激光測量技術(shù)在冶金行業(yè)智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用

倪曉巖

【摘 要】介紹了智能制造行業(yè)對高精度非接觸式測量技術(shù)的需求。結(jié)合實際應(yīng)用對激光測量技術(shù)在冶金行業(yè)智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了分類說明，詳細(xì)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(tǒng)特點和國內(nèi)外主要廠商產(chǎn)品性能。提出了國內(nèi)激光測量設(shè)備在設(shè)計及性能上需進(jìn)一步提高的幾個方面。

【關(guān)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(fā)布了《中國制造2025》，部署全面推進(jìn)實施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略。這是我國實施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領(lǐng)，以推進(jìn)智能制造為主攻方向，以滿足經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和國防建設(shè)對重大技術(shù)裝備的需求為目標(biāo)，實現(xiàn)制造業(yè)由大變強(qiáng)的歷史跨越。計劃實施以來極大促進(jìn)了我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和國際競爭力，引起了世界各國的高度關(guān)注。

智能制造的本質(zhì)就是讓彼此關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)發(fā)揮大腦價值，實現(xiàn)下游推動上游的柔性生產(chǎn)鏈條。它主要有感知層、網(wǎng)絡(luò)層、執(zhí)行層、應(yīng)用層組成。傳感層是支撐智能制造的基礎(chǔ)。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(xiàn)感知、分析、推理、決策、控制功能，使工藝能適應(yīng)制造環(huán)境變化。

制造業(yè)主要是采用工業(yè)化流水線式的生產(chǎn)方式，它具有以下特點：連續(xù)不中斷、生產(chǎn)節(jié)奏快、自動化操作、生產(chǎn)效率高。它對產(chǎn)品生產(chǎn)過程中各項工藝參數(shù)的監(jiān)測也提出了更高要求：在線動態(tài)實時監(jiān)測、非接觸式（最優(yōu)）、具有一定的監(jiān)測精度、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)（惡劣環(huán)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(shù)的精密測量設(shè)備，恰恰具備以下優(yōu)勢：非接觸式測量，不影響被測物體的運(yùn)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(shù)在冶金、汽車生產(chǎn)、裝備制造等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。

鋼鐵行業(yè)在積極化解過剩產(chǎn)能的基礎(chǔ)上加快推進(jìn)鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，當(dāng)前的重點就是加快智能制造發(fā)展，即借助智能制造技術(shù)，轉(zhuǎn)變生產(chǎn)管理模式，實現(xiàn)敏捷制造和精細(xì)化管理，進(jìn)而推動鋼鐵行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。智能制造是制造業(yè)未來發(fā)展的重大趨勢，也是當(dāng)前鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效的重要著力點。在2015年工信部發(fā)布的《2015年智能制造試點示范專項行動實施方案》，鋼鐵行業(yè)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(lián)和基礎(chǔ)設(shè)施”，進(jìn)行探索和實施。而鋼鐵制造全流程在線檢測—監(jiān)測技術(shù)是首先要解決的基礎(chǔ)問題。下面以冶金行業(yè)為例，介紹激光測量技術(shù)在冶金智能制造領(lǐng)域的應(yīng)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(fā)射系統(tǒng)將光斑分別投射到鋼板的上、下表面。光學(xué)接收系統(tǒng)將照射到目標(biāo)板上的光斑漫反射光成像于線陣CCD上。CCD將像點光信號轉(zhuǎn)換為電信號測出其像點的位置。當(dāng)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(fā)生改變，相應(yīng)地，像點在光敏器件CCD上的位置也要發(fā)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(shù)值通過通訊接口傳到上位機(jī)，然后將上下表面位置數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)數(shù)學(xué)模型運(yùn)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(yōu)點是所測得的鋼板厚度值與被測物的材質(zhì)、溫度和標(biāo)準(zhǔn)值無關(guān)；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(tài)測量的準(zhǔn)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(yīng)用了多普勒效應(yīng)，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(yōu)點，精度高、動態(tài)響應(yīng)快。

其基本工作原理是兩束同源激光在測量區(qū)域相交后，干涉產(chǎn)生一個條紋立體空間，取被測物經(jīng)過的截面，在該區(qū)域內(nèi)，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(jīng)過該區(qū)域的條紋帶時，鋼板表面將產(chǎn)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(zhuǎn)化為一定頻率的電信號，該信號的頻率與被測鋼板的運(yùn)動速度相關(guān)。

