CC BY
17
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2008 р. Вип. № 18
УДК 681.5.08
Зайцев B.C.1, Пономарьов С.Ю.2
ЗАСТОСУВАННЯ СИСТЕМ ТЕХН1ЧНОГО ЗОРУ ДЛЯ ВИМ1РЮВАННЯ ГЕОМЕТРИЧНИХ РОЗМ1Р1В НАГР1ТОГО ПРОКАТУ
Розглянута можлив1сть застосуеання систем техшчного зору для забезпечення контролю геометричних po3Mipie заготовок на обтискних станах. Наеодятъся оптичт схемы euMipweanie тоещини та ширины розкату. Проведений теоретичний анал1з ix точтсных характеристик е умовах прокатного еиробництеа.
На сьогодш актуальным е впровадження ресурсозбер1гаючих тсхнолопй. у тому hhc.ií й у прокатному виробництвг Виршення цього завдання можливе лише за умови повно! автоматизацп його технолопчного процесу (ТП). Враховуючи cattcbí втрати металу, яких зазнае виробництво шд час його розкрою в наел ¡до к вщход1в на o6pÍ3, а також, значною mí рою. Í3 появою укороченнх внроб1в, е актуальною задача оптимпацп ваги заготовок на обтискних станах [1 - 3].
Для забезпечення оптимального розкрою металу в i дом и й ряд систем, серед яких: системи стабшзацн ваги заготовки шляхом корекцн II довжини за фактичною лшшною вагою [2], системи оптимального розкрою металу шляхом корекцп номшально! довжини заготовки на ochobí шформацн про и площу поперечного nepepÍ3y [3, 4].
Проведений анатз показуе, що може бути використана будь-яка з цих систем за умови, якщо вона забезпечена вим1рювальною шформащею: у першому випадку про вагу i довжину розкату перед його пор1зом на ножицях поперечно! рпки. а у другому випадку необхщно мати шформащю про площу поперечного nepepÍ3y розкату.
Рсалпащя другого типу систем е бшып приваблива [3, 4], проте у вищевказаних роботах не наводяться конкретш техшчш пристро!, здатш забезпечити вим1рювання плопц поперечного nepepÍ3y прокату без зупинки ТП прокатного виробництва. Дану задачу можливо розв'язати за допомогою безконтактних систем вим1рювання товщини Н i ширини прокату В. Для вим1рювання цих параметр i в найбшып bíjomí датчики, що використовують лазерне випромшювання, проте вони мають складну i ушкальну реал1защю з використанням дорогих слсмсьтв (лазерних випром1нювач1в), а також i'x ¡стотна чутливють до вплив1в з навколишнього середовища призводить до труднопцв i'x практичного застосування в тяжких умовах прокатного виробництва.
Оскшьки оптико-електронш зображення нагрпото прокату м1стять ¡нформац1ю про його геометричш розм1ри, а також, враховуючи безконтактний характер процесу i'x отримання, е випдним застосування систем техшчного зору (СТЗ) для вим1рювання та контролю параметр i в геометрн прокату.
Метою дано! роботи е:
- теоретичний анал1з точшених характеристик оптичних схем СТЗ для вим1рювання товщини та ширини HarpiToro прокату;
- визначення вимог до апаратно!' та програмно!' складово! тако!' СТЗ з можливютю i'i роботи в умовах прокатного виробництва i при цьому без зупинки ТП.
У загальному в игл яд i системи техшчного зору складаються з ряду апаратних та програмних 3aco6ÍB, якл здшенюють: отримання зображення об'екта контролю за допомогою оптико-електронних пристроУв (ОЕП) проекцшного типу, i'x цифрову обробку на персональнш електронно обчислювальнш машин1 (ПЕОМ) з метою вилучення вим1рювально! ¡нформацЛ' та використання отримано!' ¡нформацй за призначенням у KOHTypi АСУ ТП.
1ПДТУ. д-р техн. наук, проф.
2ПДТУ, асшрант
На користь застосування систем техшчного зору говорить стр1мкий рют обчислювальних можливостей персональних комп ютср1в. значний розвиток ¡нформацшних технологш, а також досягнутий прогрес у створенш ОЕП, що визначае 1х високу поширенють 1 незначну вартють. Також не останню роль при вибор1 СТЗ вщграе 1 високий ступшь ушфшованосп сучасних ОЕП, метод ¡в 1х програмування та обробки цифрових зображень, що обумовлюе вщокремлення програмно! складово! СТЗ вщ апаратно!. А це, у свою черту, забезпечуе можливють гарячо! замши слсмсьтв системи на аналопчш елементи ¡нших виробниюв при цьому без змш у протрамному забезпеченш.
