CN108387274A - 通过三维扫描实现铁水包包况测量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冶金炼钢领域中铁水包包况的三维扫描技术，旨在提供一种通过三维扫描实现铁水包包况测量的装置及方法。该装置在横梁上活动安装有中空的防护罩，内部装有3D扫描仪，防护罩的底部设电控隔热门；防护罩通过风管连接3D扫描控制盒，在3D扫描控制盒上装有进气管；3D扫描控制盒中的控制板通过线缆接至设于主控柜中的工控机和供电模块，工控机与显示器和输入设备连接。本发明能实现在线测量，不需要拆装铁水包，省时省力；安装在运输车通道上，只需停留几分钟，无需提供额外的场地；双工位运作，不影响钢厂原有的效率；具有防护装置，无需等待铁水包冷却就可测量；全方位测量铁水包内衬，数据全面，数据可供储存与调用。

Description

通过三维扫描实现铁水包包况测量的装置及方法

技术领域

本发明关于冶金炼钢领域中铁水包包况的三维扫描技术，特别涉及一种通过三维扫 描实现铁水包包况测量的装置及方法。

背景技术

转炉炼钢是当今世界上的主要炼钢方法，约占世界钢铁总产量的60％。当转炉内铁 水的成分及温度达到出钢要求时，将合格的铁水倒入铁水包。在出铁水过程中,铁水包内衬直接与铁水和炉气接触,不断受到物理、机械和化学的侵蚀作用，当铁水包包衬小 于安全厚度时，铁水包会出现“发红”或发生穿包事故，烧坏设备甚者危及人身安全。 如果能准确测量到铁水包包衬的包况信息(结铁量、结铁位置、结渣量、结渣位置、耐 材最薄厚度、耐材最薄位置)，维护修补不仅可以延长包衬寿命,均衡包衬损毁,提高 铁水包的作业率,降低生产成本,而且避免安全事故的发生有利于均衡组织生产,促 进生产的良性循环。

目前，国内在铁水包包衬测量上相关的办法与装置甚少，大多通过激光测厚仪来测 量铁水包内衬的厚度。方法大致分为2大类：即在线检测或线下检测。目前国内检测方法上都有不足之处，其方法如下：

(1)线下检测方法：制作一个定位装置，将铁水包水平固定，并将激光测厚仪固 定在铁水包轴线上一定的距离，根据坐标的换算来得出铁水包的内衬厚度。此方法需要 将铁水包闲置冷却一段时间才能进行测量，并且水平放置的方式费时费力，大大降低了 铁水包的工作效率，方法缺陷太大。

(2)在线检测方法：通过旋转控制器带动激光测厚仪，逐点扫描测试铁水包内衬的厚度变化。由于在线检测，铁水包一直处于高温状态，仪器的靠近将会导致烧坏仪器 设备，此方法中为了防止仪器设备损坏，选择安装处于铁水包口侧方，因此所测量的范 围局限在铁水包包沿附近，并不能对整个铁水包的内衬进行准确的测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种通过三维扫描实现 铁水包包况测量的装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种通过三维扫描实现铁水包包况测量的装置，包括用于悬挂测量设备的横梁；在横梁上活动安装有中空的防护罩，其内部装有3D扫描仪，防护罩的底部设电控 隔热门；防护罩通过风管连接3D扫描控制盒，3D扫描仪和电控隔热门通过线缆接至设 于3D扫描控制盒中的控制板；在3D扫描控制盒上装有进气管，自进气管引入的冷却 空气经风管进入防护罩后，由电控隔热门排出；所述控制板通过线缆接至设于主控柜中 的工控机和供电模块，工控机与显示器和输入设备连接。

本发明中，该装置还包括安装在铁水包工位旁的光电位置开关和激光测距传感器， 两者分别通过线缆接至3D扫描控制盒中的控制板。

本发明中，防护罩的上端设置悬臂并通过滚轮装在横梁上，横梁上设置多个位置传 感器；防护罩通过下述驱动方式实现位移：

(1)在横梁上装有伺服电机，防护罩与链条连接，伺服电机的输出端装有链轮， 伺服电机通过链轮和链条的作用驱动防护罩在横梁上位移；或者，

(2)在防护罩上装有伺服电机，在横梁设置齿条或链条，齿条或链条与伺服电机输出端的齿条或链轮啮合，在伺服电机的驱动下实现防护罩在横梁上位移。

本发明中，所述3D扫描控制盒的进气管上装有气压计；在3D扫描控制盒的控制 板上装有电源模块(FMU)、倾角补偿模块和现场信号处理模块(FMCU、PLC)。

本发明中，连接控制板和主控柜的线缆均穿设在金属套管中。

本发明进一步提供了利用前述装置实现铁水包包况测量的方法，包括以下步骤：

(1)利用运输车将倒空的铁水包送至测量工位，测量工位位于3D扫描仪的下方；在运送过程中根据激光测距传感器的信号确定铁水包运输车的位置，以便向运输车发送减速信号；然后根据光电位置开关的检测信号，向运输车发送停车信号；

