专利名称：气动板形检测辊系统圆周误差多项式回归鉴相补偿方法
技术领域：
本发明涉及一种板形检测技术，特别涉及一种气动板形检测辊系统圆 周误差多项式回归鉴相补偿方法。
技术背景从60年代开始，板形检测装置的研制就已非常活跃，尤其是国外对这 方面的研究较早，取得了可喜的成绩。其结构形式繁多，工作原理也各有 不同。如德国钢铁研究所研发的基于压电效应原理的BFI板形仪，瑞典 ASEA公司研发的基于压磁效应原理的stressmeter板形仪，英国DAVY公 司研发的空气轴承式vidimon板形仪等。国内板形仪研究较晚，燕山大学在 国内最早开发了压磁式板形仪，以后亦有高校和科研单位开展了板形仪的 研制工作，如东北大学、北京科技大学、西安建筑科技大学等。燕山大学在王益群教授的主持下又开发了七段式空气轴承气动板形仪 (板形仪的段数可根据检测板带的宽度来确定，检测原理相同)，并在此基 础上进行了静态标定。该气动板形仪是采用气压测微技术进行板形检测的 一种接触分割辊式检测辊，结构如图1所示。检测辊由下列部件组成一 根两端固定的中空通气芯轴2，外面套上一排可以自由转动的辊环l，以及 对应每段辊环的芯轴上的双排出气节流孔组4，对应每段辊环芯轴上下顶点 的两个测压孔3，以及置于左、右两边部外端的气动止推轴承5等组成。辊 环的段数要根据实际的带材宽度和检测精度确定，在检测宽度一定的情况 下，分的段数越多，检测精度越高。当向中空芯轴2的腔内从进气口 6通入压縮空气时，气体通过节流孔4 进入芯轴2和辊环1之间的间隙，形成气膜间隙8，使辊环1浮起，工作时 辊环可以绕芯轴基本无摩擦转动。当某段辊环上加以朝下的载荷时，该辊 环向下运动，与此辊环对应芯轴部分的上部分气膜间隙减小，上测压孔3 处的压力增大；同时芯轴下部分气膜间隙8增大，下测压孔3处压力减小， 这样就有压力差作用于该加载的辊环1上以平衡外载荷和辊环1的自重。 此压力差和载荷在一定范围成相应的线性关系，当有载荷作用于辊环1上时，只要测量出上、下测压孔3处的压差，经过数据处理，就可以得出作 用于辊环1上的载荷大小。测量每段辊环所对应的测压孔处压差，经过信 号处理，可以给出载荷沿轴向的分布，再经过数据计算就可以得出板带沿 轴向的板形分布。系统圆周误差是由于气动板形仪的辊环和芯轴的加工精度(主要是圆 度和光洁度)不足，产生的加工误差。如图2所示，检测辊气模间隙8的 变化直接影响上、下测压孔3压力变化，在恒定负载下，上、下气模间隙 应为一定值，检测辊检测的压差也应为一定值，但是由于辊环1和芯轴2 的加工精度不够，在辊环转过不同角度时会引起上、下测压点处气模间隙8 波动，进而引起测压孔上、下压力差波动，产生了系统圆周误差问题。系统圆周误差使辊环1与芯轴2间的径向间隙沿圆周方向分布的不均 匀，导致的气压波动，进而影响板形仪检测精度。静态标定方法只能标定 检测辊某一点的特性曲线，不能体现整个检测辊径向误差沿圆周方向分布 不均匀的特性。发明内容为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供一种气动板形检测辊 系统圆周误差多项式回归鉴相补偿方法，该发明可消除板形检测辊系统圆 周误差对板形检测的影响，从而提高了板形仪的检测精度。发明解决其技术问题所采用的技术方案是这种气动板形检测辊系统 圆周误差多项式回归鉴相补偿方法包括一下几个步骤1. 板形仪标定台的设计，板形仪标定台的设计主要是为气动板形检测辊 建立一套动态加载装置，实现板形检测辊在加载和空载状态下的同步转动。 所述板形标定台的标定机架12上安装气动板形检测辊9，直流电动机11用 皮带10带动板形检测辊9转动，砝码13对气动板形检测辊9加载。2. 光纤传感器15的选取及安装，光纤传感器的选取主要为解决气动板 形检测辊9鉴相定位问题。由于检测辊在皮带带动下转动较快，因此必须 选用响应速度快、敏感性好的光纤传感器，将光纤传感器固定到标定台的 一侧，在靠近光纤传感器15的检测辊9的辊环1上图黑色标记14，光纤传 感器15的探头垂直于标记14的圆周位置，当检测辊转到一周时，光纤传感器会感应到辊环1上的标记两次。两次标记之间采集的数据即为检测辊 转动一周的数据。由于检测辊的七个辊段在加载状态下同步转动，因此对 七个辊段中的一段进行鉴相定位就可实现检测辊七个辊段的整体定位。光 纤传感器信号和检测辊压差信号的采集由计算机完成。其鉴相定位原理图如图4所示。3. 板形检测辊鉴相程序实现对检测辊系统圆周误差鉴相，功能包括检测 辊信号和光纤传感器定位信号的采集及存盘，通过标记提取。