一种钢铁辊系位置检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种钢铁辊系位置检测装置及方法，该装置包括全站仪、参考地标及标杆，所述标杆包括标杆臂、棱镜、滑块及真空吸盘，所述全站仪架设于参考地标及待测辊轴的一侧，所述棱镜固定连接在标杆顶部，标杆臂沿滑块上下移动，通过定位销定位，滑块固定连接在真空吸盘上。本发明专利技术的优点是整套测量装置能够实现单辊及辊系多项参数指标同时检测，且采用自适应阈值调整算法，提高了传统空间圆拟合算法的准确性及拟合速度，能够用于指导辊系校准，大大提高产品的产能、质量和效益。

A position detection device and method for steel roll system

【技术实现步骤摘要】
一种钢铁辊系位置检测装置及方法
本专利技术涉及一种测量装置及方法，具体涉及一种钢铁辊系位置检测装置及方法。
技术介绍
钢铁辊系由于长期高速运转，其垂直度、水平度等空间位置关系会逐渐发生变化，导致钢卷出现起皱、跑偏、溢边及产品板形不良等问题，直接影响产能、质量和效益。因此要求对辊系进行空间位置测量，获得其水平度和垂直度等偏移量，以便对辊轴进行位置调整。传统的钢尺水平仪测量的方法常在实际测量中用到，但因其精度有限且使用环境受限，已逐渐退出历史舞台；基于激光器测量的方法是将基准激光与探测靶光源通过光学元件形成90°夹角来检测相互的平行度，然而因其价格不低、不能得出精确偏差数据且功能单一等原因未被广泛使用；基于陀螺仪的运动检测方法测量较为精密，但其造价昂贵、成本开销过大。全站仪因其具有速度快、灵活性好和自动化程度高等特点，广泛应用于水平角、垂直角、距离(斜距、平距)、高差等物理量的测量。长期以来，技术人员总结出了以水平度和垂直度为主要参考指标的辊系评价标准，但辊系位置检测系统的测量装置及数据处理算法设计仍不完善。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种能够同时检测单辊及辊系多项参数指标的钢铁辊系位置检测装置；本专利技术的另一目的是提供基于该钢铁辊系位置检测装置的检测方法。技术方案：一种钢铁辊系位置检测装置，该装置包括全站仪、参考地标及标杆，所述标杆包括标杆臂、棱镜、滑块及真空吸盘，所述全站仪架设于参考地标及待测辊轴的一侧，所述棱镜固定连接在标杆顶部，标杆臂沿滑块上下移动，通过定位销定位，滑块固定连接在真空吸盘上。为了增强定位效果，滑块与标杆臂之间优选采用螺丝定位，标杆臂设有若干螺孔，所述滑块设有第一螺孔，其尺寸与标杆臂螺孔一致，通过第一螺丝连接标杆臂与滑块；滑块外侧边缘设有第二螺孔，通过第二螺丝与真空吸盘连接。所述标杆臂为金属材料，优选为铝质材料，可调范围0.5～2.0m，适用于不同规格、不同尺寸的轧辊测量。所述棱镜为平面棱镜、360°棱镜或球形棱镜，优选为球形棱镜，经过高精度加工与工艺控制后，棱镜中心与球心的重合度小于0.1mm，外径公差小于0.1mm，即反射中心和球心的不重合性小于0.2mm。本专利技术所述的检测钢铁辊系位置的方法，包括如下步骤：(1)启动全站仪，将标杆臂调至适当长度，通过真空吸盘固定于待测辊轴端面，利用全站仪测得棱镜中心的三维坐标；(2)旋转轧辊，带动标杆转动，使其在任一位置停止，全站仪再次测得棱镜中心的三维坐标；(3)重复上述过程，连续得到8～10组数据，完成单辊测量；(4)将全站仪数据通过串口传至PC机，利用PC机计算辊系位置偏差指标，计算方法如下：(41)对从单个辊轴获取的数据散点作预处理后进行空间圆拟合，利用拟合圆与实测点的距离关系说明圆的拟合准确度，来反映单辊被测端面的规范度；所述距离关系包括平均偏差及标准偏差两项指标，距离平均偏差计算公式为：其中di为第i个点到拟合平面的欧氏距离，距离标准差计算公式为：(42)对从单个辊轴获取的数据散点作预处理后利用最小二乘(LS)或奇异值分解(SVD)方法进行多点平面拟合，得到拟合平面法向量，利用辊系中每个轧辊的端面法向量计算辊系的垂直度和水平度，利用拟合平面的圆心反映辊系中单个辊轴的位点，通过以上三项指标反映辊系空间位置偏差。