CN101905304B - 连铸圆坯圆度的在线检测***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连铸圆坯圆度的在线检测***和方法，该在线检测***包括：图像采集单元，设置在冷床上的圆坯的端面的正前方，包括高温保护壳体和位于高温保护壳体中的具有远心镜头的工业CCD相机；以及控制单元，与工业CCD相机信号连接，用于对工业CCD相机所采集的圆坯端面的图像进行处理以获得圆坯圆度。本发明的连铸圆坯圆度的在线检测***和方法，具有从连铸生产现场连续采集圆坯端面图像的功能，较以往炼钢生产厂采用人工检测的方法相比，具有连续检测的优势，提醒现场操作人员对生产工艺进行调整，防止了不合格品流出生产现场，采用本发明的检测***，其检测精度达到0.01mm。

Description

连铸圆坯圆度的在线检测***和方法

技术领域

本发明涉及钢水连铸领域，尤其涉及一种连铸圆坯圆度的在线检测***和在线检测方法以及用于在线采集连铸圆坯端面图像的图像采集装置。 

背景技术

目前，钢厂对钢坯端面圆度的测量一般是在钢坯经火焰切割后，经提钢机运送到冷床上，此时钢坯温度约600-800℃，操作工在此情况下，使用卡钳和钢尺，对钢坯的直径进行测量，由于受到钢坯外渣皮、氧化皮、挂渣等因素的影响，测量误差大，同时量具的重复性和再现性很差，基本上不具备在线质量控制的能力。此外，人工测量时，测量人员要承受钢坯的高温烘烤，工作环境恶劣。 

基于以上诸多因素，钢厂在实际控制圆坯圆度质量时，一方面测量误差大，不能准确地再现实际情况，在质量判定上产生争执；另一方面操作环境恶劣，客观上不具备及时进行检测以避免造成批量废品的物质条件。 

发明内容

本发明目的在于提供一种连铸圆坯圆度的在线检测***，以对冷床上的圆坯圆度进行自动在线检测。本发明的另一目的在于提供一种连铸圆坯圆度的在线检测方法。本发明的目的还在于提供一种用于在线采集连铸圆坯端面图像的图像采集装置。 

为此，根据本发明的一方面，提供了一种连铸圆坯圆度的在线检测***，其包括：图像采集单元，设置在冷床上的圆坯的端面的正前方，包括高温保护壳体和位于高温保护壳体中的具有远心镜头的工业CCD相机；以及控制单元，与工业CCD相机信号连接，用于对工业CCD相机所采集的圆坯端面的图像进行处理以获得圆坯圆度。 

进一步地，上述工业CCD相机通过光纤传输设备与控制单元信号连接。 

进一步地，上述在线检测***还包括向连铸圆坯端面提供照明的照明单元。 

进一步地，上述高温保护壳体具有连通内腔的压缩空气进口和压缩气体出口，该压缩气体出口位于高温保护壳体前部的透光镜片的外表面的四周边缘。 

进一步地，上述高温保护壳体具有支架，支架具有左右位置调节机构、高度调节机构和俯仰角度调节机构。 

进一步地，上述高温保护壳体呈筒形。更进一步地，上述高温保护壳体的筒壁上具有环形的冷却水道。 

进一步地，上述控制单元用于对工业CCD相机所采集的图像进行阈值分割，利用形态学的去噪方法对阈值分割后的图像中的被测量物体内部的和外部的噪波进行滤除，对噪波滤除后的图像进行行、列扫描以消除渣区的干扰，以及用最小二乘法计算圆心和基于圆心计算圆度。 

根据本发明的另一方面，提供了一种连铸圆坯圆度的在线检测方法，其包括以下步骤：用提供高温保护壳体的具有远心镜头的工 业CCD相机获取冷床上圆坯的端面图像；对端面图像进行阈值分割；利用形态学的去噪方法对阈值分割后的图像中的被测量物体内部的和外部的噪波进行滤除；对噪波滤除后的图像进行行、列扫描以消除渣区的干扰；以及利用最小二乘法计算圆心并且据此计算圆度。 

进一步地，上述在线检测方法还包括向圆坯端面提供照明的步骤。 

本发明还提供了一种用于在线采集连铸圆坯端面图像的图像采集装置，包括：高温保护壳体，具有连通内腔的压缩空气进口和压缩气体出口，压缩气体出口位于高温保护壳体前部的透光镜片的外表面的四周边缘；以及位于高温保护壳体中的具有远心镜头的工业CCD相机。 

进一步地，上述高温保护壳体呈筒形，该高温保护壳体的筒壁上具有环形的冷却水道。 

本发明的连铸圆坯圆度的在线检测***，具有从连铸生产现场连续采集圆坯端面图像的功能，较以往炼钢生产厂采用人工检测的方法相比，具有连续检测的优势，及时将不合格品信息发送到主控室，提醒现场操作人员对生产工艺进行调整，防止了不合格品流出生产现场。本***的检测精度远高于人工检测所达到的精度，本发明的在线检测***的检测精度达到0.01mm。 