4. 板形检测辊圆周误差的补偿是通过光纤传感器鉴相定位确定检测辊 七个辊段一周的系统圆周误差分布，分别对七个辊段的系统圆周误差进行 最小二乘多项式回归，实现圆周误差补偿；按以下步骤进行系统圆周误差鉴相补偿1) 通过光纤传感器对系统圆周误差鉴相得出各个辊段每一周的系统圆 周误差分布；2) 对各个辊段系统圆周误差曲线进行最小二乘多项式回归，得出圆周 误差曲线方程；所述最小二乘多项式的次数为6次，如下式y-ao+aiX+a2x2+a3x3+a4x4+a5x5+agX6式中-X—圆周误差的刻度值；y—拟合后的压差值； ao—常数项系数； a, — 一次项系数；&2—二次项系数； a3—三次项系数； a4—四次项系数； as —五次项系数；a6—六次项系数。3) 选择其中一辊加载其他六辊空载状态下，将检测辊匀速同步转动过 程中，通过鉴相测得的每一周数据减去相应位置多项式回归的圆周误差数 据，并对相减后的结果做平均，即为消除系统圆周误差的实际检测值，完成对系统圆周误差的补偿。本发明的有益效果是该发明针对气动板形检测辊存在的由加工精度 引起的系统圆周误差问题，设计了板形检测辊动态标定台，利用光纤传感 器鉴相定位原理找出了系统圆周误差，在此基础上利用最小二乘多项式回 归方法得出各个辊段系统圆周曲线，检测辊每个辊段的检测数据减去相应 的圆周误差后做平均值即为各个辊段实际检测值，该方法有效消除了静态 标定中未能消除的系统圆周误差，为板形检测打下基础。
图1是气动检测辊结构简图；图2是检测辊检测原理截面图；图3板形标定台结构示意图；图4板形标定台结构示意图的左视图；图5鉴相定位原理图；图6第五个辊段圆周误差曲线；图7空载状态下测得第五个辊段系统圆周误差曲线及其拟合曲线； 图8第七个辊段加载其他六辊空载状态下消除圆周误差后数据图。 在上述附图中，l.辊环，2.双排出气节流孔组，3.测压孔，4.中空通气 芯轴，5.气动止推轴承，6.进气口， 7.板形仪固定座，8.气膜间隙，9.气动板 形检测辊，IO.皮带，ll.直流电动机，12.标定台的标定机架，13.砝码，14. 标记，15.光纤传感器，16.带材。
具体实施方式
实施例以下给出在第七个辊段加载其他六辊空载状态下，以第五个辊段为例 说明消除检测辊系统圆周误差的步骤首先，在步骤1中，数据采集程序实现对检测辊各个辊锻压差信号及 光纤传感器定位信号的采集，光纤传感器信号为0、 l数字量信号，当光线 传感器检测到标记时传感器输出信号为1，反之为0。当第七个辊段加载匀 速转动时会带动其他六个辊段同步转动，此时可通过数据采集卡连续测出 第五个辊段多周的系统圆周误差的连续分布如图5所示。数据采集存盘后的数据库列表如表1所示，表1中ID列中的0、 1数据为检测辊鉴相定位 数据，其它七列为七个辊段的压差数据。随后，在步骤2中，检测辊存盘数据的曲线形式如图5所示，可知检测辊信号是连续采集，其信号呈周期性复现信号，在未对检测辊进行鉴相 定位时，其单周的圆周误差并不能确定，当引入光纤传感器通过检测辊上 的标记对其鉴相定位后，表1中ID列连续出现0、 1的数据即为一周的压 差数据，以第五个辊段为例，取出此一周的压差数据，并绘出曲线如图6 中的点所示，由于这是第五个辊段空载状态下测得的压差数据，因此压差 数据即为一周的系统圆周误差。由于检测辊在以不同的速度匀速转动时， 数据采集卡采集的压差信号点数会不同，但是其压差信号所对应的误差曲 线是基本保持不变的。因此，对系统圆周误差曲线按照公式 y-ao+ap+a2X^a3xS+a4X、a5xS+a6xe进行最小二乘多项式回归，多项式回归曲 线见图6中的实线所示，并得出圆周误差曲线方程如下式Y=203.597-0.483995 *x-0.0100983 *x2+0.000108853 *x3-2.89417E-7*x4+1 .69731E-10*x5+1.14169E-13 *x6随后，在步骤3中，仍用光线传感器定位方法得出空载状态下任意一 周第五个辊段压差信号检测值，如下列所示133.1923, 150.3160, 134.8877， 137.4647, 137.8716, 136.2440， 134.8538, 135.1929， 137,9055， 136.3458, 140.2452， 133.4635, 136.3458， 141.6694， 140.4487, 140.1774， 145.3993, 207.2144' 137.2274, 163.5742' 205.4850， 202.5350， 197.3131, 