Рис. 1 - Оптична схема ви\прювача товщини прокату
Розтлянемо оптичну схему ви\прювача товщини прокату (рис. 1). ОЕП К1 розмщений на вщеташ Z1 вщ поверхш гарячого прокату, який мае товщину Н \ таким чином, що його оптична вюь перпендикулярна граш прокату. Зображення граш прокату формуеться на поверхш ПЗЗ матриц! (пристрш п зарядовим зв'язком) висотою Нт1, у якш N т, шксел!в \ яка
розташована на вщеташ вщ оптичного центра ОЕП (на фокуенш вщстан1). Виходячи з проективно! модел1 формування зображення Z1 » fl [5, 6] к1льюсть засв1чених шксел1в ПЗЗ матриц! //1, що буде визначати товщину прокату в систем! координат растрового зображення,
становитиме
Я, =
Щ\
де м>1 =
Н
т\
N.
- масштабний коеф1ц1ент уздовж вертикально! оа ПЗЗ
матриц! (розм1р п1ксела ПЗЗ матриц!). Якщо ми будемо знати товщину прокату у систем! координат ПЗЗ матриц! ОЕП К1 Н}. ми зможемо розрахувати дшене значения товщини Н ^ ~\ф>
прокату Н = —-—'—. Для цього необхщно знати параметри внутр!шнього ор!ентування ОЕП
(фокусну в!дстань ОЕП ! масштабний коеф!ц!ент ), кр!м того, необхщно також знати вщетань м!ж оптичним центром ОЕП ! гранню прокату Z1. При фшеованих параметрах внутр!шнього ор!ентування ОЕП ! вщетан! Z1 товщина прокату буде функщею Н = /{Н1).
тт • С « Р 71М71
4утливють тако! вимфювально! системи о1 =- буде становити о1 =
/
, В1ДПОВ1ДНО
похибка визначення товщини прокату Н ± АН складатиме АН =-АН} , де АНх похибка
визначення товщини прокату в систем! координат растрового зображення (похибка локал!зацп прокату на растровому зображенн!).
Точнють тако! вим!рювально! системи залежить, по-перше, вщ розд!льно! здатност! ОЕП. Насамперед вщ розд!льно! здатност! ПЗЗ матриц! ОЕП, ос кальки на сьогодн! розд!льна здатн!сть сучасних ПЗЗ матриць залишаеться пршою в!д розд!льно! здатност! об'екптав. Подруге, вщ в!дстан! м!ж оптичним центром ОЕП ! гранню прокату, а також вщ номшального значения фокусно! вщетан! об'ектива ОЕП. Чим ближче буде розташовуватися ОЕП до гран! прокату, тим вищою буде точнють вим!рювання, проте необхщно вибирати таю умови, за яких зображення прокату буде повнютю розмщуватися на поверхн! ПЗЗ матриц!, оскщьки у противному раз! не буде можливосп локал!зувати прокат на отриманих з ОЕП зображеннях. Також необхщно враховувати й т! обмеження, що пов'язаш з неможливютю встановлення ОЕП
у безпосереднш близысосп до прокату у зв'язку з досить жорсткими тсхнолопчними умовами протшання прокатного виробництва. Враховуючи те, що нам необхщно проводити ви\прювання товщини прокату у д1апазош 200 - 400 мм, тобто максимальний д1апазон 400 мм, при \п шмаль но можливш вщдаленосп ОЕП вщ поверхш гарячого прокату 1000 - 1500 мм, необхщно формувати зображення таким чином, щоб воно займало практично всю висоту його вертикального поля (висоту ПЗЗ матрищ), наприклад, близько 85%, або 0,85Нт . Цього можна досягти шляхом вибору об'ектива ОЕП з вщповщним збшыпенням, що визначае його фокусна
0,*5Н„Л
вщстань, яка мае бути /1 =-. 3 урахуванням вищезазначеного похибка визначення
Н
ц
товщини прокату буде становити АН = ^ — АН1, де N т, - кл ль клеть шксел1в у
вертикально розгортщ ПЗЗ матрищ, що безпосередньо \ визначае роздщьну здатнють ПЗЗ матриц!.
