄，存储影像，再输至计算机处理即可。根据需要，可以采用1列或多列浪形测量装置。
计算机4采用可以在选定的测量环境下连续工作，可较快地进行数字图象采集和处理，可靠性高的任何一种类型的计算机皆可；操作系统可用WIN98或以上版本。工业控制机当属首选。对小型化的仪器，可以用PDA和WINCE操作系统。根据测量现场需要与方便操作的要求，计算机可以与测量机架29分开，也可以装在一起。
测量控制软件5用VB或其他语言编写。主要功能有系统复位与自检；可人工控制和检查各部分的工作，便于调试和校准；测量开始前，用计算机键盘输入各种要求的参数；按设定的程序全自动进行平直度的测量——包括先测定平台15的平直度，进行自校准，并测定H0；接着控制伺服电机的运动，设定测量线在测量线上获取图象测量浪形，移动到下一个位置，再测量，直至完成对板材上数条测线的浪形浪距测量，得到各条测线的连续的浪形曲线；数据处理计算出不平度及其他测量与计算结果如H0、板厚、平直度、急峻度、延伸差等测量结果，并自动判断板材平直度的质量等级；打印测量结果报表；实现超差报警；提供数据查询；远程控制等。
具体实施例方式实施例1使用激光平直度自动测量装置测量板材的平直度的平直度。
半导体激光器扩束光源采用2mW半导体激光器7，固定在测头滑块10上，激光光轴垂直于测量平台15平面，其发散光斑射在90mm远的测量平台15上的直径约33mm；在光路上距测量平台15的22mm处(22mm大于Ho)设置一片挡光板8，使光斑正好成半圆形，且直径平行于X导轨14；在测头滑块10上用一支架固定黑白CCD摄像头11，其型号为BL-210B，420线，配8mm镜头，a角约24度，距激光光斑的中心约60mm。CCD摄像头11的输出经过视频电缆12送插在计算机中的PCI插槽中的VT-210视频图象采集卡13，其静态采集分辨率为768*576。
当测量线定位在测量平台上时，激光束照射到测量平台上，在计算机4中，显示出的光斑图象为白色，光斑直径像为一条直线，它靠近屏幕下边且平行于屏幕上下边框。直径以上部分的屏幕为黑色。从屏幕图象可以测得对应于直径上任何一个X值对应的Y值。这个Y值就是H0。H0是仪器可以测量的最大浪高；当测量线处于被测板材上时，激光光斑直径在被测板材上的像成为一条曲线，该曲线反映了板材表面的平直度；测定图象上各事先选定的Xi值对应的Yi值；计算机4测量并存储好一个CCD摄像头11视场内的Xi、Yi后，由定位系统控制着自动移到紧邻的下一个位置，再次测定Xi、Yi，直至全测线测完。
然后又在计算机控制下，将载有整个X方向导轨14、激光浪形测量传感器1和伺服电机17的测量机架19沿Y方向导轨20移动到第2条测线上。如此这般，测完所有的Xi、Yi值。再移到第3条测线直至按设定的测量线全部测完，回到测量平台15上。
与此同时计算机4中完成了数据处理，计算并在屏幕上显示出每条测线上测得的浪高、浪距、板厚、板形变化曲线、平直度、急峻度、板材平直度的质量等级、测量结果，以报表打印出来。
测量线及测头位置自动设定器2即是在测量机架19上固定工字形X方向导轨14，导轨长800mm，上嵌有可在上面移动的测头滑块10。滑块10靠伺服电机17(常州生产的57BYG)配合带齿皮带驱动。伺服电机17由计算机程序控制，最小步距为0.01mm。机架19上的伺服电机18(57BYG)通过皮带轮带动胶辊在Y方向机座导轨20上移动，移动距离由计算机程序控制，用以设定测量线。Y方向导轨20由两条合金铝方型材固定在两根固定支脚21上。导轨20的长度跨越被测板材16，比板材宽60mm，这里选1100mm长。在X方向导轨14与Y方向导轨20的两端都有限位微动开关保护。为方便系统的调试，采用了通常用的单片机控制的伺服电机驱动电路板。该板固定在测量机架19上，用几个触摸键控制伺服电机17、18复位、速度、方向等。
