УСТРОЙСТВО БЕСКОНТАКТНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ СВАРНОГО ШВА ПРИ ПРОКАТКЕ МЕТАЛЛА СО СВАРНЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно к оптико-электронным устройствам бесконтактного обнаружения сварных швов на непрерывных станах холодной прокатки и может быть использована в автоматизированной системе управления станом и других производствах.
Известно устройство для высокоскоростной дефектоскопии отражающего материала [патент №2243540 кл. G01N 21/89, 2000], содержащее источник света, ПЗС-матрицу и блок вычисления обработки сигнала.
Недостатком устройства является отсутствие элементов обеспечивающих получение «контрастированного» и «не размытого» изображения контролируемой поверхности движущегося материала, устройство не позволяет обнаруживать сварной шов на поверхности металла.
За прототип принято оптико-электронное устройство, контроля поверхности протяженных объектов с постоянным и поперечным сечением, содержащее телекамеру на основе ПЗС-матрицы и устройство оптического сопряжения ее с контролируемой поверхностью, устройство видеоввода, блок вычисления и управления, систему сканирования контролируемой поверхности, импульсные осветительные системы с блоком управления и синхронизации с телекамерой [Патент №2156436 кл. G01B 11/24, 1998].
Недостатком существующего оптоэлектронного устройства является отсутствие элементов, обеспечивающих синхронизацию его работы с технологическим процессом прокатки полосы металла. Вследствие чего имеют место пропуски сварного шва на большой скорости прокатки, и выполняется повторное многократное обнаружение сварного шва на малой скорости прокатки.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в возможности обнаружения сварного шва при прокатке полосы металла со скоростью до 30 м/с и однократное обнаружение сварного шва на низкой скорости прокатки за счет обеспечения синхронизации работы оптоэлектронного устройства с технологическим процессом прокатки полосы металла.
Данная задача достигается за счет того, что устройство бесконтактного обнаружения сварного шва при прокатке металла со сварными соединениями, содержащее телекамеру на основе ПЗС-матрицы и устройство оптического сопряжения ее с контролируемой поверхностью, устройство видеоввода, блок вычисления и управления, импульсную осветительную систему, оно дополнительно содержит блок синхронизации со скоростью прокатки полосы металла, импульсный датчик угловых перемещений, датчик ширины прокатываемой полосы металла, блок вычисления фокусного расстояния оптического сопрягающего устройства, при этом блок синхронизации со скоростью прокатки полосы металла своими входами соединен с датчиком ширины полосы металла и импульсного датчика угловых перемещений, а так же с выходом блока вычисления и управления, а его выход соединен с импульсной осветительной системой и входом ПЗС-матрицы, а так же с входом блока вычисления и управления, другой вход блока вычисления и управления подключен к устройству видеоввода, которое подключено к выходу ПЗС-матрицы, другой выход блока вычисления и управления подключен к входу подсистемы управления скоростью стана, вход блока вычисления фокусного расстояния подключен к датчику ширины прокатываемого металла, а его выход к оптическому сопрягающему устройству.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является то, что предложенное устройство позволяет обнаруживать сварной шов на поверхности движущейся полосы металла со скоростью до 30 м/с и однократное обнаружение сварного шва на низкой скорости прокатки, за счет применения блока синхронизации работы устройства со скоростью прокатки, который обеспечивает стробоскопический эффект. Блок выполняет одновременное включение импульсной осветительной системы и выдачу команды на считывание фотозаряда с ПЗС-матрицы при полном или половинном обновлении поверхности полосы металла в поле зрения устройства. Обновление полосы металла в поле зрения устройства вычисляется по данным с датчика ширины полосы и импульсного датчика угловых перемещений, механически связанным с полосой металла.
Устройство поясняется фиг.1, на которой показана функциональная схема устройства бесконтактного обнаружения сварного шва при прокатке полосы металла со сварными соединениями.