其中，垂直度指标反映的是辊系中辊轴投影在水平面上时，按俯视视角向下看，辊轴中心轴线投影偏离参考地标垂线的程度，以垂直于设备中心线为±0，左偏为负，右偏为正；所述设备中心线是和参考地标连线垂直的线。首先找到与地标垂直且与大地平行的向量，求出其与每个辊轴拟合平面法向量之间的夹角θ，垂直度定义为单位长度下的辊轴法向量的偏移距离，所述单位长度为1m，垂直度计算公式为：A垂直度＝θ×LL＝1m水平度以平行于大地水平面的侧视视角看向被测辊系。其以操作侧为±0，传动侧高于操作侧为正，低于为负；所述操作侧为标杆贴合的一侧，传动侧为辊轴另一端面的一侧。计算辊轴拟合平面的法向量与大地水平面之间的向量夹角，转化为单位长度下的偏移距离即定义为水平度。设辊轴拟合面法向量则取大地水平面对应向量为Φ为辊轴拟合平面法向量与大地水平面之间的向量夹角，水平度计算公式为：A水平度＝Φ×LL＝1m(5)按照以上步骤连续测量多个单辊，计算单辊位置偏差、辊系水平度及垂直度，得到位置偏差指标，接着手动完成辊系校准工作。所述步骤(41)中所述数据预处理及空间圆拟合过程如下：首先进行散点的平面拟合，在拟合的平面上建立新坐标系，使新坐标系下的XOY平面与所给拟合平面重合；之后将散点按照到拟合平面的距离大小进行排序，所述距离为新坐标系下散点的Z坐标分量的绝对值，按照滤噪公式进行噪点过滤，保留距离小的点，若不满足滤噪公式，则重复以上步骤，直到所有保留点均符合条件，结束循环；最后进行空间圆的拟合。所述噪点过滤采用了自适应阈值调整算法，计算公式为：其中，Xd为散点到拟合平面的距离，为距离平均偏差，s为散点到平面的距离标准差，λs为阈值，λ为阈值参数，取非负数。优选地，所述的数据预处理及空间圆拟合过程如下：(1)首先进行散点的平面拟合，利用最小二乘法(LS)，对于全站仪采集到的散点(x,y,z)，其所在平面方程为：A′x+B′y+C′z+1＝0对于一系列的散点，均满足上式，故写作矩阵形式为：故参数A′,B′,C′可以由下式求得：通过此过程完成平面拟合。(2)将所给的坐标系变换到新的坐标系，使新的XOY平面与所给拟合平面重合，这样能够保证转换后的坐标系中各点的Z坐标绝对值即为点到平面的距离；首先建立新坐标系，找到拟合平面上的任意两点，其中一点作为新坐标系的原点，另一点作为新坐标系的X轴上一点，从原点到X轴上一点相连构成的向量方向代表X轴的正向；拟合平面法向量方向作为新坐标系下Z轴的正向；利用已确定的X轴和Z轴信息确定Y轴方向向量，具体求解公式为：其中OX为新的X轴，OZ为新的Z轴，求得的OY即为新的Y轴；之后将原坐标系下所有点的坐标按照相对位置转换到新坐标系下即可。(3)将新坐标系下散点的Z坐标分量的绝对值排序，按照滤噪公式进行噪点过滤，保留距离小的点。(4)在噪点过滤步骤结束之后进行空间圆的拟合，拟合圆的过程是在之前的拟合平面上进行的，平面圆的方程为：(x-xc)2+(y-yc)2＝R展开后得到：令A＝2xc，B＝2yc，可得：x2+y2-Ax-By+D＝0对于满足上式的所有散点，写成矩阵形式得到：经过矩阵变换得到：解得A，B，D，代入即可求得圆心坐标(a,b)和圆半径R。