供电系统CCD摄像头11、半导体激光器7、伺服电机17、18、单片机皆由220V市电通过单相1KVA交流稳压器，经机内一个60W的变压器降压，整流和稳压供电。风冷散热。
测量系统与计算机的连接一条电缆从机内单板机的RS232串口接至计算机RS232串口；一条视频线从CCD摄像头11输出接至计算机内插的图象卡13的视频输入口。
校准通过测量放在测量平板上的经计量部门检定过的几个量块，可以校准浪高测定值。
由计算机自动计算出修正值和对测量结果加以修正。
实施例2
激光平直度自动测量装置测量板材。
其特征是在测量机架29上，安装23个激光器25，它们垂直投射于被测板材上。挡光板32采用一条不锈钢合金直尺，尺边光滑平整，与各激光器25的光轴垂直且相交。各激光器投射在测量平板上的光斑为半圆形，直径影象为一条直线。在测量机架29上一字形紧密排列固定了23个BL-210B配8mm镜头的CCD摄像头11，安装的a角约24度。各CCD摄像头距对应的激光器7的激光光斑的中心约60mm。使每个摄像头11摄取测线X方向上一小段图象，23个CCD摄像头11可测量X方向上690mm长的测线的浪形。各CCD摄像头11的输出通过简单的数字电路27，自动将图象送往图象采集卡13。计算机程序便可以取得测线上板材浪形完整连续的数据和曲线。该方法取消了X方向导轨及其伺服电机和驱动电路。取消了测头滑块。无任何机械动作就可以测完一条测量取样线的浪形测量工作。
测量机架29上的一个伺服电机18(57BYG)通过皮带轮带动胶辊在Y机座导轨20上移动，移动距离由计算机程序控制，用以设定测量线。Y导轨20由两条合金铝方型材固定在两根固定支脚21上。导轨20长度跨越被测板材16，比板材宽60mm，这里选1100mm长。在Y导轨20的两端装有限位微动开关保护。系统的其余部分与实例1基本相同。
权利要求
1.一种平直度自动测量装置，由计算机4控制的激光浪形测量传感器1，测量线及测头位置自动设定器2和非接触导轨机座3加上系统软件5而构成，其特征在于①激光浪形测量传感器1由半导体激光器7、挡光板8、CCD摄像头11、图象采集卡13与测头滑块10等组成，图象采集卡13插在计算机4中，测头滑块10固定激光器7和CCD摄像头11，并载着它们在X方向导轨14上滑动；②测量线及测头位置自动设定器2由计算机4控制的两个伺服电机17、18、相应的传动机械和固定在机架19上的两组导轨14、20组成，伺服电机17带动测头滑块10通过传动带沿X方向导轨14滑动定位；伺服电机18通过传动轮带动整个测量机架19沿Y方向在机座导轨20上移动；③Y方向导轨20由两条合金铝方型材固定在两根固定支脚21上，构成非接触导轨机座3，被支撑在测量平台15之上；在X方向导轨14与Y方向导轨20的两端都装有限位微动开关；单片机控制的伺服电机驱动电路板固定在测量机架19上；④测量装置与计算机的连接一条电缆从机内单板机的RS232串口接至计算机RS232串口；一条视频线从CCD摄像头11输出接至计算机内插的图象卡13的视频输入口；⑤计算机4采用可以在选定的测量环境下连续工作，可较快地进行数字图象采集和处理，可靠性高的任何一种类型的计算机皆可；操作系统可用WIN98或以上版本；工业控制机当属首选。对小型化的仪器，可以用PDA和WINCE操作系统。根据测量现场需要与方便操作的要求，计算机可以与测量机架29分开，也可以装在一起；⑥测量控制软件5用VB或其他语言编写。主要功能有系统复位与自检；可人工控制和检查各部分的工作，便于调试和校准；测量开始前，用计算机键盘输入各种要求的参数；按设定的程序全自动进行平直度的测量——包括先测定平台15的平直度，进行自校准，并测定H0；接着控制伺服电机的运动，设定测量线在测量线上获取图象测量浪形，移动到下一个位置，再测量，直至完成对板材上数条测线的浪形浪距测量，得到各条测线的连续的浪形曲线；数据处理计算出不平度及其他测量与计算结果如H0、板厚、平直度、急峻度、延伸差等测量结果，并自动判断板材平直度的质量等级；打印测量结果报表；实现超差报警；提供数据查询；远程控制等。
