光反射式辊型检测方法的研究与实现*

郭 媛,魏连锁,孙 明

(齐齐哈尔大学计算机与控制工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

光反射式辊型检测方法的研究与实现*

郭 媛,魏连锁,孙 明

(齐齐哈尔大学计算机与控制工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

根据辊型检测过程的特点及精度要求，提出了用反射式光纤传感器对辊型进行非接触式光电检测的方法。通过对轧辊表面反射光位置变化的精确测量，将轧辊半径的微小变化放大，并转化为与之有一定放大倍数关系的直线位移量，可实现辊型的高精度非接触式检测。根据检测原理对系统进行了软件仿真，结果表明，该方法可及时获得检测系统辊型的输出信号，并将检测数据以曲线形式自动描绘出辊型曲线。这是一种放大倍数高、成本低、易实现的高精度非接触式辊型检测方法。

辊型；光反射；检测；仿真

1 引言

轧辊是轧钢厂的重要轧制工具，长时间工作后，表面受到不同程度的磨损，使其形状也就是辊型发生变化，从而导致所轧制的钢材的板形和板厚产生误差，直接影响轧制产品质量。因此，及时、准确地检测出辊型的改变是目前轧制生产的迫切要求，具有重要的意义[1,2]。为解决这一问题，先前的研究者们试用了着色探伤、磁粉探伤、电涡流检测、超声波检测等辊型检测手段，并取得了一些研究成果[3～6]。但是，由于轧辊工作环境较复杂，电磁干扰较大，以上各种方法均存在不同程度的局限性[7,8]。本文提出一种以反射式光纤位移传感器实现辊型的非接触检测方法，此方法可使检测系统结构简单紧凑、灵敏度及检测精度高、稳定可靠、抗电磁干扰性好，并具有易与计算机连接，可实现智能化检测及辊型曲线自动绘制等优点。

2 检测原理

当一束光倾斜照射轧辊表面时，轧辊的表面会发生光反射现象。如果使入射光线和轧辊反射面形成一定的夹角，那么反射光线的方向由这个夹角决定。在保证入射光位置和方向不变的情况下，反射光线在CCD(Charge-Coupled Device)上位置的变化就可以直接反映轧辊半径的变化，即轧辊的辊型，基本检测原理如图1所示。

Figure 1 Measurement principle of the detecting system for roller shape图1 辊型检测工作原理

利用这一原理，通过探测反射光线在CCD上的位移变化值Δh，就可以计算出轧辊半径变化值Δr，从而得到轧辊辊型曲线。

根据轧辊半径变化与CCD成像位移变化的数学关系(具体原理由公式(6)和公式(7)表述)，可知反射光线在CCD上的位移变化率要大于轧辊半径的变化。因此，光反射式辊型检测法可将微小的辊型变化转化为较大的直线位移来检测，是一种高精度、高分辨率的检测方法，具有抗电磁干扰、设计灵活、性能稳定等特点，为辊型的检测提供了一种新的手段。

3 检测算法分析及系统整体设计

图2为检测系统横截面示意图。光源发射的光以入射角α照射到轧辊表面，轧辊表面反射的光线用CCD阵列记录其位置，轧辊半径为r，入射光线距轧辊中心轴线垂直横切面的距离设为S，入射光线和反射光线在CCD上的距离记为h，检测平面(CCD阵列所在平面)与中心轧辊轴线之间的距离为L。

通过求得CCD阵列上的偏移距离h就可以求得轧辊各位置的实际半径。当检测系统沿轴向扫描整个轧辊时，在CCD阵列上记录的一系列反射光线与入射光线偏移位置h将组成一条曲线。分析这条曲线，就可以获取轧辊表面各点半径构成的曲线，即得到辊型曲线。检测平面与轧辊轴线间的距离L可由公式(1)求得:

(1)

其中2α为反射光线与入射光纤间的夹角。根据三角公式有:

(2)

由图2可知：

(3)

Figure 2 Analysis of the reflective detecting method for roller shape图2 反射式辊型检测方法分析

则可求得：

(4)

代入式(1)，可得：

(5)

从而可以求出轧辊表面反射光线与入射光线偏移位置h和轧辊半径r的关系为：

(6)

由于轧辊表面受到磨损，轧辊不同位置的半径会发生变化。保持光纤传感器与轧辊中心轴线之间的距离不变，轧辊半径r的不同会引起反射光线位置变化，求出其在CCD阵列上的偏移距离h，就可以得到轧辊辊型状况。

为进一步分析光反射式辊型检测方法的规律，取CCD阵列上的偏移距离h对L求导数，可得式(7)：

(7)

Figure 3 Detecting location of the reflective system for roller shape图3 光反射法检测位置分析

检测系统基本结构如图4所示。在轧辊附近选定检测位置后，安装三个光学检测系统。其中轧辊两端的固定不动，用来检测轧辊的振动状况，以减小检测产生的误差。中间的可移动光学系统由步进电机以及机械传动系统驱动。光学系统台架上安装螺母与丝杠配合，由步进电机通过减速机构驱动丝杠转动，驱动光学系统在导轨上沿轧辊轴向移动。根据系统检测精度需要，以步距5 mm对轧辊进行轴向数据采集，经上位机数据处理后绘制出辊型曲线。

Figure 4 Composing diagram of the detecting system图4 检测系统组成示意图

4 系统实验及软件仿真

针对光反射式辊型检测系统的工作原理，用VB 6.0编写了该系统的软件仿真程序。软件具有与反射式辊型检测系统的通信接口。通过软件中的操作控制按钮可以方便地控制检测系统的开始、停止、暂停、返回前一组数据、检测下一组数据等操作，并可以随时对检测探头上各个检测器件的位置角度进行手动或自动的调整。

