CN102749099B - 可实现球磨机介质运动测量的检测球 - Google Patents

Abstract

一种可实现球磨机介质运动测量的检测球，包括上半球和下半球，所述上半球和下半球连接，所述所述上半球和下半球之间设有由温度气压传感器、磁阻传感器、三维加速度传感器和三轴佗螺仪组成的数据采集模块；数据保存模块与上半球之间设有由控制器组成的单片机控制模块，所述单片机控制模由晶体振荡器及电源开关构成单片机最小系统。本发明提供一种能够实时监测介质工作状态、实用性良好的可实现球磨机介质运动测量的检测球。

Description

可实现球磨机介质运动测量的检测球

技术领域

本发明涉及球磨机，尤其是一种球磨机介质运动测量装置。

背景技术

球磨机在上述工业领域中的使用已经有很长的一段时期，但是其功耗高产能低的问题一直没有得到很好的解决，球磨介质的运动规律也没有很明确的被揭示出来，粉磨作业各项工作参数的设定也没有准确而统一的标准。解决这些问题的新思路、新方法不断的被提出，如改变衬板的形状，改变球磨介质的大小配比，改变装填率和转速率等一系列措施，虽然球磨机的某些指标在一定程度上得到了改善，但是根本的问题并没有得到本质上的解决，其中一个重要原因，是缺乏有效的检测装备，无法对不同参数产生的不同运动状态进行观察和分析，所以进行相关理论的研究就缺少了试验数据的支撑，故而无法得到新的理论。

发明内容

为了克服已有球磨机无法有效获得介质工作状态的不足，本发明提供一种能够实时监测介质工作状态、实用性良好的可实现球磨机介质运动测量的检测球。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种可实现球磨机介质运动测量的检测球，所述检测球包括上半球和下半球，所述上半球和下半球连接，所述上半球和下半球之间设有由温度气压传感器、磁阻传感器、三维加速度传感器和三轴佗螺仪组成的数据采集模块；数据保存模块与上半球之间设有由控制器组成的单片机控制模块，所述单片机控制模由晶体振荡器及电源开关构成单片机最小系统。

进一步，所述单片机控制模块与数据存储器、RS232接口和通信指示灯连接。

本发明的技术构思为：球磨介质运动状态获取装置主要包括三个主要部分，首先是检测球数据采集模块，此模块通过MEMS惯性器件实现获取介质在运动时的三轴加速度、三轴角速度、三轴磁分量、温度、气压等数据功能，其次是检测球数据存储模块，此模块可以实现数据的存储功能，最后是控制模块，此模块通过编写好的程序控制数据采集和数据保存，同时此模块外扩展RS232通信接口和通信指示灯，这样可以便于将保存到存储器中的数据发送至上位机中分析处理，以获得介质的运动状态的功能。

本发明的有益效果主要表现在：能够实时监测介质工作状态(空间位置、三轴速度与加速度)、实用性良好。

附图说明

图1是可实现球磨机介质运动测量的检测球的正面图。

图2是可实现球磨机介质运动测量的检测球的背面图。

图3是检测球的电路硬件结构框图。

图4是检测求的电路硬件原理图。

图5是运动测量单元的结构框。

图6是以检测球为主体的载体坐标系和以球磨机筒体为中心固定不动的球状测量坐标系的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图6，一种可实现球磨机介质运动测量的检测球，具有上半球1、下半球2，上下半球通过螺纹连接与卡口固定，上下半球之间设有由温度气压传感器3、磁阻传感器5、三维加速度传感器6和三轴佗螺仪7组成的数据采集模块；数据保存模块与上半球之间设有由控制器8组成的单片机控制模块，该模块由晶体振荡器及电源开关构成单片机最小系统；控制模块外扩展数据存储器12、RS232接口11、通信指示灯9，这样便于数据的存储以及将数据发送至上机机相应软件中进行处理，检测球内部各模块间通过IIC总线进行数据传输、由5V锂电池4供电。

运动测量单元的结构框如图5如下所示。

在测量系统中，有如图6所示的以检测球为主体的载体坐标系（b系，X_bY_bZ_b轴）和以球磨机筒体为中心固定不动的球状测量坐标系（p系，X_pY_pZ_p轴），而从b系至p系的转换关系可通过以下顺序的三次旋转得到：

通过上述的转换关系，即：

$\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}\\ 0& -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& 0& -\sin \mathrm{\θ}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& 0& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}& \sin \mathrm{\ψ}& 0\\ -\sin \mathrm{\ψ}& \cos \mathrm{\ψ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_p\\ y_p\\ z_p\end{array}\right]$

即有 $\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\end{array}\right]=T\left[\begin{array}{c}{x}_p\\ y_p\\ z_p\end{array}\right]$