除了上面所描述的目的、特征、和优点之外，本发明具有的其它目的、特征、和优点，将结合附图作进一步详细的说明。 

附图说明

构成本说明书的一部分、用于进一步理解本发明的附图示出了本发明的优选实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。图中： 

图1示出了根据本发明的连铸圆坯圆度的在线检测***的示意图； 

图2示出了根据本发明的在线检测***的图像采集单元设置在检测现场的布局示意图； 

图3是图2所示布局的A向视图； 

图4示出了根据本发明的连铸圆坯圆度的在线检测方法的流程图； 

图5示出了根据本发明的工业CCD相机采集的圆坯端面的图像； 

图6示出了对图5所示图像进行阈值分割后的图像； 

图7示出了对图6所示图像进行噪波滤除后的图像； 

图8示出了对图7所示图像进行行列扫描以消除渣区干扰后的图像； 

图9示出了根据本发明优选实施例的图像采集单元的透视图； 

图10示出了图9所示图像采集单元的结构示意图； 

图11示出了图10所示图像采集单元的局部I放大示意图；以及 

图12示出了图9所示图像采集单元的侧视图。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。 

图1示出了根据本发明的连铸圆坯圆度的在线检测***的示意图。如图1所示，在线检测***包括图像采集单元(即图像采集装置)1、照明单元2、由一对***3、4和光纤组成的光纤传输装置、以及工控机5。 

该图像采集单元1设置在冷床上的圆坯的端面的正前方，其包括高温保护壳体和位于高温保护壳体中的具有远心镜头的工业CCD相机，该工业CCD相机用于对冷床上的圆坯6的端面进行拍照，照明单元2用于向圆坯端面提供适度的照度，工业CCD相机中形成的图像经过光纤传输装置送至主控室(未示出)内，由工控机5对图像进行处理以获得圆坯圆度。 

本发明采用具有远心镜头的工业CCD相机，其优点是在圆坯位置有一定的变化时，相机感光板呈现出的图像并不随之进行改变，即当圆坯在冷床上前后位置有变化时也能得到清晰的图像。如此保证了以后进行圆度分析时，换算尺度的一致性。 

本发明将具有远心镜头的工业CCD相机放置于高温保护壳体中，如此可保证在现场600-800度的高温下相机仍能正常工作。

本发明的照明单元优选采用高照度的散射型泛光源，以确保钢坯表面每一个点均能得到均匀的光照，同时保证了钢坯表面有足够的照度，以便采集到低干扰、高清晰的图像。 

本发明采用光纤传输装置作为数据传输手段，传输距离可提高到500米，在此范围内数据不会出现丢失，以保证数据在恶劣环境中远距离传输的稳定性。 

图2和图3示出了根据本发明的在线检测***的工业CCD相机设置在检测现场的布局示意图。圆坯6经由提钢机(未示出)放置到冷床7后，工业CCD工业相机位于隔墙8的另一侧，与圆坯端面保持2米的距离，当提钢机放下圆坯6后，铸机PCL控制器中会产生一个使能信号，本在线检测***中的工控机5通过工业以太网实时地获取该信息后，向工业CCD相机发出使能信号，相机面阵感光元件进行曝光，并将获取的图像信息由光纤传入工控机5内进行图像分析及判定。 

图4示出了根据本发明的连铸圆坯圆度的在线检测方法的流程图。如图4所示，该在线检测方法包括：用具有远心镜头的工业CCD相机获取冷床上圆坯的端面图像的步骤S10；对端面图像进行阈值分割的步骤S12；对阈值分割后的图像中的被测量物体内部的和外部的噪波进行滤除的步骤S14；对噪波滤除后的图像进行行、列扫描以消除渣区的干扰的步骤S16；以及利用最小二乘法计算圆心并且据此计算圆度的步骤S18。 

在步骤S10中，工业CCD相机提供了高温保护措施，例如将相机防止在高温保护壳体中，其采集的图像如图5所示，是灰度图像，比如256级灰度图像，其不仅包括被测量物体，还包括被测量物体之外的其他物体。 

在步骤S12中，通过阈值分割的算法，则得到如图6所示的包括被测量物体和非被测量物体的黑白图像。 

在步骤S14中，利用形态学的去噪方法对被测量物体内部的和外部的噪波的滤除，得到如图7所示的圆盘形图像。该步骤也可以分两步来实现，首先对被测量物体内部的噪波进行滤除，再对被测量物体外部的噪波进行滤除，以达到将被测量物体内部和外部的噪波都滤除的目的。 

在步骤S16中，通过对噪波滤除后的图像进行行、列扫描以消除渣区的干扰，得到如图8所示的圆形图像。在步骤S14中形态化的去噪方法可保证后续图像边缘提取的精确性，然而在用梯度算子进行图像分割后，渣区的边缘出现有大量重叠现象，而步骤S16可对重叠部分进行去除，以保证图像数据中不包括渣区的干扰。 

在步骤S18中，采用最小二乘法计算圆心并且据此计算圆度，采用最小二乘法计算圆心的优点是它的容错率可达15％，即有15％的非边缘点混在数据中时，寻优后圆心仍能收敛到真实的理想圆心，算法稳定性高。 

