TWI681058B - 使用自主掃描器的冶金容器之耐火襯裡之特徵化 - Google Patents

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Abstract

本發明是揭露用於使用一掃描器自主地特徵化在貯槽中之耐火襯裡的設備、方法、及系統，該掃描器包含一掃描雷射測距系統、一以通信的方式與該雷射掃描系統連接以控制該掃描器的控制系統、及一機器人載具，該機器人載具有一以通信的方式與該控制系統和一驅動系統連接的控制器，以自主地於一鄰近該貯槽的區域推動該掃描器，其中藉由比較從該雷射掃描系統到該耐火襯裡表面的測量距離及該掃描器和該貯槽的相對位置所判定的耐火襯裡厚度值，並比較該等值與該耐火襯裡的參考測量，來執行該耐火襯裡之特徵化。

Description

使用自主掃描器的冶金容器之耐火襯裡之特徵化
在此本發明之專利標的所揭露的實施例大致涉及設備、方法、及系統，且更特別是，涉及藉由自主掃描器來用於冶金容器之耐火襯裡特徵化的裝置、流程、機構和技術。
在金屬製造工業中廣泛使用利用高速掃描雷射測距儀來在用於生產熔融金屬的容器之內部輪廓測量。鋼鐵盛桶、鹼性氧氣爐(BOF)、氬氧脫碳容器(AOD)、電弧爐(EAF)、鋁和銅冶煉容器、鑄造爐、魚雷車、及底吹爐(Q-BOP)都是使用雷射掃描器作分析，以判定內部耐火輪廓和計算剩餘的襯裡厚度。在許多操作中，為了執行這些所需的測量，掃描器操作者暴露在惡劣的環境中。在其它技術領域中，如軍事操作，自主移動機器人已被使用來執行危險的任務，如彈藥或爆炸物的處理或棄置、實地探勘、地形測繪、及各種其它程序。然而，到目前為止，自主掃描器還沒有使用於冶金行業。
從全球來看，幾乎沒有任何的鋼鐵生產設施在操作BOF和AOD時沒有用雷射掃描器技術來判定內部耐火輪廓。在亞洲和美洲，在容器壽命可達50,000熱度的地方，進行的雷射掃描在24小時內達到7或8次。在歐洲，很少見到耐火檢修，爐乃是被操作到它最小允許的耐火厚度後更換。典型的襯裡壽命是在3000熱度的等級，且直到該襯裡壽命的晚期才使用該雷射掃描器。當採用該掃描器時，主要使用測量數據以在保持穿破之低可能性的同時，評估最大允許使用壽命。在所有情況下，使用輪廓資訊以判定剩餘的襯裡厚度和氧氣噴槍高度的適當設置點二者；後者藉由涵蓋所測量的內部耐火輪廓之整體容積來判定。目前使用兩種主要的掃描器配置-移動式掃描器和固定位置掃描器。
一固定位置掃描器通常安裝在煉鋼廠的一特定位置，以便實現觀察該容器內的必要區域。除盛桶和魚雷車測量之外，此固定位置系統專用於被測量的容器。雖然對於此配置仍有一成本後果，對於使用一通常安裝在工廠控制室中之電腦控制台的測量，該系統是一應俱全。
移動式掃描器通常施加到靜止的容器，如BOF和AOD。它們提供使單一系統對多個容器多工的成本優點。BOF、Q-BOP、及AOD爐也被在該爐口中堆積的桶粑所困擾，其限制觀察該容器內的區域。藉由在該爐前面的不同爐傾斜和移動系統位置的組合來測量該爐，可保持觀察該容器內的可接受區域，且可測量大部分的內部輪廓。
以一移動系統藉由操作者首先定位該單元於該爐前面的大致第一測量位置來做測量-通常在該爐中心線。為了避開過度熱衝擊和耐火襯裡剝落，通常在高達1700℃的操作溫度或附近測量該爐。在這些條件下，需要隔熱板以保護該操作者免於當站在離該容器口2~3米時所造成的強烈熱負荷。
隨著該移動雷射系統被系統操作者放置於定位，該容器傾斜到適當的角度以創建爐內側之上半部分的所需視野，且從此位置做該容器的掃描。一旦掃描完成，該容器被傾斜到第二定位以暴露該爐內側的下半部分。再做一次掃描並結合先前的掃描。接著，該爐傾斜到水平位置，且該操作者移動該移動系統到該爐中心線右側，準備測量該爐的左內側部分。最後，該移動系統被移動到該爐中心線左側，並完成第四掃描以記錄該爐的右內側部分。然後，結合所有的掃描以建立一數據組，其包含該爐內側的全部(或幾乎全部)。如前所述，傳統的移動式掃描器在測量之前、期間、和之後，需要重要的操作者親身介入，從而使其不必要地暴露於惡劣且危險的環境中。
所述的移動系統提供有成本上的優點，以及有顯著的爐口桶粑(furnace mount skull)存在時通常需要的位置靈活性。然而，該移動配置遭受測量速度和操作者安全二者之苦；後者在大部分鋼廠中頭等重要。在測量一熱容器的同時，經歷的熱負荷是高的；接近該爐這種環境的人體耐受性是用秒的等級。此外，在該爐上方 罩區收集的碎片可脫離並落入測量區域。由於這一些掉落的碎片可重達數磅以上，有人身重大傷害的真正潛在性。
因此，基於至少上述的挑戰和為了提高一移動式掃描系統的安全性、可靠性、及可操作性，需要具有使用一自主移動式掃描器的設備、流程、及系統，該自主移動式掃描器將排除或大大減少要求操作者站立在熱負荷區域來操作並移動該移動系統。