191.4130， 186,6659， 183.0716， 180.3928， 136.0406, 168.2197' 154.0799, 160.0477， 156,1483, 150.5534, 144.4838， 141.7372, 141.1947， 141.2286， 174.4249， 232.3066' 144.6194'■ 228.6445， 228.3054， 228.3732， 230.5094, 231.1537, 228.7462， 228.8140, 231.7980， 227.0508, 230.5433, 227.8646， 225.3554' 225.2875， 225.0163, 221.9306， 215.0133, 229.4583， 204.6712， 204.6712, 158.7592, 163.8794, 171.1358, 177.3071， 185.2078, 186.2590, 230.2721， 200.9752， 210.2322, 209.5540, 215.3863， 221.5237， 224.8806, 227.1525, 227.0169， 225,7623， 193.2102共76组数据，为检测数据组。此76组数据为一周360度等刻度(刻 度间隔为360/76度)分布的检测数据，该检测数据还未消除系统圆周误差；将数组0， 1*(360〃6)， 2*(360〃6), 3*(360〃6)，.........，75*(360/76)作为回归的多项式自变量x的值带入步骤3的多项式中，可得相应位置的一组回归数 据组如下203.243， 198.54， 193.659, 188.913， 184.476' 180.423， 176.758， 173.439， 170.398, 167.556' 164.835， 162.166， 159.495， 156.786， 154,021, 151.202, 148.35， 145.498, 142.696' 140， 137.475, 135.185， 133.197， 131.572， 130.365, 129.622， 129.38, 129.662， 130,481, 131.833， 33.706, 136.072， 138.895， 142.127， 145.714, 149.595，153.705' 157.979, 162.351, 166.761, 171.15, 175.468， 179.673, 183.734, 187.628, 191.343, 194.88， 198.248, 201.464, 204.553， 207.547， 210.476, 213.375, 216.27, 219.184， 222.128, 225.1， 228.08, 231.03, 233.894， 236. 591, 239. 024， 241. 077, 242. 622, 243. 528, 243. 67， 242. 942， 241. 28, 238. 682, 235. 238， 231. 165, 226. 847， 222.891， 220.178， 219.937， 223.82将此两组对应数据做差后求和，将求和后的值除以76即为消除圆周误 差后实际的检测值，如下式IX检测数据组-回归数据组)/ 76 = -1.4035从以上第五个辊段例程结果看，在空载状态下，其理想压差值应为 0KPa，对其进行圆周误差补偿后，其空载状态下的压差为-1.4035，已经非 常接近理想状态压差值，说明其方法有效。其他六个辊段(无论加载或者 空载状态)消除系统圆周误差方法皆用上述方法。实施例2以下给出采用本发明的方法在第七个辊段加载其他六个辊段空载状态 下消除系统远走误差的过程。首先，根据步骤1中鉴相方法得出七个辊段每一周空载状态下的检测值；随后，根据步骤2对七个辊段空载状态下的检测值按照公式 y-ao+aiX+a^+a3xS+a4xVa5xS+a^进行最小二乘多项式回归，得出每个辊段 的回归多项式如下第1个辊段拟合曲线Y=96.45781238956+2.0142249294*x-0.0509603913833*x2+0.000519414 9428342*x3-2.297634894393E-6*x4+4.60726274497E-9*x5-3.462487404437E-12*x6第2个辊段拟合曲线Y=l 43.4456569171 -0.8325053053449*x+0.02298296131407*x2-0.000139 9611670393*x3+3.493829235774E-7*x4+3.950347680856E-10*x5+1.72982325 4144E-13*x6第3个辊段拟合曲线Y=279.0362718978+4.31853 8425403 *x+0.07493400504141 *x2+0.000477 3091183936*x3+1.75870535409E-6*x4+3.615113952913E-9*x5-3.001527480075E-12*x0第4个辊段拟合曲线Y=144.8071248453+0.3572857963865*x-0.00140151422068*x2+4.85959 3948766E-5*x3-2.342739874983E-7*x4+4.322619009227E-10*x5-2.869550738 145E-13*x6第5个辊段拟合曲线Y=203.597-0.483995*x-0.0100983*x2+0.000108853*x3-2.89417E-7*x4+l. 69731E-10*x5+1.14169E-13*x6第6个辊段拟合曲线Y=316.1460445928-1.98393178846*x+0.01951639872132*x2-0.00018808 17116787*x3+9.182509436917E-7*x4-1.955087546747E-9*x5+1.51132685314 4E-12*x6第7个辊段拟合曲线Y=104.9926892628+1.500517161131*x-0.02308583878083*x2+0.000236 781155562*x3-1.129857551375E-6*x4+2,387023942515E-9*x5-1.84137375835 E-12*x6随后，在步骤3中，在第七个辊段加载其他六个辊段空载状态下，电 动机带动七个辊段匀速同步转动，将测得每一周数据减去相应位置多项式 回归的圆周误差数据，并对相减后的结果做平均，即为消除系统圆周误差 的实际检测值，具体公式如下式所示S(检测数据组-回归数据组)/数组大小=实际压差值 消除圆周误差后数据图见图7，从图中可以看出，该方法有效消除了系 统圆周误差。表1数据采集存盘后的数据库列表IDhOLL2S0LL3R0LL5ROLLS243.233.4595—21^J§52201.8229 194.05T9183.3428 182.9359 皿2233 1T3.T顿 183.1055 184.5635 182.902 亂舰l 肌6819 183.4446 183. 6U1185.9538 189.T1T6' 196.0585206.8414 209.7575: 212.1311;93.90.9085, 88.8401;168.2536 165.5748217,，7| 221.0151;T^丄喂二 5别3哩t.. 卿.j一 8628:4023!29对.姐5.L. 0942!223 223 226 230 229 226 223 221, 216 212, 208, 205. 202.,邻:84.彻 8T. 3咖i 90.8407:1CU.454;127.4618i 140. 1TW 153.9781I190. 1245 205.3494 220.7438;166,6599170.89841TU 1525: 1ST.4059162.舰l 159.946 156.25 l站.9252 139.1941 136. 5復 130. 34^ 1^4. T491; 126.6"; 12T.T669;208.5368191.413 187, 920517:3, 7.467149.6718;142.178; 135.3963;掘:，，一170, l眺 166.5921; 163.2351; 156.6908; 150.282i;146.8574:132.6497;132.10T2; 130.3101i125.529140,—1096; 142.4493;139.9061139. 43H; JiH6攀 :亂4哩…,3,j 里.1977
TJ 212. 30圃 210.40JJ: 201,5，:19§:7706 200. 3祖 19T.51§5:19L.M§.! 206.3327i1权利要求
