专利名称：横截面积分式连铸坯激光视觉定重切割方法及定重装置的制作方法
技术领域：
本发明属于冶金领域，涉及一种炼钢连铸生产过程中的测定方法，具体地说是一 种横截面积分式连铸坯激光视觉定重切割方法及定重装置。
背景技术：
连铸坯在进入下一道轧制工艺前应进行定重切割，但由于定重问题一直没有得到 很好解决，目前国内绝大多数钢铁企业都采用定长切割系统。受连铸过程中结晶器的磨损、 钢水合金成分和拉速变化等因素的制约，导致在同一流、不同时间段所拉铸同样长度铸坯 的重量不相同，且差异较大，即铸坯的横截面面积时刻在变化。这个差异会直接影响产品的 成材率，目前采用定尺切割的成材率在96%左右。近年来，国内外在连铸坯定重问题上，以定长理论为基础，取得了很大的进步。具 有代表性的成果有两个方面①宁波中和衡器有限公司和石家庄宝钢科技有限公司提出了连铸坯在线定尺定 重切割技术方案。该方案利用前后相邻两段连铸坯密度和横截面面积相差较少的客观情 况，在定尺切割系统的基础上，增加了称重系统。当前一段切下时，马上称其重量，再根据切 割的长度计算出密度和横截面面积的乘积，利用该乘积计算出下一段的应切长度，以此类 推。这一技术在一定程度上提高了定重精度，但需要在现有定尺切割系统的基础上，增加称 重系统，因而需要对现有生产线做较大的改造，不但成本高，而且在有些情况下根本无法实 现；再者，由于其不是真正意义上的定重切割，所以效果不太明显。②国内外一些高校和研究机构尝试了将激光视觉技术应用到连铸坯的定重切割 系统中，但由于实质上是利用视觉技术来提高测长的精度，并没有涉足定重的本质问题 (即如何提高测量连铸坯横截面面积的精度)，因此其效果也是不太明显。专利号为031643373的中国实用新型专利说明书，公开了一种“体积法连铸坯定 重剪切装置”，利用摄像机和激光辅助测厚装置，在一个定长段内只测一次横截面面积，由 体积和测得的横截面面积计算出应切长度，最后由摄像机或非接触式位移传感器测定应切 长度。所以该专利装置假定在一定长段内连铸坯的横截面面积不变，再加上测长也会有误 差，所以其理论精度仍不想想，具有很大的局限性。
发明内容
本发明要解决的技术问题，是提供一种横截面积分式连铸坯激光视觉定重切割方 法，通过视觉成像系统与切割系统同步技术，可实现连铸坯横截面轮廓面积在连铸坯传送 速度方向上的实时积分，实现连铸坯横截面轮廓面积的实时高精度计算，将现有定尺切割 系统技术升级为定重切割系统，大大提高连铸坯的定重精度，减少后续钢材产品的废品率， 从而提高生产效率和经济效益。本发明的另一个目的，是提供一种横截面积分式连铸坯激光视觉定重装置，用作 上述横截面积分式连铸坯激光视觉定重切割方法的载体，组成简单，计算精准，可实现连铸坯的视觉成像与切割同步进行。为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是一种横截面积分式连铸坯激光视觉定重切割方法，按照以下步骤顺序进行
②激光照射与CCD摄像机成像利用线性激光器在切割刀安装位置对应连铸坯横截面处进行激光照射，形成位于 同一竖向平面A内的光条，竖向平面A与连铸坯的轴线相垂直；于光条后部由CXD摄像机拍摄，成光条的全像；进行光条曲线拟合，得到连铸坯上 光条位置横截面的图像，②计算根据上述连铸坯光条位置横截面的图像，计算出连铸坯上光条位置横截 面的面积；以此类推，测出经过切割位置的每一个连铸坯成像横截面的面积Sit，并对其在 连铸坯行进速度方向上进行积分，确定定重切割的重量；③切割等达到所要求定重切割的重量时，实施切割。