綜上所述之一個以上的需要或在本領域中已知的其它需要，可藉由自主地特徵化在一貯槽中之該耐火襯裡的設備、方法、及流程而得到解決。而所揭露的設備包含一雷射掃描系統、一機器人載具、及一控制系統，該雷射掃描系統測量從該雷射掃描系統到在該耐火襯裡一表面上之複數個位置的距離；該固定於該雷射掃描器系統的機器人載具具有一控制器和一驅動系統，以從第一位置自主地推動該掃描器到第二位置；該控制系統包含硬體和軟體以控制該掃描器，該控制系統係以通信的方式與該雷射掃描系統、該控制器、及該驅動系統連接，其中藉由比較由該雷射掃描系統測量的該等複數個距離與該耐火襯裡的一參考表面來特徵化該耐火襯裡。
用於特徵化一在一貯槽中之耐火襯裡的方法和流程也在本發明所揭露的專利標的範圍內。這種方法包含步驟：藉由使用一具有一控制器和一驅動系統的機 器人載具，從第一位置自主地推動一雷射掃描系統到第二位置；利用該雷射掃描系統測量從該雷射掃描系統到在該耐火襯裡表面上之複數個位置的距離；藉由使用一包含硬體和軟體的控制系統控制該掃描器，該控制系統係以通信的方式與該雷射掃描系統、該控制器、及該驅動系統連接；及藉由比較由該雷射掃描系統測量的該等複數個距離與該耐火襯裡的一參考表面來特徵化該耐火襯裡。
2‧‧‧貯槽
4‧‧‧金屬外殼
6‧‧‧耐火襯裡材料
7‧‧‧虛線
10‧‧‧自主掃描器
14‧‧‧測距儀
16‧‧‧雷射掃描系統
18‧‧‧機器人載具(遙控載具)
20‧‧‧天線
22‧‧‧近接感測器
23‧‧‧天線
24‧‧‧光學感測器或機器視覺裝置
25‧‧‧特定觀察區域
26‧‧‧可拆卸記憶體儲存裝置
27‧‧‧控制單元或處理器
29‧‧‧遙控控制台
30‧‧‧自主掃描器
32‧‧‧雷射式輪廓掃描器
34‧‧‧雷射追蹤系統
36‧‧‧桿
38‧‧‧電腦硬體及軟體
40‧‧‧電纜
41‧‧‧液晶平板觸控螢幕顯示器
42‧‧‧大直徑車輪
43‧‧‧機器人載具
44‧‧‧隔熱板
50‧‧‧機器人載具
52‧‧‧定製金屬車輪
54‧‧‧馬達
56‧‧‧腳輪
58‧‧‧鋼架
60‧‧‧鋁板
62‧‧‧控制器
64‧‧‧電池
70‧‧‧機器人載具
72‧‧‧履帶
80‧‧‧機器人載具
82‧‧‧車輪
100‧‧‧方法(流程)
110‧‧‧步驟
120‧‧‧步驟
130‧‧‧步驟
140‧‧‧步驟
900‧‧‧計算系統
901‧‧‧伺服器
902‧‧‧中央處理器
904‧‧‧隨機存取記憶體
906‧‧‧唯讀記憶體
908‧‧‧輸入/輸出電路
910‧‧‧匯流排
912‧‧‧磁碟驅動器
914‧‧‧CD-ROM驅動器
916‧‧‧唯讀光碟記憶體
918‧‧‧可移動儲存裝置
920‧‧‧顯示器
922‧‧‧使用者輸入介面
928‧‧‧網際網路
併入和構成本說明書中之部分的圖式(未按比例繪製)將說明、解釋本發明一個以上的實施例。
第1圖說明根據本發明之專利的所揭露的一自主掃描器之第一實施例。
第2圖說明根據本發明之專利的所揭露的一自主掃描器之第二實施例近距離視圖。
第3圖說明第1圖該自主掃描器的一機器人載具之第一實施例。
第4圖說明第1圖該自主掃描器的一機器人載具之第二實施例。
第5圖說明第1圖該自主掃描器的一機器人載具之第三實施例。
第6圖說明根據本發明之專利標的所揭露的一種方法之流程圖，用於自主地特徵化在一冶金貯槽中的該耐火襯裡。
第7圖說明根據本發明之專利標的所揭露的一電腦系統，係構造成自主地特徵化在一冶金貯槽中的該耐火襯裡。
以下所述之該等示例性實施例之描述請參看附圖。在不同附圖中，同一元件符號係表示為相同或相似的元件。以下詳細的描述並不會限制本發明。相反地，本發明的範圍藉由附屬項來定義。為簡便起見，以下實施例討論了關於用於在冶金貯槽中自主地掃描耐火襯裡的設備、系統、或方法的術語和結構。然而，接下來要討論的實施例下不限於這些套組，而是可應用於其它設備、系統、或方法，包含但不限於，特徵化在貯槽中襯裡材料，該貯槽構造成在超過由該貯槽製造之材料的熔點溫度來裝載物質。如本文通篇所使用的術語「特徵化」，例如表達「特徵化該耐火襯裡」，是指使用一自主雷射掃描器，分析及/或測量該耐火襯裡的內部表面，以判定該內部耐火襯裡輪廓和計算剩餘襯裡厚度，例如，為了評估最大允許使用壽命，同時保持穿破之低可能性，或判定何時需要維修。襯裡特徵化也可用於在冶金行業中在加工期間判定所使用之輔助裝置的定位，例如，對於一氧氣噴槍高度的適當設置點。還有，如本文通篇使用，表達的「自主掃描器」、「自主地」、及類似物係意味不依賴一人(或操作者)親身援助而自立移動的掃描器。這意味著當從第一位置移動到第二位置時，一掃描器能自我推動，不用一人(或操作者)任何親身協助或介入。
參照全文，說明書中對「一個實施例」或「一實施例」的意思是與一實施例有關之一所述的特定特徵、結構、或特性被包含在本發明之專利標的中所揭露的至少一個實施例中。因此，本說明書全文各個地方出現的詞句「在一個實施例中」或「在一實施例中」並不一定指相同實施例。此外，該等特定的特徵、結構、或特性可在一個以上實施例中以任何合適的方式被組合。
在此所揭露的各種自主掃描器的實施例來特徵化使用於冶金工業之貯槽耐火襯裡的磨損，而不需要讓使用者暴露在通常現存於這些工業操作中的惡劣環境。這些自主掃描器構造成相對於該貯槽能自己定位、掃描該貯槽內部表面、及提供使用者在一安全的地方，無論是及時或掃描完成之後不久，特徵化該耐火襯裡，以便可決定是否把該等容器放回生產之前需要維修，或從生產線移除該等容器以維修。如那些普通技術人員理解的，在此耐火襯裡特徵化中所需要的一個步驟是該自主掃描器相對於該容器的準確定位-在行業中多次被簡稱為「登錄」或「登錄流程」。依據在此所揭露之本發明的專利標的，對於那些普通技術人員會變得清楚的是，該揭露的自主掃描器能夠使用任何在此應用領域中已知的登錄程序。
