基于ccd图像的轧辊圆柱度误差检测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于CCD图像的轧辊圆柱度误差检测装置，通过连接支架（16）的两横向顶尖支撑被测轧辊（24）两端面，利用被测轧辊（24）一侧的光源系统向被测轧辊（24）侧面发出两条平行光束，并在被测轧辊（24）另一侧的第一CCD阵列（6）和第二CCD阵列（7）上成像，两阵列安装在被测轧辊（24）的同一横截面内，并分别对准被测轧辊（24）的上下边缘处，通过使被测轧辊（24）沿其轴向旋转，以及两个CCD阵列沿被测轧辊（24）轴向的平移，从而采集到被测轧辊（24）各个轴侧面的边缘位置及直径的数据，并进行圆柱度误差计算，在非接触测量下提高检测精度。
【专利说明】基于CCD图像的轧辊圆柱度误差检测装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种基于电荷稱合器件CCD (Charge Coupled Device)图像的误差检测装置，尤其适用于精确检测轧辊圆柱度误差。
【背景技术】
[0002]轧辊是带钢板材轧制过程中的一种重要的冶金工具。轧机利用其上的一对或一组轧辊滚动时产生的压力来轧碾钢材，可见轧辊的形位精度直接影响轧钢产品的加工质量，因此在轧制过程中须给定适宜的误差。圆柱度公差是实际圆柱面对理想圆柱面所允许的最大变动量，包含了轴剖面和横剖面两个方面的公差，用以限制加工误差所允许的变动范围，而轧辊的圆柱度误差是否在控制的误差之内，则要通过测量加以判定。
[0003]然而，常用的测量方法如轴心基准法、坐标法、两点法和三点法等，多是接触测量，是靠人眼来读刻度的，所测数值因人而异，从而导致多次测量结果的重复性存在差异。近年来，采用配备圆柱度误差测量软件的圆度仪、三坐标测量机或形状测量仪等来检测圆柱度误差，但是仪器价格昂贵，测量成本较高，而量具本身由于温度和机械方面的原因又极易变形，容易带来测量误差，所以导致测量时费时费力而测量结果具有很大的不确定性，尤其圆度仪操作环境要求严格、不能用于车间现场，三坐标测量机则是测量过程非常耗时、不利于现场大量测量。
[0004]总的来说，现有的针对轧辊圆柱度误差检测的综合测量技术还不理想。因此，为进一步提高轧钢产品的加工质量，如何提高轧机轧辊圆柱度误差检测的精度已成为一项迫切的研究课题。
【发明内容】
[0005]针对上述现存的技术问题，本实用新型提供一种基于CCD图像的轧辊圆柱度误差检测装置，利用CCD图像检测和伺服控制技术实现轧辊圆柱度误差的非接触式测量，能够得到轧辊所有分辨率精度的截面圆度，以提高检测的速度和精度。
[0006]所谓的CCD (Charge Coupled Device)是电荷藕合器件图像传感器。它使用一种高感光度的半导体材料制成，由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位，能把光信号转换成电荷信号，通过外部模数转换器转换成数字图像信号。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面，作用就像胶片一样，并可结合伺服控制技术将画面显示出来。
[0007]本实用新型提供一种基于CXD图像的轧辊圆柱度误差检测装置，包括连接有两顶尖的支架，所述的两顶尖支撑被测轧辊两端面中心，并能带动被测轧辊沿自身轴线旋转；包括位于被测轧辊一侧的光源系统、位于另一侧的第一 CXD阵列和第二 CXD阵列，且第一、二CCD阵列在被测轧辊同一轴侧面的垂直面内，分别接收被测轧辊上下边缘处的成像，并可沿平行于被测轧辊轴线方向移动；还包括分别与第一、二 CCD阵列电连接的图像采集卡，与图像采集卡依次电连接的计算机和IXD显示屏。
[0008]进一步，CXD主要分为线阵CXD和面阵(XD，线阵CXD具有像元数多、速度快、价格低等优点，采用线阵CCD配合运动扫描机构可以实现二维图像的扫描，且线阵CCD获取的图像在扫描方向上的精度可高于面阵CCD图像，线阵CCD加扫描运动获取图像的方案目前仍使用广泛，尤其是在要求视场大，图像分辨率高的情况下甚至不能用面阵CCD替代，所以第一 CXD阵列和第二 CXD阵列选用线阵CXD。
[0009]进一步，由于要求测量精度高，线阵CXD又处于运动状态，因此对物体的照明提出了较高要求，即所述的光源系统发出两条上下排列的平行光束，分别照射到被测轧辊侧面的上下边缘处，如此可以减少外界光照对测量结果的影响。
[0010]进一步，所述的光源系统包括向被测轧辊方向发出光线的激光光源、扩束该光线的激光扩束镜，将该扩束光线分别向两侧折射的棱镜，将该两束折射光线反射至被测轧辊轴侧面上下边缘处的第一反射镜和第二反射镜。可知，激光光源发出的光经过激光扩束镜形成平行光束，平行光束经棱镜两面分别反射到第一反射镜、第二反射镜上面，继而经第一反射镜、第二反射镜反射成两束平行光束。
