CN110375679B - 一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法涉及一种用于转动时测量轴线空间位置的方法。其目的是为了提供一种能够对多个托轮组轴线进行高效高精度测量，使用安全性高的测量方法。本发明的测量方法包括以下步骤：在托轮的底座上布设靶座，靶座上安装有棱镜靶球；采用全站仪测量棱镜靶球的中心坐标；将棱镜靶球替换为视觉测量靶球，在保护外壳上布设视觉测量点；利用单目视觉测量设备测量视觉测量点与视觉测量靶球的坐标值；在托轮的转动轴上布设一个动态测量点；启动双目视觉测量设备测量动态测量点转动位置的坐标，取所有动态测量点的坐标以最小二乘法拟合圆，圆心的法线即为托轮的轴线；重复上述过程即可获得整个托轮组轴线的空间位置。
Description
技术领域
本发明涉及空间位置测定方法技术领域，特别是涉及一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法。
背景技术
回转窑作为水泥烧制工艺中的关键核心生产设备，其一般由三组以上托轮构成的托轮组支撑，在水泥生产过程中托轮组支撑回转窑持续滚动工作。在长时间不间断运行中，由于托轮组长期受热变形、滚动中的磨损和地基沉降等原因导致托轮组回转轴线间发生扭曲不行平，造成回转窑滚动过程中阻力变大，增加了生产中的能耗，甚至使回转窑发生故障或者造成生产事故，存在一定的安全隐患。因此需要定期测量托轮组轴线，并根据测量结果进行校准。
回转窑托轮组轴线测量存在以下难点：
1)测量范围大：一般测量范围70米左右；
2)一般要求在回转窑工作时在线测量，因此需要在托轮转动过程中确定其旋转中心；
3)测量精度要求高：
4)当前回转窑托轮组轴线测量多采用全站仪配合光学棱镜进行测量，测量时需要人工将棱镜中心定位到托轮末端的旋转轴心上，全站仪测量棱镜中心作为托轮轴心，托轮两端的轴心点连线即为托轮轴线。
目前，采用现有技术处理上述难点还存在以下问题：
1)人工定位的轴心存在一定的不确定性和人为误差；
2)光学棱镜只能放置在托轮末端的轴心上，安装时需要打开托轮末端的防护外壳，由于高温环境和设备的高速运转，实际操作中存在一定的危险性。
发明内容
本发明综合全站仪测量范围大、单目视觉测量精度高和双目视觉动态测量的优势，提出了一种基于全站仪与视觉定位混合测量技术的回转窑托轮组动态轴心空间位置测量方法，实现了多组托轮组轴线的高效高精度测量，且使用过程安全性高，不存在安全隐患。
本发明一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法，包括以下步骤：
S01，在每组托轮的外侧底座上布设4个以上的靶座，靶座上安装有棱镜靶球；
S02，将全站仪安放在稳定的工作面上，调整全站仪的位置，使全站仪能够测量到步骤S01中所有棱镜靶球的测量点；
S03，采用全站仪测量所有棱镜靶球的中心坐标，棱镜靶球的中心即测量参考点，测量参考点作为后续视觉测量设备的全局坐标系参考点，所有的测量参考点均在同一个全站仪坐标系下；
S04，将全站仪使用的棱镜靶球替换为相同大小的视觉测量设备用的视觉测量靶球，并在被测量的托轮转动轴外侧的保护外壳上布设8个或以上的视觉测量点；
S05，利用单目视觉测量设备测量视觉测量点与视觉测量靶球在单目视觉测量坐标系下的坐标值，以其作为媒介将视觉测量点的坐标值转换到全局坐标系下；
S06，将双目视觉定位设备安装在托轮转动轴的前方，调整双目视觉定位设备视场使其能够覆盖4个以上的视觉测量点，在托轮的转动轴上布设一个动态测量点；
S07，启动双目视觉测量设备以视觉测量点在全局坐标系下的坐标为参考，测量动态测量点在5个以上转动位置的坐标，取所有动态测量点的坐标以最小二乘法拟合圆，圆心的法线即为本托轮的轴线；
S08，重复步骤S04到步骤S07，测量剩余托轮的轴线，从而获得整个托轮组轴线的空间位置。
本发明一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法，其中所述棱镜靶球的位置分布在至少两个平面上。
本发明一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法，其中所述靶座固定在托轮外侧的底座上。
本发明一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法，其中所述全站仪的位置位于所有测量点的中间位置。
本发明一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法，其中所述全站仪放置在窑体地基上。
本发明一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法，其中所述棱镜靶球和视觉测量靶球的直径均为1.5英寸。