По-трете, точшеть вим1рювально1 системи залежить вщ похибки локал1зацп (видщення)
АН
прокату на растровому зображенш 1. Також значною м1рою на точшеть системи впливають й вщхилення параметр ¡в внутршнього ор1ентування ОЕП вщ номшальних значень, якл юнують 1 як унаслщок недосконалосп процесу виготовлення ОЕП, так 1 за рахунок 1х змш у процесс експлуатацп, пов'язаних з р1зноман1тними негативними впливами на ОЕП (тепловими, в1бращями тощо), та викривлення (абсрацЛ'). що вносять об'ективи до геометрн формування зображення граш прокату [5 - 7].
Розглянемо одномегашкеельний ОЕП, оптичний центр якого знаходиться на вщеташ Z1 = 1500 мм вщ поверхш гарячого прокату висотою Н = 400 мм, з такими параметрами: ПЗЗ матриця 4,9x3,7 мм при 752x582 шкеелах, тобто вертикальна розгортка ПЗЗ матрищ мае розм1р 3,7 мм, у якл вкладаються 582 шкеели. При таклй роздщьнш здатносп ПЗЗ матрицк а також за умови, що зображення граш прокату буде формуватися таким чином, що його товщина буде займати приблизно 85% вертикального поля зображення (висоти ПЗЗ матрищ) Нт1 =3,7 мм, фокусна вщстань об'ектива ОЕП повинна становити = 12 мм, при цьому кожний шкеел такого зображення буде мютити Л' ~ 0,8 мм товщини граш прокату. Розглянемо тепер чотиримегашкеелний ОЕП з такими параметрами: ПЗЗ матриця 15,15 х 15,15 мм при 2048x2048 шкеелах, тобто Нт1 =15,15 мм, Nт] = 2048 шксел1в, при цьому фокусна вщстань об'ектива повинна становити = 49 мм. При таклй роздщьнш здатност1 ОЕП кожний шкеел зображення буде мютити вже Я ~ 0,2 мм товщини граш прокату. Отже, для пщвищення точшених характеристик вим1рювально1 системи необхщно:
- застосовувати камери з високою роздщьною здатнютю NпЛ, проте це одночасно буде призводити до збщыпення об'ему даних, якл необхщно передавати на ЕОМ та пщдавати обробщ;
- забезпечити високу точшеть визначення товщини прокату в координатах растрового зображення ОЕП АНх, що забезпечуеться алгоршмчно цифровими методами обробки отриманих зображень;
- забезпечити стшкл геометричш умови формування зображення граш прокату шляхом контролю вщхилень параметр ¡в внутршнього ор1ентування ОЕП вщ номшальних значень, а це, у свою чергу, досягаеться яклетю конструкц11 ОЕП та технологию геометричного кал1брування ОЕП;
- забезпечити м1н1мально можливу у конкретних технолопчних умовах вщдален1сть ОЕП вщ гран1 прокату.
Проте, якщо визначення параметр ¡в внутршнього ор1ентування ОЕП можна здшенювати пер1одично, шляхом проведения геометричного кал1брування ОЕП [5, 6] \ вважати 1х незм1нними у процеел вим1рювань, то вщстань до прокату на практищ може зазнавати значних змш, осклльки якщо в1дстань Я (рис. 1) вщ оптичного центра ОЕП до прокатного стану 1
можна вважати фшсованою, то вщстань до самого прокату Z1 змшюеться внаслщок його поперечного руху на рольганг обтискного стану. Так, на обтискному стан! ВАТ «МК «Азовсталь»" розкат у поперечному напря\п залежно вщ програми прокатки в кагпбрах може змшювати свое положения вщ 0 до 2000 мм.
Таким чином, для забезпечення можливосп проведения вим1рювань товщини прокату необхщний додатковий датчик, який буде визначати вщстань вщ оптичного центра ОЕП до гран] прокату Z1. Кр1м того, введения до вимфювально! системи додаткових датчиклв визначення дальносп до граней прокату, коли датчик дальност! Д1 розташований з одного боку прокату, а датчик Д2 з шитого боку при фпчеовашй В1дстан1 с! м1ж цими датчиками, дае можливють визначити також 1 ширину прокату В = с/ — Х} — X , де Хх та Х-, - в 1 дстан 1 до прокату, що визначеш за допомогою датчиклв Д1 та вщповщно Д2.