[0011]进一步，所述的图像采集卡主要由A/D转换器、可编程逻辑器件FPGA、ARM单片机和同步动态随机存储器SDARAM组成。
[0012]进一步，所述的两顶尖由旋转步进电机驱动绕被测轧辊轴线旋转，旋转步进电机的转动由步进电机驱动器和计算机控制。
[0013]进一步,第一、二 (XD阵列通过固定连接的工作台在相配合的第一、二齿轮带动下沿平行于被测轧辊轴线方向的导轨平移来实现移动，且第二齿轮通过移动步进电机驱动旋转、移动步进电机的转动通过步进电机驱动器和计算机控制。
[0014]进一步，所述的计算机还连接有打印机，可实时打印出IXD显示屏上的信息。
[0015]本检测装置采用CCD与计算机相结合的视觉技术不但能够实现轧辊圆柱度误差项目的非接触检测，还能用图像采集卡在很短的时间内采集到大量的边缘点，整个检测过程由计算机控制完成，自动化和智能化程度较高。相对于人工检测所固有的主观性、易疲劳、速度慢、成本高、强度大等缺点，本装置检测表现了其一致性、精确性、重复性等无与伦比的优点，具备抗电磁干扰、高灵敏度、使用灵活、检测效率高等特点，能满足轧辊形位误差测量精度及环境要求。同时克服了现有检测设备价格昂贵，对环境要求比较高，及有的测量项目单一的缺陷。对提高我国带钢板材生产技术水平和发展我国科学仪器产业具有促进作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型的结构及原料示意图；
[0017]图2为本实用新型支架处的局部结构示意图；
[0018]图3为本实用新型硬件的电原理框图；
[0019]图中:1、激光光源,2、激光扩束镜,3、棱镜,4、第一反射镜,5、第二反射镜,6、第一CXD阵列，7、第二 CXD阵列，8、图像采集卡，9、IXD显示屏，10、移动驱动器，11、移动步进电机，12、第一齿轮，13、第二齿轮，14、工作台，15、计算机，16、支架，17、旋转步进电机，18、旋转驱动器，19、A/D转换器，20、可编程逻辑器件FPGA，2UARM单片机，22、同步动态随机存储器SDARAM，23、打印机，24、被测轧辊。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0021]如图1所示，轧辊24的两端面中心通过安装于支架16上的两横向顶尖支撑，且上述顶尖可绕被测轧辊24轴线旋转，以方便测量被测轧辊24同一横截面上的不同直径。如图2所示，两顶尖由旋转步进电机17驱动绕被测轧辊24轴线旋转，步进电机17的转动由步进电机驱动器18和计算机15控制。
[0022]被测轧辊24侧设有光源系统，实施时，光源系统可发出两条上下排列的平行光束，分别照射到被测轧辊24轴侧面的上下边缘处。进一步实施时，光源系统包括相对被测轧辊24由远及近放置的激光光源1、激光扩束镜2和棱镜3，以及放置于棱镜3上下两侧的第一反射镜4和第二反射镜5。
[0023]被测轧辊24另一侧设有第一 CXD阵列6和第二 CXD阵列7，实施时选用线阵(XD，因被测轧辊2直径较大，为确保阵列成像边缘清晰，故而将两个CCD阵列安放在被测轧辊24的同一轴侧面的垂直面内，并分别对准被测轧辊24的上下边缘处。为使两阵列能够接收到被测轧辊24各个轴侧面的成像，将两者连接在位于被测轧辊24下方的工作台14上，如图1所示，工作台14底部设有相互配合的第一齿轮12和第二齿轮13，且第二齿轮13连接移动步进电机11、步进电机11的转动由步进电机驱动器10和计算机15控制,通过移动步进电机11驱动工作台14沿平行样轧辊轴线24轴线方向的导轨移动，从而测量出轧辊不同横截面处的直径。并通过分别与第一、二 CXD阵列6、7电连接的图像采集卡8传递成像信息，再传输给与图像采集卡8依次电连接的计算机15和IXD显示屏9处理显示。
[0024]上述实施例中，如图3所示，所述的图像采集卡8主要由A/D转换器19、可编程逻辑器件FPGA20、同步动态随机存储器SDARAM22和ARM单片机21组成。整个系统的图像数据采集电路使用可编程逻辑器件FPGA 20和ARM单片机21相配合共同完成，可编程逻辑器件FPGA20以其精准的时间控制能力以及多线程的处理能力特别适合做数据传输与采集的接口部分，也是连接系统前端和后端的桥梁；ARM单片机21以其强大的控制能力做装置的数据采集接口核心处理单元，作为装置总体控制和FPGA20配合共同实现数据的高速采集。
[0025]本检测装置基于第一 CXD阵列6、第二 CXD阵列7成像进行轧辊圆柱度误差的检测工作。首先，激光光源I发出的光经过激光扩束镜2形成平行光束，平行光束经棱镜3两直角面分别反射到第一反射镜4、第二反射镜5上面，继而经第一反射镜4、第二反射镜5反射成两束平行光束。两束平行光束照射到被测轧辊24上，然后在第一、二 CCD阵列6、7上成像。