以上是本发明方法的基本组成，可实现连铸坯横截面轮廓面积在连铸坯传送速度 方向上的实时积分，大大提高连铸坯的定重精度，减少后续钢材产品的废品率，从而提高生 产效率和经济效益，经初步测算，对汽车钢等对定尺率要求较高的连铸坯而言，该方法可将 钢坯的成材率提高左右，每吨钢将节省50元，以石家庄钢厂年产200万吨汽车钢为例， 每年可节省1亿元。作为本发明的限定，所述步骤①是按照以下步骤顺序进行的(1)线性激光器的安装与调整安装在切割刀安装位置对应连铸坯横截面的左右两侧，分别安装一个朝向连铸 坯的线性激光器，即左侧线激光器与右侧线激光器；调整定重前对左侧线激光器与右侧线激光器进行调整，以使左侧线激光器照在 连铸坯的上表面和左侧面上的光束为光条状，分别为光条I与光条II ；调整后右侧线激光 器照在连铸坯的上表面和右侧面上的光束为光条状，分别为光条III与光条IV ；光条I IV位于同一竖向平面A内，调整后光条I与光条III重合；(3) CXD摄像机的安装与调整安装在与光条I IV所在竖向平面A后部(即与连铸坯行进方向的相反方向的 相应处)，于连铸坯的左右两侧各装有一架CXD摄像机即左侧CXD摄像机、后右侧CXD摄像 机，左侧CXD摄像机、右侧CXD摄像机位于与平面A呈一锐角的倾斜平面B上，左侧CXD摄 像机、右侧CXD摄像机的镜头朝向连铸坯；调整定重前对左侧CXD摄像机、右侧CXD摄像机进行调整，以使左侧CXD摄像机 能成光条I与光条II的全像，右侧CCD摄像机能成光条III与光条IV的全像，并标定左侧 CXD摄像机与右侧CXD摄像机之间的相对位置关系；(3)拍摄与成像当连铸坯以一定行进速度ν经过切割位置时，左侧C⑶摄像机、 右侧CCD摄像机同时拍摄光条图像，拍摄的图像将通过数据电缆由USB 口将图像对应的数 字信号传输到计算机，并利用计算机由图像处理和定重系统进行光条曲线拟合，得到连铸 坯上光条位置横截面的图像。以上是激光照射与CXD摄像机成像过程的具体步骤，可以实现连铸坯横截面轮廓 面积的实时高精度计算，由于CCD摄像机的像素级分辨率在微米级，所以所测连铸坯横截面面积的精度是以往其它方法所无法比拟的。作为本发明的另一种限定，所述步骤②按照以下步骤顺序进行根据连铸坯光条位置横截面的图像，利用计算机由图像处理和定重系统计算出连 铸坯上光条位置横截面的面积；以此类推，测出经过切割位置的每一个经成像的连铸坯成 像横截面的面积Sit ；由图像处理和定重系统将上述计算所得横截面面积Sit在连铸坯行进速度方向上 进行积分，确定定重切割的重量由于连铸坯横截面的面积变化与时间t没有确定的关系， 假定C⑶摄像机两次拍摄图像的时间间隔At内连铸坯横截面的面积不变，则定重重量w
为W=二 …ν,式中ρ为连铸坯密度，ν为连铸坯传送速度；Si为某时刻连
/=1
铸坯横截面面积；At为摄像机相邻两次拍照间隔时间。以上为计算步骤的具体过程，该计算过程可以实现连铸坯横截面轮廓面积在连铸 坯传送速度方向上的实时积分，由于每一个成像截面面积的计算精度已经很高，而面积积 分是一种纯数学问题，所以最终的定重精度也是以往其它方法所无法比拟的。利用本方法 可将现有定尺切割系统技术升级为定重切割系统，将连铸坯的定重精度至少提高一个百分
