CN105203035B - 热态筒节在线尺寸测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种热态筒节在线尺寸测量装置及其方法，包括：数据分析模块和与之相连的直径测量系统、壁厚测量系统和转速测量系统，其中：两个壁厚测量系统分别相对设置于筒节的两端，转速测量系统及直径测量系统设置于筒节的一侧，数据分析模块对转速测量系统连续采集的筒节图像进行特征点的位置变化率计算得到筒节转速、根据直径测量系统测得的实时温度数据和转角数据计算得到筒节直径和顶部位置、根据壁厚测量系统测得的实时光路总长或遮挡光路数计算得到筒节壁厚；本发明可实时测量热态筒节的尺寸，误差小，满足测量需求，且能得到所测直径的具体位置，为轧制的精细化提供准确信息。

Description

热态筒节在线尺寸测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及的是一种金属热加工领域的测量技术，具体是一种用于热态(600～1200℃)筒节的在线尺寸测量装置及其方法。

背景技术

石化等行业的大型压力容器可由多段圆柱形筒节焊接而成，其截面是圆环，壁厚300mm左右，直径6～7m，最大直径可达9m。其中每一段圆柱形筒节都需要通过锻造或轧制加工达到一定的机械性能和尺寸要求。在筒节轧机轧制筒节的过程中，为便于控制筒节尺寸，减小后续机加工余量，需要在热态筒节连续转动的同时测量筒节直径尺寸和长短轴方向。由于轧制过程中的筒节表面温度高达800～1200℃，处于高温红热发光状态，操作人员无法接近，也不能近距离安装传感器，筒节一半以上被设备遮挡，因此筒节尺寸测量一般只能采用激光扫描、接触式三点测量、投射激光指示线等方法。对筒节直径的测量精度要求为±3mm，而当筒节不圆，即圆周上曲率变化较大时上述方法不能满足测量精度要求，或无法获得筒节长短轴位置，即圆周上出现最大和最小直径所对应的相位，或无法测量，也不能测出筒节壁厚尺寸。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102319842B，公告日2013.6.5，公开了一种大型筒节轧机外径轮廓在线测量装置，包括有激光扫描仪、数据采集卡和计算模块外径轮廓显示器，在上述激光扫描仪外部设有恒温机构，该恒温机构有一个壳体，该壳体上面设有压缩空气接口，该壳体下面设有通光孔，该通光孔上设耐高温玻璃板，壳体内设有激光扫描仪，其镜头与通光孔相对，激光扫描仪的数据接口通过网线和数据采集卡相连，数据采集卡通过PCI总线与计算模块相连。但该技术的测量方式为筒节局部圆周尺寸信息，仅能反映筒节截面一段圆弧的平均曲率半径，当筒节截面不是圆形时其直径测量的精度无法满足要求，并且缺少对筒节实时状态的全方位测量和分析。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种热态筒节在线尺寸测量装置及其方法，通过高精度振镜和高温红外测温传感器测量直径，摄像机采集所述筒节的连续图像推得转速，通过激光测距传感器或测量光幕分别得到筒节实时精确和大致的壁厚，综合得到筒节在轧制过程中的长短轴相位分布图，精度高，误差小。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种热态筒节在线尺寸测量装置，包括：数据分析模块和与之相连的直径测量系统、壁厚测量系统和转速测量系统，其中：两个壁厚测量系统分别相对设置于筒节的两端，转速测量系统及直径测量系统设置于筒节的一侧，数据分析模块对转速测量系统连续采集的筒节图像进行特征点的位置变化率计算得到筒节转速、根据直径测量系统测得的实时温度数据和转角数据计算得到筒节直径和顶部位置、根据壁厚测量系统测得的实时光路总长或遮挡光路数计算得到筒节壁厚。

所述的直径测量系统包括：高精度振镜和高温红外测温传感器，其中：高温红外测温传感器位于高精度振镜的下方，测量高精度振镜反射的红外光的温度。

所述的两个壁厚测量系统平行对称设置于所述筒节的两端，并且壁厚测量系统的顶部高度大于所述筒节端面的顶部高度，该壁厚测量系统包括：光幕机构和位于光幕机构下方的测距机构。