應當注意的是，在特徵化冶金貯槽磨損的領域中，現有流程係用於取得掃描數據和應用各種已知的處理步驟以產生該襯裡表面的圖像，以便確定需要維修的區域。這個圖像可圖形式地表現於硬體拷貝、以軟體 拷貝在螢幕上、在一表格中、數字輸出等。依據這個圖像，耐火處裡專家判定是否需要維修該貯槽的襯裡及因此而建議一冶金公司。接下來討論的該等實施例改善此技術流程，藉由使用自主掃描器來特徵化在該耐火襯裡中的較薄或磨損區域，以判定一冶金貯槽是否堪用，從而避免要求這些裝置的操作者暴露於惡劣和危險的環境，以改善工廠的安全性，並延長該貯槽使用壽命。
第1圖說明根據本發明專利標的所揭露的一實施例之一自主掃描器10的一般範例。如圖所示，該自主掃描器10構造成掃描和特徵化一耐火襯裡材料6，該耐火襯裡材料設計成保護一貯槽2的金屬外殼4。第1圖該貯槽2內部的虛線7說明在該貯槽被放置使用之前，該耐火襯裡材料6的原始層。在虛線7和耐火襯裡材料6之間的差距就是該自主掃描器10構造成讓一操作者檢測情況是否良好，以決定何時將該貯槽2停用並維修。在顯示的該實施例中，如所示，該自主掃描器10包含一測距儀14和一安裝在一機器人載具18上的雷射掃描系統16，如下面進一步的討論，該機器人載具構造成依需要自動地或由一使用者經由有線或無線連接而連接到該自主掃描器10的指令，移動該自主掃描器10。
在這類實施例中，該雷射掃描系統16進一步包含一雷射、一掃描器、光學元件、一光檢測器、及接收器電子設備(未顯示)。這種雷射掃描系統構造成發射雷射光快速脈衝到一標靶表面，有些高達每秒500,000個脈衝。一在該儀表上的感測器測量每個脈衝從該標靶 表面通過一特定觀察區域25回到該掃描器所花費的時間。雷射光以一恆定和已知的速度移動，使得該雷射掃描系統16可以高精確度地計算在其本身和該標靶之間的距離。藉由快速連續地重複這個流程和藉由整合該自主掃描器10之相對於該貯槽2的位置測量，該儀表構建了所測量的該耐火表面的一複雜厚度「地圖」。藉由計算及/或比較所測量的該耐火襯裡材料6內部表面之耐火厚度地圖與該相同表面之一參考測量之間的變化，檢測和評估可能情況的變化，其可能造成該耐火襯裡/外殼組合的失效。可在20至30秒中做單一測量。例如，該爐內部的整個地圖包含4至6個測量，且超過5,000,000個數據位置可在一短時段(例如，小於10分鐘)內完成。
該遙控載具18與其相關的控制系統係該自主掃描器10不可分割的一部分，依需要和期望而構造成移動和定位該自主掃描器10。在一些實施例中，該遙控載具18和該自主掃描器10被整體組裝到單一和同一的裝置中，而在其它實施例中，該設備的同樣部分是彼此分開和有區別的。該整體實施例的一個優勢特徵是對於各種任務的執行，各種子組件可被更好地放置，不僅為了掃描該貯槽之特徵化，也為了在做測量期間、之前、或之後，整個組件於不同位置的移動。在一些實施例中，該遙控載具18是機動的，並使用電力或烴燃料兩種之一作為能源，且如下進一步解釋，這種遙控載具可以是履帶式或車輪式。在使用烴燃料的實施例中，該遙控載具18也可包括一發電機。
為了協助該自主掃描器10與其移動和定位，在該所示的實施例中，相同的自主掃描器配備有各種感測器，包含但不限於，一天線20、近接感測器22、及/或光學感測器或機器視覺裝置24。例如，該測距儀14可包含一LIDAR(激光紅外線雷達或雷射成像光雷達)、一雷達、或聲納距離感測器。在其它實施例中，該自主掃描器10優選地也可包含一立體視覺系統、一全球衛星定位接收器、一慣性導航系統(INS)、及/或一里程表。因此，在一個實施例中，透過使用一適當的位置測量系統，如以下描述的追踪系統，及可能與避開碰撞的技術結合，該自主掃描器10可構造成從一儲藏位置移動到一在該貯槽2前(例如盛桶)的測量位置、同樣掃描、然後再返回到該儲藏位置，而操作者不須親身處理該自主掃描器10。該測距儀14能掃描該自主掃描器10周圍的環境，並檢測在其周圍諸如牆壁和任何其它可能障礙物的物件反射表面。從測距儀14的數據可被使用於產生和維持該自主掃描器10沿著其行進路徑的地圖，以及用於其它目的，如，例如但不限於，避開障礙物和導航目的。因此，在另一個實施例中，沒有使用光學感測器和機器視覺裝置24，且藉由該雷射掃描系統16完成障礙物檢測和避開碰撞。
在一個實施例中，該雷射掃描系統包含一Anteris雷射掃描器，具有一小型(約4mm)的光束直徑、高精確度(約±6mm峰間值距離誤差)、高掃描率(高達500,000Hz)、一適用於煉鋼廠環境及當掃描高溫表面時 所強加之熱負荷的堅固設計、眼睛安全雷射波長(其消除及/或顯著降低工作場所的安全問題)、±55°垂直掃描角度、及0-360°的水平掃描角度。這種雷射掃描器允許在6至7秒內對一容器內部的標準解析度掃描，導致較少的容器停機時間和更高的生產有效性。在高解析度模式中，該Anteris掃描器可提供詳細的該容器圖像，可被用於特徵化該耐火襯裡，界定圍繞一出鐵口的區域，或一吹掃接頭的情況。