点ο本发明还有一种限定，所述步骤③是这样实现的通过将某一时刻由图像处理与 定重系统积分到的连铸坯重量与工艺参数要求的定重进行比较，当积分到的连铸坯重量达 到工艺参数要求的定重w时，由装有控制系统的计算机通过串口通信用数字脉冲信号通知 切割装置实施切割。这是切割的具体操作，可以实现切割与定重完成的同步，提高切割系统的灵敏度 和切割精度。本发明还提供了一种实施本发明上述方法的横截面积分式连铸坯激光视觉定重 装置，该装置包括左侧线性激光器与右侧线性激光器、左侧CXD摄像机与右侧CXD摄像机及 计算机，其中左侧线性激光器与右侧线性激光器一一设于切割刀安装位置对应连铸坯横截面 处，于连铸坯的左右两侧分布，用于对连铸坯3进行激光照射，以形成位于同一竖向平面A 内的光条I IV ；左侧CXD摄像机与右侧CXD摄像机一一设于线性激光器的后上方，分设于连铸坯 左右两侧上方，其与切割刀所在平面与竖向平面呈一锐角光条后部，用于拍摄光条I IV 以成其全像，其信号输出端通过数据电缆与计算机的USB 口相连；计算机装有图像处理与定重系统，计算机通过USB 口与CXD摄像积之间用数 据电缆连接，用于对光条I IV全像进行光条曲线拟合，得到连铸坯上光条I IV所处位 置的横截面图像，并可在计算机屏幕上显示；同时，该系统自动计算该横截面面积，并将该 面积在连铸坯行进速度方向上进行积分，得到目前积分到的连铸坯重量，然后将积分到的 连铸坯重量与工艺定重参数进行比较当达到所要求定重切割的重量时，计算机通过串口向 切割系统发送数字脉冲信号，通知切割系统实施切割。以上是本发明定重装置的基本组成，利用横截面积分式连铸坯激光视觉定重切割 方法对连铸坯进行定重测量，可以对连铸坯横截面轮廓面积在连铸坯传送速度方向上进行实时积分，大大提高连铸坯的定重精度，减少后续钢材产品的废品率，从而提高生产效率和 经济效益。该装置结构简单，操作方便，计算精准。由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，所取得的技术进步在于本 发明的方法及装置，可实现连铸坯横截面轮廓面积在连铸坯传送速度方向上的实时积分， 最终实现定重切割，大大提高连铸坯的定重精度，减少后续钢材产品的废品率，提高成材 率，从而提高生产效率和经济效益。本发明适用于钢铁冶炼过程，实现对连铸坯进行定重切割。本发明下面将结合说明书附图与具体实施例作进一步详细说明。
图1是本发明横截面积分式连铸坯激光视觉定重装置中部分组件的布局示意图；图2、图3分别是光条成像形态图；图4是对连铸坯横截面轮廓拟合过程示意图；图5是连铸坯横截面拍摄间隔过程及面积积分过程示意图；图6为本发明实施例中计算机所装图像处理与定重系统的流程图。图中11-左侧线性激光器，12-右侧线性激光器，21-左侧CXD摄像机，22-右侧 CXD摄像机，3-连铸坯，4-数据电缆，5-计算机，I IV-光条。
具体实施例方式实施例一种横截面积分式连铸坯激光视觉定重切割方法，按照以下步骤顺序进行①激光照射与CXD摄像机成像利用线性激光器在切割刀安装位置对应连铸坯横截面处进行激光照射，形成位于 同一竖向平面A内的光条，竖向平面A与连铸坯的轴线相垂直；于光条后部由CXD摄像机拍摄，成光条的全像；进行光条曲线拟合，得到连铸坯上 光条位置横截面的图像。激光照射与CXD摄像机成像具体按照以下步骤顺序进行(1)线性激光器的安装与调整安装在切割刀安装位置对应连铸坯3的左右两侧，分别安装一个朝向连铸坯3的 线性激光器，即左侧线激光器11与右侧线激光器12 ；调整定重前对左侧线激光器11与右侧线激光器12进行调整，以使左侧线激光器 11照在连铸坯3的上表面和左侧面上的光束为光条状，分别为光条I与光条II ；调整后右 侧线激光器12照在连铸坯3的上表面和右侧面上的光束为光条状，分别为光条III与光条 IV ；光条I IV位于同一竖向平面A内且平面A与连铸坯3轴线垂直，调整后光条I与光 条III重合；(4) CXD摄像机的安装与调整安装在与光条I IV所在竖向平面A后部(即与连铸坯3行进方向的相反方 向的相应处)，于连铸坯3的左右两侧各装有一架CXD摄像机即左侧CXD摄像机21、后右侧 