激光測量高精度銅帶箔離線板形的開發與實踐

姬海燕

(中鋁上海銅業有限公司,上海 200940)

0 前 言

隨著市場對高精度銅帶箔材產品表面質量和板形要求的日益提高,箔材板形(即平直度)的好壞成為衡量銅帶箔材質量的一項重要指標.目前現代化高精度銅帶箔材冷軋機均配有在線測量的板形輥和板形控制系統,但是這種測量是基于軋制中大張力情況下的板形測量和板形控制.公司在調試進口高精度銅帶多輥可逆精軋機時就曾經遇到在線板形只有幾個“I”,但是軋制過后的帶卷放到清洗機上，在張力釋放后明顯看出不良板形.針對目前離線板形主要靠肉眼觀察判斷,很難有精確數據分析的現狀,開發了用一字形激光照射在離線微小張力的銅帶箔材表面,通過機器視覺系統進行數字化處理而得出離線板形測量數據的裝置.希望通過實踐可以更好地幫助銅帶箔材產品離線的質量檢測,并且通過在線板形的數據和離線板形的數據進行對比與分析,更好地指導銅帶箔材軋制工藝的改進和提高,生產出質量更高的銅帶箔材產品.

1 銅帶箔材產生不良板形的原因及類型

產品越薄,板形越難以控制.高精度銅帶箔材板形的好壞取決于軋件寬度方向上各點縱向延伸是否相等.當發生不均勻變形時,變形體內的應力分布也呈不均勻分布,導致附加應力的產生,變形結束后留在變形體內形成殘余應力.當變形體內殘余應力間的相互作用不能抵消,且超過銅帶箔材維持箔面剛性平衡的應力水平時,軋制中的銅帶箔材將發生形狀失穩,松弛不均勻變形產生的殘余應力,使得銅帶箔材表面的平直度遭到破壞.由于軋制變形區內變形情況的復雜性,易受外部其他因素的影響而具有很大的隨機性,軋件均勻變形的可能性并不大,因此，實際生產出的銅帶箔材或多或少都帶有一定程度的不平度.

板形直觀來說就是指板帶材的翹曲度,其實質是板帶材內部殘余應力的分布.只要板帶材內部存在殘余應力,即為板形不良.如殘余應力不足以引起板帶翹曲,稱為“潛在”的板形不良;如殘余應力引起板帶失穩,產生翹曲,則稱為“表觀”的板形不良.常見的板形缺陷有邊部波浪、中間波浪、單邊波浪、二肋波浪和復合波浪等多種形式.

2 板形定義及計算公式

定量地表示板形,既是生產中衡量板形質量的需要,也是研究板形問題和實現板形自動控制的前提條件.因此，可依據各自的研究角度及不同的板形控制思想,采取不同的方式定量地描述板形.目前主要有以下幾種方法,即相對長度差表示法、波形表示法、張力差表示法、帶材斷面形狀的多項式表示法和厚度相對變化量差表示法等.而最為通用的是相對長度差表示法,即取橫向上最長與最短縱條之間的相對長度差作為板形單位,稱為I,一個I相當于相對長度差的105.所以板形表示為:Σst=105×ΔL/L.圖1為國際通用的板形測量定義.

圖1 平直度測量定義Fig.1 The definition of flatness

計算公式為:

(1)

假定正弦波:

(2)

(3)

3 離線板形測量開發的重要性和功能

在銅帶箔材生產中,一些帶卷存在中間和邊緣部分不平直(即板形不好)的情況.由于在軋制過程中有較大的張力(為80～120 N/mm2),一般軋機的板形輥是用測量軋制中帶材對板形輥壓力的方法來在線測量及控制板形.而在后道工序,如清洗機上的張力是很小的,在張力很小的情況下,板形是不同的,找到兩個相對應的函數關系或經驗公式,就需要分別記錄、對照來研究.為了解決這個問題,需要對帶材在微張力或者離線的情況下進行測量.為此，公司開發了激光測量板形的裝置,用它在軋制生產工藝以外的各個重要環節進行測量和記錄.該裝置可以篩選出最佳產品和普通產品來進行分類、分級,也可以挑選出不必進入下一道拉彎矯工序的產品,從而達到降低能耗和減少表面擦傷的目的.更重要的是可積累經驗來改進將來產品的工藝條件,提高產品的質量.針對上述問題,提供了一種結構簡單、運行方便、且成本低廉的測量裝置,它采用激光反射技術來測量微張力下帶材或箔材的平直度.

