郭 媛,魏連鎖,孫 明

(齊齊哈爾大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

光反射式輥型檢測(cè)方法的研究與實(shí)現(xiàn)*

郭 媛,魏連鎖,孫 明

(齊齊哈爾大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

根據(jù)輥型檢測(cè)過程的特點(diǎn)及精度要求，提出了用反射式光纖傳感器對(duì)輥型進(jìn)行非接觸式光電檢測(cè)的方法。通過對(duì)軋輥表面反射光位置變化的精確測(cè)量，將軋輥半徑的微小變化放大，并轉(zhuǎn)化為與之有一定放大倍數(shù)關(guān)系的直線位移量，可實(shí)現(xiàn)輥型的高精度非接觸式檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)原理對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了軟件仿真，結(jié)果表明，該方法可及時(shí)獲得檢測(cè)系統(tǒng)輥型的輸出信號(hào)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)以曲線形式自動(dòng)描繪出輥型曲線。這是一種放大倍數(shù)高、成本低、易實(shí)現(xiàn)的高精度非接觸式輥型檢測(cè)方法。

輥型；光反射；檢測(cè)；仿真

1 引言

軋輥是軋鋼廠的重要軋制工具，長(zhǎng)時(shí)間工作后，表面受到不同程度的磨損，使其形狀也就是輥型發(fā)生變化，從而導(dǎo)致所軋制的鋼材的板形和板厚產(chǎn)生誤差，直接影響軋制產(chǎn)品質(zhì)量。因此，及時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)出輥型的改變是目前軋制生產(chǎn)的迫切要求，具有重要的意義[1,2]。為解決這一問題，先前的研究者們?cè)囉昧酥絺?、磁粉探傷、電渦流檢測(cè)、超聲波檢測(cè)等輥型檢測(cè)手段，并取得了一些研究成果[3～6]。但是，由于軋輥工作環(huán)境較復(fù)雜，電磁干擾較大，以上各種方法均存在不同程度的局限性[7,8]。本文提出一種以反射式光纖位移傳感器實(shí)現(xiàn)輥型的非接觸檢測(cè)方法，此方法可使檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、靈敏度及檢測(cè)精度高、穩(wěn)定可靠、抗電磁干擾性好，并具有易與計(jì)算機(jī)連接，可實(shí)現(xiàn)智能化檢測(cè)及輥型曲線自動(dòng)繪制等優(yōu)點(diǎn)。

2 檢測(cè)原理

當(dāng)一束光傾斜照射軋輥表面時(shí)，軋輥的表面會(huì)發(fā)生光反射現(xiàn)象。如果使入射光線和軋輥反射面形成一定的夾角，那么反射光線的方向由這個(gè)夾角決定。在保證入射光位置和方向不變的情況下，反射光線在CCD(Charge-Coupled Device)上位置的變化就可以直接反映軋輥半徑的變化，即軋輥的輥型，基本檢測(cè)原理如圖1所示。

Figure 1 Measurement principle of the detecting system for roller shape圖1 輥型檢測(cè)工作原理

利用這一原理，通過探測(cè)反射光線在CCD上的位移變化值Δh，就可以計(jì)算出軋輥半徑變化值Δr，從而得到軋輥輥型曲線。

根據(jù)軋輥半徑變化與CCD成像位移變化的數(shù)學(xué)關(guān)系(具體原理由公式(6)和公式(7)表述)，可知反射光線在CCD上的位移變化率要大于軋輥半徑的變化。因此，光反射式輥型檢測(cè)法可將微小的輥型變化轉(zhuǎn)化為較大的直線位移來檢測(cè)，是一種高精度、高分辨率的檢測(cè)方法，具有抗電磁干擾、設(shè)計(jì)靈活、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，為輥型的檢測(cè)提供了一種新的手段。

