專利名稱：形狀測(cè)定及相關(guān)的改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及確定物體形狀的方法及使用該方法的裝置。更確切地說(shuō)，本發(fā)明涉及確定金屬材料(如鋼)片或條的平整度的方法和裝置。
鋼條或片(以下統(tǒng)稱為“鋼條”)在傳統(tǒng)上是通過(guò)在一種多組(multi-stand)滾軋機(jī)中熱或冷軋制半成品(如桿材)來(lái)制作的。如此制作的鋼條的平整度自然對(duì)最終用戶是非常重要的。但對(duì)條的平整度的測(cè)定卻受到傳統(tǒng)滾軋機(jī)的高運(yùn)行速度的制約。因而，需要快速地測(cè)量離開(kāi)滾軋機(jī)的條的平整度的方法和裝置。
通常所采用的一種技術(shù)，是用激光器產(chǎn)生的光束照射鋼條，并用電視面積攝像機(jī)(areacameras)觀察光束在條上的位置。但快速分析電視圖像所需的計(jì)算能力則是相當(dāng)大而且昂貴的。而且，若計(jì)算能力較低，則測(cè)量的間隔會(huì)太長(zhǎng)，從而無(wú)法給出真實(shí)的平整度表示。
本發(fā)明的一個(gè)目的，是提供快速測(cè)定物體形狀，特別是鋼或其他材料條的平整度的方法和裝置。
根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供了用于測(cè)定物體表面形狀的裝置，該裝置包括能把多個(gè)光束投射到一物體表面上的激光裝置，所述物體相對(duì)于激光裝置運(yùn)動(dòng)，并且所述多個(gè)光束沿物體的運(yùn)動(dòng)方向彼此間隔，從而在物體表面上形成沿大致垂直于物體運(yùn)動(dòng)方向的方向伸延的多個(gè)光圖案;還包括觀測(cè)并記錄所述光圖案并并行地處理記錄數(shù)據(jù)以提供對(duì)物體表面形狀的測(cè)量的行掃描攝像機(jī)陣列。
可沿大致垂直于物體運(yùn)動(dòng)方向的方向，連續(xù)地把激光器產(chǎn)生的光束掃過(guò)物體表面。掃描可借助轉(zhuǎn)動(dòng)或振蕩鏡組件來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些組件可包括鏡式電流計(jì)。
或者，激光光束可取脈沖形式，從而在物體表面上形成開(kāi)/關(guān)光圖案。
可并行處理由陣列中的各個(gè)行掃描攝像機(jī)記錄的圖像，以分別提供對(duì)該攝像機(jī)所觀測(cè)到的各個(gè)光圖案部分高于一基準(zhǔn)面的高度的測(cè)量。
在另一方面，提供了用于測(cè)定在一支撐表面上移動(dòng)的金屬物體表面形狀的裝置，該裝置包括能把多個(gè)光束射到移動(dòng)物體表面上的激光裝置;能從這些激光光束產(chǎn)生多個(gè)光圖案的裝置，這些光圖案分別沿物體的寬度分布并沿物體運(yùn)動(dòng)方向與其他光圖案相間隔;沿物體的寬度延伸的行掃描攝像機(jī)陣列，用于觀測(cè)并記錄所述光圖案，并且并行處理所記錄的數(shù)據(jù)以提供對(duì)物體表面形狀的測(cè)定。
在另一方面，提供了用于測(cè)定沿支撐表面移動(dòng)的物體表面形狀的方法，該方法包括如下步驟使多個(gè)激光光束射到物體表面上以在該表面上形成沿大致垂直于物體運(yùn)動(dòng)方向的方向在該物體表面上延伸的多個(gè)光圖案，用沿大致垂直于物體運(yùn)動(dòng)方向的方向設(shè)置的行掃描攝像機(jī)陣列記錄所產(chǎn)生的光圖案，并把各行掃描攝像機(jī)所記錄的數(shù)據(jù)與其他這類攝像機(jī)記錄的數(shù)據(jù)并行地進(jìn)行處理，從而提供對(duì)物體表面形狀的測(cè)定。
下面僅通過(guò)舉例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述。在附圖中