目前在冶金行業(yè)應(yīng)用較多的是德國Polytec公司生產(chǎn)的LVS-300型激光測速測長儀。該設(shè)備采用激光外差技術(shù)，精確測量速度和長度，不管被測鋼板處于向前、向后或靜止?fàn)顟B(tài)在都可進(jìn)行測量。

其主要技術(shù)指標(biāo)：

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(dá) 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(tǒng)作業(yè)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(chǎn)線生產(chǎn)能力的提高，帶了新的挑戰(zhàn)：工人勞動強(qiáng)度大幅增加、且很難適應(yīng)生產(chǎn)節(jié)奏的要求；測量數(shù)據(jù)的精度和可靠性難以保證；不利于生產(chǎn)數(shù)據(jù)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(chǎn)數(shù)據(jù)及時進(jìn)入生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)，最終可以實現(xiàn)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(xiàn)自動化測量。國內(nèi)廠家中河南省中原光電測控技術(shù)公司，研制開發(fā)了新一代的鋼板三維尺寸測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用該系統(tǒng)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(yīng)用組成。

該系統(tǒng)可以連續(xù)、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(jī)信息處理在融合以上測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對鋼板的三維輪廓形狀進(jìn)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)查詢和進(jìn)行技術(shù)與質(zhì)量分析。

系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)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(zhì)量控制的一項重要內(nèi)容，而平直度是板形檢測的一個重要指標(biāo)。鋼板在軋制過程中，通過軋機(jī)輥縫時，沿寬度方向各點的壓下率不均，導(dǎo)致鋼板內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)線中廣泛應(yīng)用的板型儀大多是由國外引進(jìn)的。冷軋應(yīng)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(chǎn)線基本采用的是非接觸式光學(xué)檢測板型儀，主要有比利時冶金研究中心的光學(xué)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(nèi)有關(guān)單位提出了一種直線型激光板形檢測系統(tǒng)。其設(shè)計原理是在與板材運(yùn)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(fā)射器，向板材表面發(fā)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(jī)對縱向和橫向激光發(fā)射器在板材表面形成的激光線和激光交匯光點成像，經(jīng)過圖像處理系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)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(jié)構(gòu)方面較其它板形檢測裝置有很大的優(yōu)勢。它采用連續(xù)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(tǒng)辦法，減少了測量時間和勞動強(qiáng)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(hù)使用，應(yīng)用前景良好。

五、激光掃描高爐爐襯壁厚測量

轉(zhuǎn)爐爐襯是鋪設(shè)在轉(zhuǎn)爐內(nèi)部的高溫材料磚，對于轉(zhuǎn)爐起著隔熱保護(hù)的作用。準(zhǔn)確及時地掌握轉(zhuǎn)爐爐襯厚度對于生產(chǎn)的安全進(jìn)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(dǎo)熱性變化影響，測試精度不高。

隨著激光技術(shù)的廣泛應(yīng)用，結(jié)合激光測距和自動測控技術(shù)的激光掃描轉(zhuǎn)爐爐襯壁厚測量系統(tǒng)，已經(jīng)得到了應(yīng)用，取得了較好的使用效果。系統(tǒng)可對爐襯內(nèi)表面進(jìn)行逐點掃描，測量爐襯內(nèi)表面高度起伏，從而掌握爐襯受侵蝕情況的情況。該系統(tǒng)主要由激光測量頭、掃描運(yùn)動機(jī)構(gòu)、距離測量單元、控制及解算計算機(jī)組成。其中激光測量頭安裝在掃描運(yùn)動機(jī)構(gòu)上，可隨之轉(zhuǎn)動，它包含激光發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)、瞄準(zhǔn)激光和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡等；掃描運(yùn)動機(jī)構(gòu)包含水平和垂直兩自由度運(yùn)動機(jī)構(gòu)、伺服電機(jī)、驅(qū)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(zhuǎn)爐爐襯之間距離測量；控制及解算計算機(jī)實現(xiàn)掃描機(jī)構(gòu)的運(yùn)動控制和爐襯厚度解算。系統(tǒng)進(jìn)行測量時通過控制計算機(jī)控制激光測量頭發(fā)射點激光，并控制掃描運(yùn)動機(jī)構(gòu)按照預(yù)定軌跡運(yùn)動，發(fā)射激光通過轉(zhuǎn)爐爐口落到爐襯被測量點上，經(jīng)反射被光學(xué)接收系統(tǒng)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(jī)實時獲取被測量點的空間極坐標(biāo)數(shù)據(jù)（距離，水平角，垂直角），經(jīng)過測量數(shù)學(xué)模型和與標(biāo)定的爐襯數(shù)據(jù)就可計算出轉(zhuǎn)爐內(nèi)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(dá)到±1～2厘米，有的達(dá)到毫米甚至零點幾毫米。相位法測距要求發(fā)射經(jīng)調(diào)制的連續(xù)光波，因此發(fā)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(tǒng)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(shù)，因此非常適合于爐襯測厚應(yīng)用。