Устройство включает в себя ПЗС-матрицу 1, например, с оптическим размером 1/2” с разрешением 752*582, оптическое сопрягающее устройство 2, импульсную осветительную систему 3, импульсный датчик угловых перемещений 4, датчик ширины металла 5, блок синхронизации со скоростью прокатки полосы металла 6, блок вычисления и управления 7, блок вычисления фокусного расстояния 8, устройство видеоввода 9. Вход «ШИРИНА» блока 6 соединен с датчиком 5, а вход «ПЕРЕМЕЩЕНИЕ» соединен с датчиком 4 и вход «ВНЕШНЯЯ КОМАНДА» соединен с выходом «ПОВТОР» блока 7. Выходы блока 6 соединены с импульсной осветительной системой 3 и входом 1 «СПУСК ЗАТВОРА» ПЗС-матрицы 1, а так же с входом «ОБНОВЛЕНИЕ 50%» блока 7. Вход «ДАННЫЕ» блока 7 подключен к устройству 9, которое подключено к выходу 2 «ДАННЫЕ» ПЗС-матрицы 1. Выход «СВАРНОЙ ШОВ» блока 7 подключен к входу «ЗАМЕДЛЕНИЕ» подсистемы управления скоростью стана 15. Вход «ШИРИНА» блока 8 подключен к датчику 5, а его выход «ФОКУС» к оптическому сопрягающему устройству 2. ПЗС-матрица 1 с оптическим сопрягающим устройством 2 устанавливается на расстоянии до первой клети стана 10, достаточным для снижения скорости прокатки после обнаружения сварного шва на поверхности металла. Направление ширины ПЗС-матрицы 1 и ширины полосы металла 13 совпадают. Оптическая ось ПЗС-матрицы 11 и оптическая ось импульсной осветительной системы 14 совпадают с осью стана 12. Импульсная осветительная система 3 и ПЗС-матрица 1 ориентируются относительно полосы металла 13 таким образом, чтобы угол между оптической осью импульсной осветительной системы 14 и нормали полосы металла 13 был значительно больше, чем угол между осью 11 и нормалью полосы металла 13. Датчик угловых перемещений 4 механически связан с полосой металла 13.
Устройство работает следующим образом.
Полоса металла 13 перемещается относительно устройства. Поверхность полосы металла 13 регистрируется ПЗС-матрицей 1 с переменной частотой съемки, в зависимости от скорости прокатки. Включение импульсной осветительной системы 3 синхронизировано со скоростью прокатки и происходит ранее момента считывания данных с ПЗС-матрицы 1, на время ее запаздывания. Команды на считывание данных с ПЗС-матрицы 1 и включения импульсной осветительной системы 3 генерирует блок 6 при полном или половинном обновлении поверхности полосы металла 13 в поле зрения 16 устройства. Величина обновления полосы 13 определяется в блоке 6 на основании данных с импульсного датчика угловых перемещений 4, поступающих на вход «ПЕРЕМЕЩЕНИЕ», по выражению:
где N - текущее количество импульсов датчика угловых перемещений за время t;
зад
n - уставка количества импульсов от датчика угловых перемещений 4, соответствующее полному обновлению поверхности полосы 13 заданной ширины, в поле зрения 16 устройства.
Уставка количества импульсов от датчика угловых перемещений 4, соответствующая полному обновлению поверхности полосы 13 заданной ширины в поле зрения 16 устройства, вычисляется в блоке 6 на основании данных с датчика 5, поступающих на вход «ШИРИНА», по выражению:
где h - высота светочувствительной области ПЗС-матрицы, м;
w - ширина светочувствительной области ПЗС-матрицы, м;
кадр
W - ширина полосы металла в кадре, м;
0
N - количество импульсов датчика угловых перемещений на один полный оборот;
R - радиус измерительного ролика механически связанного со полосой металла, м.
зад
Условием полного обновления поверхности полосы 13 в поле зрения 16 устройства является равенство текущего количества импульсов N с уставкой n. При выполнении данного условия в блоке 6 генерируются команды: «СЧИТЫВАНИЕ» на считывание данных с ПЗС-матрицы 1 и «СВЕТ» на включение импульсной осветительной системы 3. Длительность импульса света определяется как сумма времени экспозиции ПЗС-матрицы 1 и времени запаздывания импульсной осветительной системы 3. После получения команды на считывание по входу 1 «СПУСК ЗАТВОРА», ПЗС-матрица 1 инициирует формирование и считывание фотозаряда со светочувствительных элементов. Считанные данные представляются в виде матрицы яркостей В устройством 9 и передается по вычислительной сети в блок 7 на вход «ДАННЫЕ».