圖1和圖2是根據(jù)本發(fā)明的裝置的側(cè)視及平面示意圖;
圖3是構(gòu)成圖1和2所示裝置的一部分的行掃描攝像機(jī)的部分剖視圖;
圖4和圖5分別是設(shè)在滾軋機(jī)的軋制臺(tái)上方的、根據(jù)本發(fā)明的裝置的部分剖視和平視圖;
圖6是沿圖4中Ⅵ-Ⅵ線取的縮小的剖面圖;
圖7示意顯示了所示裝置的行掃描攝像機(jī)與處理計(jì)算機(jī)的連接方式。
參見(jiàn)附圖，圖1和2示意顯示了根據(jù)本發(fā)明的裝置的操作方法，用于測(cè)定沿箭頭A方向在支撐表面2上移動(dòng)的鋼條1的平整度。圖1中為方便說(shuō)明起見(jiàn)，夸大了鋼條的形狀。三束激光光束3被投射到條1的表面上。各光束均沿條的寬度方向掃描，形成線狀的光圖案，用沿條的寬度方向延伸的行掃描攝像機(jī)5的陣列，來(lái)觀測(cè)這些光圖案。偏斜激光束的投射角，使其軸與條表面法線間的夾角通常為20°。攝像機(jī)5也以大致相同的角度傾斜，從而使各攝像機(jī)的光軸與條表面法線之間成通常為20°的夾角。當(dāng)條1在支撐物2上移動(dòng)時(shí)，其表面因?yàn)闂l表面的不平整性而相對(duì)于支撐表面2上升和下降。對(duì)真正平整的條表面，光圖案4將在圖1中位置7處由對(duì)應(yīng)的攝像機(jī)看到;但對(duì)所示的條表面，該條表面則在位置8處被攝像機(jī)看見(jiàn)。這樣，可借助對(duì)攝像機(jī)5所接收到的圖像數(shù)據(jù)的適當(dāng)處理，來(lái)測(cè)定條在任何給定位置處相對(duì)任意基準(zhǔn)平面和此前標(biāo)定的瞬時(shí)高度。更具體地，可記錄條表面的瞬時(shí)高度，以提供對(duì)相鄰光圖案間的直線距離(即條紋長(zhǎng)度)的測(cè)量。
通過(guò)借助攝像機(jī)陣列5來(lái)在條的寬度范圍中以規(guī)則的間隔進(jìn)行一系列測(cè)量，就可確定條的總體平整度。
采用多個(gè)激光束的一個(gè)好處是，可在三個(gè)沿長(zhǎng)度方向上間隔開(kāi)的位置上同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，以便能通過(guò)并行處理來(lái)確定高度差;當(dāng)然，所進(jìn)行的測(cè)量除受條平整度的局部變化影響之外，還將受條總的垂直運(yùn)動(dòng)的影響。因?yàn)橛捎谥T如顫動(dòng)等引起的條的總體垂直運(yùn)動(dòng)將引起激光束形成的光圖案的類似水平移動(dòng)，在處理過(guò)程中可方便地消除這種總體運(yùn)動(dòng)。因而，應(yīng)理解的是，可對(duì)在線(on-line)攝像機(jī)陣列5產(chǎn)生的圖像進(jìn)行處理，以精確地確定各激光束3產(chǎn)生的光線條4的相對(duì)位置，并且由該數(shù)據(jù)可確定條的平整度。
激光束3可用一單個(gè)激光器方便地產(chǎn)生，并借助轉(zhuǎn)動(dòng)或振蕩鏡系統(tǒng)(如鏡式電流計(jì))來(lái)在條的寬度上掃描?；蛘?，可設(shè)置一行發(fā)生器或多個(gè)獨(dú)立的激光器，每一個(gè)均受到脈沖激勵(lì)以提供通/斷光圖案。
現(xiàn)參見(jiàn)圖3，各行掃描攝像機(jī)5均包括一透鏡11;透鏡11用于接收從包含在掃描6的限定“行”中的條表面部分反射來(lái)的光，并把這些反射光聚焦到包括光敏材料陣列14的接收表面12上。在接收表面12上收到的光圖案的像顯示在4a、4b、4c處。
線性光敏陣列14通常為傳統(tǒng)的電荷耦合裝置，且各光圖案4a、4b、4c的位置，是參照由各自光圖案激勵(lì)的陣列14中的象素來(lái)確定的。各線性陣列14與其他攝像機(jī)的陣列相分離，且利用電子硬件來(lái)并行處理若干個(gè)線性陣列的輸出。這意味著大大減少處理時(shí)間。
