中厚板板形仪长度检测系统设计【2013年最新整理毕业论文】

浙江理工大学本科毕业论文 本科毕业设计（论文） 题 目： 中厚板板形仪长度检测系统设计 学 院： 机械与自动控制学院 专业班级： 机械设计制造及其自动化（ 4）班 姓 名 ： 寿飞锋 学 号： B09300421 指导教师： 胡旭晓 2013 年 5 月 15 日 中厚板板形仪长度检测系统设计 浙 江 理 工 大 学 机械与自动控制学院 毕业设计诚信声明 我谨在此保证：本人所做的毕业设计，凡引用 他人的研究成果均已在参考文献或注释中列出。设计说明书与图纸均由本人独立完成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。如出现以上违反知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。 声明人（签名）： 年 月 日 浙江理工大学本科毕业论文 摘 要 中厚板（ 厚度 为 mm 25.0-4.5 的钢板 ）是我们日常工业加工中经常用到的一种基础材料 ，它在工业生产中需求量非常大，起着中流砥柱的作用。所以我们对中厚板的质量要求有了很高的标准，其中包括对它进行尺寸测量如：长度，宽度和平坦度等。长度是中厚板轧制产品的一项关键的质量指标，对轧制生产线、产品的应用都有很大的影响。近年来，随着我国现代化的不断发展，我们对钢材的需求量以及品质感也提出了更高的要求。长度检测系统为后续一系列钢板检测系统提供关键的数据支撑，将会直接影响到后期产品的质量。 由于冷轧中厚板在辊道上的输送速度是轮廓检测过程中的一个非常关键的数据，因此对速度的测量精度直接关系到轮廓检测的准确程度。 本论文研究的是采用一种新型的非接触式测速方法与传统的测量方法有很大不同。 钢板长度是通过多普勒激光测速仪得到速度，依据一段时间内测量的速度来计算钢板的长度。 求得各个纬度的长度，平均长度，最大长度和最小长度。由于条件所限，实验主要采用 Labview 软件构建整个系统的检测程序。随着系统的运行能立即得出所需要的关键数据以便用来分析。以下是论文的详细内容： 第 1章 本章主要是介绍中厚板及板形仪的定义。国内外中厚板板形仪的研究现状和发展趋势，以及中厚板长度检测的研究意义和价值。根据其发展现状和研究的重要性，设计一套完整的长度检 测系统。 第 2章 本章根据研究所需设计检测仪系统的整体构架，其中包括传感器，多普勒测速仪的位置安装定位。重点介绍长度检测系统的工作原理。 第 3章 本章论述检测系统的组成和相关参数，着重介绍多普勒激光测速仪工作原理。 第 4章 本章主要介绍运用 Labview 构建程序框图和前面板。通过运行虚拟程序得到相应数据，并对数据进行分析。 第 5章 使用 Matlab 软件编写程序用来处理测量所得数据。 第 6章 本章主要是总结研究过程中所遇到的问题和对构建的程序框图所产生的一些不足，提出解决之道和展望未来研究方向。 关键词： 长度检测 多普勒测速 程序框图 总结 中厚板板形仪长度检测系统设计 Abstract Steel plate is often used as a base material in our industrial process .We need a great quantity numbers. It plays a very important role. So we want have the quality of steel plate by a very high standard. Include its size measurement such as length, width and flatness, etc. The length is a key quality indicator, has a significant impact in production lines and product application. In recent years, with the continuous development of Chinas modernization, Demand for steel plate and a sense of quality we also put forward higher requirements. Length detection system give the follow-up series of steel plate detection system provides key data support will directly affect the latter part of the quality for the