Блок 7 работает периодически, каждый раз при получении матрицы яркостей по входу «ДАННЫЕ». Выполняется расчет среднего значения строчной яркости в матрице яркостей В:
где В - яркость пикселя ПЗС-матрицы.
Сварной шов 17 с зоной термического влияния, за время экспозиции проецируется на n-строк ПЗС-матрицы 1:
h
где R - максимальное количество строк в ПЗС-матрице 1;
кадра
L - длина отрезка бесконечной полосы металла проецируемой на ПЗС-матрицу 1, при заданном фокусном расстоянии, м;
шва
L - ширина сварного шва с учетом зоны термического влияния, м.
шва
-3
Ширина сварного шва L с учетом зоны термического влияния составляет [5+15]* 10 м [1].
Согласно полезной модели, для обнаружения сварного шва 17 с зоной термического влияния на поверхности движущегося металла 13 необходимо, чтобы превышение значения строчной яркости над заданным порогом, повторялось несколько раз подряд. В таблице 1 показаны вероятности обнаружения шва 17 с зоной термического влияния в зависимости от количества строк ПЗС-матрицы 1, на которые он проецируется.
Таблица 1.Вероятность обнаружения сварного шва
Количество строк n<sub>шва</sub> ПЗС-матрицы на которые проецируется сварной шов
Вероятность обнаружения сварного шва
1
0.50
2
0.75
3
0.88
4
0.94
5
0.97
6
0.98
7
0.99
Согласно полезной модели, для обнаружения сварного шва 17 с зоной термического влияния с вероятностью 0.97 достаточно, чтобы он проецировался не менее чем на пять строк ПЗС-матрицы 1. Таким образом, сварному шву 17 с зоной термического влияния будет соответствовать не менее пяти последовательных повторений превышения значения строчной яркости над заданным порогом. Значение порога определяется средней яркостью в кадре. В случае выполнения данного условия, блок 7 генерирует команду «СВАРНОЙ ШОВ» в подсистему управления скоростью стана 15. Количество последовательных превышений меньшее 5 воспринимается блоком 7, как нахождение сварного шва 17 на границе поля зрения 16 устройства. В данном случае, при обновлении полосы 13 в поле зрения 16 на половину блок 6 генерирует команду «ОБНОВЛЕНИЕ 50%» и блоком 7 генерируется команда «ПОВТОР» в блок 6 на повторное считывание матрицы яркости.
Для обеспечения проецирования сварного шва 17 с зоной термического влияния не менее чем на пять строк ПЗС-матрицы 1, фокусное расстояние оптического сопрягающего устройства 2 рассчитывается в блоке 8 исходя из условия проецирования прокатываемой полосы металла 13 во всю ширину, на основании данных с датчика 5 поступающих на вход «ШИРИНА», по выражению:
полосы
где W - ширина прокатываемой полосы металла 13, м;
D - расстояния от поверхности полосы 13 до ПЗС-матрицы 1,
D=const, м.
1. Мазур В.Л., Мелешко В.И., «Прокатка металла со сварными соединениями». М: Металлургия, 1985 г.
2 Оптическое сопрягающее устройство;
3 Импульсная осветительная система;
4 Импульсный датчик угловых перемещения;
5 Датчик ширины металла;
6 Блок синхронизации со скоростью прокатки полосы металла:
7 Блок вычисления и управления:
8 Блок вычисления фокусного расстояния оптического сопрягающего устройства;
9 Устройство видеоввода;
10 Клеть №1 стана бесконечной холодной прокатки;
11 Оптическая ось ПЗС-матрицы;
12 Ось стана:
13 Стальная полоса:
14 Оптическая ось импульсной осветительной системы;
15 Подсистема управления скоростью стана;
16 Поле зрения устройства;
17 Сварной шов;