所述的光幕机构包括：水冷套和两个测量光幕，其中：测量光幕位于水冷套内，并且两个测量光幕安装高度不同。

所述的测距机构的高度低于所述筒节的端面顶部，并高于端面底部，该测距机构包括：激光测距传感器、隔热罩、直线驱动单元、水冷套筒、吹尘器和反射镜，其中：激光测距传感器和直线驱动单元位于隔热罩内，反射镜位于水冷套筒内；激光测距传感器位于直线驱动单元的一端，水冷套筒套接在直线驱动单元的另一端；吹尘器位于反射镜的出射光路上，并且吹尘器的一端位于水冷套筒内，另一端与外界空气相接触。

本发明涉及上述在线尺寸测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤1、筒节在转动轧制过程中，截面形状逐渐变圆，壁厚变薄，直径增大；已知筒节的中心线到高精度振镜的距离，以及高精度振镜与底辊的垂直距离。

步骤2、通过调整直径测量系统和转速测量系统的水平指向(测量方向)，调整筒节截面测量位置，结合数据分析模块在同一时刻采集到的高精度振镜的转角数据、高温红外测温传感器的温度数据、通过转速测量系统采集到的图像、通过测距机构采集到的光路总长或通过光幕机构采集到的遮挡光路数，计算得到每一时刻的筒节直径、壁厚和转速，得到筒节在指定截面圆周上的长短轴相位分布图。

所述的直径测量是指：热态筒节的顶部边缘发出的红外光入射于不断作高速偏转振动的高精度振镜，出射于高温红外测温传感器，高温红外测温传感器将测得的筒节边缘或背景的温度数据传输至数据分析模块，数据分析模块同时采集高精度振镜当前时刻对应的转角数据；转角数据与温度数据一一对应，捕捉温度突变点对应的转角，该转角对应于高精度振镜在扫描过程中捕捉到的筒节的顶部边缘与背景的分界点，根据已知的筒节的中心线到高精度振镜的距离，以及高精度振镜与底辊的垂直距离，可得到筒节的顶部到底辊的距离，即筒节的直径。

所述的温度突变点的捕捉是指：当热态筒节的顶部边缘落入高温红外测温传感器的测量区域的部分的高度与测量区域直径的比值大于阈值时，高温红外传感器测得的温度即为温度突变点，从而将筒节的顶部边缘同低温的背景区分开。

所述的壁厚测量可通过测距机构测量或光幕机构测量，测距机构用于精确、间歇的测量，光幕机构用于轧制前期和中期的连续测量。

所述的测距机构测量是指：筒节两端的激光测距传感器的激光经反射镜反射后投射于筒节对应一侧的内壁，得到光路实际测量值，结合直径测量系统测得的筒节对应一侧的顶部位置和标准筒节的壁厚，计算得到筒节的壁厚。

所述的光幕机构测量是指：筒节两端的测量光幕的发送端和接收端组成垂直于筒节两端截面的光线阵列，根据筒节发出的红外光在光线阵列中遮挡的光路数推算筒节的壁厚。

所述的转速测量是指：筒节表面的氧化皮或凸凹点等可以作为图像上的特征点，调整摄像机的图像采集位置并采集筒节的连续图像，通过分析处理特征点的位置变化，计算得到筒节的转速和转动方向。