从载体坐标轴到测量坐标轴转换的方向余弦矩阵T为捷联矩阵，通过解算更新捷联矩阵T，便可得到每一步长两坐标系之间的映射关系。

介质在筒体内部作空间三维运动，根据空间三维运动分解可将介质在筒体内的运动分解为空间直线运动和空间转动，由牛顿定律和运动学方程及能量方程可知：

空间直线运动时有： $\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{F}}^b={m{\stackrel{\→}{a}}^b}_x+m{{\stackrel{\→}{a}}^b}_y+m{{\stackrel{\→}{a}}^b}_z\\ {\stackrel{\→}{a}}^b={{\stackrel{\→}{a}}^b}_x+{{\stackrel{\→}{a}}^b}_y+{{\stackrel{\→}{a}}^b}_z\\ {\stackrel{\→}{v}}^b={{\stackrel{\→}{v}}_0}^b+{\∫}_{t0}^t{\stackrel{\→}{a}}^b\mathrm{dt}\\ {\stackrel{\→}{s}}^b={{\stackrel{\→}{s}}_0}^b+{\∫}_{t0}^t{\stackrel{\→}{v}}^b\mathrm{dt}\end{array}\right.$

空间转动时有： $\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}^b={{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}^b}_x+{{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}^b}_y+{{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}^b}_z\\ {\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}}^b={{\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}}_0}^b+{\∫}_{t0}^t{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}^b\mathrm{dt}\\ {\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}}^b=\frac{d{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}^b}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.$

经传感器采集得到的载体坐标系下的加速度、角速度数据通过上述的两坐标映射关系便可得到测量坐标系下的加速度、角速度，再通过三维空间运动方程解算便可到检测球的姿态信息、位置信息、速度信息。

Claims (1)

1.一种可实现球磨机介质运动测量的检测球，其特征在于：所述检测球包括上半球和下半球，所述上半球和下半球连接，所述上半球和下半球之间设有由温度气压传感器、磁阻传感器、三维加速度传感器和三轴佗螺仪组成的数据采集模块；数据保存模块与上半球之间设有由控制器组成的单片机控制模块，所述单片机控制模由晶体振荡器及电源开关构成单片机最小系统；

以检测球为主体的载体坐标系和以球磨机筒体为中心固定不动的球状测量坐标系，所述载体坐标系为b系，包括X_bY_bZ_b轴；所述球状测量坐标系为p系，包括X_pY_pZ_p轴，而从b系至p系的转换关系通过以下顺序的三次旋转得到：

通过上述的转换关系，即：

$\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}\\ 0& -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& 0& -\sin \\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& 0& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}& \sin \mathrm{\ψ}& 0\\ -\sin \mathrm{\ψ}& \cos \mathrm{\ψ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_p\\ y_p\\ z_p\end{array}\right]$

即有 $\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\end{array}\right]=T\left[\begin{array}{c}{x}_p\\ y_p\\ z_p\end{array}\right]$

从载体坐标轴到测量坐标轴转换的方向余弦矩阵T为捷联矩阵，通过解算更新捷联矩阵T，便得到每一步长两坐标系之间的映射关系；

介质在筒体内部作空间三维运动，根据空间三维运动分解将介质在筒体内的运动分解为空间直线运动和空间转动，由牛顿定律和运动学方程及能量方程可知：

空间直线运动时有： $\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{F}}^b=m{\stackrel{\→}{a}}^{b}x+m{\stackrel{\→}{a}}^{b}y+m{\stackrel{\→}{a}}^{b}z\\ {\stackrel{\→}{a}}^b={\stackrel{\→}{a}}^{b}x+{\stackrel{\→}{a}}^{b}y+{\stackrel{\→}{a}}^{b}z\\ {\stackrel{\→}{v}}^b={{\stackrel{\→}{v}}_0}^b+{\∫}_{t0}^t{\stackrel{\→}{a}}^b\mathrm{dt}\\ {\stackrel{\→}{s}}^b={{\stackrel{\→}{s}}_0}^b+{\∫}_{t0}^t{\stackrel{\→}{v}}^b\mathrm{dt}\end{array}\right.$

空间转动时有： $\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}^b={{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}^b}_x+{{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}^b}_y+{{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}^b}_z\\ {\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}}^b={{\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}}_0}^b+{\∫}_{t0}^t{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}^b\mathrm{dt}\\ {\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}}^b=\frac{d{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}^b}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.$

经传感器采集得到的载体坐标系下的加速度、角速度数据通过上述的两坐标映射关系便可得到测量坐标系下的加速度、角速度，再通过三维空间运动方程解得到检测球的姿态信息、位置信息、速度信息。2、如权利要求1所述的可实现球磨机介质运动测量的检测球，其特征在于：所述单片机控制模块与数据存储器、RS232接口和通信指示灯连接。