在另一實施例中，如第2圖中之進一步說明，一自主掃描器30在一自備單元中包含所有主要組件。該自主掃描器30包含一雷射式輪廓掃描器32、一安裝在一桿36上的雷射追踪系統34、用於系統控制和數據簡化(在至少一些實施例中)的電腦硬體及軟體38、電纜40、一液晶平板觸控螢幕顯示器41、鍵盤和滑鼠功能(在第2圖中未顯示)、和降低滾動阻力的大直徑車輪42、一隔熱板44、及在第2圖中沒有說明的多個其它組件，包含一高速乙太網路連接、及車載電池電源。該自主掃描器30進一步包含一全面整合的機器人載具43。為了許多應用，藉由放置該電腦的位置與該移動系統的位置分開，可以遙控操作，例如，在設置高溫容器之工廠中的一控制室，或遠離該容器的其它合適結構。更進一步，該自主掃描器30不需要外部電纜或冷卻管線，並完全懸掛在該等大直徑車輪42上，以減少對系統組件的衝擊和振動。在一個實施例中，該機器人載具係自調水平；在另一個實施例中，其包含整合傾角測量以判定傾斜，如傾斜儀，用以最小化及/或消除一複雜機械系統的 需要。
Harvill and Bonin(美國專利第6,922,252號，藉由參考其全文在此引用且以下稱252專利)已揭露一追踪系統來做自動位置測量(登錄)，使用一旋轉雷射信標和放置在已知相對於該容器之工廠地面上或附近位置的反射器。使用雷射三角測量，該系統能夠判定一掃描系統之相對於該容器的位置。一旦已知該位置，該位置的資訊通常會自動轉移到該掃描系統軟體，用以計算襯裡輪廓和厚度。
當操作該雷射追踪系統34時，在該追踪系統的四周發射光束輻射並從至少三個參考反射器反射回來。該雷射追踪系統34也可構造成感測從每個該等反射器反射的光束輻射，並測量和記錄每個個別反射發生的角度。該等反射器的位置被稱為相對於該貯槽的參考座標，且可藉由常見的測量方法，或從該貯槽的藍圖和廠區的平面圖來判定。使用三角測量，使用該等記錄的角度來計算該追踪系統的位置和航向。一旦該追踪系統的位置和方向判定後，可對該位置和方位資訊執行數學轉換，以判定該自主掃描器30的位置和航向。應理解的是，這種能力將不再需要使用安裝在或接近該高溫貯槽的固定位置，當進行測量時也將不再需要使用者界面測量。在用於該追踪系統的解決方法中，從一給與的參考座標中每個反射器的向量位置信息，任何人可由該相同參考座標來解出該追踪系統的位置。反之，依據該追踪 系統位置的信息或測量，任何人也可解出每個反射器的向量位置。
在一個實施例中，該雷射追踪系統34的操作係自動的。在一些應用中，諸如，例如，一轉爐，本發明所揭露之專利標的自主和自動化特性，再加上高速數據獲取能力，提供在現有技術的解決方案中沒有發現的幾個優點，即，完全自動化測量能力、爐型資料涵蓋該轉爐的整個內部(這對於固定位置系統是一嚴重的限制；其涵蓋該轉爐整個內部的測量襯裡厚度能力受可供的觀察區域所阻礙)耐火磨損發熱評估、檢測在磨損形態中的突然變化(直接關係到流程改變、預測、和在急需修理之前的維護調度)、及發熱噴槍的高度控制，全部不會讓該系統的使用者暴露於一惡劣的及/或危險的環境中。
典型的距離測量系統使用一掃描光束以快速記錄多個位置和距離。當距離數據被取得時，它們被參照該距離測量裝置的位置。然而，所需要的輪廓或厚度資訊，例如，在第1圖中所示的該耐火襯裡材料6內部層形狀，是相對於該貯槽2或虛線7的已知原始層(以下稱為「參考形狀」)。因此，在該測距儀的參考座標中測量的距離數據需要被轉換成相對於該參考形狀的一參考座標，要考慮到以該雷射追踪系統34參照其本身的坐標系統或參考座標所測量的該自主掃描器30的位置。隨後該轉換的數據可以以一有意義的方式呈現給使用者，或直接納入輪廓測量，依需要用於將距離數據轉換成輪廓及/或厚度資訊。
在本發明之專利標的所揭露的範圍中仔細考慮各種適合的雷射掃描系統實施例。在一個實施例中，使用整合在單一、獨立封裝中的一個三面掃描鏡和一個脈衝雷射測距儀。該鏡在一軸線中使該雷射轉向，且該鏡和測距儀在第二軸線中一起旋轉以捕捉整個觀察區域。在另一實施例中，該雷射掃描系統包含一整體的冷卻系統，以使該自主掃描器30將本身的定位盡可能靠近(例如，距離高溫(1700℃)表面約2m到約3m以內)，從而允許在高溫環境中測量耐火厚度，該高溫環境已限制光學的接近，諸如一氣化爐。一合適的掃描系統之第二實施例是一依據脈衝測距的準確、完全圖像捕捉的系統。該系統也可與該測距儀整合並包含冷卻能力。一合適的掃描系統之第三實施例也是一整合、完全圖像捕捉的掃描系統，依據用於一般工業應用的CW測距和由三個掃描器組成的一專門分析系統。而一合適的掃描系統之第四實施例是一單軸線掃描系統。