技术效果

与现有技术相比，本发明符合待测尺寸两端平行测量的原则，可实时测量热态筒节的尺寸，误差小，满足测量需求，且能得到所测直径的具体位置，为轧制的精细化提供准确信息。

附图说明

图1为在线尺寸测量装置左视图；

图2为在线尺寸测量装置主视图；

图3为在线尺寸测量装置俯视图；

图中：(a)为轧机部分，(b)为操作室部分；

图4为在线尺寸测量装置顶部测量示意图；

图5为筒节壁厚测量示意图；

图中：(a)为左侧部分，(b)为右侧部分；

图6为实施例筒节的长短轴相位分布图；

图中：1为高温红外测温传感器，2为高精度振镜，3为摄像机，4为电动旋转台，5为可调支架，6为操作室，7为操作室玻璃，8为测量光幕，9为水冷套，10为测距机构，11为筒节，12为内辊，13为底辊，14为支撑辊，15为数据分析模块，16为机架，17为测量区域，18为隔热罩，19为直线驱动单元，20为水冷套筒，21为吹尘器，22为激光测距传感器，23为水冷接口，24为压缩空气接口，25为反射镜。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1、图2和图3所示，本实施例包括：筒节11、电动旋转台4、可调支架5、数据分析模块15、轧制系统、直径测量系统、壁厚测量系统和转速测量系统，其中：可调支架5固定设置于电动旋转台4上，直径测量系统和转速测量系统设置于可调支架5上，数据分析模块15分别与直径测量系统、壁厚测量系统和转速测量系统相连；电动旋转台4位于操作室6内，壁厚测量系统平行对称设置于筒节11的两端，并且壁厚测量系统的顶部高于筒节11端面的顶部；壁厚测量系统位于轧制系统的两侧，筒节11位于轧制系统上方进行轧制。

所述的轧制系统包括：机架16、内辊12、底辊13和两个支撑辊14，其中：内辊12和底辊13分别位于筒节11的内外两侧，两个支撑辊14位于底辊13的两侧，机架16对称设置于底辊13的两端，并与底辊13垂直。

所述的直径测量系统包括：高精度振镜2和高温红外测温传感器1，其中：高温红外测温传感器1位于高精度振镜2的下方，测量高精度振镜2反射的红外光的温度并传输至数据分析模块15。

所述的高精度振镜2为压电偏转镜或高速高精度激光扫描振镜，可在小角度范围内作高速摆动。

所述的壁厚测量系统包括：光幕机构和位于光幕机构下方的测距机构10。

所述的测距机构10设置于机架16的上方，测距机构10的高度低于筒节11的端面顶部，并高于端面底部。

所述的光幕机构包括：水冷套9和两个测量光幕8，其中：测量光幕8位于水冷套内，并且两个测量光幕8上下交错设置。

所述的两个测量光幕8的高度差为测量光幕8光轴间距的1/2。

如图5所示，所述的测距机构10包括：激光测距传感器22、隔热罩18、直线驱动单元19、水冷套筒20、吹尘器21和反射镜25，其中：激光测距传感器22和直线驱动单元19位于隔热罩18内，反射镜25位于水冷套筒20内；激光测距传感器22位于直线驱动单元19的一端，水冷套筒20套接在直线驱动单元19的另一端；吹尘器21位于反射镜25的出射光路上，并且吹尘器21的一端位于水冷套筒20内，另一端与外界空气相接触。

所述的水冷套筒20在隔热罩18内设有水冷接口23和压缩空气接口24。

所述的压缩空气接口24向隔热罩18和水冷套筒20的内部通入压缩空气空冷。

所述的吹尘器21去除从筒节11的内壁上掉落的氧化皮及粉尘，避免光路被遮挡。

所述的转速测量系统为摄像机3。

所述的摄像机3为CCD摄像机，可连续获得转动中的筒节11的图像。

本实施例通过以下步骤实现热态筒节11的在线尺寸测量，具体包括：

步骤1、筒节11在内辊12、底辊13和支撑辊14的带动及挤压作用下不停地转动轧制，筒节11的截面形状逐渐变圆，壁厚变薄，直径增大。已知筒节11的中心线到高精度振镜2的距离为S，以及高精度振镜2与底辊13的垂直距离为L。

步骤2、通过调整电动旋转台4的转角、可调支架5上高温红外测温传感器1、摄像机3和高精度振镜2的高度，结合数据分析模块15在同一时刻采集到的高精度振镜2的转角数据、高温红外测温传感器1的温度数据、通过转速测量系统采集到的图像、通过测距机构采集到的光路总长或通过光幕机构采集到的遮挡光路数，计算得到每一时刻的筒节直径、壁厚和转速，得到筒节11在指定截面圆周上的长短轴相位分布图。