(2)启动伺服电机，并根据指定的位置传感器的检测信号发送停止命令，使带有3D扫描仪的防护罩移动到铁水包上方的指定位置；

(3)向3D扫描控制盒和防护罩内通入冷却空气，然后打开电控隔热门，通过对 3D扫描仪吹气实现设备保护；

(4)启动3D扫描仪，对整个铁水包的内衬进行扫描，由控制板对扫描信号进行处理后上传至主控柜中的工控机；通过内置在工控机中的软件，依据下述公式对铁水包区 域与3D扫描仪之间的空间位置关系进行计算，得到3D扫描区域在铁水包的空间坐标 系下的角度位置信息：

P′＝(P–M₀)×M_x×M_y

式中，P′为铁水包内坐标，P为三维激光扫描坐标，M₀为铁水包三维拟合中心 原点坐标，M_x为铁水包三维原点法向量与三维激光扫描仪x轴旋转变换矩阵，M_y为铁 水包三维原点法向量与三维激光扫描仪y轴旋转变换矩阵；

(5)通过比对铁水包在使用过程中不同时间节点的角度位置数据，即能获知铁水包内衬包况信息的变化情况。

本发明中，由供电模块为3D扫描仪和安装于主控板上的各模块提供电源。在横梁的下方并列设置两个铁水包测量工位，通过控制3D扫描仪在轨道进行移动，实现双工 位扫描的功能。防护罩采用隔热板进行隔热，在开启扫描时通入冷却气体(如冷空气) 抵抗铁水包散发的热气。控制板用于控制3D扫描仪的开启与关闭，并对3D扫描仪的数 据进行现场预处理后传输至工控机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、在线测量，不需要拆装铁水包，省时省力；

2、安装在运输车通道上，只需停留几分钟，无需提供额外的场地；

3、双工位运作，不影响钢厂原有的效率；

4、具有防护装置，无需等待铁水包冷却就可测量；

5、全方位测量铁水包内衬，数据全面(包底到包沿净高、可盛铁体积、可盛铁重量、结铁量、结铁位置、结渣量、结渣位置、耐材最薄厚度、耐材最薄位置、空包重量、 满包重量、转炉入炉铁水量等)，数据可供储存与调用。

附图说明

图1为本发明装置的连接关系示意图。

图2为本发明中主控柜的示意图。

图3为本发明的定位及防护装置的位置关系示意图。

附图标记说明：1、3D扫描仪；2防护罩；3悬臂；31横梁；32链轮；33链条；4、 3D扫描控制盒；41气压计；51光电位置开关；52激光测距传感器；53位置传感器；6 主控柜；61显示器；62工控机；63供电模块。

具体实施方式

首先需要说明的是，本发明涉及工业控制技术的应用。在本发明的实现过程中，会涉及到多个软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发 明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可 以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。前述软件功能模块包括但不限于：3D扫描 控制盒的控制板上的电源模块(FMU)、倾角补偿模块和现场信号处理模块(FMCU、 PLC)，以及工控机中进行数据处理的软件模块等，凡本发明申请文件提及的均属此范 畴，申请人不再一一列举。

另外，本发明也同样应用了一些现有技术中的硬件设备，本领域技术人员可根据现 场实际需要进行选型。例如3D扫描仪，可选用奥地利Riegl系列三维激光扫描仪。

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

通过三维扫描实现铁水包包况测量的装置，包括用于悬挂测量设备的横梁31，其下 方并列设置两个铁水包测量工位。在铁水包测量工位旁安装了光电位置开关51和激光测距传感器52，两者分别通过线缆接至3D扫描控制盒4中的控制板。

在横梁31上活动安装有中空的防护罩2，其内部装有3D扫描仪1，防护罩2的底 部设电控隔热门；防护罩2的上端设置悬臂3，并通过滚轮装在横梁31上，横梁31上 设置多个位置传感器53；防护罩2通过风管连接3D扫描控制盒4，3D扫描仪1和电控 开门通过线缆接至设于3D扫描控制盒4中的控制板；控制板通过线缆接至设于主控柜 6中的工控机62和供电模块63，工控机62与显示器61和输入设备连接，连接控制板 和主控柜6的线缆均穿设在金属套管中。在控制板上还装有电源模块、倾角补偿模块和 现场信号处理模块。在3D扫描控制盒4上装有进气管，进气管上设气压计41；自进气 管引入的冷却空气经风管进入防护罩2后，由电控隔热门排出。

防护罩2通过下述驱动方式实现位移：在横梁31上装有伺服电机，防护罩2与链 条33连接，伺服电机的输出端装有链轮32，伺服电机通过链轮32和链条33的作用驱 动防护罩在横梁31上位移；或者，可以采用类似的位移实现方式：在防护罩2上装有 伺服电机，在横梁31设置齿条或链条，齿条或链条与伺服电机输出端的齿条或链轮啮 合，在伺服电机的驱动下实现防护罩2在横梁31上位移。

