激光測量技術在冶金行業智能制造領域的應用

倪曉巖

【摘 要】介紹了智能制造行業對高精度非接觸式測量技術的需求。結合實際應用對激光測量技術在冶金行業智能制造領域的應用進行了分類說明，詳細敘述了板材測厚、測長、測寬、測速，板材三維尺寸測量，板材平直度測量，高爐爐襯壁厚測量的基本工作原理、系統特點和國內外主要廠商產品性能。提出了國內激光測量設備在設計及性能上需進一步提高的幾個方面。

【關鍵詞】智能制造；激光測量；測厚；測速；平直度；爐襯壁厚

中國政府于2015年發布了《中國制造2025》，部署全面推進實施制造強國戰略。這是我國實施制造強國戰略第一個十年的行動綱領，以推進智能制造為主攻方向，以滿足經濟社會發展和國防建設對重大技術裝備的需求為目標，實現制造業由大變強的歷史跨越。計劃實施以來極大促進了我國制造業的轉型升級和國際競爭力，引起了世界各國的高度關注。

智能制造的本質就是讓彼此關聯的數據發揮大腦價值，實現下游推動上游的柔性生產鏈條。它主要有感知層、網絡層、執行層、應用層組成。傳感層是支撐智能制造的基礎。智能制造的特征就是將傳感器及智能決策軟件與裝備集成，實現感知、分析、推理、決策、控制功能，使工藝能適應制造環境變化。

制造業主要是采用工業化流水線式的生產方式，它具有以下特點：連續不中斷、生產節奏快、自動化操作、生產效率高。它對產品生產過程中各項工藝參數的監測也提出了更高要求：在線動態實時監測、非接觸式（最優）、具有一定的監測精度、環境適應性強（惡劣環境）。眾所周知激光具有單色性好、方向性好、相干性好的特點，因此采用激光技術的精密測量設備，恰恰具備以下優勢：非接觸式測量，不影響被測物體的運動，精度高、測量范圍大、檢測時間短，具有很高的空間分辨率。正因為如此，激光測量技術在冶金、汽車生產、裝備制造等領域的應用越來越廣泛。

鋼鐵行業在積極化解過剩產能的基礎上加快推進鋼鐵行業轉型升級，當前的重點就是加快智能制造發展，即借助智能制造技術，轉變生產管理模式，實現敏捷制造和精細化管理，進而推動鋼鐵行業的轉型升級。智能制造是制造業未來發展的重大趨勢，也是當前鋼鐵行業轉型升級、提質增效的重要著力點。在2015年工信部發布的《2015年智能制造試點示范專項行動實施方案》，鋼鐵行業就已被列入工信部的智能制造試點范圍。一些大型鋼廠將智能制造分成“3+1”模式，即“智能裝備、智能工廠、智能互聯和基礎設施”，進行探索和實施。而鋼鐵制造全流程在線檢測—監測技術是首先要解決的基礎問題。下面以冶金行業為例，介紹激光測量技術在冶金智能制造領域的應用。

一、激光高精度板材測厚、測寬、測長

激光測厚儀的工作原理是基于三角測量的原理。上下兩組激光發射系統將光斑分別投射到鋼板的上、下表面。光學接收系統將照射到目標板上的光斑漫反射光成像于線陣CCD上。CCD將像點光信號轉換為電信號測出其像點的位置。當被測物體沿著法線方向移動時，其表面上光斑會隨著相對物鏡的位置變化而發生改變，相應地，像點在光敏器件CCD上的位置也要發生變化，精確地測量像點在CCD上的位移，就可以得到被測物體的位移量。由于是絕對測量，所以采用激光上下表面雙三角法。通過電路處理初步計算出鋼板上下表面的實時位置值，該數值通過通訊接口傳到上位機，然后將上下表面位置數據進行相關數學模型運算，即可計算出測量的鋼板瞬時厚度測量值H。從測量原理可以看出，此方法的突出優點是所測得的鋼板厚度值與被測物的材質、溫度和標準值無關；采用上下對稱測量可以自動消除由于被測物的跳動、彎曲和振動所引入的測量誤差，從而大大提高了動態測量的準確度。中厚板材測寬、測長的基本測量原理與激光測厚儀基本相同。

二、激光測速測長

激光多普勒測長測速儀（LDV： Laser Doppler Velocimetry），應用了多普勒效應，利用激光的高相干性和高能量測量流體或固體流速，它具有線性特性與非接觸測量的優點，精度高、動態響應快。