Zj
в
К2 /.;
II:
Zi
К1 fj
./.•КЗ
ZJ
/
в
Zi
К1 fi
d
а)
б)
Рис. 2 - Оптичш схеми вим1рювача: а) - товщини прокату; б) - ширини прокату
Розглянсмо наступну оптичну схему (рис. 2а). Розмютимо ОЕП К2 на вщстан1 Z^ = Z1 +/ вщ поверхш гарячого прокату аналогично ОЕП К1. Тод1 на ПЗЗ матриц! ОЕП К2, яка у загальному випадку розташуеться на В1дстан1 /-, вщ оптичного центра ОЕП, буде формуватися зображення гран! прокату товщиною Н. Товщина прокату в систем! координат
ОЕП К2 Н буде визначатися за таким виразом: Н =
м_
Z2w2
. Отримуемо систему р!внянь:
Я, =
Ж
ZM
н2=-
т
з яко! товщина прокату становитиме: Н =
lHií'hW\W2
Я3Ч1./2 - H2wJx
(Z • /)и'„
Для розрахунку товщини прокату необхщно визначити цей параметр у системах координат першого i другого ОЕП Нл та Н , знати параметри внутр!шнього ор!ентування
обох камер, а також вщстань /, на яку вони рознесеш углибину. Якщо вважати параметри BHyrpiniHboro ор!ентування ОЕП i вщстань 1 фшеованими значениями, що не змшюються у процечл вим!рювань, товщина прокату буде функщею Н = f(Il . /12). Тод! похибка вим!рювання Н ± АН тако! системи складатиме:
ш=Щ12НАш
дИ„ 1
д/(Нии2)1И
дНз
2 '
(1)
Якщо похибка визначення товщини прокату в системах координат растрових зображень ОЕП К1 та ОЕП К2 однакова, тобто АНр = АН í = АН , а також для спрощення розрахунюв
припустимо, що параметры внутршнього ор1ентування обох ОЕП однаков1 1 не змшюються у пропса вим1рювань, тобто — та / = = /2. отримуемо:
АН = =^(21, +1)АН . (2)
/ (Нх - Н2) р
При фшсованому значен! Z1 точшсть тако! системы буде збщыпуватися п зменшенням значения /, а тому ОЕП К2 необхщно розмщувати попереду ОЕП К1, наскщьки це буде можливо у конкретних технолопчних умовах, а також покращувати роздшьну здатнють ОЕП.
Розглянемо наступну оптичну схему: одномегашксельний ОЕП К1, оптичний центр якого знаходиться на вщсташ 1500 мм вщ поверхш гарячого прокату, з такими параметрами: ПЗЗ матриця 4,9x3,7 мм при 752x582 шкселах, з фокусною вщстанню об'ектива ОЕП — 12 мм, та аналопчний йому ОЕП К2 оптичний центр якого знаходиться на 200 мм попереду вщ оптичного центра ОЕП К1, тобто / = —200 мм. Похибка визначення товщини прокату у такому випадку буде становити АН ~ ±1,5АНр мм. Розглянемо тепер у цш же схс\п
чотиримегашксельний ОЕП з такими параметрами: ПЗЗ матриця 15,15x15,15 мм при 2048x2048 шкселах з а фокусною вщстанню об'ектив1в / = 49 мм. При такш роздщьнш
здатносп ОЕП похибка вп\прювання буде складати АН ~ ±0,4АНр мм.
Розглянута оптична система вп\прювання товщини прокату под1бна стереоскоп1чним системам, проте на вщмшу вщ традиц1йних побудов [5, 6], коли ОЕП розносяться вздовж горизонтально! оск така модиф1кац1я забезпечуе бщып просту обробку отриманих зображень, оскщьки вщпадае необхщн1сть пошуку на них спряжених елемент1в. Така ситуащя е досить вигщною, зважаючи на необхщн1сть застосування камер з високою роздщьною здатн1стю, а також необхщнють роботи системи в реальному част
Для ви\прювання ширини прокату можна застосувати наступну оптичну схему (рис 26). ОЕП КЗ розмщуеться з протилежного боку вщ ОЕП К1 та прокату, аналопчним чином як \ ОЕП К1, та на вщстан1 с! вщ оптичного центра ОЕП К1. При цьому ця вщстань буде становити й? = Z1 + Z3 + В (рис. 26), де Z3 - вщстань \пж оптичним центром ОЕП КЗ 1 поверхнею гарячого прокату та В, вщповщно, ширина прокату. Товщина прокату в систем! координат
н/
растрового зображення ОЕП КЗ становитиме #3 = . Для спрощення розрахункш
Zз14'з
припустимо № = = та / = /| = /,. тод1 ширину прокату можна визначити вщповщно до ^ \
виразу В = ё--(--1--) . При фксованих параметрах б/. / . И' та Н ширина прокату
м> Нх Нъ