所述的直径测量是指：热态筒节11的顶部边缘发出的红外光穿过操作室玻璃7入射于不断作高速偏转振动的高精度振镜2，出射于高温红外测温传感器1，高温红外测温传感器1将测得的筒节11边缘或背景的温度数据传输至数据分析模块15，数据分析模块15同时采集高精度振镜2当前时刻对应的转角数据；转角数据与温度数据一一对应，捕捉温度突变点对应的转角θ，该转角θ对应于高精度振镜2在扫描过程中捕捉到的筒节11的顶部边缘与背景的分界点，根据已知的S和高精度振镜2与底辊13的垂直距离L，可得到筒节11的顶部到底辊13的距离，即筒节11的直径D，D＝L+S×tan(θ)。

如图4所示，所述的温度突变点的捕捉是指：高温红外测温传感器1的测量区域17为直径为d的圆形，并随高精度振镜2的高速振动而上下摆动；当热态筒节11的顶部边缘高度为Δd的部分落入测量区域17，且Δd/d的值达到阈值，则高温红外传感器1测得的温度即为温度突变点，从而将筒节11的顶部边缘同低温的背景区分开。

所述的阈值与高温红外测温传感器1的参数设定有关，通常为20％。

所述的壁厚测量可通过测距机构测量或光幕机构测量，测距机构用于精确、间歇的测量，光幕机构用于轧制前期和中期的连续测量。

如图2和图5所示，所述的测距机构测量是指：筒节11两端的激光测距传感器22的激光经反射镜25反射后投射于筒节11对应一侧的内壁，光路实际测量值为激光测距传感器22与反射镜25的距离a加上反射镜25与筒节11内壁的距离b；结合直径测量系统测得的筒节11对应一侧的顶部位置，即筒节11的直径D，计算D－(a+b)，经过壁厚T已知的标准筒节标定后，D－(a+b)对应于标准筒节的壁厚T；实测时，不同的筒节壁厚与标准筒节壁厚的变化量Δ(D－(a+b))代表标准筒节壁厚T的增量，由此可得筒节11的壁厚T。

所述的光幕机构测量是指：筒节11两端的测量光幕8的发送端和接收端组成垂直于筒节11两端截面的光线阵列，根据筒节11发出的红外光在光线阵列中遮挡的光路数量推算筒节11的壁厚T。

所述的转速测量是指：筒节11表面的氧化皮或凸凹点等可以作为图像上的特征点，微调电动旋转台4的转角，调整摄像机3的图像采集位置，通过分析处理特征点的位置变化，计算得到筒节11的转速和转动方向。

所述的电动旋转台4带动直径测量系统在小范围左右转动，调整直径测量系统的测量位置。

所述的光幕机构中的一对测量光幕8存在安装高度差，提高测量的分辨率。

所述的测量光幕8设置于水冷套9内由其冷却，保证在临近热态筒节11的高温热辐射环境下仍能正常工作。

所述的直径测量系统分别测量筒节11左端直径和右端直径。

如图6所示，本实施例实时采集数据并得到每一时刻的筒节11的长短轴相位分布图，将不同相位角对应所测得的筒节11的直径D_n(n＝0,1,2...n)绘制在同一幅图中，其中最大直径D_max和最小直径D_min所在位置可由图中直观得到，便于轧制过程中的人工干预控制。

本实施例在测量过程中长度轴分布图需不断滚动更新，避免由于误差累积对长短轴相位测量精度的影响。

Claims (8)

1.一种热态筒节在线尺寸测量装置，其特征在于，包括：数据分析模块和与之相连的直径测量系统、壁厚测量系统和转速测量系统，其中：两个壁厚测量系统分别相对设置于筒节的两端，转速测量系统及直径测量系统设置于筒节的一侧，数据分析模块对转速测量系统连续采集的筒节图像进行特征点的位置变化率计算得到筒节转速、根据直径测量系统测得的实时温度数据和转角数据计算得到筒节直径和顶部位置、根据壁厚测量系统测得的实时光路总长或遮挡光路数计算得到筒节壁厚；