其基本工作原理是兩束同源激光在測量區域相交后，干涉產生一個條紋立體空間，取被測物經過的截面，在該區域內，形成明暗交錯的條紋帶。條紋間隔為d，該值由激光波長λ及兩束激光間的半角k決定，d = λ/（2*sin k） 。被測量鋼板經過該區域的條紋帶時，鋼板表面將產生明暗交錯的漫反射光信號，該信號被儀表的光電探測器轉化為一定頻率的電信號，該信號的頻率與被測鋼板的運動速度相關。

目前在冶金行業應用較多的是德國Polytec公司生產的LVS-300型激光測速測長儀。該設備采用激光外差技術，精確測量速度和長度，不管被測鋼板處于向前、向后或靜止狀態在都可進行測量。

其主要技術指標：

最大速度范圍 2500m/min，

精度是測量值的 0.05%，

測量值輸出速率可達 1024次/秒，

安裝距離可以是 500mm或900mm。

三、激光板材三維尺寸測量

傳統作業中，對鋼板三維尺寸的檢驗僅僅靠人工卡量。隨著中厚板生產線生產能力的提高，帶了新的挑戰：工人勞動強度大幅增加、且很難適應生產節奏的要求；測量數據的精度和可靠性難以保證；不利于生產數據的自動化管理。因此需要對鋼板檢驗手段更新，第一可以提高檢測效率，第二可以使生產數據及時進入生產管理網絡，最終可以實現報表的自動管理、輸出。鋼板的外形三維尺寸檢測是鋼板的最基本檢測，首先需要實現自動化測量。國內廠家中河南省中原光電測控技術公司，研制開發了新一代的鋼板三維尺寸測量系統。該系統采用該系統主要由激光測厚儀、激光測寬、激光測長儀、激光測速儀等綜合應用組成。

該系統可以連續、在線、實時、自動測量鋼板厚度、寬度、速度、長度值；并通過計算機信息處理在融合以上測量數據的基礎上，對鋼板的三維輪廓形狀進行分析求出鋼板的多種尺寸，包括：厚度、寬度、長度、鐮刀彎、對角線、切斜量、縱橫向同板差等。系統可以自動記錄測量日期、班次、鋼板序號、長、寬、厚測量值及曲線，鋼板斜切對角線、鐮刀彎等，并提供尺寸測量數據庫，可存儲每塊鋼板的長、寬、厚的極大值、極小值和平均值，以供通過網絡查詢和進行技術與質量分析。

系統的主要技術指標如下：

厚度測量范圍：6～100mm

厚度測量精度：≤±0.04mm（離線）、≤±0.05mm（在線）

寬度測量范圍：1.5～3.2m

寬度測量精度：≤±0.5mm

長度測量范圍：4～18m

長度測量精度：≤±3mm

最小可測鐮刀彎：5mm/12m

對角線測量精度：≤±5mm

四、激光板材平直度測量

鋼板板形是鋼板質量控制的一項重要內容，而平直度是板形檢測的一個重要指標。鋼板在軋制過程中，通過軋機輥縫時，沿寬度方向各點的壓下率不均，導致鋼板內部沿寬度方向各纖維的延伸存在差異，這種纖維的不均勻延伸積累到一定程度時，就會在鋼板表面產生表觀可見的浪形，如鋼板的瓢曲、波浪、翹曲。

目前冷軋和熱軋生產線中廣泛應用的板型儀大多是由國外引進的。冷軋應用的大多是接觸式檢測儀，包括瑞典ABB公司的分段式板形檢測裝置和英國DAVY公司的空氣軸承式檢測輥板型儀。熱軋生產線基本采用的是非接觸式光學檢測板型儀，主要有比利時冶金研究中心的光學式熱軋板形檢測儀和日本住友公司的光截面法板形檢測儀。國內有關單位提出了一種直線型激光板形檢測系統。其設計原理是在與板材運動方向平行和垂直的兩個方向分別放置多個直線型激光發射器，向板材表面發射多束激光線，在板材表面形成綜合交錯的多道激光線，并形成多個激光交匯光點。在這些激光交匯點上方安裝多部面陣CCD攝像機對縱向和橫向激光發射器在板材表面形成的激光線和激光交匯光點成像，經過圖像處理系統進行圖像采集和處理，提取圖像中的特征曲線和交匯點像素位置進行分析解算，就可以得到板材的平直度信息。