本发明一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法，其中所述动态测量点采用强磁材料吸附在托轮的转动轴上。
本发明一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法，其中所述双目视觉定位设备距最近的测量点的距离大于0.5米。
本发明一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法与现有技术不同之处在于，本发明一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法依次采用全站仪、单目视觉测量设备和双目视觉定位设备对指定测量点的坐标进行测量。首先，全站仪的测量范围大，通过全站仪获得全局坐标系的参考点坐标；其次，单目视觉测量设备精度高，通过单目视觉测量设备获得单目视觉测量坐标下各参考点和测量点的坐标，再将测量点的坐标转换到全局坐标系下；最后，利用双目视觉定位技术具有动态测量的特点，以视觉测量点为参考，测量动态测量点的坐标，通过最小二乘法拟合圆，圆心的法线即为托轮的轴线；重复上述过程即可获得托轮组轴线的空间位置数据。
本发明一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法中的全站仪可以实现大范围内多组托轮测量坐标系的统一，而通过单目测量技术实现单组托轮小范围内高精度坐标系的统一，双目视觉定位技术利用其动态测量的特点，能够实现托轮轴线的精确测量。本发明所采用的方法只需在托轮滚动轴上粘贴测量标志，保证测量标志在双目视觉测量设备的视场内，即可实现托轮轴线的测量，且单目视觉测量设备和双目视觉测量设备在使用过程中具有耐高温和抗振动干扰的效果，设备使用十分安全，不存在安全隐患。
下面结合附图对本发明的一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法作进一步说明。
附图说明
图1为本发明一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法的工艺流程图；
图2为本发明一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法中测量过程的系统的结构示意图；
图3为本发明一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法中双目视觉测量设备测量时系统的结构示意图；
图4为本发明一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法中测量参考点的位置分布图；
图5为本发明一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法中测量单个托轮轴心时视觉靶球测量点和视觉测量点的位置分布图；
图中标记示意为：1-底座；2-转动轴；3-双目视觉定位设备；4-全站仪。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1和图2所示，本发明一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法包括以下步骤：
步骤1，在每组托轮的外侧底座1上布设4个以上的靶座，靶座上安装有棱镜靶球。棱镜靶球的位置分布在至少两个平面上，保证测量的可靠性。靶座固定在托轮外侧的底座1上，保证靶座位置的稳定性，固定方式可以选择焊接。
步骤2，将全站仪4安放在稳定的工作面上，调整全站仪4的位置，使全站仪4能够测量到步骤1中所有棱镜靶球的测量点，且全站仪4的位置位于或尽量靠近所有测量点的中间位置。一般需要将全站仪4放置在窑体地基上，如果测量时地基有振动可以通过降低回转窑托轮的转速以减少或者消除地基振动。
步骤3，采用全站仪4测量所有棱镜靶球的中心坐标，棱镜靶球的中心即测量参考点A，测量参考点A作为后续视觉测量设备的全局坐标系参考点，所有的测量参考点A均在同一个全站仪4坐标系下。在进行上述测量过程中，为了保证全站仪4的测量精度，全站仪4需要在一个站位进行所有测量点的测量工作，不能转站进行测量。
步骤4，测量完所有全局坐标系的测量参考点A的坐标后，将全站仪4使用的直径为1.5英寸的棱镜靶球替换为视觉测量设备用的直径为1.5英寸的视觉测量靶球，并在被测量的托轮转动轴2外侧的保护外壳上布设8个或以上的视觉测量点B。视觉测量点B应该稳定的布设在托轮的保护外壳上，不随托轮转动而移动。