利用前述装置实现铁水包包况测量的方法，包括以下步骤：

(1)利用运输车将倒空的铁水包送至测量工位，测量工位位于3D扫描仪1的下方；在运送过程中根据激光测距传感器52的信号确定铁水包运输车的位置，以便向运输车 发送减速信号；然后根据光电位置开关51的检测信号，向运输车发送停车信号；

(2)启动伺服电机，并根据指定的位置传感器53的检测信号发送停止命令，使带有3D扫描仪1的防护罩2移动到铁水包上方的指定位置；

(3)向3D扫描控制盒4和防护罩2内通入冷却空气，然后打开电控隔热门，通过 对3D扫描仪1吹气实现设备保护；

(4)启动3D扫描仪1，对整个铁水包的内衬进行扫描，由控制板对扫描信号进行 处理后上传至主控柜6中的工控机62；通过内置在工控机62中的软件，依据下述公式 对铁水包区域与3D扫描仪1之间的空间位置关系进行计算，得到3D扫描区域在铁水 包的空间坐标系下的角度位置信息：

P′＝(P–M₀)×M_x×M_y

式中，P′为铁水包内坐标，P为三维激光扫描坐标，M₀为铁水包三维拟合中心 原点坐标，M_x为铁水包三维原点法向量与三维激光扫描仪x轴旋转变换矩阵，M_y为铁 水包三维原点法向量与三维激光扫描仪y轴旋转变换矩阵；

(5)通过比对铁水包在使用过程中不同时间节点的角度位置数据，即能获知铁水包内衬包况信息的变化情况。

本发明设计了双工位运作模式，当其中一个测量工位上进行3D扫描操作时，另一个工位上可以继续进行铁水包的生产操作，因此不影响钢厂原有的生产效率。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容 直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种通过三维扫描实现铁水包包况测量的装置，包括用于悬挂测量设备的横梁；其特征在于，在横梁上活动安装有中空的防护罩，其内部装有3D扫描仪，防护罩的底部设电控隔热门；防护罩通过风管连接3D扫描控制盒，3D扫描仪和电控隔热门通过线缆接至设于3D扫描控制盒中的控制板；在3D扫描控制盒上装有进气管，自进气管引入的冷却空气经风管进入防护罩后，由电控隔热门排出；所述控制板通过线缆接至设于主控柜中的工控机和供电模块，工控机与显示器和输入设备连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括安装在铁水包测量工位旁的光电位置开关和激光测距传感器，两者分别通过线缆接至3D扫描控制盒中的控制板。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，防护罩的上端设置悬臂并通过滚轮装在横梁上，横梁上设置多个位置传感器；

防护罩通过下述驱动方式实现位移：

(1)在横梁上装有伺服电机，防护罩与链条连接，伺服电机的输出端装有链轮，伺服电机通过链轮和链条的作用驱动防护罩在横梁上位移；或者，

(2)在防护罩上装有伺服电机，在横梁设置齿条或链条，齿条或链条与伺服电机输出端的齿条或链轮啮合，在伺服电机的驱动下实现防护罩在横梁上位移。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述3D扫描控制盒的进气管上装有气压计；在3D扫描控制盒的控制板上装有电源模块、倾角补偿模块和现场信号处理模块。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，连接控制板和主控柜的线缆均穿设在金属套管中。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在横梁的下方并列设置两个铁水包测量工位。

7.利用权利要求1所述装置实现铁水包包况测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用运输车将倒空的铁水包送至测量工位，测量工位位于3D扫描仪的下方；在运送过程中根据激光测距传感器的信号确定铁水包运输车的位置，以便向运输车发送减速信号；然后根据光电位置开关的检测信号，向运输车发送停车信号；

(2)启动伺服电机，并根据指定的位置传感器的检测信号发送停止命令，使带有3D扫描仪的防护罩移动到铁水包上方的指定位置；

(3)向3D扫描控制盒和防护罩内通入冷却空气，然后打开电控隔热门，通过对3D扫描仪吹气实现设备保护；

(4)启动3D扫描仪，对整个铁水包的内衬进行扫描，由控制板对扫描信号进行处理后上传至主控柜中的工控机；通过内置在工控机中的软件，依据下述公式对铁水包区域与3D扫描仪之间的空间位置关系进行计算，得到3D扫描区域在铁水包的空间坐标系下的角度位置信息：

P′＝(P–M₀)×M_x×M_y

式中，P′为铁水包内坐标，P为三维激光扫描坐标，M₀为铁水包三维拟合中心原点坐标，M_x为铁水包三维原点法向量与三维激光扫描仪x轴旋转变换矩阵，M_y为铁水包三维原点法向量与三维激光扫描仪y轴旋转变换矩阵；

(5)通过比对铁水包在使用过程中不同时间节点的角度位置数据，即能获知铁水包内衬包况信息的变化情况。