澆鑄盤銅模平整度檢測及定位

金澤志　趙世良　周廣輝　彭軍亮　袁自鈞

〔摘 要〕為實現(xiàn)澆鑄銅生產(chǎn)過程中澆鑄模具位置及底面水平度的在線檢測，設(shè)計制作了澆鑄盤銅模平整度檢測及定位測量裝置。該裝置由視覺系統(tǒng)檢測、激光測距陣列及智能溫控單元組成。視覺系統(tǒng)負責識別模具內(nèi)邊緣以確定模具位置；激光測距陣列用于測量模具底面采樣點的高度，然后利用最小二乘法擬合平面算法確定模具底面水平度，并結(jié)合模具位置數(shù)據(jù)輸出應(yīng)調(diào)節(jié)高度。通過對實驗數(shù)據(jù)的計算和對比，以及對現(xiàn)場澆鑄完成銅板的測量驗證，證明使用該方法能準確定位模具并能準確輸出模具應(yīng)調(diào)節(jié)高度，達到預(yù)期效果。

〔關(guān)鍵詞〕激光測距陣列；水平度檢測；最小二乘法；澆鑄模具

中圖分類號：TF811;TP274? ? 文獻標志碼：B 文章編號：1004-4345（2023）05-0035-04

Flatness Detection and Positioning of the Copper Mold of Casting Disc

JIN Zezhi 1， ZHAO Shiliang 2， ZHOU Guanghui 3， PENG Junliang 2， YUAN Zijun 2

（1. Jinguan Copper Branch of Tongling Nonferrous Metals Group Co.， Ltd.， Tongling， Anhui 244000， China;

2. CNCA Laser Co.， Ltd.， Hefei， Anhui 230093， China;

3. Anhui Tongguan Intelligent Technology Co.， Ltd.， Tongling， Anhui 244000， China）

Abstract? In order to achieve online detection of the position and bottom levelness of the casting mold in the production of casting copper， a flatness detection and positioning measurement device for the casting disc copper mold was designed and manufactured. The device consists of visual system detection， laser ranging array， and intelligent temperature control unit. The visual system is responsible for identifying the inner edge of the mold to determine its position. The laser ranging array is used to measure the height of sampling points on the mold bottom， and then the least square method and plane algorithm are proposed to be used to determine the levelness of the mold bottom， and the desired height shall be outputted based on the mold position data. Through the calculation and comparison of test data， as well as the measurement verification of on-site copper plates casting， it has been proven that this method can accurately locate the mold and output the desired height of the mold， achieving the expected effect.

Keywords? laser ranging array; levelness detection; least square method; casting molds

近年來，以計算機技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)為核心的信息技術(shù)得到飛速發(fā)展，數(shù)字攝像機制造工藝水平、攝像測量方法的精度等大幅度提高[1]。視覺測量技術(shù)是無接觸、無損傷的自動檢測技術(shù)，具有高精度、非接觸、安全、快速、可靠、光譜響應(yīng)范圍廣、可在惡劣環(huán)境下長時間工作等優(yōu)點，近年來在智能制造、軌道交通、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。根據(jù)測量過程中使用到的攝像機的不同，一般可以分為單目測量方法和多目測量方法[2-3]。其中，單目測量結(jié)構(gòu)簡單、測量靈活，僅使用1臺攝像機即可測量出合作目標相對于攝像機的三維姿態(tài)數(shù)據(jù)和三維位移數(shù)據(jù)，得到了廣泛的研究和應(yīng)用[4-5]。而自動光學檢測技術(shù)（Automated Optical Inspection，以下簡稱“AOI”），是基于光學原理對工業(yè)生產(chǎn)中常見的缺陷進行檢測的一種新型檢測技術(shù)。該技術(shù)能從利用機器視覺捕獲的圖像中獲得元器件的有效數(shù)據(jù)，處理分析相關(guān)數(shù)據(jù)完成相關(guān)目標的檢測。AOI技術(shù)已在現(xiàn)代工業(yè)中廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品質(zhì)量控制[6-7]。本文所研究討論的澆鑄盤銅模平整度檢測及定位裝置即基于上述兩種技術(shù)展開設(shè)計。

1? ?設(shè)計思路

澆鑄是精煉車間陽極銅板生產(chǎn)的最后一道工序。理想的銅板外形應(yīng)呈現(xiàn)立方體，上下板面基本平行。但由于澆鑄模具本身存在上下方向水平度差異，且經(jīng)過高溫作用模具內(nèi)腔會出現(xiàn)上下方向平面平整度的變化，從而對陽極銅板整體外形及體積產(chǎn)生影響，進而影響到下道工序電解陰極銅的質(zhì)量[8]。另外，由于澆鑄磨具在轉(zhuǎn)盤平面左右方向定位偏差，常導(dǎo)致抓取機械臂碰撞到陽極銅板或模具，對設(shè)備、模具造成損壞，甚至影響生產(chǎn)。停產(chǎn)檢修、更換磨具都會大大降低生產(chǎn)效率。