1.一种气动板形检测辊系统圆周误差多项式回归鉴相补偿方法，其特征是所述方法包括以下步骤a.气动板形检测辊系统圆周误差信号的采集；b.通过应用数据采集卡采集气动板形检测辊(9)每个辊段的压差信号及光纤传感器(15)的定位信号实现对检测辊系统圆周误差鉴相；c.通过光纤传感器(15)鉴相定位确定气动板形检测辊(9)每个辊段一周的系统圆周误差分布，对每个辊段系统圆周误差进行最小二乘多项式回归，实现圆周误差补偿。
2. 根据权利要求1所述气动板形检测辊系统圆周误差多项式回归鉴相 补偿方法，其特征是在所述步骤a中，对气动板形检测辊(9)每个辊段 的圆周误差信号进行采集-1) 在板形标定台上使气动板形检测辊(9)在加载和空载状态下转动， 实现气动板形检测辊(9)动态加载。所述板形标定台的标定机架(12)上 安装气动板形检测辊(9)，直流电动机(IO用皮带(10)带动检测辊(9) 转动，砝码(13)对气动板形检测辊(9)中的一个辊段进行加载，其他六 个辊段在加载辊段的带动下保持同步转动。2) 将光纤传感器(15)固定到板形标定台的一侧，并在靠近光纤传感 器(3)的某一个辊段上涂上黑色标记(14)，使光纤传感器(15)的探头 垂直于标记(14)的圆周位置；当气动板形检测辊(9)转到一周时，光纤 传感器(15)会感应到气动板形检测辊(9)上的标记(14)两次；两次标 记之间采集的数据即为气动板形检测辊(9)各个辊段转动一周的数据，光 纤传感器(15)的信号和气动板形检测辊数据的采集由计算机完成。
3. 根据权利要求1所述气动板形检测辊系统圆周误差多项式回归鉴相 补偿方法，其特征是在所述步骤b中，气动板形检测辊(9)的压差信号 和光纤传感器(15)的定位信号的采集及存盘1)气动板形检测辊测试系统的数据采集部分采用研华板卡基于 LabVIEW的驱动程序，利用LabVIEW的queue技术可将数据采集线程中 的数据传递到数据存盘线程保存，数据的存盘和提取可通过调用LabSQL工具包来完成；2) 为提高采集控制程序的执行效率，将采集控制优先级置为最高，提 高系统的实时性；3) 研华板卡完成检测辊压差信号的采集和数字量输入功能用7个模 拟量输入通道采集检测辊压差信号，用一路数字量输入通道检测光纤传感 器(15)感应的气动板形检测辊(9)的位置信号；因气动板形检测辊(9) 测试的压差信号较弱，在数据采集卡和压差传感器之间设有信号放大器； 为抑制高频信号的干扰，还设有低通滤波器。
4. 根据权利要求1所述气动板形检测辊系统圆周误差多项式回归鉴相 补偿方法，其特征在于，在所述步骤c中，通过光纤传感器鉴相定位确定 气动板形检测辊(9)各个辊段一周的系统圆周误差分布，对系统圆周误差 进行最小二乘多项式回归，圆周误差曲线回归多项式次数为6次，其数学 模型是<formula>formula see original document page 3</formula>式中X—圆周误差的刻度值；y—拟合后的压差值； ao—常数项系数； a,— —次项系数； &2—二次项系数； a3 —三次项系数； a4—四次项系数； as—五次项系数； a6—六次项系数。
5. 根据权利要求4所述气动板形检测辊系统圆周误差多项式回归鉴相 补偿方法，其特征是按以下步骤进行系统圆周误差鉴相补偿1) 通过光纤传感器对各个辊段系统圆周误差鉴相定位得出一周的系统 圆周误差分布；2) 对各个辊段系统圆周误差曲线进行最小二乘多项式回归，得出各个辊段系统圆周误差曲线方程； 3)选择其中一个辊段加载其他六个辊段空载状态下，检测辊匀速同步 转动过程中，通过鉴相测得各个辊段每一周数据减去相应位置多项式回归 的圆周误差数据，并对相减后的结果做平均，即为消除系统圆周误差后的 各个辊段实际检测值，完成对系统圆周误差的补偿。
全文摘要
本发明公开一种气动板形检测辊系统圆周误差多项式回归鉴相补偿方法。其特征是所述方法的步骤如下a.气动板形检测辊系统圆周误差信号的采集；b.通过应用数据采集卡采集气动板形检测辊(9)每个辊段的压差信号及光纤传感器(15)的定位信号实现对检测辊系统圆周误差鉴相；c.通过光纤传感器(15)鉴相定位确定气动板形检测辊(9)每个辊段一周的系统圆周误差分布，对每个辊段系统圆周误差进行最小二乘多项式回归，将加载或空载状态下测得的每个辊段一周的数据减去回归的圆周误差数据，并对相减后的结果做平均，即为消除系统圆周误差的实际检测值。实验表明该方法有效消除了系统的圆周误差。
文档编号G01B13/00GK101246001SQ200810054668
公开日2008年8月20日 申请日期2008年3月22日 优先权日2008年3月22日
发明者建 刘, 王益群 申请人:燕山大学