在圖4至6中顯示了根據(jù)本發(fā)明的裝置的一種特殊設(shè)置。來(lái)自激光器20的光束被分成三個(gè)單獨(dú)的光束21，光束21的每一個(gè)均借助位于防塵外殼22之內(nèi)的三個(gè)鏡式電流計(jì)掃描器22之一，掃過(guò)條的寬度。條1沿著箭頭A所指方向沿軋臺(tái)24移動(dòng)，而由條表面所反射的光，被包括處于外殼26之內(nèi)的光檢測(cè)器的行掃描攝像機(jī)25的陣列所接收。激光器20通常為4瓦的氬離子激光器，且通常有二十一個(gè)行掃描攝像機(jī)25(圖6中僅顯示了其中的某些)均勻地沿軋臺(tái)24的寬度方向上設(shè)置。各行掃描攝像機(jī)25通常裝有一個(gè)F2.8200mm焦距的透鏡，以便能測(cè)定高達(dá)250mm的高度變化。各行掃描攝像機(jī)通常有2048個(gè)像素，以達(dá)到亞毫米的高度分辨率。
激光器20、掃描器22、行掃描攝像機(jī)陣列25及相關(guān)的電子線路27構(gòu)成的組件，通常位于熱軋機(jī)出口處軋臺(tái)上方3m處。行掃描攝像機(jī)25的輸出，鏈接到位于一段距離之外的儀器中間的控制計(jì)算機(jī)28(見(jiàn)圖7)，以進(jìn)行并行處理。置于軋臺(tái)23上方的所有設(shè)備均包括在一水冷或空調(diào)外殼29中，在外殼29的一側(cè)設(shè)有窗口31，以使激光21照到條表面上并使來(lái)自該表面的反射光照到攝像機(jī)25。
在使用中，由于條表面有適當(dāng)反射能力，它偏離鏡面的任何角度變化(由于形狀波動(dòng)或“顫動(dòng)”而引起)將導(dǎo)致激光束21在條表面上形成的各“條”(即圖案)的強(qiáng)度發(fā)生變化。在設(shè)計(jì)的測(cè)量范圍內(nèi)，強(qiáng)度可變化幾百倍。因?yàn)檫@會(huì)落到攝像機(jī)25的動(dòng)態(tài)范圍之外，所以有必要采用足夠大功率的激光器，以確保當(dāng)條與水平間的夾角很大時(shí)信號(hào)不致小得無(wú)法測(cè)量。其結(jié)果之一是，當(dāng)條的角度接近鏡面時(shí)，信號(hào)已超過(guò)飽和很多倍了，因而需要用帶有“反光學(xué)膜”(anti-blooming)的線性陣列，來(lái)防止信號(hào)失真并確保始終得到準(zhǔn)確的測(cè)量。
激光“條”通常沿條移動(dòng)的方向相互間隔125mm(最外邊之間相隔250mm);該間隔確定了沿軋制方向的取樣頻率及可測(cè)定的最小波長(zhǎng)形狀。該間隔在每個(gè)500mm的波長(zhǎng)(設(shè)計(jì)的最小波長(zhǎng))給出五個(gè)測(cè)量點(diǎn)。為保證完全覆蓋條，條每行進(jìn)250mm就應(yīng)進(jìn)行一次攝像機(jī)讀取。這等于在軋機(jī)的最大條速度18m/s下每14毫秒作一次讀取。
當(dāng)條速度因產(chǎn)品等級(jí)及軋制作業(yè)不同而改變時(shí)，計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)條速度的變化并適當(dāng)改變攝像機(jī)的積分時(shí)間。這樣，激光點(diǎn)在每個(gè)積分周期中只掃過(guò)攝像機(jī)25的視場(chǎng)一次，且掃描器22與攝像機(jī)25同步。掃描器22由一鋸齒波所驅(qū)動(dòng)。該波的幅度是可調(diào)的，以適應(yīng)所軋制的條的寬度。在回掃期間，可在電路上阻止各攝像機(jī)25，以使這些光點(diǎn)不被看見(jiàn)。由于激光點(diǎn)極快地(約50微秒)掃過(guò)各攝像機(jī)25的視場(chǎng)，因條表面的運(yùn)動(dòng)而引起的移動(dòng)模糊實(shí)際上被消除了。
