-钢板在线监测装置设计本科毕业论文.doc
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1、目录1.引言22.激光扫描技术钢板宽度检测装置的工作原理及结构32.1 激光扫描技术钢板宽度检测装置方案32.2 工作原理52.3 系统标定62.4 激光扫描技术钢板宽度检测装置工艺流程6CCD图像感光器程序组成框图73.激光源和CCD图像感光器的选择83.1 线性激光源的选择83.2 CCD图像感光器的选择83.3 钢板输送床电机的选择84.钢板运输装置的设计84.1传动装置的设计84.1.1传动带的设计94.1.2 V带带轮的设计114.2传动轴的设计134.2.1根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度144.2.2 初步选择输出轴系144.2.3确定输出轴上的圆角半径值154.2.4
2、按弯扭合成条件校核轴的强度154.2.5 校核轴的强度185.自动化系统设计195.1 C51单片机概述195.2芯片的选择195.2.1单片机的确定195.2.2单片机的结构196控制仿真图的设计226.1控制的仿真图226.2仿真程序:227结论25致谢25参考文献:25附件1:激光测宽装置装配图26附件2:滚桶轴承27钢板在线检测装置设计摘要:采用计算机数字图像处理技术对钢板宽度进行实时检测。在硬件结构上,采用双CCD感光器加激光线辅助光源扫描检测技术,提高系统检测精度。根据CCD成像原理及三角形相似定理,对因钢板宽度变化及钢板边缘上浮所引起的宽度变化计算模型进行了推导,提出了采用激光线
3、遮挡板分线法来判定钢板边缘上浮所引起的测量误差,并根据误差测量结果,对钢板宽度进行了修正;同时,通过分析CCD激光线条最佳成像方法对系统进行了试验标定。结果表明,该系统的测量精度能满足实际生产需求。关键词:钢板宽度检测;激光扫描测量;CCD相机;图像处理;Laser scanning technology for steelPlate width measuring deviceAbstract: The real time detection of steel plate width is made by computer digital image processing technolog
4、y. In the hardware structure, the dual CCD photosensitive device is used to detect the light source and the light source is used to improve the accuracy of the system. According to the CCD imaging principle and triangle similarity theorem and width variation caused by plate width and the edge of the
5、 steel plate surface of the calculation model is deduced, and puts forward the using laser line covering baffle dividing method to determine the measurement error caused by steel plate edge floating, and according to the error of the measurement results, the steel plate width is modified; at the sam
6、e time, through the analysis of CCD laser stripe optimal imaging method, the system calibration. The results show that the measurement accuracy of the system can meet the actual production requirements.Keywords: steel plate width measurement; laser scanning measurement; CCD camera; image processing;
7、1.引言钢板宽度是冶金行业钢板剪切过程中的一个重要检测和控制参数,实现钢板宽度的准确检测和实时控制是提高钢板成材率和保证后续产品质量的重要因素。目前,钢材生产企业多数采用人工检测方法,由于受现场钢板高温和复杂的生产环境影响,人工劳动强度过大、检测滞后,且检测精度依赖于人工经验,生产率较低。近年来,计算机数字图像处理作为视觉成像检测方法的技术支撑,与计算机、自动化、集成技术、光学等众多领域交叉,在检测精度和实时性上均有很大的进展。作为图像采集设备的电荷耦合器件,CCD集成度高、光敏元间距小、几何尺寸严格,在图像采集、信号处理和数字存储等领域已得到广泛应用。作者在前人研究基础上,采用双面阵CCD图
8、像传感器和绿色线形激光发射器作为辅助光源的计算机数字图像处理技术对钢板宽度实时检测原理及方法进行了研究,建立了软硬件系统。试验结果表明:该方法及检测精度能满足工业现场应用要求。2.激光扫描技术钢板宽度检测装置的工作原理及结构2.1 激光扫描技术钢板宽度检测装置方案 图1激光扫描技术钢板宽度检测装置示意图钢板在传送过程中,左右边缘有可能高于基准面,因此,检测过程中应同步计算钢板边缘浮动量,并根据计算结果对钢板宽度值进行修正,该结果将包含在板型重构信息中。钢板在传送过程中出现的边缘上浮动情况,及由此产生的CCD激光线断点位移量计算方法下图所示。为经分线板分割的激光线条原始图像,边缘左处和边缘右处分