3 檢測(cè)算法分析及系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖2為檢測(cè)系統(tǒng)橫截面示意圖。光源發(fā)射的光以入射角α照射到軋輥表面，軋輥表面反射的光線用CCD陣列記錄其位置，軋輥半徑為r，入射光線距軋輥中心軸線垂直橫切面的距離設(shè)為S，入射光線和反射光線在CCD上的距離記為h，檢測(cè)平面(CCD陣列所在平面)與中心軋輥軸線之間的距離為L(zhǎng)。

通過求得CCD陣列上的偏移距離h就可以求得軋輥各位置的實(shí)際半徑。當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)沿軸向掃描整個(gè)軋輥時(shí)，在CCD陣列上記錄的一系列反射光線與入射光線偏移位置h將組成一條曲線。分析這條曲線，就可以獲取軋輥表面各點(diǎn)半徑構(gòu)成的曲線，即得到輥型曲線。檢測(cè)平面與軋輥軸線間的距離L可由公式(1)求得:

(1)

其中2α為反射光線與入射光纖間的夾角。根據(jù)三角公式有:

(2)

由圖2可知：

(3)

Figure 2 Analysis of the reflective detecting method for roller shape圖2 反射式輥型檢測(cè)方法分析

則可求得：

(4)

代入式(1)，可得：

(5)

從而可以求出軋輥表面反射光線與入射光線偏移位置h和軋輥半徑r的關(guān)系為：

(6)

由于軋輥表面受到磨損，軋輥不同位置的半徑會(huì)發(fā)生變化。保持光纖傳感器與軋輥中心軸線之間的距離不變，軋輥半徑r的不同會(huì)引起反射光線位置變化，求出其在CCD陣列上的偏移距離h，就可以得到軋輥輥型狀況。

為進(jìn)一步分析光反射式輥型檢測(cè)方法的規(guī)律，取CCD陣列上的偏移距離h對(duì)L求導(dǎo)數(shù)，可得式(7)：

(7)

Figure 3 Detecting location of the reflective system for roller shape圖3 光反射法檢測(cè)位置分析

檢測(cè)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。在軋輥附近選定檢測(cè)位置后，安裝三個(gè)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)。其中軋輥兩端的固定不動(dòng)，用來檢測(cè)軋輥的振動(dòng)狀況，以減小檢測(cè)產(chǎn)生的誤差。中間的可移動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)以及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。光學(xué)系統(tǒng)臺(tái)架上安裝螺母與絲杠配合，由步進(jìn)電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)在導(dǎo)軌上沿軋輥軸向移動(dòng)。根據(jù)系統(tǒng)檢測(cè)精度需要，以步距5 mm對(duì)軋輥進(jìn)行軸向數(shù)據(jù)采集，經(jīng)上位機(jī)數(shù)據(jù)處理后繪制出輥型曲線。

Figure 4 Composing diagram of the detecting system圖4 檢測(cè)系統(tǒng)組成示意圖

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及軟件仿真

針對(duì)光反射式輥型檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理，用VB 6.0編寫了該系統(tǒng)的軟件仿真程序。軟件具有與反射式輥型檢測(cè)系統(tǒng)的通信接口。通過軟件中的操作控制按鈕可以方便地控制檢測(cè)系統(tǒng)的開始、停止、暫停、返回前一組數(shù)據(jù)、檢測(cè)下一組數(shù)據(jù)等操作，并可以隨時(shí)對(duì)檢測(cè)探頭上各個(gè)檢測(cè)器件的位置角度進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)的調(diào)整。

實(shí)時(shí)檢測(cè)監(jiān)控軟件的流程圖如圖5所示。仿真軟件的實(shí)時(shí)檢測(cè)監(jiān)控過程和結(jié)果數(shù)據(jù)分別在圖6和圖7所示。

Figure 5 Flow chart of real-time-control圖5 實(shí)時(shí)檢測(cè)監(jiān)控軟件流程圖

Figure 6 Working state of analyze-control software圖6 檢測(cè)監(jiān)控軟件運(yùn)行狀態(tài)