product. Cold-rolled plate in the conveying speed of the rollers is a very critical detection process data, the accuracy of speed measurement is directly affects the accuracy of the contour detection. This study is the use of a new type of non-contact speed is very different from the traditional measurement methods. It is measure speed by Doppler velocimetry and Multiplied by the measurement time that can have the measuring length. At the same time, determines all latitude length and an average length, maximum length and minimum length. Due to limited conditions, experiment using Labview software to build the entire system testing procedures. With the operation of the system can immediately draw the critical data needed to be used. Here are the details: Chapter 1, Introduced the steel plate and Shapemeter definition. Home and abroad the steel plate Shapemeter the research status and development trends, as well as the length of steel plate detection significance and value. According to the development status and the importance of research, design a complete set of the detection system. Chapter 2, According to the research required to design the overall architecture of the detector system, including the positioning of sensors, Doppler velocimetry location of installation. Focus on the working principle of the length of the detection system. Chapter 3, Make an introduction of system components and related parameters. 浙江理工大学本科毕业论文 Focus on the working principle of the laser Doppler anemometer. Chapter 4, Use Labview builds the block diagram and front panel, runs the virtual program to get the appropriate data, analyze the data. Chapter 5, According to the measured data use Matlab software to write programs to analyze the data. Chapter 6, Summary and Outlook. Key words： Length Detection, Doppler velocimetry, The block diagram, Summing 浙江理工大学本科毕业论文 I 目 录 摘 要 Abstract 第 1 章 绪论 . 1 1.1 前言 . 1 1.2 课题研究现状和发展趋势 . 1 1.2.1 中厚板及板型仪的定义 . 1 1.2.2 国内外研究背景及现状 . 2 1.2.3 研究趋势 . 3 1.3 论文研究意义和主要内容 . 4 1.4 论文的结构安排 . 