CXD摄像机22，左侧CXD摄像机21、右侧CXD摄像机22位于与平面A呈一锐角的倾斜平面B上，左侧CXD摄像机21、右侧CXD摄像机22的镜头朝向连铸坯3 ；调整定重前对左侧CXD摄像机21、右侧CXD摄像机22进行调整，以使左侧CXD摄 像机21能成光条I与光条II的全像，右侧CXD摄像机22能成光条III与光条IV的全像， 并标定左侧CXD摄像机21与右侧CXD摄像机22之间的相对位置关系(因为左、右侧相机 分别成前侧面上表面和后侧面上表面光条的全像，将这两部分图像拟合成对应横截面轮廓 图像时，所开发的图像拟合系统算法中需要知道这两个相机之间的相对位置关系参数)。(3)拍摄与成像当连铸坯3以一定行进速度ν经过切割位置时，左侧CXD摄像机 21、右侧CXD摄像机22同时拍摄光条图像，拍摄的图像通过数据电缆由USB 口将图像对应 的数字信号传输到计算机，并由图像处理和定重系统进行光条曲线拟合，得到连铸坯3的 相对于光条I IV位置处的横截面的图像。②计算根据上述连铸坯光条位置横截面的图像，计算出连铸坯上光条位置横截 面的面积；以此类推，测出经过切割位置的每一个经成像的连铸坯成像横截面的面积Sit， 并对其在连铸坯行进速度方向上进行积分，确定定重切割的重量。具体地，计算步骤这样实现根据连铸坯光条位置横截面的图像，由图像处理和定重系统计算出连铸坯上光条 位置横截面的面积；以此类推，测出经过切割位置的每一个经成像的连铸坯成像横截面的 面积Sit ；计算机利用图像处理和定重系统将上述计算所得横截面面积Sit在连铸坯行进速 度方向上进行积分，确定定重切割的重量由于连铸坯横截面的面积变化与时间t没有确 定的关系，假定CCD摄像机两次拍摄图像的时间间隔At内连铸坯横截面的面积不变，则定
重重量w为
权利要求
1.一种横截面积分式连铸坯激光视觉定重切割方法，其特征在于它按照以下步骤顺序 进行①激光照射与CCD摄像机成像利用线性激光器在切割刀安装位置对应连铸坯横截面处进行激光照射，形成位于同一 竖向平面A内的光条，竖向平面A与连铸坯的轴线相垂直；于光条后部由CCD摄像机拍摄，成光条的全像；进行光条曲线拟合，得到连铸坯上光条 位置横截面的图像，②计算根据上述连铸坯光条位置横截面的图像，计算出连铸坯上光条位置横截面的 面积；以此类推，测出经过切割位置的每一个连铸坯成像横截面的面积Sit，并对其在连铸 坯行进速度方向上进行积分，确定定重切割的重量；③切割等达到所要求定重切割的重量时，实施切割。
2.根据权利要求1所述的横截面积分式连铸坯激光视觉定重切割方法，其特征在于所 述步骤①是按照以下步骤顺序进行的(1)线性激光器的安装与调整安装在切割刀安装位置对应连铸坯横截面的左右两侧，分别安装一个朝向连铸坯的 线性激光器，即左侧线激光器与右侧线激光器；调整定重前对左侧线激光器与右侧线激光器进行调整，以使左侧线激光器照在连铸 坯的上表面和左侧面上的光束为光条状，分别为光条I与光条II ；调整后右侧线激光器照 在连铸坯的上表面和右侧面上的光束为光条状，分别为光条III与光条IV ；光条I IV位 于同一竖向平面A内，调整后光条I与光条III重合；O) CXD摄像机的安装与调整安装在与光条I IV所在竖向平面A后部(即与连铸坯行进方向的相反方向的相应 处)，于连铸坯的左右两侧各装有一架CXD摄像机即左侧CXD摄像机、后右侧CXD摄像机，左 侧CXD摄像机、右侧CXD摄像机位于与平面A呈一锐角的倾斜平面B上，左侧CXD摄像机、 右侧CXD摄像机的镜头朝向连铸坯；调整定重前对左侧CXD摄像机、右侧CXD摄像机进行调整，以使左侧CXD摄像机能成 光条I与光条II的全像，右侧CXD摄像机能成光条III与光条IV的全像，并标定左侧CXD 摄像机与右侧CCD摄像机之间的相对位置关系；(3)拍摄与成像当连铸坯以一定行进速度ν经过切割位置时，左侧CXD摄像机、右侧 CCD摄像机同时拍摄光条图像，拍摄的图像将通过数据电缆由USB 口将图像对应的数字信 号传输到计算机，并利用计算机由图像处理和定重系统进行光条曲线拟合，得到连铸坯上 光条位置横截面的图像。
