基于激光-线阵CCD技术的轧辊磨损度检测系统

　　1　引　言

　　板形是带钢的质量指标,轧制过程中的轧机轧辊表面产生的磨损对带钢板形控制和表面质量具有重要影响。轧辊磨损,包括支撑辊的磨损和工作辊的磨损。支撑辊的磨损影响工作辊的弯曲变形,从而也影响带钢的板形;而工作辊的磨损直接影响带钢的板形[1]。在轧制带钢时,由于带钢宽度总是小于轧辊辊身长度,这就使得轧辊辊身各部分磨损程度不均匀。与带钢接触多的区域磨损程度大,特别是与带钢边部相对应的轧辊辊身,由于应力集中,磨损程度很大而形成肉眼察觉不到的沟槽。这不仅会造成带钢横向厚度不均匀,而且改变了工作辊与支撑辊之间作用力的分布状态,进而改变了轧辊实际凸度,影响带钢板形质量[2]。为了保持良好的带钢板形质量和表面质量,需要对轧辊表面磨损量进行在线检测。本文介绍了一种非接触式方法,利用半导体激光器与线阵CCD相结合,实现了对轧辊磨损度的在线测量,其测量精度高,抗电磁干扰能力强。

　　2　激光-线阵CCD检测系统原理

　　轧辊磨损度检测原理如图1所示。光源采用半导体激光器,它不仅体积小,便于安装,而且平行度与单色性都优于普通光源,可降低色差影响[3]。半导体激光器发出的激光束经过光学镜头扩束放大后形成准直度高、发射角小的红色激光束。该束光沿轧辊圆周的切向射向轧辊的表面。这样一部分光束就被轧辊挡住;另一部分光束就可以透过并通过平面镜反射以及透镜准直放大后在线阵CCD上成像,成像的亮区长度为X。当轧辊表面产生变化时,如图1中的虚线所示,光线将沿虚线所示的轧辊圆周切向射出,并通过光学系统,在线阵CCD上成像,成像的亮区变化量为ΔX。

　　3　系统组成与检测过程

　　检测系统组成如图2所示。在轧辊表面附近安装三个光学检测系统,其中安装在轧辊两端的固定不动,用来检测轧辊的振动,以便减小测量误差。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。在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,从而驱动光学系统在导轨上沿轧辊轴向移动。根据所测轧辊直径的不同,由角度调整机构将半导体激光器光束沿轧辊圆周切向出射的位置与角度在轧辊圆周截面方向上自动调整到最佳位置。系统每隔一定步长对轧辊进行一次数据采集,由线阵CCD上得到的对于每个采样点上光照区域的变化,就可得出轧辊表面磨损度的情况。

　　CCD检测信号送到数据采集卡中,数据经过转换后送入计算机系统。步进电机驱动光学系统在导轨上移动一定的距离,CCD就进行一次数据采集,得到检测位置处轧辊表面圆周上一周的数据。圆周上的采样点数可由程序设定。在实际测量中,可根据精度需要调整采样的步长与圆周上的采样点数。这一过程由计算机向CCD驱动电路与步进电机驱动电路发出控制信号来精确控制。这样就得到了由若干个采样点组成的轧辊表面的变化情况。由于轧辊转速不均等因素的影响,就会产生采集点在轧辊表面不均匀分布的情况。为了能使轧辊旋转每周所采集的数据量相同,本检测装置选用旋转编码器通过软触发的方式来精确控制采集点在轧辊上的位置。旋转编码器的转子每旋转一周会输出固定数量的脉冲,脉冲的幅值和宽度可调。检测系统框图如图3所示。