5 第 2 章 中厚板板型仪长度检测系统整体框架的设计 . 6 2.1 安装 布局 工作环境及仪器选择 . 6 2.2 冷轧中厚板轮廓检测仪各个子系统的功能 . 9 2.3 结构的受力分析 .12 2.4 仪器的安装定位 .16 2.5 长度检测原理和方案 .17 第 3 章 系统组成和多普勒激光测速仪 .20 3.1 长度检测系统的组成 .20 3.2 多普勒激光测速仪及测量原理 .20 3.3 钢板长度测量过程中需要探讨的问题 .23 第 4 章 基于 Labview 的长度检测系统的设计 .25 4.1 Labview 程序图主界面的设计 .25 4.2 速度测量程序框图和前面板的设计 .26 4.3 长度测量程序框图和前面板的设计 .27 4.4 数值显示与分析 .29 4.5 小结 .30 第 5 章 MATLAB 编程 .31 5.1 程序编写 .31 中厚板板形仪长度检测系统设计 II 5.2 小结 .33 第 6 章 总结与展望 .34 6.1 总结 .34 6.2 展望 .34 参考文献 .36 致 谢 .38 附 录 1.39 附录 2.40 全套资料带 CAD 图， QQ 联系 414951605 或 1304139763 浙江理工大学本科毕业论文 III 中厚板板形仪长度检测系统设计 IV 浙江理工大学本科毕业论文 1 第 1 章 绪论 1.1 前言 钢铁行业作为重工业和基础原材料行业，其发展状况直接影响到国民经济的稳固发展 1。目前，我国已经成为全球最大的钢铁生产国，然而我国钢铁行业与国外相比仍存在很大的差距，其主要原因是我国钢铁行业的总体技术装备和生产集中化程 度不高，因此生产的钢铁产品的品质、质量、附加值等都还远不如发达国家，导致我国钢铁产品在国际市场上缺乏竞争力 2-5。所以如何由钢铁大国发展成为钢铁强国，其关键在于提高我国钢铁行业的生产专业化的集中程度和自动化检测技术。 一般钢板检测指标主要包括有头尾轮廓、钢板宽度、长度等参数，以往主要是依靠人工检测（接触性检测），但依靠人工测量这些指标不但难度大，危险系数比较大，而且操作复杂，精度也不能达到保证 ，因而需要专门的 自动 检测设备。这对于解放劳动力，保证测量精度等都具有重要意义。但是我国在这些方面的研究起步比较晚 ，这些检测手段在我国还很不完善，基于板形仪在板材行业的必要性和市场的需求量较大，为了降低钢铁的生产成本和提高钢铁的品质，这项研究十分重要而且必要。我们小组合作一起完成整个板形仪的设计，而我主要对钢板的长度检测系统的设计和深入研究。 1.2 课题研究现状和发展趋势 1.2.1 中厚板及板型仪的定义 中厚板是指厚度 mm 25.0-4.5 的钢板，厚度 mm 100.0-25.0 的称为厚板，厚度超过 mm 100.0 的为特厚板，是目前工 业上重要的原材料之一。中厚板主要应用于建筑工程、机械制造、容器制造、造船、桥梁建造等。还可以用来制造各种容器、炉壳、炉板、桥梁及汽车静钢钢板、低合金钢钢板、造船钢板、锅炉钢板、压力容器钢板、花纹钢板、汽车大梁钢板、拖拉机某些零件及焊接构件等。随着国民经济建设中厚板的需求量非常之大，范围也十分广 17。 中厚钢板板型仪是一个能够完成钢铁的长度、宽度、平坦度等多个指标的在线连续检测，并将相关信息传输给钢板切割系统，从而为轧制钢板的优化剪切提供条件的综合性检测仪器。目前主要采用非接触式板型仪。 中厚板板形仪长度检测系统设计 2 中厚板板形仪融合 了先进的视觉检测技术、激光检测技术、计算机通信技术和自动控制技术，其检测内容包括带钢的头尾形状、带钢的宽度、带钢的速度、带钢的长度 10。该板形检测装置是一种智能化的板形检测装置，能自动识别钢板的头尾信号自动完成对整块钢板板形的检测，自动完成检测数据的处理，并自动将处理结果实时地显示给用户和存入数据库 13。通过网络通信技术将板形检测结果传递给板形自动控制设备来调整相应的参数，从而轧制出符合当前设定要求的带钢；同时将检测结果传递给优化剪切设备，完成对已轧制钢板的优化裁剪17。该智能化的检测装置显著提 高了冷轧带钢生产线的生产效率和成品率，使其能轧制出合格的带钢产品 22。由于其高智能化的特点减小了钢铁的浪费和人力资源。它的主要特点有以下几点： 1) 采用智能化的控制技术，其具有检测速度快、效率高、精度高和测量结果可以长期保存等优点。 2) 与接触式板形检测装置相比，采用非接触式的激光型传感器能避免对钢板的划伤，同时也便于安装和维护。 3) 能方便地与钢板生产线上的其他系统进行连接通信，从而实现钢板轧制全自动化控制，并能在线显示检测结果和离线显示历史数据。 4) 自动检测和调节环境参数，有效避免环境因素对检测结果的干扰。 1.2.2 国内外研究背景及现状 带钢按其厚度有薄板、中厚板、厚板和特厚板之分。