[0026]其次，将被测轧辊24 —横截面等分成η个测量点，通过支架16顶尖驱动被测轧辊24沿自身轴向旋转，即被测轧辊24每转过θ=360° /n角，便可通过第一、二 C⑶阵列6、7采集一次轧辊的侧面正投影图像。
[0027]然后，图像采集卡8把第一、二 CXD阵列6、7上的光信号转换成电信号，也就是把原始图像转化为数字图像，然后通过与计算机15相连的PCI总线将图像采集卡8内存中的图像传送到计算机15内存，再利用开发的软件系统进行图像处理。由于被测轧辊24是不透光的，被轧辊24遮挡住的第一、二 CCD阵列6、7表面会形成阴影，阴影下的光敏单元会输出暗信号；有光束照射到的第一、二 CCD阵列6、7表面的光敏单元部分产生载流子，产生输出电压，如图3所示，进行A/D转换后会产生数字信号，FPGA20采集此数字信号，再依次传输给ARM单片机21和计算机15。
[0028]再者，对于采集到计算机15里的数据，采用本领域技术人员常用的数据处理方法，其中二值化算法及误差分析及校准算法部分可由数学分析软件MATLAB完成，，然后通过判别后的二值化数据来计算出被测轧辊24成像轴侧面边缘部分的位置，进而计算出被测轧辊24成像轴侧面的尺寸。
[0029]最后，移动步进电机11驱动连接有第一、二 CXD阵列6、7的工作台15沿被测轧辊24轴线方向移动，从而测量出被测轧辊24轴向不同截面处的直径，进而测出轧辊24的圆柱度误差。
[0030]上述各实施例中，所述的计算机15还连接有打印机23，可打印出各种成像及数据分析结果。
【权利要求】
1.一种基于CCD图像的轧辊圆柱度误差检测装置，其特征在于，包括连接有两顶尖的支架(16)，所述的两顶尖支撑被测轧辊(24)两端面中心，并能带动被测轧辊(24)沿自身轴线旋转；包括位于被测轧辊(24) —侧的光源系统、位于另一侧的第一 CCD阵列(6)和第二C⑶阵列(7)，且第一、二 C⑶阵列(6、7)在被测轧辊(24)同一轴侧面的垂直面内，分别接收被测轧辊(24)上下边缘处的成像，并可沿平行于被测轧辊(24)轴线方向移动；还包括分别与第一、二 CCD阵列(6、7 )电连接的图像采集卡，与图像采集卡依次电连接的计算机(15 )和LCD显示屏(9)。
2.根据权利要求1所述的一种基于CCD图像的轧辊圆柱度误差检测装置，其特征在于，所述的第一、二 CXD阵列(6、7)选用线阵(XD。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于CCD图像的轧辊圆柱度误差检测装置，其特征在于，所述的光源系统发出两条排列的平行光束，分别照射到被测轧辊(24)轴侧面的上下边缘处。
4.根据权利要求3所述的一种基于CXD图像的轧辊圆柱度误差检测装置，其特征在于，所述的光源系统包括向被测轧辊(24)侧面发出光线的激光光源(I)、扩束该光线的激光扩束镜(2)，将该扩束光线分别向两侧折射的棱镜(3)，将该两束折射光线反射至被测轧辊(24)轴侧面上下边缘处的第一反射镜(4)和第二反射镜(5)。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于CXD图像的轧辊圆柱度误差检测装置，其特征在于，所述的图像采集卡主要由A/D转换器(19)、可编程逻辑器件FPGA (20)、ARM单片机(21)和同步动态随机存储器SDARAM (22)电连接组成。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于CXD图像的轧辊圆柱度误差检测装置，其特征在于，所述的两顶尖由旋转步进电机(17)驱动绕被测轧辊(24)轴线旋转，旋转步进电机(17 )的转动由步进电机驱动器(18 )和计算机(15 )控制。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于CXD图像的轧辊圆柱度误差检测装置，其特征在于，所述的第一、二 CXD阵列(6、7)固定连接在工作台(14)上，工作台(14)可在相互配合的第一齿轮(12)和第二齿轮(13)带动下沿平行于被测轧辊(20)轴线方向的导轨平移，且第二齿轮(13)通过移动步进电机(11)驱动旋转、移动步进电机(11)的转动通过步进电机驱动器(10)和计算机(15)控制。
8.根据权利要求1或2所述的一种基于CXD图像的轧辊圆柱度误差检测装置，其特征在于，所述的计算机(15)还连接有打印机(23)。
【文档编号】G01B11/24GK204007540SQ201420339190
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2014年6月24日
【发明者】韩翔, 王治国, 钟佩思, 孙大威, 马家威 申请人:徐州工程学院, 徐州胜海机械制造科技有限公司