一种链篦机料层厚度成像系统及方法与流程

本发明属于球团布料成像技术领域，具体涉及一种链篦机料层厚度成像系统及方法。

背景技术：

在球团生产过程中，链篦机布料是至关重要的一个环节，链篦机料层厚度及其均匀度一直是一个重中之重的参数，料层厚度及其均匀度的变化间接影响链箅机运行的速度、热风系统等，而直接影响成品球的质量与产量。以往工程都是依据链篦机台车宽度而设几个固定式雷达料位计，也只能检测几点料层厚度，需要靠PLC系统来比较，大致求出料层是否存在偏差，根本不能准确检测出当前料层的平均厚度及偏差拐点在什么位置、有多少个拐点与链篦机瞬时上料量；以上这些问题一直是影响球团实际生产的重要问题中的一部分；

基于球团厂对生产能力与自动化水平要求的不断提高及达到节能减排的目的，需要提高生产的效率，而链篦机料层厚度及生球量直接影响成品球的质量与产量；因此链篦机料层厚度及生球量的检测及成像对球团生产操作来说都是非常重要的。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种链篦机料层厚度成像系统及方法，以达到提高生产能力、自动化水平、生产的效率、成品球的质量与产量的目的。

一种链篦机料层厚度成像系统，包括：云台、激光料位计、电机编码器、数据处理模块和成像模块，其中，

云台：用于固定并旋转激光料位计，同时将每个采样点采样时激光料位计与链篦机台车垂线所成角度至数据处理模块；

激光料位计：用于在线测量链篦机台车上球团矿料层的厚度，并发送至数据处理模块中；

电机编码器：用于在线测量链篦机主传动电机的转速，对链篦机的速度进行在线检测，并发送至数据处理模块中；

数据处理模块：用于根据采集的厚度值、速度值和角度值，获得并显示链篦机台车上任意采样点料厚、采样周期平均料厚、整体台车上的平均料厚、每个周期瞬时料量、每个周期累积料量、台车上当前总料量和运行速度；

成像模块：用于通过3D软件将链篦机台车上球团矿料层厚度形成三维立体动态图像。

所述的激光料位计，位于链篦机台车底板上表面宽度中点正上方。

采用链篦机料层厚度成像系统进行的成像方法，包括以下步骤：

步骤1、设置采样周期及每个周期内采样点的个数，以链篦机台车底板上表面宽度的中点为原点构建直角坐标系；

步骤2、由0°开始旋转云台，带动激光料位计旋转到达第一检测点测量链篦机台车上球团矿厚度值，并发送至数据处理模块中获得该检测点的坐标；

步骤3、云台继续转动至下一检测点，采用激光料位计测量该点厚度值，并发送至数据处理模块中获得该检测点的坐标；

步骤4、反复执行步骤3，直至云台完成360°的旋转，即完成该周期内所有检测点的测量，将所有有效测量范围内检测点坐标用曲线连接，获得该周期内链篦机台车上球团矿厚度曲线；

步骤5、采用电机编码器在线测量链篦机主传动电机的转速，并发送至数据处理模块中；

步骤6、根据一个周期内所有有效测量范围内检测点的厚度值，获得该周期内链篦机的平均料层厚度，再根据该周期内料流速度实测的平均值，获得当前料厚检测周期瞬时料量；

步骤7、根据每个周期链篦机的平均料层厚度获得整体台车上的平均料厚；

步骤8、根据整体台车上的平均料厚、链篦机台车有效载料长度、台车上球团矿的堆比重和链篦机台车宽度，获得台车上当前总料量；或根据每个周期料量累积量获得台车上当前总料量；

步骤9、采用3D软件将链篦机台车上球团矿料层厚度形成三维立体动态图像。

本发明优点：

本发明提出一种链篦机料层厚度成像系统及方法，该系统可以实现链篦机整个带料情况，让操作人员直观的观察链篦机整体料层状态，对造球系统、链篦机上料系统及热平衡系统给出正确调整的强有力依据，使链篦机产能最大化，促进整体工艺生产流程最优化；可以提高生产率与合格率，有效减少出现炸球和裂球的现象，达到节能减排的目的；目前国内外球团厂对链篦机带料状态都无法做到在中控室3D成像与链篦机上的料量等，因为链篦机有上罩，操作人员到现场也无法大范围观察，而本套系统可以解决这些问题，所以拥有广阔的市场前景，能给企业带来直接的经济效益和间接的社会效益。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的链篦机料层厚度成像系统结构示意图，其中，1表示激光料位计，2表示云台，3表示球团矿料层下表面，4表示链篦机台车，5表示链篦机传动电机编码器，6表示链篦机料层厚度曲线；