2.测量板材平直度的方法，其特征在于使用平直度自动测量装置，用一字形可见光半导体激光束垂直照射到被测板材16表面，表面上形成的高亮度的代表表面平直度的特征曲线；CCD摄像头11配合图象采集卡13或数码摄像头获取曲线的数字图象信号；计算机4通过系统软件5控制的X、Y方向伺服电机17、18驱动的定位机械，使CCD摄像头11自动按程序定位在测量平台15与被测板材16表面的中间、表面的边缘，采取多条取样测量线上的多个位置自动进行测量，获得各测量取样线上连续的图象信号；计算机4处理全部数字图象信号，取得曲线上各点的Xi、Yi值，便绘出并在计算机4屏幕显示出的沿各取样测量线上板材16表面的浪形曲线、浪高、浪距、板材厚度、平直度、急峻度、延伸差等测量结果，并自动评定板材16平直度的质量等级，打印出测量结果报表，实现超差报警，数据查询等工作。CCD摄像头的像素越多、配合图象采集卡的分辨率越高，或数码摄像头的像素越多，CCD视场中摄取的面积越小，测量精度越高；取样测量线越多，测得结果的代表性越好，最终可以取得物体表面起伏的数字三维模型；而测量线材的平直度时，测量一条取样测量线即可；用多个激光浪形测量传感器排成一列或数列，对板材上形成的多条浪形特征线采取高速快门，同时曝光，计算机处理，可以在线测定板材不平度；快门速度主要由板材运行速度与要求的测量精度确定，不大于1/1000秒。
3.根据权利要求2使用平直度自动测量装置测量板材的方法，其特征在于H0——可测的最大浪高，取决于待测板材的要求；a——摄像头11光轴与测量平台15平面的夹角，根据H0和CCD摄像头11的焦距f及要求的浪高测量精度确定为小于30度。
4.根据权利要求1所述的平直度自动测量装置，其特征是激光浪形测量传感器1，有如下结构方式①单个激光浪形测量传感器1，配合测量线及测头位置自动设定器，在计算机4控制下，沿一条测线、一条测线地进行，完成全部测量工作；②一字形排列的多个激光浪形测量传感器1配合Y导轨及驱动伺服电机，在计算机4控制下，沿一条测线、一条测线地进行测量并完成全部工作；③用一列或多列一次形排列的多个激光浪形测量传感器1，用高速快门同时爆光拍摄生产线上行进中的板材的浪形，存储并由计算机4处理，完成在线测定平直度的全部工作。
5.根据权利要求2所述的自动测定板材平直度的方法，其特征在于在测线上取得一字形激光光标与浪形特征线的方法，可以是一个带一字形光标的激光器7，斜射到被测板材表面；或用一字形排列的多个激光器7，通过一个直尺状挡光板8，挡去一半光斑，垂直照射到被测板材表面；或用一个激光器7经过一挡光板8垂直投射半圆形光斑，或投射一字形光斑，由伺服电机带动，在X导轨上移动，形成完整的浪形特征线。
全文摘要
本发明涉及采用光学测量方法为其特征的仪器，是一种平直度自动测量方法及装置，尤其是测量与检验薄钢板的激光平直度自动测量系统，其特征在于激光浪形测量传感器1由半导体激光器7、挡光板8、CCD摄像头11、图象采集卡13与测头滑块10等组成，图象采集卡13插在计算机4中，测头滑块10固定激光器7和CCD摄像头11，并载着它们在X方向导轨14上滑动。本发明可以测量各种厚度的板材的平直度，测量过程完全自动化，测量精度高、速度快，生产线停顿时间短、效率高，灵活用于生产现场和钢板使用单位的产品检验。
文档编号B21B38/02GK1593801SQ0312481
公开日2005年3月16日 申请日期2003年9月12日 优先权日2003年9月12日
发明者张学庄, 张驰 申请人:张学庄, 张驰