4 測量原理和方法

本裝置使用基于光學三角測量原理的技術.當點狀激光光源束照射到目標物體帶材、箔材的表面形成一個反射,該反射光在線陣光敏探測器上產生一個亮點.當目標物體(帶材、箔材)表面的反射角發生變化時,光敏探測器上的像點位置也發生相應的變化.所以，根據物像的三角形關系可以計算出帶材、箔材表面的角度變化,也就是測量了帶材、箔材的平直度的變化(即帶材、箔材的板形的變化).如果板帶表面是平坦的,則傾斜投射到板帶上的激光線反映在圖像中為直線;若板帶表面有浪形,則傾斜投射到板帶上的激光線反映到圖像中時為曲線.然后將反射在固定熒光屏的曲線送入計算機進行處理,從而得出板形的數值.

5 應用方法

5.1 技術方案

在機器視覺系統中,關鍵技術有激光源照明技術(使用激光二極管)、激光投影屏、照相機和個人計算機(基于Windows記錄曲線的應用程序)等方面.系統原理如圖2所示.

5.2 原 理

本實踐用距離銅材表面Hmm的一字形激光發光二極管以φ角度照射在小張力機列(清洗機、氣墊爐等)或有標準微張力的測試檢查臺上的銅帶箔材的表面.由于銅表面是一個良好的反射鏡面,會將激光反射到離銅材表面距離h的屏幕上,再將屏幕上的投影拍下來.拍下的照片在個人電腦中將“jpg”文件轉換成“bmp”文件[1],同時去除畫面上無用的部分.將該圖片送入用BCB編制的程序中,該程序會自動找到板形曲線并顯示在計算機屏幕上.該程序也可將板形曲線的數值保存到“txt”文件中,然后將數據導入電子表格，從而使得電子表格中再現板形的曲線.由“jpg”文件轉換到“bmp”文件格式和“txt”文件中的數據到“Excel”表格的板形曲線再現，用的是另外一個自編程序,它調用的是opencv的算法,該部分也可用windows附帶的程序自行轉換.

圖2 系統原理圖Fig.2 The diagram of the offline flatness measurement

投影的角度和高度不同,會產生不同的投影.根據光學原理，該映射具有光杠桿作用.光學反射原理:平面反射有兩個對稱,其一是發射光線與反射光線關于法線對稱;其二是反射光線與入射光線關于界面對稱.平面鏡只改變光的傳播方向,不改變會聚或發散程度.由于光杠桿能把微小的高度偏差放大,利用該方法可以提高測量的精度.程序中將投影高度與實際高度映射公式進行自動計算[2].

根據上述光學原理推導出角度轉換公式如下:

r=R×(H×tgφ)/(H+h)

(4)

式中:R為圖像中顯示高度,r為板帶箔帶實際高度,φ為激光入射角,H為激光頭離被測材料高度,h為影像投影屏幕離被測材料高度.

5.3 分 析

現場通過一字型激光照射銅帶箔材表面并反射到固定平板上的曲線,用照相機拍攝的銅箔板形曲線圖“6890曲線”,如圖3所示.

圖4為通過BCB編寫的板形開發程序的一部分截圖[3].

圖3 用照相機拍攝的銅箔板形曲線圖“6890曲線”Fig.3 The flatness curve(Curve 6890)of a copper foil photographed by a camera

圖4 通過BCB編寫的板形開發程序的一部分截圖Fig.4 A part of the screenshot of the flatness measurement program written in BCB

圖5為由圖3通過BCB編寫的板形開發程序,找出板形曲線并計算出的“I”值.從圖5中可以看出，該曲線得出的板形值I=51.302 0.

該應用還可以將板形曲線的數值轉換為“Excel”文件格式或“txt”文件格式進行輸出.

圖5 拍攝的板形曲線圖Fig.5 The photographed flatness curves

6 結 論

從一幀圖像中獲取板形信息,不存在對時間的積分問題,因此，從原理上解決了板帶在輥道上運動時,由于跳動或擺動而引起的測量誤差;而且可以獲得沿板帶寬度方向任意位置的板形信息.運用激光測量銅帶箔材板形平直度的方法和裝置，結構簡單,便于制造、維護和操作,費用低,可以廣泛地應用于各種銅帶箔材卷在有或無張力生產的過程控制、品質檢驗等各個領域.

參考文獻:

[1] 張錚,王艷平,薛桂香.數字圖像處理與機器視覺-Visual C++與Matlab實現[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[2] 吳貴芳,徐科,楊朝霖.鋼板表面質量在線監測技術[M].北京:科學出版社,2010.

[3] 范逸之.C++Builder與RS-232串行通訊控制[M].北京:清華大學出版社,2002.