图2为本发明一种实施方式的链篦机料层厚度成像方法流程图；

图3为本发明一种实施方式的链篦机台车料厚检测原理示意图；

图4为本发明一种实施方式的激光料位计与云台旋转组合建立直角坐标系示意图；

图5为本发明一种实施方式的链篦机料层厚度成像系统的空间直角坐标系示意图；

图6为本发明一种实施方式的经过x周期检测后，链篦机台车布满料的空间直角坐标系示意图；

图7为本发明一种实施方式的经过x+1周期检测后，链篦机台车布满料的空间直角坐标系示意图；

图8为本发明一种实施方式的链篦机台车布物料3D成像示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

本发明实施例中，如图1所示，链篦机料层厚度成像系统包括：云台、激光料位计(欧普泰克SSR-CP)、电机编码器(ZKT-D100H45-51.2B-8-30E)、数据处理模块和成像模块(3D激光物位仪成像软件，西门子S7-300和西门子Win-CC)，其中，云台用于固定并旋转激光料位计，将每个采样点采样时激光料位计与链篦机台车垂线所成角度至数据处理模块；激光料位计位于链篦机台车底板上表面宽度中点正上方；激光料位计用于在线测量链篦机台车上球团矿各个采样点的厚度，并发送至数据处理模块中；电机编码器用于在线测量链篦机主传动电机的转速，对链篦机的速度进行在线检测，并发送至数据处理模块中；数据处理模块用于根据采集的厚度值、速度值和角度值，获得并显示链篦机台车上任意检测点料厚、采样周期平均料厚、整体台车上的平均料厚、每个周期瞬时料量、每个周期累积料量、台车上当前总料量和运行速度；成像模块用于通过3D软件将链篦机台车上球团矿料层厚度形成三维立体动态图像。

本发明实施例中，如图2所示，链篦机料层厚度是通过激光料位仪与360°旋转云台坐标定位组成的；激光料位仪内置可见激光瞄准被测介质，内置高精度高分辨率计时装置测量红外激光在发射点和被测介质之间往返时间，设发射点和被测介质之间距离为L，则有：

$L=\frac{t*c}{2}---\left(1\right)$

其中，t表示发射点和被测介质之间往返时间，c表示光速；

本发明实施例中，如图2所示，激光料位仪与水平线间成α角时，对应链篦机台车相应坐标处球团矿的料厚，公式如下：

H＝h-(L+l)*sinα (2)

其中，α表示激光料位仪与水平线间的夹角；l表示激光料位仪发射点与云台转轴中心线间的距离，设备选型确定后是常数；h表示云台装置转轴中心线与链篦机台车底板上表面间的距离，设备安装后是常数(5.5m)；H表示激光料位仪与水平线间成α角时，对应链篦机台车相应坐标处球团矿的料厚；

本发明实施例中，采用链篦机料层厚度成像系统进行的成像方法，方法流程图如图3所示，包括以下步骤：

步骤1、设置采样周期及每个周期内采样点的个数，以链篦机台车底板上表面宽度的中点为原点构建直角坐标系；

本发明实施例中，为实现对链篦机台车料厚检测具体位置的料厚描述，这个是通360°旋转云台来实现的，云台的旋转可以用α来表示(α见图2)，当α由0°增加到360°旋转云台完成一个周期的测量，然后α再次由0°开始，进入下一个测量周期，而在一个每一个有效测量周期内激光料位计打出n个检测点(如图4所示)；图4中，N₁......N_n表示云台带动激光料位仪转入有效测量的第一个到第n个检测点，口表示以链篦机台车底板上表面宽度的中点为直角坐标系的原点，β表示云台带动激光料位仪转入有效测量的最小临界角度；

步骤2、由0°开始旋转云台，带动激光料位计旋转到达第一检测点测量链篦机台车上球团矿厚度值，并发送至数据处理模块中获得该检测点的坐标；

本发明实施例中，n个检测点对应在直角坐标系给出具体的坐标，如N₅代表云台带动激光料位仪转入有效测量(即：α≥β)后第五次检测对应直角坐标系中的坐标为(H₅，-W₅)；

因为云台是恒速传动，而且在有效测量范围(β≤α≤β+γ)激光料位仪每次检测的间隔时间是一样的，也就是云台在相邻两个测点间的转角是一样的，现设云台在相邻两个测点间的转角为δ，则有：

