基于激光定位与扫描的钢包壁厚测量系统

论文摘要

在钢铁冶金工业现场,钢包作为生产流程中的过渡容器与中间冶炼设备,其内壁厚度是重要的参数信息。钢包壁厚的准确测量对于钢水温度控制、防止漏钢事故、提高铸坯质量以及节约生产成本等均有直接影响。掌握钢包内壁侵蚀情况,及时进行针对性的维护,从而延长钢包使用寿命。因此,准确地测量钢包壁厚具有实际意义。因连铸生产中钢包内盛满熔融钢水,其内壁一直处于高温状态,同时钢包在各工位间由行车吊运,其放置位置难以确定,以及多灰尘、强干扰等恶劣环境均给钢包壁厚测量带来困难,使得电容、电阻、热电偶、超声和模型推演计算等方法无法准确测量钢包壁厚。目前,冶金现场主要依靠人工经验估算的方式获取现场钢包壁厚,具有很强的猜测性,难以保证测量精度。针对钢包壁厚难以准确测量,本文设计一种基于激光定位与扫描的钢包壁厚测量系统,主要研究内容如下:(1)基于激光定位与扫描的钢包壁厚测量方法。本文提出一种基于激光定位与扫描的钢包壁厚测量方法,利用定位激光检测确定被测钢包所处的空间坐标,再由执行机构带动测量激光扫描钢包内壁面,根据空间坐标关系,将钢包内壁面各测点数据进行三维映射为钢包壁厚数值,最后将重建后的钢包壁厚数值与钢包初始状态对比,从而得出钢包内壁的厚度分布。(2)激光定位与测距的三维重建。针对被测钢包的相对位置不确定的问题,由定位激光检测确定被测钢包所处的空间位置。再控制扫描平台带动测量激光对钢包内壁面进行扫描,采集测点与测量激光的距离数据,根据空间坐标关系,将测距数据通过坐标转换的方式映射到钢包坐标系中,计算得到钢包壁厚数值。最后将离散壁厚数据进行插值拟合成直观的壁厚曲线,与钢包初始状态对比,得出钢包壁厚度分布。(3)基于模糊PID的扫描平台步进控制。扫描平台具有两个自由度,能水平和竖直旋转,以带动测量激光对钢包内壁面进行扫描。针对步进电机开环控制不稳定且精度低的问题,利用光电编码器对步进电机位置进行反馈,研究模糊PID控制算法提高扫描平台的稳定性和控制精度。通过实验测试和现场应用对钢包壁厚测量系统进行了验证,对新砌筑和周转中的钢包进行测量,并与人工测量结果进行比对。由实验结果可知,本文钢包壁厚测量系统测量的最大误差为5.2mm,最小误差为2.6mm,平均误差为3.6mm。理论分析与现场应用结果表明:本文测量系统可准确、可靠地测量钢包壁厚,满足生产需求,测量原理可推广到其他类似的冶炼容器测量场合,具备较好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外钢包壁厚研究现状
•     1.2.1 电容法
•     1.2.2 电阻法
•     1.2.3 热电偶法
•     1.2.4 超声波法
•     1.2.5 模型推演计算法
•     1.2.6 激光测距法
•     1.2.7 其他检测法
•   1.3 主要内容及章节安排
• 2 钢包壁厚测量系统总体设计
•   2.1 激光测距原理
•     2.1.1 脉冲法测距
•     2.1.2 三角法测距
•     2.1.3 干涉法测距
•     2.1.4 相位法测距
•   2.2 钢包壁厚测量方案
•     2.2.1 测量流程及原理
•     2.2.2 测量模式
•   2.3 钢包壁厚测量系统硬件组成
•   2.4 激光测距传感器选型
• 3 钢包壁厚计算方法及软件设计
•   3.1 钢包位置定位
•     3.1.1 定位方案选择
•     3.1.2 钢包定位原理
•   3.2 三维重建原理
•     3.2.1 坐标系建立
•     3.2.2 测量坐标系中测点坐标计算
•     3.2.3 测点坐标转换
•   3.3 钢包内壁厚度计算方法
•     3.3.1 钢包基准模型的建立
•     3.3.2 测点数据与基准模型对比
•   3.4 钢包壁厚测量系统软件设计
•     3.4.1 软件系统总体结构
•     3.4.2 软件系统运行流程
•     3.4.3 人机交互界面
• 4 基于模糊PID的扫描平台步进控制
•   4.1 扫描平台结构
•   4.2 步进电机原理及选型
•     4.2.1 步进电机特点
•     4.2.2 步进电机选型
•     4.2.3 三相混合式步进电机工作原理
•   4.3 步进电机驱动器选型
•   4.4 步进电机闭环控制及系统结构
•     4.4.1 步进电机控制方式选择
•     4.4.2 步进电机控制系统结构
•   4.5 基于模糊PID的步进电机位置控制
•     4.5.1 PID控制基本原理
•     4.5.2 模糊控制基本原理
•     4.5.3 模糊PID控制基本原理
•   4.6 基于模糊PID的步进电机控制系统仿真
•     4.6.1 步进电机数学模型
•     4.6.2 模糊PID控制器设计
•     4.6.3 步进电机控制系统仿真
• 5 钢包壁厚测量系统现场应用及误差分析
•   5.1 实验室调试
•     5.1.1 实验平台搭建
•     5.1.2 实验测试
•   5.2 现场实验
•     5.2.1 测量工位的选取
•     5.2.2 钢包壁厚测量系统安装位置及保护措施
•     5.2.3 现场钢包测量
•   5.3 系统误差分析
• 6 结论与展望
•   6.1 工作总结
•   6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吴新华

导师: 苏建坤,刘军

关键词: 钢包壁厚,激光定位,三维重建,模糊控制

来源: 东华理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,冶金工业,无线电电子学

单位: 东华理工大学

分类号: TF341;TN249

总页数: 73

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