如在此所應用之技術乃是本案所述技術領域中具有通常知識者所可以理解的，用於與該貯槽有關之在此揭露的該自主掃描器位置之登錄的其它方法都是在本發明所揭露的專利標的範圍內。例如，在一個實施例中，可使用放置在該容器底部上的標靶。而當旋轉該容器以便使其底部對該移動系統露出時，一可見雷射射向每個標靶的中心，及至少三個標靶所被測量的方位和高度。如在美國專利第5,570,185和5,546,176號中進一步說明，從這個資訊可判定該自主掃描器的位置，藉由參 考這些專利的全文在此引用其內容。在另一個實施例中，採用使用圖像分析來判定該移動系統和該冶金容器的相對位置。例如，參見美國專利第6,922,251號(以下稱251專利)，藉由參考這些專利的全文在此引用其內容。在這類實施例的操作中，一掃描是由該容器以及被判定一特定的幾何元件(例如，一矩形板的邊緣或一螺栓線)構成。於是可用此功能來判定正確地度量時的位置，在251專利中定義此功能為一操作者。最後，在另一個實施例中，藉由在該爐前面使用臨時標誌處來完成登錄，如在美國專利第7,924,438(以下稱438專利)號中進一步說明，藉由參考這些專利的全文在此引用其內容。於是在該爐內的測量期間掃描這些標記。由於已知該等標記之相對於該爐的位置，在掃描中可使用其位置以判定該移動系統和該爐的相對位置，從而完成登錄流程。
本專利標的在此揭露之另一種優選的功能是使用該自主掃描器抗高溫的保護，從而最小化及/或消除在該等掃描器上的熱負荷效應。可藉由如下關係式估算在該自主掃描器上的熱負荷：q=εσT 4 (1)
其中ε係表面輻射率，σ係波茲曼常數，而T係轉爐的表面溫度。取轉爐表面輻射率(耐火/爐渣的標稱比值)0.6和表面溫度1700℃，並將這些值代入公式(1)得到：q=(0.6)(5.67e -8)19734=443,000W/m 2 (2)
為了判定該自主掃描器所吸收的能量，需要有該裝置的表面吸收率和它的正面面積。假設該掃描器 構造成拋光不銹鋼，具有標稱吸收率0.1和正面面積1.4m2，由下式得到藉由該冷卻套吸收的能量：Q=Aαq (3)
其中A係正面面積，α係吸收率，而q係發生在該冷卻套上的輻射能量。請注意，已假設在最壞情況下的分析，沒有計入在該冷卻套和該該轉爐之間的無限輻射源及相關的觀察因素。
將這些值代入公式(3)，估算對該掃描器的總熱負荷是：Q=(1.4)(0.1)(443,000)=62,197W (4)
鑑於在一些工業應用中可預期到潛在性高的熱負荷，一適當設計的輻射屏蔽對於所揭露的該自主掃描器將是一個合乎需要的特徵。根據環境條件下，輻射屏蔽可用活性空氣或液相冷卻來增強。水或相變鹽能夠提供優良的熱電容，特別是在全自動操作期間導致給予短的測量時間。
在一個實施例中，可使用該雷射追踪系統34，以對該機器人載具43提供位置回饋。在另一個實施例中，使用者使用遙控指令(例如，一操縱桿控制器)，將該自主掃描器移出儲存的位置。一旦該自主掃描器在該追踪系統的反射器範圍內時(該追踪系統雷射掃描器在此週期的期間可能是開啟，且當它已鎖定位置時發信號給使用者)，藉由自動控制使用安裝在該自主掃描器30上的電腦，可進一步執行移動。
隨後將該自主掃描器移到第一測量位置，並 等待使用者移動該爐到該爐適當的傾斜。在軟體控制的驅動下，從該追踪系統接收位置回饋，且使該雷射掃描器避開碰撞，或使如上述之裝置避開其它碰撞。一全自動解決方案可包含從該自主掃描器電腦執行之該轉爐傾斜的無線控制。由於通常在該爐上提供一無線測斜儀，其將爐傾斜傳達給該自主掃描器電腦，該電腦知道該轉爐何時在適當的位置，可隨後啟動測量。
在全自動模式下，該自主掃描器將該掃描器移到該轉爐前面的正確位置並控制爐傾斜。如果不可能自動控制爐的傾斜，那麼該自主掃描器將發信號給操作者，請其使該爐正確傾斜。可經由一組燈、一視頻、一手持平板電腦，提供此操作者回饋，僅舉幾個在此應用技術中熟知的一些例子。
當掃描該轉爐時，該自主掃描器將在該轉爐前面的裝料地面上操作，該裝料地板被設備的多項不同部件所共用。這些部件可包含去除該爐口桶粑的挖堀機、廢料裝料機、噴補機等。因此，在一些實施例中，該自主掃描器前面的區域(該自主掃描器打算移到的地方)應清除並確認。為了此目的，要麼可以使用不同的避開碰撞技術，如立體視覺、視頻、聲納，要麼優選地可以使用該雷射掃描器本身來確認在觀察區域中的物件比該自主掃描器打算移動的位置更遠。
該雷射掃描系統16和其一般控制器可一起設置在同一裝置中或彼此分開。例如，一移動系統實施例可包含二者在同一單元中。在另一個實施例中，該雷 射掃描器系統16可為一單元，本身構造成被定位在該將被特徵化的貯槽前面，而其一般控制器被定位在另一個位置(例如，在工廠的操作控制室中)。如在此使用的，該一般控制器也可稱為一資料簡化裝置及/或一計算或電腦裝置。
在此圖式第3-5圖中說明根據本發明專利標的所揭露之一機器人載具的三種不同實施例。在第3圖中，該機器人載具50包含二個定製金屬車輪52、獨立的馬達54、及一設置在一鋼架58上的腳輪56，該鋼架被一鋁板60覆蓋。在該鋼架58內，設置一控制器62和密封鉛酸(SLA)電池64。如在此應用技術中本領域普通技術人員可以理解的，在這些冶金貯槽前面和周圍的地面很少光滑，往往散落著來自罩蓋的碎屑、來自廢料裝料的金屬廢料、已固化並可能仍在高溫的熔化金屬碎片。因此，該等定製金屬車輪52的選擇應把這個因素考慮在內。它們的一個優選特點是，它們足夠大到使該自主掃描器在崎嶇的地形航行，並且具有耐高溫以避免著火，如果該自主掃描器滾過一塊仍是熱的雜物時。在另一個實施例中，在第4圖中所示的該機器人載具80包含四個車輪82。在又一實施例中，該機器人載具依需要包含兩套履帶72以推動該機器人載具70。本領域普通技術人員可以理解的，其它形式的機器人載具係在本發明所揭露的專利標的範圍內，包含那些將包含在第3-5圖中所示的特徵組合。還有，鑑於在產業中這類貯槽周圍 的工作條件，如上面已經提到的，金屬車輪及/或金屬履帶在一些揭露的實施例中將是優選的。