3.根据权利要求1所述的横截面积分式连铸坯激光视觉定重切割方法，其特征在于所 述步骤②按照以下步骤顺序进行根据连铸坯光条位置横截面的图像，利用计算机由图像处理和定重系统计算出连铸坯 上光条位置横截面的面积；以此类推，测出经过切割位置的每一个经成像的连铸坯成像横 截面的面积St ；由图像处理和定重系统将上述计算所得横截面面积Sit在连铸坯行进速度方向上进行 积分，确定定重切割的重量由于连铸坯横截面的面积变化与时间t没有确定的关系，假定C⑶摄像机两次拍摄图像的时间间隔At内连铸坯横截面的面积不变，则定重重量w为w= ^Ρ Μ- ^ΑΔ^^，式中P为连铸坯密度，ν为连铸坯传送速度；Si为某时刻连铸 /=1坯横截面面积；At为摄像机相邻两次拍照间隔时间。
4.根据权利要求1所述的横截面积分式连铸坯激光视觉定重切割方法，其特征在于所 述步骤③是这样实现的通过将某一时刻由图像处理与定重系统积分到的连铸坯重量与工 艺参数要求的定重进行比较，当积分到的连铸坯重量达到工艺参数要求的定重w时，由装 有控制系统的计算机通过串口通信用数字脉冲信号通知切割装置实施切割。
5.一种横截面积分式连铸坯激光视觉定重装置，其特征在于该装置包括左侧线性激 光器与右侧线性激光器、左侧CCD摄像机与右侧CCD摄像机及计算机，其中左侧线性激光器与右侧线性激光器一一设于切割刀安装位置对应连铸坯横截面处， 于连铸坯的左右两侧分布，用于对连铸坯进行激光照射，以形成位于同一竖向平面A内的 光条I IV ；左侧CXD摄像机与右侧CXD摄像机一一设于线性激光器的后上方，分设于连铸坯左右 两侧上方，其与切割刀所在平面与竖向平面呈一锐角光条后部，用于拍摄光条I IV以成 其全像，其信号输出端通过数据电缆与计算机的USB 口相连；计算机一一装有图像处理与定重系统，计算机通过USB 口与CXD摄像机之间用数据电 缆连接，用于对光条I IV全像进行光条曲线拟合，得到连铸坯上光条I IV所处位置的 横截面图像，并可在计算机屏幕上显示；同时，该系统自动计算该横截面面积，并将该面积 在连铸坯行进速度方向上进行积分，得到目前积分到的连铸坯重量，然后将积分到的连铸 坯重量与工艺定重参数进行比较当达到所要求定重切割的重量时，计算机通过串口向切割 系统发送数字脉冲信号，通知切割系统实施切割。
全文摘要
本发明公开了一种横截面积分式连铸坯激光视觉定重切割方法及定重装置，利用激光器、摄像机与装有图像处理与定重软件的计算机，通过视觉成像系统与切割系统同步技术，实现连铸坯横截面轮廓面积在连铸坯传送速度方向上的实时积分，从而实现连铸坯横截面轮廓面积的实时高精度计算，将现有定尺切割系统技术升级为定重切割系统，大大提高连铸坯的定重精度，减少后续钢材产品的废品率，从而提高生产效率和经济效益，定重装置组成简单，计算精准。本发明适用于钢铁冶炼过程中，实现对连铸坯进行定重切割。
文档编号B22D11/126GK102101163SQ201010585770
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者李保章, 黄凤山, 黄凤海, 黄永建 申请人:河北科技大学