$\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\γ}}{n-1}---\left(3\right)$

其中，γ表示在一个周期内，云台带动激光料位仪实现有效检测所转过的角度；

由公式(3)可得N₅的α为：

$\mathrm{\α}=4*\mathrm{\δ}=\frac{4*\mathrm{\γ}}{n-1}---\left(4\right)$

由图4可得：

$W_5=(L+l)*cos\mathrm{\α}=(L+l)*cos\frac{4*\mathrm{\γ}}{n-1}---\left(5\right)$

所以N₅坐标(H₅，-W₅)为：

$(h-(L+l)*sin\frac{4*\mathrm{\γ}}{n-1},-(L+l)*cos\frac{4*\mathrm{\γ}}{n-1})---\left(6\right)$

上面是以第五个检测点为例，那现在就求第i(1≥i≥n，i为自然数)个检测点的坐标，即点N_i坐标(H_i，-W_i)为：

$(h-(L+l)*sin\frac{(i-1)*\mathrm{\γ}}{n-1},-(L+l)*cos\frac{(i-1)*\mathrm{\γ}}{n-1})---\left(7\right)$

步骤3、云台继续转动至下一检测点，采用激光料位计测量该点厚度值，并发送至数据处理模块中获得该检测点的坐标；

步骤4、反复执行步骤3，直至云台完成360°的旋转，即完成该周期内所有检测点的测量，将所有检测点坐标用曲线连接，获得该周期内链篦机台车上球团矿厚度曲线；

本发明实施例中，通过激光料位仪与旋转云台组合，完成在一个周期内对链篦机台车料厚的n次检测，同时也将n次检测的结果在直角坐标系里给出具体坐标，而将其检测的结果在有效的范围内用平滑曲线连接起来，这样就可以得出该周期任一点的料层厚度；

步骤5、采用电机编码器在线测量链篦机主传动电机的转速，并发送至数据处理模块中；

本发明实施例中，链篦机台车速度是通过链篦机传动电机主轴上的旋转编码器，来实现对主传动电机真实转速的检测，再由机械上的传动比与带动链篦机的传动直径，可以是实现链篦机真实运行速度v的检测；

步骤6、根据一个周期内各检测点的厚度值，获得该周期内链篦机的平均料层厚度，再根据该周期内料流速度实测的平均值，获得当前料厚检测周期瞬时料量；

本发明实施例中，根据公式(7)推出在一个检测周期链篦机的平均料层厚度H_P为：

$H_P=\frac{H_1+H_2+---+H_n}{n}=\frac{1}{n}*\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}h-(L+l)*sin\frac{(i-1)*\mathrm{\γ}}{n-1}---\left(8\right)$

由于已知链篦机台车宽度W，所以可以求出当前周期的料层横截面积S：

S＝H_P*W (9)

将公式(8)带入公式(9)，可得：

$S=W*\frac{1}{n}*\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}h-(L+l)*sin\frac{(i-1)*\mathrm{\γ}}{n-1}---\left(10\right)$

因为在t时刻的周期内料流速度实测的平均值为v_t，所以在当前料厚检测周期瞬时料量W_t为：

$W_t=\mathrm{\ρ}*v_t*S=\mathrm{\ρ}*v_t*W*\frac{1}{n}*\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}h-(L+l)*sin\frac{(i-1)*\mathrm{\γ}}{n-1}---\left(11\right)$

其中，ρ表示台车上球团矿的堆比重(1.9t/m³)，注意，在调试阶段建议用实验方式给予实验检测数据；

步骤7、根据每个周期链篦机的平均料层厚度获得整体台车上的平均料厚；

由公式(8)可计算出当前链篦机台车料厚总平均值H_PZ为：

$H_{Pz}=\frac{1}{x}\underset{j=1}{\overset{x}{\Σ}}{H}_{Pj}---\left(12\right)$

其中，x表示周期总数；

步骤8、根据整体台车上的平均料厚、链篦机台车有效载料长度、台车上球团矿的堆比重和链篦机台车宽度，获得台车上当前总料量；或根据每个周期料量累积量获得台车上当前总料量；