在一個實施例中，該機器人載具18包含一控制單元或處理器27(第1圖)，用於執行控制軟體、處理感測器輸入和來自操作者的指令、及控制該機器人載具18的組件和子系統。根據一實施例，該控制軟體包含一套對應各種機器人載具行為和子程式的電腦軟體，並且也包含控制各種位移或操作的操作子程式，以回應接收來自操作者的指令。例如，該控制軟體可包含子程式，用於將該自主掃描器10從一儲存設施移到一預先選定的位置，以進行掃描器測量、在從儲存到測量位置轉移期間避開障礙物、或遵循藉由操作者經由一操作者控制單元(OCU)指定的路徑。可另外運行各種同時發生的子程式，如在該機器人載具18操作期間穩定性問題的檢測和自動校正功能。
當操作時沒有使用者親身干預下，在一個實施例中的該自主掃描器10可產生和更新它位置的地圖，並同樣地顯示給該操作者。一旦產生，該地圖可傳送到一遙控控制台29(第1圖)，透過在該自主掃描器10和該遙控控制台29之間的任何形式有線或無線數據通信。在一個實施例中，該遙控控制台29可包含一電腦系統以及輸入系統，該電腦系統具有一用於將該位置地圖呈遞給該操作者的顯示器，該輸入系統例如是一鍵盤、一滑鼠、和一操縱桿。該位置地圖可從該自主掃描器10的天線20經由一該遙控控制台29的天線23來無線傳 送。替代地，該自主掃描器10可儲存該位置地圖於一可拆卸記憶體儲存裝置發送26上(其可以是一USB記憶條、一快閃記憶體或SD/MMC記憶體晶片、或類似物)，當該自主掃描器完成一自主操作時，該操作者可使用該遙控控制台29或其它合適的裝置來檢索和存取。
一個普通技術人員依據本發明在此所揭露的專利標的所應理解的是，有一些利用這些自主掃描器的模式，其一般歸類為半自動和全自動部署。在一利用半自動部署的模式中，該系統是藉由操作者使用，例如，一遙控操縱桿或一任何其它形式的遙控指令，來做位置之間的移動。在移動式雷射電腦和一手持式人機界面(HMI)裝置之間的無線通信，能控制該雷射測量本身。例如，HMI可以是一手持式電腦、平板電腦、或智慧手機。設想是一整體化、可攜式面板，其保有用於移動的控制和用於雷射操作的控制二者。這類配置將允許該系統可以從該爐傾斜控制來控制-該操作者係離開該熱負荷和遠離該掉落的碎片區域二者。因為該操作者在同一位置可傾斜該爐，且使該移動系統在位置之間移動，而減少了測量時間。
在另一個半自動部署實施例中，該使用者放置該系統於爐中心線(如上所述的第一測量位置)。該爐被一操作者傾斜到適當的角度以做第一測量。然後該操作者啟動開始取得雷射數據。此雷射光掃描該容器，然後發信號給該操作者(透過無線HMI)以傾斜該轉爐到該下一個傾斜位置。可在HMI上放置一容器傾斜提示。因 為該自主雷射系統不斷測量該爐傾斜，一旦達到預期的爐傾斜且該傾斜測量是穩定時，該系統將會作第二測量。當完成該第二測量時，該系統會自動移動到該爐中心線右側的預先設定位置。上述與該機器人載具結合的該追踪系統係用於將該自主掃描器導引到適當的位置和航向。一旦定位，該系統會自動掃描該容器。掃描之後，該系統再次自動移動到該爐中心線左側的預先設定位置，且完成該容器的最終掃描。當完成時，該系統發信號給該操作者來使該容器傾斜改變成直立位置，且藉由該操作者使該系統返回到其儲存位置。
在另一個實施例，控制數據取得的軟體包含一完成的網格。這是一映射到該貯槽內部的顏色編碼極座標圖，當從該爐中相對應區域獲得數據時，該貯槽內部的片段被上色。在某些情況下，該爐口桶粑多到足以在測量期間需要將該系統放置於更加遠離該爐中心線。如果該操作者察覺來自該爐口桶粑的干擾，該軟體可編寫程式成讓該使用者查詢以確認是否完成的網格已充分地填充顏色，顯示出已收集在該爐中相關區域的數據。如果該完成網格的狀態是不可接受的，該系統可被預編寫程式成使該機器人載具移動該自主掃描器更遠離該爐中心線一特定橫向距離，並重複該掃描。替代地，因為該完成網格的座標大致映射到該容器內部，就可以計算出要將在該轉爐中其餘區域帶到雷射觀察區域的所需要橫向移動量。可以作這類計算，然後藉由該系統建議該操作者以確認在新的位置進行一另外的測量。
在全自動部署實施例中，該耐火襯裡的全自動測量可能有利於在電腦控制下許多具有爐傾斜之熔融金屬加工廠的可能性。該流程類似於該半自動化的方法，且操作者仍可選擇將該單元放置在第一測量位置。替代地，該系統可設計和編寫程式成找到它自己的、預編寫程式的測量位置，用於有提供碰撞避開技術的實施例。然而，用於傾斜該爐、開始測量、及將該移動系統橫向移動至該爐中心線之左右側的指令，都會從該工廠PLC(或可程式邏輯控制器)或電腦產生並排序，透過無線網絡連接而與該自主掃描器10通信。
半自動和全自動實施例二者可用特定測量序列來預編寫程式。例如，對於確定噴槍的高度經常需要在該掃描器對準該爐中心線時所作的單一測量。第二序列可能僅包含在該爐中心線上所作的測量，但在兩個爐傾斜處暴露該分接頭並裝載爐墊。第三個序列包含上述之該全爐的特徵化。