由于離開(kāi)熱軋機(jī)的條在經(jīng)過(guò)外殼29下方時(shí)呈紅熱狀態(tài)，通過(guò)給攝像機(jī)25裝上以激光波長(zhǎng)(約50nm)為中心的分色帶通濾色器32，來(lái)阻止來(lái)自條表面的輻射。若不安裝這種濾色器，則由于攝像機(jī)的靈敏度峰值處在約800nm處，因而它們會(huì)為背景輻射變得飽和。
如圖7所示意的，攝像機(jī)25每次三個(gè)一組，經(jīng)七個(gè)接口板33，鏈接到計(jì)算機(jī)28。這些板33為電路中的模擬攝像信號(hào)34設(shè)定閾值，以產(chǎn)生饋入邊沿檢測(cè)電路的二進(jìn)制視頻信號(hào)。由于該處理是在硬件中并行地進(jìn)行的，故它非常之快。上述邊沿，即高于為輸入設(shè)定的可編程閾值的轉(zhuǎn)換，它們被存在一個(gè)FIFO緩沖器(先入/先出硬件緩沖器)中并對(duì)應(yīng)于攝像機(jī)視場(chǎng)中激光“條”的位置。
在各攝像機(jī)的積分時(shí)間的終結(jié)處，產(chǎn)生一個(gè)中斷，并且計(jì)算機(jī)28經(jīng)一數(shù)據(jù)庫(kù)從七個(gè)接口板FIFO緩沖器讀取邊沿讀數(shù)。這些邊沿讀數(shù)隨后在軟件中得到濾波以除去無(wú)用數(shù)據(jù)，并被用于為每一正確的攝像機(jī)估算條上的表面條紋(即激光產(chǎn)生的圖案1之間的直線距離)的長(zhǎng)度。由于條的寬度會(huì)變化且不大可能完全地填滿軋臺(tái)24的整個(gè)寬度，故有些攝像機(jī)25不會(huì)看到所有三個(gè)“條”。軟件會(huì)舍去來(lái)自這些攝像機(jī)的讀數(shù)。估算的條紋長(zhǎng)度(即各光圖案4間的距離)隨后在預(yù)置的條長(zhǎng)度上得到積分，并被用于計(jì)算一些參數(shù)，從其可確定條的平整度。
與面積攝像機(jī)相比，行掃描攝像機(jī)的優(yōu)點(diǎn)包括行掃描攝像機(jī)的分辨率相對(duì)高于面積攝像機(jī)，且當(dāng)使用面積攝像機(jī)進(jìn)行精確測(cè)量時(shí)，需要采用像素之間內(nèi)插技術(shù)，這進(jìn)一步消耗了處理時(shí)間。另外，面積攝像機(jī)每一積分周期內(nèi)所要讀的數(shù)據(jù)比行掃描攝像機(jī)多得多，因而其工作速度也慢得多。面積攝像機(jī)一般只需在電視幀速率下工作，這比實(shí)際鋼條軋制中所要求的可高在80Hz的速率要慢。面積攝像機(jī)還產(chǎn)生大量的冗余信息，且面積陣列攝像機(jī)的反光學(xué)膜特性不如行掃描攝像機(jī)好。
雖然以上結(jié)合金屬條平整度檢測(cè)描述了本發(fā)明，但根據(jù)本發(fā)明的裝置也可被用于諸如管、軋制部件、型材工件等類似物體的表面形狀檢測(cè)。
應(yīng)理解，以上所述的只是根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置的例子，在不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明范圍的前提下可輕易地對(duì)本發(fā)明進(jìn)行多種修改。
權(quán)利要求