本发明实施例中，根据激光料位仪与旋转云台建立的直角坐标系数据，在加上链篦机台车载料运行，可以建立起空间直角坐标系如图5所示，其中，L_jq点是激光料位仪垂直下方与链篦机台车底板上表面的交点，是常数(1.5m)；L_jz点是Z轴线与料离开链篦机台车底板的末端线的交点，是常数(60m)，即链篦机的长度；t₁曲线是该系统第一个检测周期内有效测量n个点料位在空间直角坐标系里，用平滑曲线将其连接而成；X轴：链篦机台车上物料的宽度方向，Y轴：链篦机台车上物料的厚度方向，Z轴：链篦机台车上物料的长度方向；

由于链篦机台车载料时刻在沿着Z轴运行，实测链篦机运行的速度v，设该系统检测周期为Δt，依据公式(11)可有在第一个检测周期的累积料量W_L1为：

$W_{L1}=\mathrm{\ρ}*v_{t1}*\mathrm{\Δ}t*S=\mathrm{\ρ}*v_{t1}*\mathrm{\Δ}t*W*\frac{1}{n}*\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}h-(L+l)*sin\frac{(i-1)*\mathrm{\γ}}{n-1}---\left(13\right)$

其中，v_t1表示实测链篦机运行的速度v在Δt时间内的平均值；

本发明实施例中，因链篦机运行速度是可调节，所以速度v有可能在实时变化，为提高测量精度，线假设实测链篦机运行的速度v在第一个检测周期Δt时间内取样100次，则有：

$v_{t1}=\frac{1}{100}*\underset{j=1}{\overset{100}{\Σ}}{v}_j---\left(14\right)$

将公式(14)代入公式(13)中，可有：

$W_{L1}=\frac{1}{100*n}*\mathrm{\ρ}*\underset{j=1}{\overset{100}{\Σ}}{v}_j*\mathrm{\Δ}t*W*\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}h-(L+l)*sin\frac{(i-1)*\mathrm{\γ}}{n-1}---\left(15\right)$

该系统从第一个检测周期开始，经过了Δt时间就进入第二个检测周期，在第二个检测周期同样生成一个t₂曲线及W_L2，同时t₁曲线也沿着Z轴正向以实测链篦机运行速度v的速度向前移动距离为L_Z1：

L_Z1＝Δt*v_t1 (16)

以此类推，当经过x个周期后，t₁曲线移动到了链篦机台车的末端(如图6所示)，即：

$\underset{xi=1}{\overset{x}{\Σ}}{L}_{Zi}\≤L_{jz}-L_{jq}\≤\frac{x+1}{x}\underset{xi=1}{\overset{x}{\Σ}}{L}_{Zi}$

因为链篦机台车有效载料的长度L_jz-L_jq和宽度W是已知常数(4.5m)，所以由公式(12)可以计算出当前链篦机台车上总料量W_LZ为：

$W_{LZ}=\mathrm{\ρ}*(L_{jz}-L_{jq})*W*H_{Pz}=\mathrm{\ρ}*(L_{jz}-L_{jq})*W*\frac{1}{x}\underset{j=1}{\overset{x}{\Σ}}{H}_{Pj}---\left(17\right)$

本发明实施例中，还可以通过每个周期料量累积量公式(15)来计算：

$W_{LZ}=\underset{j=1}{\overset{x}{\Σ}}{W}_{Lj}---\left(18\right)$

在经过一个Δt时间就进入第x+1个检测周期，在第x+1个检测周期同样生成一个t_x+1曲线及W_Lx+1，同时t₁曲线被t₂曲线挤出链篦机台车有效载料范围，在空间坐标系中将不再显示，而t₂曲线行走到链篦机台车的末端，相应的计算中，第一个周期的参数都被第x+1个检测周期的相应参数替代，链篦机不停地运行，参数也随着更替，如图7所示。

因为在链篦机台车有效载料范围内已经建立起空间直角坐标系，所以对任意一点的料位都可以显示。

步骤9、采用3D软件将链篦机台车上球团矿料层厚度形成三维立体动态图像。

本发明实施例中，基于3D激光物位仪成像软件，将链篦机台车有效载料范围内所有测点空间坐标，形成一个物料表面的三维图，在将链篦机无料形成的三维图作为链篦机台车的外形，这样就形成链篦机台车上物料的3D图像，把链篦机运行的速度作用在每一个测点坐标上，这样就形成一个实时动态的3D图像在屏幕上显示出来如图8所示。

本发明实施例中，在屏幕上可以同时显示：当前检测料层平均厚度、在屏幕上点击任意点即可显示该点料厚、显示整个台车上的平均料厚、显示最高与最低料厚的位置、显示台车当前上料量、显示整个台车上的料量、累积料量及链篦机各个工序段的运行时间参数等。