所述的直径测量系统包括：高精度振镜和高温红外测温传感器，其中：高温红外测温传感器位于高精度振镜的下方，测量高精度振镜反射的红外光的温度，热态筒节的顶部边缘发出的红外光入射于不断作高速偏转振动的高精度振镜，出射于高温红外测温传感器，高温红外测温传感器将测得的筒节边缘或背景的温度数据传输至数据分析模块，数据分析模块同时采集高精度振镜当前时刻对应的转角数据；转角数据与温度数据一一对应，捕捉温度突变点对应的转角，该转角对应于高精度振镜在扫描过程中捕捉到的筒节的顶部边缘与背景的分界点，根据已知的筒节的中心线到高精度振镜的距离，以及高精度振镜与底辊的垂直距离，可得到筒节的顶部到底辊的距离，即筒节的直径；

所述的壁厚测量系统包括：光幕机构和位于光幕机构下方的测距机构；

所述的测距机构包括：激光测距传感器、隔热罩、直线驱动单元、水冷套筒、吹尘器和反射镜，其中：激光测距传感器和直线驱动单元位于隔热罩内，反射镜位于水冷套筒内；激光测距传感器位于直线驱动单元的一端，水冷套筒套接在直线驱动单元的另一端；吹尘器位于反射镜的出射光路上，并且吹尘器的一端位于水冷套筒内，另一端与外界空气相接触；

所述的光幕机构包括：水冷套和位于水冷套内的两个上下交错设置的测量光幕。

2.根据权利要求1所述的在线尺寸测量装置，其特征是，所述的两个测量光幕的上下高度差为测量光幕光轴间距的1/2。

3.一种根据权利要求1或2所述装置的在线尺寸测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、筒节在转动轧制过程中，截面形状逐渐变圆，壁厚变薄，直径增大；已知筒节的中心线到高精度振镜的距离，以及高精度振镜与底辊的垂直距离；

步骤2、通过调整直径测量系统和转速测量系统的水平指向，即测量方向，结合数据分析模块在同一时刻采集到的高精度振镜的转角数据、高温红外测温传感器的温度数据、通过转速测量系统采集到的图像、通过测距机构采集到的光路总长或通过光幕机构采集到的遮挡光路数，计算得到每一时刻的筒节直径、壁厚和转速，得到筒节在指定截面圆周上的长短轴相位分布图。

4.根据权利要求3所述的在线尺寸测量方法，其特征是，所述的热态筒节的顶部边缘发出的红外光入射于不断作高速偏转振动的高精度振镜，出射于高温红外测温传感器，高温红外测温传感器将测得的筒节边缘或背景的温度数据传输至数据分析模块，数据分析模块同时采集高精度振镜当前时刻对应的转角数据；转角数据与温度数据一一对应，捕捉温度突变点对应的转角，该转角对应于高精度振镜在扫描过程中捕捉到的筒节的顶部边缘与背景的分界点，根据已知的筒节的中心线到高精度振镜的距离，以及高精度振镜与底辊的垂直距离，可得到筒节的顶部到底辊的距离，即筒节的直径。

5.根据权利要求4所述的在线尺寸测量方法，其特征是，所述的温度突变点的捕捉是指：当热态筒节的顶部边缘落入高温红外测温传感器的测量区域的部分的高度与测量区域直径的比值大于阈值时，高温红外传感器测得的温度即为温度突变点，从而将筒节的顶部边缘同低温的背景区分开。

6.根据权利要求5所述的在线尺寸测量方法，其特征是，所述的壁厚测量可通过测距机构测量或光幕机构测量；

所述的测距机构测量是指：筒节两端的激光测距传感器的激光经反射镜反射后投射于筒节对应一侧的内壁，得到光路实际测量值，结合直径测量系统测得的筒节对应一侧的顶部位置和标准筒节的壁厚标定值，计算得到筒节的壁厚。

7.根据权利要求6所述的在线尺寸测量方法，其特征是，所述的光幕机构测量是指：筒节两端的测量光幕的发送端和接收端组成垂直于筒节两端截面的光线阵列，根据筒节发出的红外光在光线阵列中遮挡的光路数推算筒节的壁厚。

8.根据权利要求3所述的在线尺寸测量方法，其特征是，所述的转速测量是指：筒节表面的氧化皮或凸凹点作为图像上的特征点，调整摄像机的图像采集位置并采集筒节的连续图像，通过分析处理特征点的位置变化，计算得到筒节的转速和转动方向。