上述各步骤由据此而设计的圆度分析软件来完成，并输出相应的圆度误差值，对超出最高设定值的圆坯可进行报警，提醒操控人员进行相应的操作。 

图9至图12示出了根据本发明的在线检测***的图像采集单元1的结构示意图。如图9所示，图像采集单元1包括采集头10a，该采集头10a安装在支架10b上，支架10b通过膨胀螺钉27固定在墙壁上。 

如图9和图10所示，采集头10a包括高温保护壳体和安装于壳体中的工业CCD相机11、相机电源13、和位于相机11前面的远心镜头12。该相机电源13也可以设置在高温保护壳体的外部。 

该高温保护壳体优选呈筒状，包括筒身14、后端盖18、以及位于筒身14前端的透光镜片20，见图11所示。 

其中，后端盖18上设有压缩空气进口17，其与现场的压缩气源相连，压缩空气从进口17进入经过筒身14内部，从透光镜片20的外表面的四周边缘喷出，将内部的热量带走，同时对透光镜片20进行冷却。 

具体地，如图10和图11所示，筒身14的前端设置有环形的导气件21，该导气件21具有与筒身14内部相通的多个导气孔21a，该导气件21和外部的筒壁形成导气环槽21b，透光镜片20的压圈19上具有压块19a，压圈19通过压块将透光镜片20压设在筒身14上，如此透光镜片20和压块19a之间形成了压缩气体出口21c，以对透光镜片20进行可靠的冷却。 

进一步地，筒身14上形成有冷却水道15，该冷却水道通过冷却水进口16和冷却水出口16’与外界冷却水相通，形成水冷却，以降低筒身14的传热。 

如图9、图10和图12所示，支架10b上具有俯仰角度调节机构22、高度调节机构23、以及用于调节活动架24和固定架25位置的左右位置调节机构26，以便图像采集单元1与圆坯端面进行对准。 

从以上描述可以看出，本发明的连铸圆坯圆度的在线检测***，具有从连铸生产现场连续采集圆坯端面图像的功能，较以往炼钢生产厂采用人工检测的方法相比，具有连续检测的优势，采用人工检测的方法一般为抽检，每个生产班次检测圆坯数量不超过10根，而采用本***后，每班生产的钢坯均可完成圆度分析并存档，防止了不合格品流出生产现场，并及时将不合格品信息发送到主控室，提醒现场操作人员对生产工艺进行调整。本***的检测精度远高于人 工检测所达到的精度，生产现场采用人工检测的方法，检测精度只能达到0.5mm，而本发明的检测***，其检测精度达到0.01mm。 

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (8)

1.一种连铸圆坯圆度的在线检测***，其特征在于，包括：

图像采集单元，设置在冷床上的圆坯的端面的正前方，包括高温保护壳体和位于所述高温保护壳体中的具有远心镜头的工业CCD相机，所述高温保护壳体具有连通内腔的压缩空气进口及压缩空气出口，所述压缩气体出口位于所述高温保护壳体前部的透光镜片的外表面的四周边缘；以及

控制单元，与所述工业CCD相机信号连接，用于对所述工业CCD相机所采集的圆坯端面的图像进行处理以获得圆坯圆度，

所述控制单元用于对所述工业CCD相机所采集的图像进行阈值分割，利用形态学的去噪方法对阈值分割后的图像中的被测量物体内部的和外部的噪波进行滤除，对噪波滤除后的图像进行行、列扫描以消除渣区的干扰，以及用最小二乘法计算圆心和基于所述圆心计算圆度。

2.根据权利要求1所述的连铸圆坯圆度的在线检测***，其特征在于，所述工业CCD相机通过光纤传输设备与所述控制单元信号连接。

3.根据权利要求1所述的连铸圆坯圆度的在线检测***，其特征在于，所述高温保护壳体具有支架，所述支架具有左右位置调节机构、高度调节机构和俯仰角度调节机构。

4.根据权利要求1所述的连铸圆坯圆度的在线检测***，其特征在于，所述高温保护壳体呈筒形。

5.根据权利要求4所述的连铸圆坯圆度的在线检测***，其特征在于，所述高温保护壳体的筒壁上具有环形的冷却水道。

6.根据权利要求1所述的连铸圆坯圆度的在线检测***，其特征在于，还包括向所述连铸圆坯端面提供照明的照明单元。

7.一种连铸圆坯圆度的在线检测方法，其特征在于，包括：

用提供高温保护壳体的具有远心镜头的工业CCD相机采集冷床上圆坯的端面图像，所述高温保护壳体具有连通内腔的压缩空气进口及压缩空气出口，所述压缩气体出口位于所述高温保护壳体前部的透光镜片的外表面的四周边缘；

对端面图像进行阈值分割；

利用形态学的去噪方法对阈值分割后的图像中的被测量物体内部的和外部的噪波进行滤除；

对噪波滤除后的图像进行行、列扫描以消除渣区的干扰；

以及

利用最小二乘法计算圆心并且据此计算圆度。

8.根据权利要求7所述的连铸圆坯圆度的在线检测方法，其特征在于，还包括向所述圆坯端面提供照明的步骤。

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