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的优点如下：(1)整套检测装置设计巧妙、装配方便，安装完毕后非常稳定，能够实现单辊及辊系多项参数指标同时检测，简洁易求、评价全面，能够客观地反映辊系位置且满足精度要求，适用于不同情况下的实地测量，可以较好地完成辊系空间位置测量的工作。(2)本专利技术的钢铁辊系位置检测装置利用全站仪及PC机实现辊系位置偏差的自动测取和计算，自动化程度高、数据处理速度快；本装置采用的标杆，利用滑块上下移动调节高低，适用于不同规格、不同尺寸的轧辊测量。(3)本装置采用的可拆卸真空吸盘，成本较低、便于携带、操作简单、测量精确，其大小、形状可按实际情况选择，产生吸力可变；且吸盘与一般磁铁相比，可防铁锈本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钢铁辊系位置检测装置，其特征在于包括全站仪(1)、参考地标(2)及标杆，所述标杆包括标杆臂(3)、棱镜(4)、滑块(5)及真空吸盘(6)，所述全站仪(1)架设于参考地标(2)及待测辊轴(7)的一侧，所述棱镜(4)固定连接在标杆(3)顶部，标杆臂(3)沿滑块(5)上下移动，通过定位销定位，滑块(5)固定连接在真空吸盘(6)上。

【技术特征摘要】
1.一种钢铁辊系位置检测装置，其特征在于包括全站仪(1)、参考地标(2)及标杆，所述标杆包括标杆臂(3)、棱镜(4)、滑块(5)及真空吸盘(6)，所述全站仪(1)架设于参考地标(2)及待测辊轴(7)的一侧，所述棱镜(4)固定连接在标杆(3)顶部，标杆臂(3)沿滑块(5)上下移动，通过定位销定位，滑块(5)固定连接在真空吸盘(6)上。2.根据权利要求1所述的钢铁辊系位置检测装置，其特征在于：所述棱镜(4)为球形。3.根据权利要求2所述的钢铁辊系位置检测装置，其特征在于：所述棱镜(4)中心与球心的重合度小于0.1mm，外径公差小于0.1mm。4.一种检测权利要求1所述的钢铁辊系位置的方法，其特征在于包括如下步骤：(1)启动全站仪，将标杆臂调至适当长度，通过真空吸盘固定于待测辊轴端面，由全站仪测得棱镜中心的三维坐标；(2)旋转轧辊，带动标杆转动，使其在任一位置停止，全站仪再次测得棱镜中心的三维坐标；(3)重复上述过程，连续测得8～10组数据，完成单辊测量；(4)将全站仪数据传至PC机，计算辊系位置偏差指标；(5)按照以上步骤连续测量多个单辊，计算单辊位置偏差、辊系水平度及垂直度，得到位置偏差指标，接着手动完成辊系校准工作。5.根据权利要求4所述钢铁辊系位置的检测方法，其特征在于步骤(4)中计算辊系位置偏差指标方法如下：(41)对从单个辊轴获取的数据散点作预处理后进行空间圆拟合，利用拟合圆与实测点的距离关系说明圆的拟合准确度，所述位置关系包括平均偏差及标准偏差两项指标，距离平均偏差计算公式为：式中di为第i个点到拟合平面的欧氏距离，距离标准差计算公式为：(42)对从单个辊轴获取的数据散点作预处理后进行多点平面拟合，得到拟合平面法向量，通过辊系中每个轧辊的端面法向量计算辊系的垂直度和水平度，利用拟合平面的圆心反映辊系中单个辊轴的位点，由以上三项指标反映辊系空间位置偏差；其中，垂直度以垂直于设备中心线为±0，左偏为负，右偏为正；通过与地标垂直且与大地平行的向量，求出其与每个辊轴拟合平面法向量之间的夹角θ，垂直度定义为标准长度下的辊轴法向量的偏移距离，所述标准长度为1m，垂直度计算公式为：A垂直度＝θ×LL＝1m水平度以操作侧为±0，传动侧高于操作侧为正，低于为负；所述操作侧为标杆贴合的一侧，传动侧为辊...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏海坤，王兆嘉，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32