最後，那些普通技術人員也應當理解的是，使用該自主掃描器10的盛桶測量也在本發明所揭露的專利標的範圍內。如果該盛桶係在滑門維護工作站被測量，這是特別適用的。透過使用該追踪系統和可能碰撞避開技術，一自主掃描器可從其儲存位置移動到該盛桶前面的測量位置、掃描該盛桶、然後返回到其儲存位置，而沒有操作者的介入。
構造成自主地特徵化一冶金貯槽之耐火襯裡的方法和流程也是在揭露的本發明之專利標的所揭露的 範圍內。第6圖說明係根據本發明所揭露的專利標的之示例性實施例之方法或流程100的流程圖。如圖所示，在步驟110，這類方法包含藉由使用一具有一控制器和一驅動系統的機器人載具，從第一位置自主地推動一雷射掃描系統到第二位置。在步驟120，利用該雷射掃描系統測量從該雷射掃描系統到在該耐火襯裡表面上之複數個位置的距離。在步驟130，藉由使用一包含硬體和軟體的控制系統控制該掃描器，該控制系統係以通信的方式與該雷射掃描系統、該控制器、及該驅動系統連接。而且，在步驟140，藉由比較由該雷射掃描系統測量的該等複數個距離與該耐火襯裡的一參考表面來特徵化該耐火襯裡。
一個以上包含本專利標的揭露之方法的步驟可用一計算系統來實現，該計算系統專門構造成自主地特徵化如在此以上所述之一冶金貯槽的耐火襯裡。在第7圖中說明一代表性的計算系統例子，該例子能執行根據該等示例性實施例的操作。可使用硬體、韌體、軟體或其組合，以執行在此所述的各種步驟和操作。
適合於執行在該等示例性實施例中所述活動的該示例性計算系統900可包含一伺服器901。這類伺服器901可包含一連接到一隨機存取記憶體(RAM)904和一唯讀記憶體(ROM)906的中央處理器(CPU)902。該唯讀記憶體906也可以是其它類型的儲存介質以儲存程式，諸如可程式ROM(PROM)、可清除PROM(EPROM)等。該中央處理器902可透過輸入/輸出(I/O)電路908 和匯流排910而與其它內部和外部組件通信，以提供控制信號及類似物。該中央處理器902執行各種本領域中已知的功能，如軟體及/或韌體指令所命令的。
該伺服器901也可包含一個以上的資料儲存裝置，包含一磁碟驅動器912、CD-ROM驅動器914、及其它能夠讀取及/或儲存資訊的硬體，如DVD等。在一個實施例中，用於執行上面討論之步驟的軟體可被儲存和分佈在一唯讀光碟記憶體(CD-ROM)916、可移動儲存裝置918、或其它形式能夠可攜式儲存資訊的媒體上。這些儲存媒體可插入如該CD-ROM驅動器914、該磁碟驅動器912等裝置，並藉由該等裝置讀取。該伺服器901可連接到一顯示器920，其可為任何類型的已知顯示器或顯示螢幕，諸如LCD顯示器、LED顯示器、電漿顯示器、陰極射線管(CRT)等。所提供的一使用者輸入介面922包含一個以上使用者介面機構，例如一滑鼠、鍵盤、麥克風、觸控板、觸控螢幕、語音識別系統等。
該伺服器901可連接到其它計算裝置，例如經由一網路的陸上通訊線及/或無線端末。該伺服器可以是一如在全域網絡(GAN)中之大型網絡配置的一部分，如網際網路928，其允許最終連接至各種陸上通訊線及/或移動式客戶端裝置。
本揭露的示例性實施例所提供的設備、方法、及系統用於自主地特徵化一冶金貯槽的耐火襯裡以及在此以上概述和在此應用技術中本領域普通技術人員可以理解的其它用途。應該理解的是，此描述並不意圖 限制本發明。相反地，該等示例性實施例意圖涵蓋替代、修改、及等同物，這些如同附屬項所定義的，被包含在本發明的精神和範圍中。此外，在該等示例性實施例的詳細描述中，闡述許多具體的細節，以提供本發明之主張的全面理解。然而，在本領域中技術人員應理解的是，各種實施例在沒有這些具體細節下可得到實現。
雖然本發明示例性實施例的特徵和元素以特別組合被描述在該等實施例中，但每個特徵或元素可在沒有該等實施例的其它特徵和元素的情況下單獨使用，或每個特徵或元素可使用於各種組合，無論具有或不具有在此揭露的其它特徵和元素。
本書面說明使用了本發明專利標的所揭露的例子，以使在本領域中任何技術人員可同樣實現，包含製作和使用任何裝置或系統及執行任何合併的方法。本專利標的專利範圍藉由權利請求項來定義，且可包含發生在該本領域中所屬技術的其它例子。這類其它例子旨在成為權利請求項的範圍內。
雖然在此本發明所揭露之專利標的實施例已顯示於附圖中，且以特殊性和細節來與幾個示例性實施例連接的方式充分地描述於上文，對本領域那些普通技術人員顯而易見的是，可能有許多修改、變化、及省略，而實質上不脫離新穎性教導、在此提出的原則和概念、及在附屬項中列舉的本專利標的之優點。因此，所揭露創新的適當範圍應僅藉由該等附屬項的最廣泛解釋來判定，以便包括所有這類的修改、變化、及省略。此外，可根據替代實施例改變或重新排序任何流程或方法步驟 的順序或序列。最後，在請求項中，任何裝置加功能的條款意圖涵蓋在此所述的結構，作為執行該列舉的功能，且不僅是結構等同物，也是等效的結構。
100‧‧‧方法(流程)
110‧‧‧步驟
120‧‧‧步驟
130‧‧‧步驟
140‧‧‧步驟

Claims (20)