激光板形檢測裝置在原理和結構方面較其它板形檢測裝置有很大的優勢。它采用連續測量方式，并且避免了帶鋼振動而引起的測量誤差。它取代了人工測量的傳統辦法，減少了測量時間和勞動強度，提高了安全性。特別是直線型激光板形檢測裝置測量精度，明顯高于其它裝置，并且便于維護使用，應用前景良好。

五、激光掃描高爐爐襯壁厚測量

轉爐爐襯是鋪設在轉爐內部的高溫材料磚，對于轉爐起著隔熱保護的作用。準確及時地掌握轉爐爐襯厚度對于生產的安全進行以及爐齡的提高都有著重要的作用。早期采用的測量方法有熱電偶法、熱流計法、紅外線測溫法等，但都因受爐襯耐火材料導熱性變化影響，測試精度不高。

隨著激光技術的廣泛應用，結合激光測距和自動測控技術的激光掃描轉爐爐襯壁厚測量系統，已經得到了應用，取得了較好的使用效果。系統可對爐襯內表面進行逐點掃描，測量爐襯內表面高度起伏，從而掌握爐襯受侵蝕情況的情況。該系統主要由激光測量頭、掃描運動機構、距離測量單元、控制及解算計算機組成。其中激光測量頭安裝在掃描運動機構上，可隨之轉動，它包含激光發射和接收光學系統、瞄準激光和光學望遠鏡等；掃描運動機構包含水平和垂直兩自由度運動機構、伺服電機、驅動器及高精度軸編碼器等；距離測量單元完成激光器工作控制及測量頭與轉爐爐襯之間距離測量；控制及解算計算機實現掃描機構的運動控制和爐襯厚度解算。系統進行測量時通過控制計算機控制激光測量頭發射點激光，并控制掃描運動機構按照預定軌跡運動，發射激光通過轉爐爐口落到爐襯被測量點上，經反射被光學接收系統接收，由測距單元計算出測量頭與測量點之間的距離，計算機實時獲取被測量點的空間極坐標數據（距離，水平角，垂直角），經過測量數學模型和與標定的爐襯數據就可計算出轉爐內襯的壁厚或變化量。

激光測距有脈沖式和相位式2種，其中脈沖式比較常用。但相位法測距精度最高，其測距精度一般可以達到±1～2厘米，有的達到毫米甚至零點幾毫米。相位法測距要求發射經調制的連續光波，因此發射的瞬時功率不可能很大，測程相對較短。在爐襯測量中，測量系統距離高爐的距離不超過10m，在相位測量中不需要確定半波個數，因此非常適合于爐襯測厚應用。

冶金行業使用的爐襯測厚系統早期主要由國外公司壟斷，代表廠家有芬蘭珉泰克公司的LR2000 Delta CCS型激光爐襯測厚儀。近些年，國內在該領域發展較快，多家企業如武漢緯度科技有限公司、湖南鐳目公司等的產品已在多家鋼鐵企業推廣應用。

六、國內激光測設備在制造業應用需進一步提高的幾個方面

激光測量技術由于其具備的多種技術優勢，在制造業得到了越來越多的應用，國內生產廠商的技術水平與產品性能也在逐步提高。但與國外同類設備和產品相比，還存在一定差距。個人認為還需要在以下幾方面進一步發展提高，以進一步滿足智能制造的要求：

（1）進一步提高產品的環境適應性。工業生產環境多樣，光學測量設備作為精密測量產品易受背景光、溫濕度、振動等工況條件的影響，因此在設備防護、抗形變、抗干擾等方面需進一步加強設計。

（2）進一步優化產品結構設計和安裝操作便利性。國外激光測量設備光機電集成一體化設計水平較高。大型測量設備普遍采用模塊化設計，小型測量傳感器體積小、便于在線安裝、調試和維護。國內設備在此方面還需完善提高。

（3）進一步提高設備的智能化水平。激光測量作為一種高精度非接觸式測量手段，專業技術性較強。在設備定標、誤差修正、故障自診斷、自適應參數設置等方面應通過信息處理和軟件分析等方法，提高產品的智能化程度，以降低對工廠使用人員的專業技術要求并簡化操作維護難度。

（4）提高產品的系列化、專業化水平，并在保證性能的前提下，降低生產成本和銷售價格，以進一步提高市場競爭力。

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