在目前的測量設(shè)備中，傳統(tǒng)的測量方法[9-10]如

3 m直尺、精密水準儀、連續(xù)式平整度儀等，效率低，勞動強度大，測量精度不高[11]，已無法滿足精煉車間生產(chǎn)需求。為提升銅板合格率，降低人工檢測量及避免機械臂與模具的碰撞，技術(shù)人員設(shè)計并制作了一套針對澆鑄盤銅模平整度的檢測裝置。該檢測裝置主要包括三大部分：第一部分為視覺系統(tǒng)，主要由高分辨率工業(yè)相機及相關(guān)軟件組成，可通過軟件內(nèi)置功能調(diào)節(jié)相機各項參數(shù)，設(shè)置不同采樣特征，輸出采樣特征點坐標及角度偏差。第二部分為激光測距陣列，可檢測得到模具各點高度信息，利用最小二乘法擬合平面的算法[12]得到模具表面平整度數(shù)據(jù)，因此可對模具進行調(diào)節(jié)點高度調(diào)節(jié)使?jié)茶T出的銅板滿足生產(chǎn)需求。第三部分為智能溫控系統(tǒng)，可保證測量裝置在高溫環(huán)境下正常工作。通過以上三部分內(nèi)容，測量裝置可準確輸出模具調(diào)節(jié)位置及高度，滿足生產(chǎn)需求。

2? ?測量原理

測量系統(tǒng)硬件由1臺高分辨率工業(yè)相機和16臺位相型激光測距儀構(gòu)成。16臺激光測距儀與工業(yè)相機安裝在精確設(shè)計加工的基板上。每臺測距儀的位置以及測距儀測軸相對相機光軸的方位角均經(jīng)過精確標定，從而組成一個測距陣列。該陣列用于測量模具底面16個采樣點的垂直坐標。

測量系統(tǒng)安裝在模具正上方約2 m處，測量坐標系的原點位于測量裝置基板與工業(yè)相機光軸的交點處。相機光軸垂直向下，為Z軸。澆鑄模具安放在連續(xù)澆鑄轉(zhuǎn)盤上，共有18個模具。單個模具由3個頂點支撐。三維坐標系的建立見圖１。為能清楚標注，圖1標出的為其中1個支撐點，以及相應(yīng)的工業(yè)相機和其中1個測距儀。

由于實際工況中每只模具進入測量視場的位置存在偏差，系統(tǒng)采用高分辨率工業(yè)相機結(jié)合視覺檢測算法識別模具底面內(nèi)輪廓，從而測得模具中心坐標和相對相機視場的方位角，以確定當前測量模具在測量坐標系中的二維坐標，如圖1中的（XC，YC）。根據(jù)澆鑄質(zhì)量要求，模具底面水平度偏差應(yīng)小于

10 mm，對應(yīng)模具底面法向量與Z軸的夾角小于1 °。因此，由于模具在Z方向的移動引起的（X，Y）坐標上的變化可忽略不計。

根據(jù)以上所述，測距陣列中每臺測距儀的采樣點坐標（Xi，Yi），是固定不變的。其Z坐標上Zi 可由式（1）得出：

式中：Li為測距儀i的測量值，mm；θi是其方位角，（°）。

結(jié)合視覺檢測結(jié)果，每臺測距儀的采樣點在模具上相對模具中心的位置可由式（2）、式（3）、式（4）得出：

式中：Xc，Yc為模具中心坐標；γ是模具輪廓相對Ｘ軸的轉(zhuǎn)角，（°）。

由式（2）、式（3）、式（4）計算得到的結(jié)果，再經(jīng)最小二乘法擬合[7]可以得到模具底面的平面方程。與基準平面比較可計算出模具底面與水平面差值，再以視覺系統(tǒng)識別特征點坐標為參考計算2個調(diào)節(jié)點的坐標和所需調(diào)節(jié)高度。

