基于激光掃描的鋼板尺寸自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

姜志華 熊 烽 劉祥謀

(1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074; 2.武漢黃鶴樓新材料科技開(kāi)發(fā)有限公司，湖北武漢 430074)

鋼鐵板材的尺寸是國(guó)內(nèi)、國(guó)際產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中重要的技術(shù)指標(biāo)。如何測(cè)量和控制好鋼板的尺寸，無(wú)論是對(duì)鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的質(zhì)量提高、成本的降低，還是對(duì)最大限度滿足客戶的多樣化需求、提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，都具有非常重要的意義[1]。隨著光電技術(shù)、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，以激光掃描儀等為代表的新型傳感器使非接觸式尺寸測(cè)量進(jìn)入到一個(gè)全新的階段，并有著越來(lái)越廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。鑒于此，本文采用激光掃描儀、數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)等為主要組成的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)鋼板尺寸進(jìn)行測(cè)量，該系統(tǒng)具有檢測(cè)精度高、成本低和輸出穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

1 測(cè)量方法

鋼板尺寸自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)是通過(guò)激光測(cè)距技術(shù)獲取掃描區(qū)域內(nèi)的一系列三維坐標(biāo)點(diǎn)，并通過(guò)相應(yīng)的算法提取鋼板邊界的特征點(diǎn)，從而進(jìn)一步求取鋼板的長(zhǎng)、寬等尺寸。如圖1所示為鋼板尺寸自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的原理示意圖。當(dāng)鋼板接近與鋼板運(yùn)行方向成一定角度且對(duì)稱安裝的激光掃描儀組所形成測(cè)量場(chǎng)時(shí)，安裝于輥道兩側(cè)的紅外對(duì)管發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，觸發(fā)激光掃描儀組和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)同時(shí)工作，所得的數(shù)據(jù)由串口高速采集卡同步采集并交由相應(yīng)的軟件進(jìn)行處理，通過(guò)邊界特征點(diǎn)的提取即可計(jì)算鋼板的長(zhǎng)度和寬度。

圖1中1～8為激光掃描儀，一般由激光發(fā)射器、接收器、時(shí)間計(jì)數(shù)器、微電腦等部分組成。本文選用的激光掃描儀為德國(guó)SICK公司的LMS-400型激光測(cè)距掃描儀，屬非接觸式測(cè)量系統(tǒng)，它通過(guò)發(fā)射激光對(duì)其周圍物體進(jìn)行二維掃描，并且不需要額外的反射棱鏡和位置標(biāo)記。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 邊界特征點(diǎn)提取

在基于激光掃描的鋼板尺寸測(cè)量系統(tǒng)中，邊界特征點(diǎn)的提取是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。本文利用各掃描點(diǎn)在豎直方向上的坐標(biāo)值突變實(shí)現(xiàn)鋼板邊界特征點(diǎn)的提取。

由激光掃描儀組形成的掃描截面中，以掃描截面中線對(duì)應(yīng)的掃描點(diǎn)為基準(zhǔn)向兩邊掃描，比較各掃描點(diǎn)在豎直方向上的坐標(biāo)值是否發(fā)生突變，如果發(fā)生突變，并大于某一確定的閥值，則認(rèn)為該掃描點(diǎn)的前一個(gè)掃描點(diǎn)為鋼板邊界特征點(diǎn)。如圖2所示為鋼板邊界特征點(diǎn)提取示意圖。閥值需要根據(jù)被測(cè)鋼板的厚度、激光掃描儀的距離測(cè)量精度以及安裝位置來(lái)定，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行修正，以達(dá)到最佳的測(cè)量效果。

2.2 數(shù)學(xué)模型

要得到鋼板長(zhǎng)、寬的數(shù)學(xué)模型，必須將每一個(gè)掃描點(diǎn)的極坐標(biāo)距離信息轉(zhuǎn)換到相應(yīng)激光掃描儀的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系[3]，見(jiàn)圖3。

如圖3所示，兩組共6臺(tái)激光掃描儀對(duì)稱安裝于輥道的正上方，與輥道平面相距為h，與鋼板運(yùn)行方向的夾角為?。每組相鄰兩臺(tái)激光掃描儀的安裝間距為l，激光掃描儀3，4之間的距離為L(zhǎng)，激光掃描儀的角度掃描范圍為 θ。Ai，Aj，Am，An分別為激光掃描儀在鋼板寬度和長(zhǎng)度方向上的邊界掃描特征點(diǎn)。設(shè)掃描點(diǎn)Ai的極坐標(biāo)為(ri，ωi，?)，則可得其在相應(yīng)當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系中的位置:

同理可得鋼板寬度方向上另一邊界特征點(diǎn)Aj在相應(yīng)坐標(biāo)系中的位置:

兩相應(yīng)掃描中心Oi，Oj的距離:

由上式可得鋼板的寬度為:

同理可得鋼板的長(zhǎng)度為:

為保證每組相鄰兩臺(tái)激光掃描儀的掃描點(diǎn)有一定的重合度，需滿足如下不等式:

由此，系統(tǒng)可測(cè)得鋼板最大的寬度和長(zhǎng)度分別為:

3 測(cè)試結(jié)果及結(jié)論

對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果的系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正后，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際測(cè)量后表明，系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度和輸出穩(wěn)定性。系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)度、寬度的測(cè)量見(jiàn)表1，表2。

表1 系統(tǒng)長(zhǎng)度測(cè)量值比較 cm

表2 系統(tǒng)寬度測(cè)量值比較 cm

本文提出了一種基于激光掃描的鋼板尺寸自動(dòng)測(cè)量方案，該方案通過(guò)鋼板邊界特征點(diǎn)的識(shí)別和提取對(duì)鋼板的長(zhǎng)、寬進(jìn)行測(cè)量，具有測(cè)量精度高、成本低、光照影響小、輸出穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。與鋼板運(yùn)行方向成一定角度安裝的激光掃描儀組可以對(duì)鋼板跑偏帶來(lái)的測(cè)量誤差進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，進(jìn)一步提高了測(cè)量精度。

[1]賀賽先，何對(duì)燕.面陣CCD鋼板長(zhǎng)寬尺寸在線實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，1997(5):640-642.

[2]解建國(guó)，張河新.鋼板寬度高速實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].機(jī)床與液壓，2002(5):226-227.

[3]六 星，裴海龍.一種基于激光測(cè)距技術(shù)的三維可視化系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008(4):147-149.