步骤5，利用单目视觉测量设备测量视觉测量点B与视觉测量靶球在单目视觉测量坐标系下的坐标值，此时视觉测量靶球在全局坐标系和单目视觉测量坐标系的坐标值均已知，以其作为媒介将视觉测量点B的坐标值转换到全局坐标系下。转换过程采用测量分析软件进行处理，如Spatial或Analyzer，转换过程属于现有技术，此处不作过多赘述。
步骤6，将双目视觉定位设备3安装在托轮转动轴2的前方，调整双目视觉定位设备3视场使其能够覆盖4个以上的视觉测量点B。在托轮的转动轴2上布设一个动态测量点C。为了保证动态测量点C的稳定，一般采用强磁材料将其吸附在托轮的转动轴2上。双目视觉定位设备3距最近的测量点距离应大于0.5米。
步骤7，如图3所示，启动双目视觉测量设备以视觉测量点在全局坐标系下的坐标为参考，测量动态测量点C在5个以上转动位置的坐标，取所有动态测量点C的坐标以最小二乘法拟合圆，圆心的法线即为本托轮的轴线；
步骤8，重复步骤4到步骤7，测量剩余托轮轴线，从而获得整个托轮组轴线的空间位置。
下面以对某水泥厂的回转窑托轮组轴线的测量过程，验证本发明方法的可行性和可靠性。测试方法如下：
首先在每个托轮底座1上布设4个靶座，依次将棱镜靶球放置在靶座上，然后用全站仪4测量所有全局坐标系的测量参考点A的坐标。每组托轮设置4个测量参考点A，6组共24个参考点。全局的测量参考点A的位置分布如图4所示。
将靶座上的棱镜靶球更换为视觉测量靶球，并在托轮转动轴2外侧的保护外壳上布设8个的视觉测量点B。
采用手持式单目视觉测量设备测量单个托轮上的视觉测量点B与附近4个以上视觉测量靶球的坐标。测量结果如图5所示，其中A1-A4为视觉靶球测量点，B1-B8为视觉测量点B。
根据全站仪4测量的测量参考点A1-A4在全局坐标系下的测量坐标和单目视觉测量坐标系下的坐标值，计算单目视觉测量坐标下到全局坐标系的坐标转换关系，并将视觉测量点B转换到全局坐标系下。坐标转换过程下表所示，其中表1为视觉测量点B与视觉靶球测量点在单目视觉测量坐标系下的坐标，表2为靶球测量点在全局坐标系下的坐标，表3为视觉测量点在全局坐标系下的坐标。
| 点名称 | X(mm) | Y(mm) | Z(mm) |
| A1 | 0.34 | 3.12 | 1.20 |
| A2 | 0.34 | 1305.41 | 0.34 |
| A3 | 0.61 | 0.75 | 1032.39 |
| A4 | 0.52 | 1412.32 | 976.32 |
| B1 | -305.45 | -803.13 | -1675.71 |
| B2 | -310.62 | -712.69 | -1619.21 |
| B3 | -300.27 | -893.25 | -1732.21 |
| B4 | -313.10 | -647.67 | -1249.32 |
| B5 | -302.75 | -828.23 | -1362.32 |
| B6 | -305.22 | -763.22 | -992.43 |
| B7 | -311.86 | -680.18 | -1434.27 |
| B8 | -301.51 | -860.74 | -1547.27 |
表1
| 点名称 | X(mm) | Y(mm) | Z(mm) |
| A1 | -8967.77 | 3490.40 | 6733.23 |
| A2 | -9166.78 | 4777.31 | 6739.23 |
| A3 | -8741.14 | 3516.85 | 7738.87 |
| A4 | -8967.39 | 4910.52 | 7692.37 |
表2
| 点名称 | X(mm) | Y(mm) | Z(mm) |
| A1 | -8968.12 | 3490.21 | 6733.22 |
| A2 | -9166.26 | 4777.32 | 6739.75 |
| A3 | -8740.86 | 3517.00 | 7738.70 |
| A4 | -8967.84 | 4910.55 | 7692.03 |
| B1 | -9508.81 | 2600.47 | 5161.17 |
| B2 | -9515.11 | 2690.52 | 5217.93 |
| B3 | -9502.52 | 2510.42 | 5104.42 |
| B4 | -9446.08 | 2764.85 | 5579.53 |
| B5 | -9433.49 | 2584.75 | 5466.03 |
| B6 | -9364.47 | 2659.08 | 5827.64 |
| B7 | -9480.59 | 2727.68 | 5398.73 |
| B8 | -9468.01 | 2547.58 | 5285.22 |
表3