实时检测监控软件的流程图如图5所示。仿真软件的实时检测监控过程和结果数据分别在图6和图7所示。

Figure 5 Flow chart of real-time-control图5 实时检测监控软件流程图

Figure 6 Working state of analyze-control software图6 检测监控软件运行状态

Figure 7 Simulation-software output of optical fiber detective system for roller shape图7 辊型光反射检测系统检测结果

辊型检测结束后，检测结果分别以数据和曲线两种形式显示在软件的主界面上，可以得到辊型检测的完整数据，并可以将检测获得的数据保存到数据库中，方便以后的分析研究和使用。通过实验数据可知，光反射式辊型非接触检测法原理正确、性能稳定、检测精度高，能达到检测要求，是一种可靠的辊型检测新方法。

5 结束语

本文提出了一种利用光反射原理进行辊型检测的光电测量方法，对其基本原理进行了分析，进行了系统实验并设计了软件仿真程序，可实现对辊型的实时非接触光电检测与数据的监控分析。实验结果表明，该系统检测分辨率高，精确度可达到检测要求，具有实现简单、放大倍数高、实时输出显示及性能稳定可靠等优点。在成本较低的情况下，是一种有效的非接触式辊型光电检测方法。

[1] Ginzburg V B. Steel-rolling technology:Theory and practice[M]. New York:Marcel Dekker, 1989.

[2] Peng Kai-xiang, Zhou Dong-hua. Data fusion based quality monitoring and control of strip thickness[C]∥Proc of International Conference on Frontiers of Manufacturing Science and Measuring Technology,2011:266-273.

[3] Nolle L. Optimum work roll profile selection in the hot rolling of wide steel strip using computational intelligence[J]. Knowledge-Based Systems, 2007(8):203-208.

[4] Guo yuan, Wei Lian-suo, Dai Xue-feng. Designing of a CCD sensor for on-line non-touch monitoring roller wear[C]∥Proc of International Conference on Advanced Materials and Computer Science, 2011:1893-1896.

[5] Tieu A K, Jiang Z Y, Lu C. A 3D finite element analysis of the hot rolling of strip with lubrication[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2002,125-126(9):638-643.

[6] Guo Yuan,Wang Yu-tian.Optical fiber on-line detection system for non-touch monitoring roller shape[C]∥Proc of ISIST’06, 2006:1038-1042.

[7] Guo Yuan, Dai Xue-feng, Wang Yu-tian. A novel optical fiber displacement sensor of wider measurement range based on neural network[C]∥Proc of SPIE’06, 2006:6148-6150.

[8] Byon S M, Park H S, Lee Y. Experimental study for roll gap adjustment due to roll wear in single stand rolling and multi-stand rolling test[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2008,22(5):937-945.

GUOYuan,born in 1974,PhD,associate professor,CCF member(E200025539M),her research interests include photoelectric detection and the technology of sensor, and computer control.

魏连锁(1975-),男,黑龙江讷河人，硕士，讲师，CCF会员(E200018851M)，研究方向为人工智能与模式识别。E-mail:jkxy173@126.com

WEILian-suo,born in 1975,MS,lecturer,CCF member(E200018851M)，his research interests include artificial intelligence, and pattern recognition.

孙明(1979-),男,山东海阳人，博士，讲师，研究方向为混沌神经网络及优化。E-mail:snogisunming@yahoo.com.cn

SUNMing,born in 1979,PhD,lecturer,his research interest includes chaotic neural networks and optimization.

Studyandrealizationoftherollershapedetectionmethodbasedonreflectiveopticalfibersensor

GUO Yuan,WEI Lian-suo,SUN Ming

(College of Computer and Control Engineering,Qiqihar University,Qiqihar 161006,China)

According to the requirements of the feature and the measurement accuracy in roller shape detection process, a roller shape detection method is proposed, which uses reflective optical fiber sensor to do non-touch photo electricity detection for roller shape. By detecting the changes of the reflective ray position on roller’s surface accurately, the tiny changes of the radius of the roller can be magnified and converted to some beeline displacement. And by measuring the beeline displacement, which is proportion to the radius of the roller, the roller shape can be measured in a non-touch distance detection method precisely. A simulation-software program is compiled with Microsoft Visual Basic 6.0 based on this principle. By using this simulation-software, the date of output signals of this system can be gained in time. And the curve of detection signals of the roller shape can be drawn automatically by this software. Our proposal is a non-touch high precision detection method for roller shape, providing high magnification, low cost and easy realization.

roller shape;light reflection;detection;simulation

2012-05-03;

：2012-12-10

国家自然科学基金资助项目(61100103)；黑龙江省自然科学基金资助项目(F201219)；黑龙江省教育厅科研面上资助项目(12521600 )；齐齐哈尔大学青年重点基金资助项目(2011K-02)

1007-130X(2014)02-0372-04

TP399

：A

10.3969/j.issn.1007-130X.2014.02.029

郭媛(1974-),女,黑龙江齐齐哈尔人，博士，副教授，CCF会员(E200025539M)，研究方向为光电检测与传感器技术及计算机控制。E-mail:guoyuan171@126.com

通信地址： 161006 黑龙江省齐齐哈尔市齐齐哈尔大学计算机与控制工程学院Address:College of Computer and Control Engineering,Qiqihar University,Qiqihar 161006,Heilongjiang,P.R.China