1.用于測(cè)定物體表面形狀的裝置，該裝置包括激光裝置，所述激光裝置能把多個(gè)光束投射到相對(duì)于激光裝置運(yùn)動(dòng)的物體的表面上，且所述多個(gè)光束沿該物體的運(yùn)動(dòng)方向彼此間隔開(kāi)，從而在物體表面上形成沿大致垂直于物體運(yùn)動(dòng)方向的方向延伸的多個(gè)光圖案；觀測(cè)并記錄所述光圖案并且并行地處理所記錄的數(shù)據(jù)以提供對(duì)物體表面形狀的測(cè)定的行掃描攝像機(jī)陣列。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述物體為一金屬條且其中待測(cè)定的形狀為該條的表面的平整度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中設(shè)置用于沿大致垂直于物體運(yùn)動(dòng)方向的方向持續(xù)地把激光器產(chǎn)生的光束掃過(guò)物體表面的掃描裝置。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述掃描裝置包括轉(zhuǎn)動(dòng)或振蕩鏡組件。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中鏡組件包括多個(gè)鏡式電流計(jì)。
6.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中設(shè)有用于產(chǎn)生脈沖激光光束的裝置，以在物體表面上形成通/斷光圖案。
7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中由陣列中的各個(gè)行掃描攝像機(jī)所記錄的圖像被并行處理。
8.用于測(cè)定在支撐表面上移動(dòng)的金屬物體的表面的形狀的裝置，該裝置包括可把多個(gè)光束照到該移動(dòng)物體表面上的激光裝置;可從這些激光光束形成多個(gè)光圖案的裝置，每個(gè)所述圖案均在物體的寬度上延伸并沿物體運(yùn)動(dòng)的方向與其他光圖案相隔開(kāi);行掃描攝像機(jī)陣列，它在物體的寬度方向上延伸并處于能觀測(cè)并記錄所述光圖案的位置，并對(duì)所記錄的數(shù)據(jù)作并行處理以提供對(duì)物體表面形狀的測(cè)定。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中支撐表面包括處于接收來(lái)自軋機(jī)的金屬條的位置的軋臺(tái)。
10.用于測(cè)量在支撐表面上移動(dòng)的物體的表面形狀的方法，該方法包括把多個(gè)激光光束投射到一物體的表面上，以在該表面上形成多個(gè)光圖案，這些圖案沿大致垂直于物體運(yùn)動(dòng)方向的方向在物體表面上延伸;用大致垂直于物體運(yùn)動(dòng)方向設(shè)置的行掃描攝像機(jī)陣列來(lái)記錄所形成的光圖案，并且把各行掃描攝像機(jī)記錄的數(shù)據(jù)與其他它類攝像機(jī)記錄的數(shù)據(jù)并行地進(jìn)行處理，以提供對(duì)物體表面的平整度的測(cè)量。
全文摘要
用于測(cè)量諸如在支撐表面上運(yùn)動(dòng)的金屬條的表面形狀的裝置，包括能把多條光束投射到移動(dòng)的條的表面上的激光器。從這些激光光束形成多個(gè)光圖案，每個(gè)圖案均掃過(guò)條的寬度并沿條的運(yùn)動(dòng)方向與其他圖案相分隔。一行掃描攝像機(jī)陣列在條的寬度上延伸并處于觀測(cè)并記錄投射的光圖案的位置。對(duì)來(lái)自攝像機(jī)陣列的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理，以提供對(duì)條表面形狀的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B11/30GK1075545SQ9310180
公開(kāi)日1993年8月25日 申請(qǐng)日期1993年2月17日 優(yōu)先權(quán)日1992年2月18日
發(fā)明者約翰·戴維·布洛克, 諾曼·威廉·威廉斯 申請(qǐng)人:英國(guó)鋼鐵公司