激光測(cè)量高精度銅帶箔離線板形的開(kāi)發(fā)與實(shí)踐

姬海燕

(中鋁上海銅業(yè)有限公司,上海 200940)

0 前 言

隨著市場(chǎng)對(duì)高精度銅帶箔材產(chǎn)品表面質(zhì)量和板形要求的日益提高,箔材板形(即平直度)的好壞成為衡量銅帶箔材質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo).目前現(xiàn)代化高精度銅帶箔材冷軋機(jī)均配有在線測(cè)量的板形輥和板形控制系統(tǒng),但是這種測(cè)量是基于軋制中大張力情況下的板形測(cè)量和板形控制.公司在調(diào)試進(jìn)口高精度銅帶多輥可逆精軋機(jī)時(shí)就曾經(jīng)遇到在線板形只有幾個(gè)“I”,但是軋制過(guò)后的帶卷放到清洗機(jī)上，在張力釋放后明顯看出不良板形.針對(duì)目前離線板形主要靠肉眼觀察判斷,很難有精確數(shù)據(jù)分析的現(xiàn)狀,開(kāi)發(fā)了用一字形激光照射在離線微小張力的銅帶箔材表面,通過(guò)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化處理而得出離線板形測(cè)量數(shù)據(jù)的裝置.希望通過(guò)實(shí)踐可以更好地幫助銅帶箔材產(chǎn)品離線的質(zhì)量檢測(cè),并且通過(guò)在線板形的數(shù)據(jù)和離線板形的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比與分析,更好地指導(dǎo)銅帶箔材軋制工藝的改進(jìn)和提高,生產(chǎn)出質(zhì)量更高的銅帶箔材產(chǎn)品.

1 銅帶箔材產(chǎn)生不良板形的原因及類型

產(chǎn)品越薄,板形越難以控制.高精度銅帶箔材板形的好壞取決于軋件寬度方向上各點(diǎn)縱向延伸是否相等.當(dāng)發(fā)生不均勻變形時(shí),變形體內(nèi)的應(yīng)力分布也呈不均勻分布,導(dǎo)致附加應(yīng)力的產(chǎn)生,變形結(jié)束后留在變形體內(nèi)形成殘余應(yīng)力.當(dāng)變形體內(nèi)殘余應(yīng)力間的相互作用不能抵消,且超過(guò)銅帶箔材維持箔面剛性平衡的應(yīng)力水平時(shí),軋制中的銅帶箔材將發(fā)生形狀失穩(wěn),松弛不均勻變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,使得銅帶箔材表面的平直度遭到破壞.由于軋制變形區(qū)內(nèi)變形情況的復(fù)雜性,易受外部其他因素的影響而具有很大的隨機(jī)性,軋件均勻變形的可能性并不大,因此，實(shí)際生產(chǎn)出的銅帶箔材或多或少都帶有一定程度的不平度.

板形直觀來(lái)說(shuō)就是指板帶材的翹曲度,其實(shí)質(zhì)是板帶材內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布.只要板帶材內(nèi)部存在殘余應(yīng)力,即為板形不良.如殘余應(yīng)力不足以引起板帶翹曲,稱為“潛在”的板形不良;如殘余應(yīng)力引起板帶失穩(wěn),產(chǎn)生翹曲,則稱為“表觀”的板形不良.常見(jiàn)的板形缺陷有邊部波浪、中間波浪、單邊波浪、二肋波浪和復(fù)合波浪等多種形式.

2 板形定義及計(jì)算公式

定量地表示板形,既是生產(chǎn)中衡量板形質(zhì)量的需要,也是研究板形問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)板形自動(dòng)控制的前提條件.因此，可依據(jù)各自的研究角度及不同的板形控制思想,采取不同的方式定量地描述板形.目前主要有以下幾種方法,即相對(duì)長(zhǎng)度差表示法、波形表示法、張力差表示法、帶材斷面形狀的多項(xiàng)式表示法和厚度相對(duì)變化量差表示法等.而最為通用的是相對(duì)長(zhǎng)度差表示法,即取橫向上最長(zhǎng)與最短縱條之間的相對(duì)長(zhǎng)度差作為板形單位,稱為I,一個(gè)I相當(dāng)于相對(duì)長(zhǎng)度差的105.所以板形表示為:Σst=105×ΔL/L.圖1為國(guó)際通用的板形測(cè)量定義.