Figure 7 Simulation-software output of optical fiber detective system for roller shape圖7 輥型光反射檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果

輥型檢測(cè)結(jié)束后，檢測(cè)結(jié)果分別以數(shù)據(jù)和曲線兩種形式顯示在軟件的主界面上，可以得到輥型檢測(cè)的完整數(shù)據(jù)，并可以將檢測(cè)獲得的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便以后的分析研究和使用。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，光反射式輥型非接觸檢測(cè)法原理正確、性能穩(wěn)定、檢測(cè)精度高，能達(dá)到檢測(cè)要求，是一種可靠的輥型檢測(cè)新方法。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種利用光反射原理進(jìn)行輥型檢測(cè)的光電測(cè)量方法，對(duì)其基本原理進(jìn)行了分析，進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)并設(shè)計(jì)了軟件仿真程序，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輥型的實(shí)時(shí)非接觸光電檢測(cè)與數(shù)據(jù)的監(jiān)控分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)檢測(cè)分辨率高，精確度可達(dá)到檢測(cè)要求，具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、放大倍數(shù)高、實(shí)時(shí)輸出顯示及性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。在成本較低的情況下，是一種有效的非接觸式輥型光電檢測(cè)方法。

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GUOYuan,born in 1974,PhD,associate professor,CCF member(E200025539M),her research interests include photoelectric detection and the technology of sensor, and computer control.

魏連鎖(1975-),男,黑龍江訥河人，碩士，講師，CCF會(huì)員(E200018851M)，研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芘c模式識(shí)別。E-mail:jkxy173@126.com

WEILian-suo,born in 1975,MS,lecturer,CCF member(E200018851M)，his research interests include artificial intelligence, and pattern recognition.

孫明(1979-),男,山東海陽(yáng)人，博士，講師，研究方向?yàn)榛煦缟窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)及優(yōu)化。E-mail:snogisunming@yahoo.com.cn

SUNMing,born in 1979,PhD,lecturer,his research interest includes chaotic neural networks and optimization.

Studyandrealizationoftherollershapedetectionmethodbasedonreflectiveopticalfibersensor

GUO Yuan,WEI Lian-suo,SUN Ming

(College of Computer and Control Engineering,Qiqihar University,Qiqihar 161006,China)

According to the requirements of the feature and the measurement accuracy in roller shape detection process, a roller shape detection method is proposed, which uses reflective optical fiber sensor to do non-touch photo electricity detection for roller shape. By detecting the changes of the reflective ray position on roller’s surface accurately, the tiny changes of the radius of the roller can be magnified and converted to some beeline displacement. And by measuring the beeline displacement, which is proportion to the radius of the roller, the roller shape can be measured in a non-touch distance detection method precisely. A simulation-software program is compiled with Microsoft Visual Basic 6.0 based on this principle. By using this simulation-software, the date of output signals of this system can be gained in time. And the curve of detection signals of the roller shape can be drawn automatically by this software. Our proposal is a non-touch high precision detection method for roller shape, providing high magnification, low cost and easy realization.

roller shape;light reflection;detection;simulation

2012-05-03;

：2012-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61100103)；黑龍江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(F201219)；黑龍江省教育廳科研面上資助項(xiàng)目(12521600 )；齊齊哈爾大學(xué)青年重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(2011K-02)

1007-130X(2014)02-0372-04

TP399

：A

10.3969/j.issn.1007-130X.2014.02.029

郭媛(1974-),女,黑龍江齊齊哈爾人，博士，副教授，CCF會(huì)員(E200025539M)，研究方向?yàn)楣怆姍z測(cè)與傳感器技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制。E-mail:guoyuan171@126.com

通信地址： 161006 黑龍江省齊齊哈爾市齊齊哈爾大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院Address:College of Computer and Control Engineering,Qiqihar University,Qiqihar 161006,Heilongjiang,P.R.China