冶金行業(yè)使用的爐襯測厚系統(tǒng)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(nèi)在該領(lǐng)域發(fā)展較快，多家企業(yè)如武漢緯度科技有限公司、湖南鐳目公司等的產(chǎn)品已在多家鋼鐵企業(yè)推廣應(yīng)用。

六、國內(nèi)激光測設(shè)備在制造業(yè)應(yīng)用需進(jìn)一步提高的幾個方面

激光測量技術(shù)由于其具備的多種技術(shù)優(yōu)勢，在制造業(yè)得到了越來越多的應(yīng)用，國內(nèi)生產(chǎn)廠商的技術(shù)水平與產(chǎn)品性能也在逐步提高。但與國外同類設(shè)備和產(chǎn)品相比，還存在一定差距。個人認(rèn)為還需要在以下幾方面進(jìn)一步發(fā)展提高，以進(jìn)一步滿足智能制造的要求：

（1）進(jìn)一步提高產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性。工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境多樣，光學(xué)測量設(shè)備作為精密測量產(chǎn)品易受背景光、溫濕度、振動等工況條件的影響，因此在設(shè)備防護(hù)、抗形變、抗干擾等方面需進(jìn)一步加強(qiáng)設(shè)計。

（2）進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和安裝操作便利性。國外激光測量設(shè)備光機(jī)電集成一體化設(shè)計水平較高。大型測量設(shè)備普遍采用模塊化設(shè)計，小型測量傳感器體積小、便于在線安裝、調(diào)試和維護(hù)。國內(nèi)設(shè)備在此方面還需完善提高。

（3）進(jìn)一步提高設(shè)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(yè)技術(shù)性較強(qiáng)。在設(shè)備定標(biāo)、誤差修正、故障自診斷、自適應(yīng)參數(shù)設(shè)置等方面應(yīng)通過信息處理和軟件分析等方法，提高產(chǎn)品的智能化程度，以降低對工廠使用人員的專業(yè)技術(shù)要求并簡化操作維護(hù)難度。

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

【參考文獻(xiàn)】

[1] 朱正德，劉攀.智能制造檢測技術(shù)的特點和發(fā)展跟蹤. 汽車工藝師，2017年第7期.

[2] 邱芳.激光測速儀在寬厚板定尺剪長度測量中的運(yùn)用.傳感器世界 ，2014.05.

[3] 陳麗娟，韓斌，譚文，阮安甫，汪水澤.帶鋼板形檢測與控制技術(shù)現(xiàn)狀及趨.軋鋼，2012 年 8 月·第 29 卷·第 4 期.

[4] 劉泉，朱軼文，楊亞莉.煉鋼轉(zhuǎn)爐爐襯激光測厚系統(tǒng)設(shè)計與研究.武漢理工大學(xué)學(xué)報， v 0 1.2 3 N o .12.

[5] 鄭啟光.激光先進(jìn)制造技術(shù).維普資訊http：//www.cqvip.com.

[6] 梁娟，張響，趙澤東，胡慶利，劉曙光.激光測厚技術(shù)在1 50 t轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯維護(hù)中的應(yīng)用.河北冶，全總第234 期20 15年第6期.

[7] 黃燕.激光爐襯測厚過程中的準(zhǔn)確度保證措施.梅山科技，2009 年第 6 期.

[8] 王軍紅，江虹，毛久兵.一種提高激光三角法薄板在線厚度測量精度的方法，2011.

[9] 黃戰(zhàn)華，蔡懷宇.三角法激光測量系統(tǒng)的誤差分析及消除方法.光電工程，2002.

[10] 李芳紅，馬文莉.空間測量激光跟蹤儀在煉鋼工藝檢測中的應(yīng)用.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2007第5期總第180期.

[11] 茍繼軍，徐科.一種基于激光點陣的板形測量新方法.機(jī)械工程與自動化，第 6 期 （總第 145 期） 2007 年 12 月.