9、别代表了实际测量中钢板宽度的变化信息。以左边缘处检测为例。图2计算钢板边缘浮动量可知,CCD1像素位移量1值的变化可能有两种因素引起:其一是钢板自身的宽度变化引起激光线辅助光源断线点位置的变化,其二是钢板边缘上浮引起的断线点位置变化,图中由于钢板号边缘翘起导致在方向出现了a到的位移量。由于系统设计采用激光线分线板的方式,因此可通过检测断线位置点的横向移动来判断钢板边缘位移量是否由浮动导致,断线点处位置的变化所导致的CCD像素位移量与实际断线点移动距离D1表示为: (2-1)同样,钢板边缘处点处移动距离: (2-2) 因此,可通过判断点位置的变化计算出点的实际位移量,进而对实测结果进行修正。计算
10、结果如下,当系统固定后可得到以下相关参数,中令:;分线板距钢板表面高度:可知:则:与与之间的函数关系由三角形相似定理可得: (2-3) 可得: (2-4) 最后可得: (2-5)其中:及在实际应用应通过标定得出。软件处理过程中,钢板边缘位置的提取基于灰度图像特征区域提取技术,即在CCD视场内采用激光线条断线点实时定位提取技术。2.2 工作原理 采用激光线光源辅助成像测量方式,需根据被测量钢板和激光源在CCD感光元上的像面照度决定传感器光积分时间,即要保证图像采集能获得清晰的激光线条,由像面照度公式决定如下 (2-6)式中:、分别为物、像方介质折射率;表示光学系统透过率;表示光亮度;表示像方孔径
11、角。其中,可通过实验测量高温或常温自身辐射光亮度和激光线经钢板反射亮度,则实际钢板表面反射亮度应为: (2-7)式中:为激光发射器光源自身照度;为钢板表面反射率()。则钢板表面漫反射激光线像面照度应满足下式: (2-8)因CCD光圈固定时其感光元像面照度与被采集图像亮度为正比关系,因此可通过控制CCD感光元件的光积分时间得到激光线与被测量钢板表面最大宽容度图像,从而准确定位图像中的激光线条边缘断线位置。实际测量过程中,可通过钢板传送速度来控制CCD积分时间,以保证测量的实时性。其测量计算方法表述如下,若检测精度需控制为,则: (2-9)其中: (2-10)式中:为面阵CCD成像面横向尺度,即为
12、横向像元总数1024与像元尺寸52的乘积;为CCD距被测钢板表面高度,试验中定为1000mm;F为CCD镜头的焦距(25mm)。把相应数据代入式(9)、(10),可得每个像素代表的横向尺寸:即为宽度检测精度。2.3 系统标定实际应用中,系统各参数的确定难免存在误差,因此需采用标定模块对系统进行应用前标定。仍以图3中号边缘为例,如图5(a)、(b)所示分别为钢板边缘宽度变化和边缘上浮所引起的CCD像素偏移量变化值,其中,图5(a)采用步进电机以0.2mm/s的速率向钢板宽度方向移动钢板,并同时每隔1s记录此刻像素位移量值,共延伸10mm长度;以同样方式记录钢板边缘上浮10mm时CCD像素偏移量值
13、,可得到图5(b)的对应关系曲线。因此,测量过程中 通过边缘上浮判定即可对实际钢板测量结果进行修正。2.4 激光扫描技术钢板宽度检测装置工艺流程初始化系统计算模式导入摄像机标定像素偏移量计算宽度计算浮动判断Y修正宽度计算结果N输出实际钢板宽度板形重构显示中断结束图3 计算机工作循序流程图CCD图像感光器程序组成框图CCD缓存放大驱动ADCFPGA输出图4CCD图像感光器程序组成框图 3.激光源和CCD图像感光器的选择3.1 线性激光源的选择 选择普通的绿色线性激光发射光源输出波长650nm管芯功率1030mW规格,线宽4米长线宽0.5mm使用寿命:连续使用大于8000小时,出光张角90120,
14、光学透镜光学镀膜玻璃透镜G3,工作电压直流 5V。3.2 CCD图像感光器的选择双面阵CCD图像传感器图象大小1280 x 720;像素宽度20.07mm;封装类型20.07mm;尺寸33.02 x 20.07 x 3.33mm;帧速138 (Quad) fps, 39 (Single) fps, 69 (Dual) fps;引脚数目68;最低工作温度-50 C;最大工作电源电压17.5 V;最小工作电源电压-0.4 V;最高工作温度+70 C;长度33.02mm;高度3.35mm。3.3 钢板输送床电机的选择条件:转速,n=300r/min,T=300Nm。主要作用就是控制钢板床滚轮转动。选
15、择三相笼型异步电动机,其工作电压为380V,星型连接。工作机的工作功率 (3-1)电动机的工作功率 (3-2)从电动机到主轴的总效率 (3-3)取,=0.8,所以 (3-4) (3-5)故电动机类型为Y200L-8。4.钢板运输装置的设计4.1传动装置的设计根据钢板运输装置的具体传动要求,可选取电动机和主轴之间用V带和带轮的传动方式传动,传动件V带是一个滚筒,它赋有弹性,能缓和冲击,因而使钢板运输装置工作平稳,等优点。虽然在传动过程中V带与带轮之间存在弹性滑动,使传动比不精确,因为压力分离机不需要精确的传动比,只要传动比比较准确就可以满足要求,而且V带的弹性滑动是一种过载保护,不会造成机体部件
16、的严重损坏,还有V带及带伦的结构简单、制造成本底、容易维修和保养、便于安装,所以,在电动机与压力分离机之间选用V带与带轮的传动配合是很合理的。4.1.1传动带的设计 (1) 确定计算功率 (4-1)式中:工作情况系数; 电动机的功率。查文献1中的表87 可知: =1.0 (2) 选择V带的型号根据计算得知的功率和电动机上带轮的转速(与电动机一样的速度),可以选择V带的型号为A型。(3)确定带轮的基准直径初选主动带轮的基准直径可选择V带的型号参考表86和8-8,选取 。计算V带的速度V (4-2)V带在5的范围内,速度V符合要求电动机与主轴传动比的计算 (4-3)计算从动轮的直径 (4-4)(4
17、) 确定传动中心距和带长 (4-5) 其中: 为中心距;为相应带长。查文献2中表82,选择相近的基本长度和 相对应的公称长度(内周长)可查得:。实际的中心距也可用经验公式: (4-6)(5)验算主动轮上的包角 (4-7) 满足V带传动的包角要求。(6) 确定V带的根数V带的根数由下列公式确定: (4-8)其中: 单根普通V带的许用功率值 ;考虑包角不同大的影响系数,简称包角系数;考虑的材质情况系数,简称材质系数,对于棉帘布和棉线绳结构的胶带,取 ,对于化学线绳结构的胶带,取 ;计入传动比的影响时,单根普通V带所能传递的功率的增量。查表取值: 由 查得: 所以: 取 根(7) 确定带的初拉力 单
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