将双目视觉定位设备3安放到托轮转动轴2的前方，调整视场使其覆盖8个视觉测量点，并在托轮转动轴2上布设1个动态测量点C。采用双目视觉定位设备3以8个视觉测量点B为参考，测量动态测量点C在5个以上转动位置的坐标并拟合标准圆，圆心的法线构成了托轮的轴线。
采用此方法反复测量三组托轮组的轴线。因为对于本方法来说每个托轮测量情况相同，因此通过对其中一个托轮反复测量5次轴心，验证方法的重复测量精度，统计结果如表4所示：
表4
经验证该方法的重复测量精度优于1mm，高于传统全站仪测量方法的1.5mm。
本发明一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法依次采用全站仪、单目视觉测量设备和双目视觉定位设备对指定测量点的坐标进行测量。首先，全站仪的测量范围大，通过全站仪获得全局坐标系的参考点坐标；其次，单目视觉测量设备精度高，通过单目视觉测量设备获得单目视觉测量坐标下各参考点和测量点的坐标，再将测量点的坐标转换到全局坐标系下；最后，利用双目视觉定位技术具有动态测量的特点，以视觉测量点为参考，测量动态测量点的坐标，通过最小二乘法拟合圆，圆心的法线即为托轮的轴线；重复上述过程即可获得托轮组的轴线数据。
本发明一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法中的全站仪可以实现大范围内多组托轮测量坐标系的统一，而通过单目测量技术实现单组托轮小范围内高精度坐标系的统一，双目视觉定位技术利用其动态测量的特点，能够实现托轮轴线的精确测量。本发明所采用的方法只需在托轮滚动轴上粘贴测量标志，保证测量标志在双目视觉测量设备的视场内，即可实现托轮轴线的测量，且单目视觉测量设备和双目视觉测量设备在使用过程中具有耐高温和抗振动干扰的效果，设备使用十分安全，不存在安全隐患。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01，在每组托轮的外侧底座上布设4个以上的靶座，靶座上安装有棱镜靶球；
S02，将全站仪安放在稳定的工作面上，调整全站仪的位置，使全站仪能够测量到步骤S01中所有棱镜靶球的测量点；
S03，采用全站仪测量所有棱镜靶球的中心坐标，棱镜靶球的中心即测量参考点，测量参考点作为后续视觉测量设备的全局坐标系参考点，所有的测量参考点均在同一个全站仪坐标系下；
S04，将全站仪使用的棱镜靶球替换为相同大小的视觉测量设备用的视觉测量靶球，并在被测量的托轮转动轴外侧的保护外壳上布设8个或以上的视觉测量点；
S05，利用单目视觉测量设备测量视觉测量点与视觉测量靶球在单目视觉测量坐标系下的坐标值，以视觉测量点与视觉测量靶球在单目视觉测量坐标系下的坐标值和测量参考点坐标作为媒介将视觉测量点的坐标值转换到全局坐标系下；
S06，将双目视觉定位设备安装在托轮转动轴的前方，调整双目视觉定位设备视场使其能够覆盖4个以上的视觉测量点，然后在托轮的转动轴上布设一个动态测量点；
S07，启动双目视觉测量设备以视觉测量点在全局坐标系下的坐标为参考，测量动态测量点在5个以上转动位置的坐标，取所有动态测量点的坐标以最小二乘法拟合圆，圆心的法线即为本托轮的轴线；
S08，重复步骤S04到步骤S07，测量剩余托轮的轴线，从而获得整个托轮组轴线的空间位置。
2.根据权利要求1所述的一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法，其特征在于：所述棱镜靶球的位置分布在至少两个平面上。
3.根据权利要求1所述的一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法，其特征在于：所述靶座固定在托轮外侧的底座上。
4.根据权利要求1所述的一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法，其特征在于：所述全站仪的位置位于所有测量点的中间位置。
5.根据权利要求1所述的一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法，其特征在于：所述全站仪放置在窑体地基上。
6.根据权利要求1所述的一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法，其特征在于：所述棱镜靶球和视觉测量靶球的直径均为1.5英寸。
7.根据权利要求1所述的一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法，其特征在于：所述动态测量点采用强磁材料吸附在托轮的转动轴上。
8.根据权利要求1所述的一种回转窑托轮组动态轴线空间位置测量方法，其特征在于：所述双目视觉定位设备距最近的测量点的距离大于0.5米。
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