3? ?測量裝置與測量結(jié)果

3.1? 測量裝置

測量裝置中相機的視覺控制器型號為基恩士CV-X470F。圖像傳感器型號為基恩士CA-H2100M，該圖像傳感器搭載了16倍速2 100萬像素的黑白CCD，單位格大小為2.5 μm×2.5 μm。鏡頭型號為基恩士CA-LHE16，采用了16 mm定焦鏡頭，光圈范圍為F2.0～F22，TV失真為0.02％的低失真鏡頭。激光測距儀型號為歐鐳A090，此款測距儀采用了相位法進行測距，通常相位式激光測距具有較高的測距精度[1３]，測距精度可達到±1.5 mm，測量分辨率為1 mm，激光波長為650 nm，可測量距離為0.05～90.00 m。

將設(shè)備組裝后其中內(nèi)部安裝情況如圖2所示。

圖2中，A為高分辨率工業(yè)相機，安裝至設(shè)備底部中心位置，拍攝視場面積約為5.2 m2，B為位相型激光測距儀，16臺測距儀各按一定角度，安裝間隔為16.4 cm，整體測距視場面積約為0.95 m2。工作車間現(xiàn)場安裝情況如圖3所示，將設(shè)備吊裝至測量模具正上方約2 m處進行檢測。

3.2? 測量結(jié)果

1）視覺控制系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)。視覺控制系統(tǒng)在本裝置中主要的功能為特征點定位及角度偏差識別。視覺系統(tǒng)檢測畫面如圖4所示。圖中箭頭位置即為識別計算的模具質(zhì)心位置。圖5則為視覺系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)截圖。該系統(tǒng)可輸出模具質(zhì)心的XY坐標及模具的角度，再將模具角度與設(shè)置基準角度進行比較即可得出模具偏移角度。此處坐標單位為像素，需按照比例關(guān)系轉(zhuǎn)化為長度單位。

2）測距陣列測量數(shù)據(jù)。測距陣列在此裝置中的功能為測得模具上16組特征點高度信息，因模具在Z軸上的移動可以忽略不計，故各激光測量點在相機視場中的坐標是不變的。各激光測量點在模具上的位置如圖6所示，視覺系統(tǒng)可識別出各激光測量點XY坐標，將視覺系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)加以轉(zhuǎn)化，即可得到各測量點三維坐標的（X，Y）坐標數(shù)據(jù)；再通過Zi=Li×cosθi將測距儀測量長度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為測量點實際高度信息。此處單位為長度無需轉(zhuǎn)化，即可得到各測量點三維坐標的Z軸坐標。

3）模具水平度檢測結(jié)果。裝置在得到各激光測量點三維坐標（X，Y，Z）后，通過最小二乘法擬合平面算法進行擬合平面，與基準平面比較可計算出模具底面與水平面差值；再以視覺系統(tǒng)識別特征點坐標為參考，計算2個調(diào)節(jié)點的坐標和所需調(diào)節(jié)高度。測量裝置輸出的測量結(jié)果如圖7所示，圖中顯示了模具偏移角度及縱橫方向偏移距離。另外，圖中大綠色圓點標出了固定支撐點的位置；2個小圓點為2個調(diào)節(jié)支撐點。圖7中還給出了應(yīng)該調(diào)整的高度和調(diào)整方向，以及模具4個角相對固定支撐點的高度差。

在澆鑄前對所有模具進行測量，對可能影響澆鑄過程的模具進行調(diào)節(jié)，具體測量數(shù)據(jù)如表1所示。其中方位角數(shù)據(jù)為正值表示測量模具基于基準模具比較向順時針方向偏轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)為負值即為逆時針偏轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)點調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)為正值表示需上調(diào)，數(shù)據(jù)為負值即為下調(diào)。在表１中用A代替左側(cè)調(diào)節(jié)點，B代替右側(cè)調(diào)節(jié)點。左上即代表模具左上方相對于固定支撐點的高度差，左下、右上、右下同理。

４? ?結(jié)論

通過視覺系統(tǒng)的識別與定位可得到模具偏移角度及模具上特征點坐標信息，激光測距陣列可測得模具各點高度信息，通過各點高度信息利用最小二乘法擬合平面算法擬合平面再與基準平面比較得出模具水平度偏差。再結(jié)合視覺系統(tǒng)定位的特征點坐標，可將平面移至特征點坐標位置，給出需調(diào)節(jié)的參考點坐標及調(diào)節(jié)高度信息。經(jīng)過反復(fù)實驗和現(xiàn)場作業(yè)結(jié)果比對，視覺系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)存在一定誤差，可通過增加光源及多次測量取平均值方式降低視覺系統(tǒng)測量誤差。結(jié)果表示此套測量裝置輸出調(diào)節(jié)信息在誤差允許范圍內(nèi)，滿足車間現(xiàn)場生產(chǎn)要求。

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收稿日期：2023-01-18

作者簡介：金澤志（1973—），男，高級技師，主要從事有色金屬火法冶煉。