圖1 平直度測(cè)量定義Fig.1 The definition of flatness

計(jì)算公式為:

(1)

假定正弦波:

(2)

(3)

3 離線板形測(cè)量開(kāi)發(fā)的重要性和功能

在銅帶箔材生產(chǎn)中,一些帶卷存在中間和邊緣部分不平直(即板形不好)的情況.由于在軋制過(guò)程中有較大的張力(為80～120 N/mm2),一般軋機(jī)的板形輥是用測(cè)量軋制中帶材對(duì)板形輥壓力的方法來(lái)在線測(cè)量及控制板形.而在后道工序,如清洗機(jī)上的張力是很小的,在張力很小的情況下,板形是不同的,找到兩個(gè)相對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系或經(jīng)驗(yàn)公式,就需要分別記錄、對(duì)照來(lái)研究.為了解決這個(gè)問(wèn)題,需要對(duì)帶材在微張力或者離線的情況下進(jìn)行測(cè)量.為此，公司開(kāi)發(fā)了激光測(cè)量板形的裝置,用它在軋制生產(chǎn)工藝以外的各個(gè)重要環(huán)節(jié)進(jìn)行測(cè)量和記錄.該裝置可以篩選出最佳產(chǎn)品和普通產(chǎn)品來(lái)進(jìn)行分類、分級(jí),也可以挑選出不必進(jìn)入下一道拉彎矯工序的產(chǎn)品,從而達(dá)到降低能耗和減少表面擦傷的目的.更重要的是可積累經(jīng)驗(yàn)來(lái)改進(jìn)將來(lái)產(chǎn)品的工藝條件,提高產(chǎn)品的質(zhì)量.針對(duì)上述問(wèn)題,提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行方便、且成本低廉的測(cè)量裝置,它采用激光反射技術(shù)來(lái)測(cè)量微張力下帶材或箔材的平直度.

4 測(cè)量原理和方法

本裝置使用基于光學(xué)三角測(cè)量原理的技術(shù).當(dāng)點(diǎn)狀激光光源束照射到目標(biāo)物體帶材、箔材的表面形成一個(gè)反射,該反射光在線陣光敏探測(cè)器上產(chǎn)生一個(gè)亮點(diǎn).當(dāng)目標(biāo)物體(帶材、箔材)表面的反射角發(fā)生變化時(shí),光敏探測(cè)器上的像點(diǎn)位置也發(fā)生相應(yīng)的變化.所以，根據(jù)物像的三角形關(guān)系可以計(jì)算出帶材、箔材表面的角度變化,也就是測(cè)量了帶材、箔材的平直度的變化(即帶材、箔材的板形的變化).如果板帶表面是平坦的,則傾斜投射到板帶上的激光線反映在圖像中為直線;若板帶表面有浪形,則傾斜投射到板帶上的激光線反映到圖像中時(shí)為曲線.然后將反射在固定熒光屏的曲線送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理,從而得出板形的數(shù)值.

5 應(yīng)用方法

5.1 技術(shù)方案

在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中,關(guān)鍵技術(shù)有激光源照明技術(shù)(使用激光二極管)、激光投影屏、照相機(jī)和個(gè)人計(jì)算機(jī)(基于Windows記錄曲線的應(yīng)用程序)等方面.系統(tǒng)原理如圖2所示.