  1. 一種用於特徵化在貯槽中之耐火襯裡的掃描器，該掃描器包含：一框架；一安裝在該框架上的雷射掃描系統，該雷射掃描系統具有一雷射、一掃描器、光學元件、一光檢測器、及接收器電子設備，該雷射掃描系統係構造成在量測位置測量從該雷射掃描系統到在該耐火襯裡表面上之複數個位置的距離；一固定於該框架的機器人載具，該機器人載具具有一包含車輪或履帶之驅動系統，以及構造成操作該驅動系統和控制該機器人載具動作之控制器，該機器人載具係構造成在一地板上運行，而在一鄰近該貯槽的區域中，沿著該地板從第一位置自主地推動該掃描器到第二位置，該機器人載具並未包括噴補設備；一追蹤系統，其通信連接於該控制器，並構造成決定該掃描系統相對於該容器對準的位置和方向，以提供該追蹤系統之參考座標中測量的距離數據，且被轉換成相對於該容器之參考座標，且提供位置回饋至該機器人載具之該驅動系統；及一包含硬體和軟體以控制該掃描器的控制系統，該控制系統係以通信的方式與該雷射掃描系統、該控制器、及該驅動系統來連接，其中藉由比較由該雷射掃描系統測量的該等複數個距離與該耐火襯裡的一參考表面來特徵化該耐火襯裡。
  2. 如請求項1之掃描器，其中在該掃描器係位在該第二位置的情況下，執行利用該雷射掃描器系統的第一測量，且藉由一使用者將該掃描器定位於該第一位置。
  3. 如請求項1之掃描器，其中在該掃描器係位在該第一位置的情況下，執行利用該雷射掃描器的第一測量，且在執行利用該雷射掃描器的第二測量之前，移動該貯槽。
  4. 如請求項3之掃描器，其中藉由來自該控制系統的指令移動該貯槽。
  5. 如請求項1之掃描器，進一步包含：一安裝在該框架上並以通信的方式與該控制系統連接的測距儀，該測距儀係構造成測量在該掃描器和該掃描器周圍之一個以上物件之間的距離。
  6. 如請求項1之掃描器，其中該控制系統係位於與該掃描器之位置分開的位置。
  7. 如請求項1之掃描器，該機器人載具進一步包含：一提供電力到該驅動系統的電源。
  8. 如請求項1之掃描器，進一步包含：一烴能源，設置在該框架上；及一藉由該烴能源驅動的發電機，該發電機係構造成提供電力到該驅動系統。
  9. 如請求項5之掃描器，其中該測距儀係構造成使用一旋轉雷射信標以及在該旋轉雷射信標和放置於該周圍之至少三個反射器之間的每個位置角度，測量該自主掃描器之相對於該貯槽位置的位置。
  10. 如請求項9之掃描器，其中該耐火襯裡之特徵化係藉由將該等複數個距離從該測距儀的參考座標轉換到該貯槽的參考座標來完成，該轉換係至少部分地基於該掃描器之相對於該貯槽位置的位置。
  11. 如請求項5之掃描器，其中該測距儀係構造成使用放置在該貯槽底部上的標靶，測量該掃描器之相對於該貯槽位置的位置。
  12. 如請求項5之掃描器，其中該控制系統係構造成使用藉由該測距儀完成的距離測量，避開在該掃描器之路徑中的障礙物。
  13. 一種用於特徵化在貯槽中的耐火襯裡的方法，該方法包含：藉由使用一機器人載具，於一鄰近該貯槽的區域中沿著一地板從第一位置自主地推動一安裝在一框架上的雷射掃描系統到第二位置，該機器人載具係固定於該框架且具有一包含車輪或履帶之驅動系統，其係構造成在該地板上運行，以及構造成操作該驅動系統和控制該機器人載具動作之控制器，該機器人載具並未包括噴補設備；利用一追蹤系統追蹤該雷射掃描系統之位置，該追蹤系統構造成決定該掃描系統相對於該容器對準的位置和方向，以提供該追蹤系統之參考座標中測量的距離數據，且被轉換成相對於該容器之參考座標，且提供位置回饋至該機器人載具之該驅動系統；利用該雷射掃描系統在量測位置測量從該雷射掃 描系統到在該耐火襯裡表面上之複數個位置的距離，該雷射掃描系統具有一雷射、一掃描器、光學元件、一光檢測器、及接收器電子設備；藉由使用一包含硬體和軟體的控制系統控制該掃描器，該控制系統係以通信的方式與該雷射掃描系統、該控制器、及該驅動系統連接；及藉由比較由該雷射掃描系統測量的該等複數個距離與該耐火襯裡的一參考表面來特徵化該耐火襯裡。
  14. 如請求項13之方法，其中在該掃描器係位在該第二位置的情況下，執行利用該雷射掃描器系統的該測量，且藉由一使用者把該掃描器定位於該第一位置。
  15. 如請求項13之方法，其中在該掃描器係位在該第一位置的情況下，執行利用該雷射掃描器的該測量，該方法進一步包含：在執行利用該雷射掃描器的第二測量之前，移動該貯槽。
  16. 如請求項13之方法，進一步包含：藉由使用一安裝在該框架上的測距儀，測量在該掃描器系統和該掃描器系統周圍之一個以上的物件之間的距離。
  17. 如請求項13之方法，其中該控制發生自一與該掃描器位置分開的位置。
  18. 如請求項16之方法，其中該測距儀係構造成使用一旋轉雷射信標以及在該旋轉雷射信標和放置於該周圍之至少三個反射器之間的每個位置角度，測量該自主掃描器之相對於該貯槽位置的位置。
  19. 如請求項18之方法，其中該耐火襯裡之特徵化係藉由轉換從該測距儀的參考座標到該貯槽的參考座標的該等複數個距離來完成，該轉換係至少部分地基於該掃描器之相對於該貯槽位置的位置。
  20. 如請求項16之方法，其中該控制系統係構造成使用藉由該測距儀完成的距離儀表，以避開在該掃描器路徑中的障礙物。
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