В е функц1ею В — /(Нг, Н ,). Якщо похибка визначення товщини прокату в системах координат растрових зображень ОЕП К1 та ОЕП КЗ однакова, тобто, АНр = АНг = АН3, похибка ви\прювання В ± АВ тако! системи становитиме:
(3)
1V Н1 Н3
Розглянемо таку оптичну схему: чотиримегашксельний ОЕП К1, оптичний центр якого знаходиться на вщсташ 1000 мм вщ поверхш гарячого прокату (В = 400 мм, Н = 400 мм), з такими параметрами: ПЗЗ матриця 15,15x15,15 мм при 2048x2048 шкселах та аналопчний ОЕП КЗ, оптичний центр якого знаходиться на вщсташ 2600 мм вщ поверхш гарячого прокату вщповщно до рис 26. Такий випадок е крайшм { можливий при вщдаленосп обох ОЕП вщ прокатного стану на 1000 мм. Похибка визначення ширини прокату при цьому буде становити АВ ~ ±4,5АН мм. Якщо застосувати ппстнадцятимегашксельш ОЕП з параметрами ПЗЗ
матрищ: 36,07x24,05 мм при 4872x3248 шксел1в, можна значно покращити точшсть ви\прювання. похибка тсцц буде становити АН ~ ±1,8АНр мм. Проте застосування вже таких
ОЕП в системах реального часу може призводити до ютотних труднопцв, пов'язаних насамперед з передачею та обробкою значного об'ему даних.
На користь тако! схеми ви\прювання ширини прокату говорить те, що II необхщно монтувати з бок ¡в обтискного стану, а не безпосередньо над гарячим розкатом, що значно покращуе умови И експлуатацп i техшчного обслуговування.
Розглянуп системи можуть бути застосоваш для контролю геометричних параметр ¡в розкату на обтискних станах. Под1бш системи також можуть використовуватися i на шших дщянках, наприклад, при отриманш литих заготовок на машинах безперервного лиття заготовок (МБЛЗ).
Подалыпою перспективою роботи у даному напряму е проведения експериментального дослщження запропонованих оптичних схем СТЗ з метою вироблення пщход1в щодо оцшки, а також зменшення вщхилень точносп вищезазначених систем вщ теоретично розрахованих.
Також певний штерес представляе отримання з вщеозображення шформацп про динам1чш характеристики рухомого прокату: швидкосп, прискорення, координат.
Висновки
1. Запропоноваш оптичш схеми СТЗ дають можливють розв'язати задачу вим1рювання параметр ¡в гсомстрп гарячого прокату без зупинки тсхнолопчного процесу прокатного виробництва, особливютю яких е можливють проведения вим1рювань при його поперечному pyci на рольганз1 обтискного стану.
2. Застосування чотиримегашкеельних ОЕП дае можливють досягти точносп вим1рювання товщини прокату АН ~ 0,4 мм та ширини прокату АН ~ 4.5 мм. Значно пщвищити точшсть вим1рювання ширини прокату можна за рахунок застосування ш1стнадцятимсгап1кссльних ОЕП. При цьому точшсть вим1рювання зросте практично удв1ч1 АН~± 1,8 мм.
3. Для досягнення наведених точшених показниклв нсобх1дно забезпечити ст1йкл гсомстричн1 умови формування зображення граш прокату, та проводити И локал1защю на отриманих зображеннях з точн1стю в один шкссль (АНР= ± 7мм).
üepeniK посиланъ
1. О снижении потерь при производстве мерных листов на толстолистовом стане / В. С. Зайцев, В.Г. Носов, М.С. Бабицкий, В.В. Грицай //Сталь. - 1981. - № 5. - С. 46 - 48.
2. A.c. 387620 СССР, МКИ G06f 15/20 Устройство для оптимального раскроя проката.
3. A.c. 413726 СССР, МКИ B23q 15/06 Система рационального пореза прокатанных на заготовочном стане полос металла.
4. Пат. 17491 А Украша, МКИ B22D 11/126 Пристрш для одержання заготовок стабильно! маси на машинах безперервного лиття заготовок.
5. Форсайт Д. Компьютерное зрение: современный подход / Д. Форсайт, Ж. Понс. : Пер. с англ. - М.: Вильяме, 2004. - 928 с.
6. Цифровая обработка изображений в информационных системах: Учебное пособие / И. С. Грузман и [др.] - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. - 168 с.
7. Слюсарев Г.Г. Расчет оптических систем. - Л.: Машиностроение, 1975. - 640 с.
Рецензент: C.B. Гулаков д-р техн. наук, проф., ПДГУ
Стаття надшшла 21.02.2008