5.2 原 理

本實(shí)踐用距離銅材表面Hmm的一字形激光發(fā)光二極管以φ角度照射在小張力機(jī)列(清洗機(jī)、氣墊爐等)或有標(biāo)準(zhǔn)微張力的測(cè)試檢查臺(tái)上的銅帶箔材的表面.由于銅表面是一個(gè)良好的反射鏡面,會(huì)將激光反射到離銅材表面距離h的屏幕上,再將屏幕上的投影拍下來(lái).拍下的照片在個(gè)人電腦中將“jpg”文件轉(zhuǎn)換成“bmp”文件[1],同時(shí)去除畫面上無(wú)用的部分.將該圖片送入用BCB編制的程序中,該程序會(huì)自動(dòng)找到板形曲線并顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上.該程序也可將板形曲線的數(shù)值保存到“txt”文件中,然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入電子表格，從而使得電子表格中再現(xiàn)板形的曲線.由“jpg”文件轉(zhuǎn)換到“bmp”文件格式和“txt”文件中的數(shù)據(jù)到“Excel”表格的板形曲線再現(xiàn)，用的是另外一個(gè)自編程序,它調(diào)用的是opencv的算法,該部分也可用windows附帶的程序自行轉(zhuǎn)換.

圖2 系統(tǒng)原理圖Fig.2 The diagram of the offline flatness measurement

投影的角度和高度不同,會(huì)產(chǎn)生不同的投影.根據(jù)光學(xué)原理，該映射具有光杠桿作用.光學(xué)反射原理:平面反射有兩個(gè)對(duì)稱,其一是發(fā)射光線與反射光線關(guān)于法線對(duì)稱;其二是反射光線與入射光線關(guān)于界面對(duì)稱.平面鏡只改變光的傳播方向,不改變會(huì)聚或發(fā)散程度.由于光杠桿能把微小的高度偏差放大,利用該方法可以提高測(cè)量的精度.程序中將投影高度與實(shí)際高度映射公式進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算[2].

根據(jù)上述光學(xué)原理推導(dǎo)出角度轉(zhuǎn)換公式如下:

r=R×(H×tgφ)/(H+h)

(4)

式中:R為圖像中顯示高度,r為板帶箔帶實(shí)際高度,φ為激光入射角,H為激光頭離被測(cè)材料高度,h為影像投影屏幕離被測(cè)材料高度.

5.3 分 析

現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)一字型激光照射銅帶箔材表面并反射到固定平板上的曲線,用照相機(jī)拍攝的銅箔板形曲線圖“6890曲線”,如圖3所示.

圖4為通過(guò)BCB編寫的板形開(kāi)發(fā)程序的一部分截圖[3].

圖3 用照相機(jī)拍攝的銅箔板形曲線圖“6890曲線”Fig.3 The flatness curve(Curve 6890)of a copper foil photographed by a camera

圖4 通過(guò)BCB編寫的板形開(kāi)發(fā)程序的一部分截圖Fig.4 A part of the screenshot of the flatness measurement program written in BCB

圖5為由圖3通過(guò)BCB編寫的板形開(kāi)發(fā)程序,找出板形曲線并計(jì)算出的“I”值.從圖5中可以看出，該曲線得出的板形值I=51.302 0.

該應(yīng)用還可以將板形曲線的數(shù)值轉(zhuǎn)換為“Excel”文件格式或“txt”文件格式進(jìn)行輸出.

圖5 拍攝的板形曲線圖Fig.5 The photographed flatness curves

6 結(jié) 論

從一幀圖像中獲取板形信息,不存在對(duì)時(shí)間的積分問(wèn)題,因此，從原理上解決了板帶在輥道上運(yùn)動(dòng)時(shí),由于跳動(dòng)或擺動(dòng)而引起的測(cè)量誤差;而且可以獲得沿板帶寬度方向任意位置的板形信息.運(yùn)用激光測(cè)量銅帶箔材板形平直度的方法和裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于制造、維護(hù)和操作,費(fèi)用低,可以廣泛地應(yīng)用于各種銅帶箔材卷在有或無(wú)張力生產(chǎn)的過(guò)程控制、品質(zhì)檢驗(yàn)等各個(gè)領(lǐng)域.

參考文獻(xiàn):

[1] 張錚,王艷平,薛桂香.數(shù)字圖像處理與機(jī)器視覺(jué)-Visual C++與Matlab實(shí)現(xiàn)[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[2] 吳貴芳,徐科,楊朝霖.鋼板表面質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

[3] 范逸之.C++Builder與RS-232串行通訊控制[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.