中厚板作为钢材的主要钢种之一其用途相当广泛，如在建筑工程、机械制造、容器制造、造船和桥梁建造等领域，其质量直接关系着这些领域的重大的安全性和可靠性 18。中厚板平面轮廓一方面是评价中厚板轧机性能及其平面形状控制的一项重要指标；另一方面对其检查精度直接关系到中厚板成材损失。研究发现在中厚板的成材率损失中，切头尾损失和切边损失占总损耗的 23% 和 26% ,由此可见中厚板轮廓检测仪可以提高中厚板轮廓检测仪的检测性能和检测精度，这对减少切损，提高中厚板的成材率具有重要的经济价值 19。 目前，在非接触式板形仪使用的技术方面，欧洲仍处于非常领先的地位，如德国的 LAP、 Parsytec 公司、英国的 Jones-Shipman 公司、瑞典的 ASEA 公司。当然在美国、日本和其它工业发达国家，这项技术也得到普遍应用。 浙江理工大学本科毕业论文 3 在现代工业自动化生产中，涉及到各种各样的检测、生产监视及识别等的应用，通常人眼无法连续、稳定地完成这些带有高度重复性和智能性的工作。采用照明技术、成像技术和 图像处理、模式识别等技术手段，而后利用计算机或者专用的图像处理设备对所拍摄的图像进行处理处理，根据图像的像素分布，亮度和颜色等信息来进行检测和识别，这就是机器视觉检测技术 23。 随着感光元件 CCD 和 CMOS 技术的不断成熟，工业视觉在非接触式检测领域发挥着越来越重要的作用，其检测优势也越来越明显。中厚板轮廓检测仪是工业视觉在钢铁行业应用比较成功的一个例子，其不仅能实现了钢板轮廓的在线高速自动化检测，而且还可以根据轧制带钢的表面质量和材质自动调整检测系统的相关参数，使检测系统时刻保持最佳的检测状态。然而，就 目前国内钢铁行业而言，几乎所有中厚板生产线上的轮廓检测仪都是国外的产品。国外在这方面除了技术上制约了中国钢铁行业的发展，而且还以高额的价格将这些设备出售给我国，这对我国经济的稳定发展也有重大的影响 22。 工业视觉在国内是一个起步相对比较晚的领域，导致工业视觉检测在钢铁行业的应用就更落后于国外。工业视觉检测作为新型的检测技术，近几年来，逐渐受到国内许多知名高校、研究所乃至钢铁行业技术人员的重视和青睐。 1988 年中国科学院上海技术物理研究所与上海五厂达成了共同研制 GCK-1 型在线轮廓仪检测的协议 24。 2001 年清华大学精密仪器与机械学系的钱建强、王东生等就热轧中厚板宽度智能检测仪进行了相关方面的研究，分析了利用炽热钢板自身发光进行光学成像，高精度的线阵 CCD 作为测量传感器热轧中厚板轮廓仪 25，还有燕山大学、天津大学、大连理工大学在钢铁工业视觉检测方面都进行了深入的研究，并且在此过程中也取得了不错的成效，他们中研制的钢板检测设备很多都已经投入到实际生产之中，对提高钢板的品质能起到积极的作用。 1.2.3 研究趋势 现在的钢铁 产品制造水平与信息化和自动化最基础的技术之一检测技术的水平密不可分，检测技术发展源于生产过程质量、能耗、环境和安全等的要求，在需求推动下产生的测量技术给钢铁生产过程的控制和产品质量提供了技术保障，同样生产过程水平的提高也对检测技术发展提出了更高要求。 检测技术模型化检测方法已经从单参数检测向多参数检测发展，从参数检测 中厚板板形仪长度检测系统设计 4 向检测后算法模型推定相关关键变量的复杂系统发展。轧钢过程微观组织结构和理化特性的在线检测推定技术正在研究之中，并可能在近年成为可出售的技术。 由于中厚板在工业发展中的重要地位，以及它所带来的重大 的商业价值和中厚板板形仪的研究还处于初级阶段，尤其在中国，这方面现在还远远落后于欧美等发达国家，所以近年来，板形检测的研究工作开展得十分活跃，各国科学家们正在不断地研究和探索新的检测原理和检测方法，研制并开发高精度的检测仪器。如今，基于机器视觉的检测技术已经成为了研究和应用带钢表面缺陷检测技术的的主体趋势。 1.3 论文研究意义和主要内容 目前，国内大多数冷轧中厚板带钢生产厂家，对其轮廓、宽度、边缘形貌等参数依然采用人工目视抽检的方法来确定其生产质量是否合格，这种检测方法不仅容易受检测人员主观因素的影响 ，而且其检测效率极低，准确度也不高。随着我国钢铁行业的快速发展，靠人工目视的抽检方法已无法满足当前高效生产的要求。尽管国内一些大型钢铁生产企业，为了提高在冷轧中厚板在国内钢铁行业的竞争力优势，采用国外的中厚板板型检测仪，这虽然在一定程度上提高了冷轧中厚板的成材料和降低了生产成本，但是毕竟在冷轧中厚板轮廓检测技术上依赖的是国外的技术，这不仅没有提高我国冷轧中厚板轧制水平的国际竞争力，反而需要花高额的代价引进检测装备。正对上述现状，在提高国内检测技术水平的同时，打破 国外对我国冷轧中厚板轮廓检测技术的制约，有着非 同一般的意义。本论文的研究目的及意义正是基于此。 对于我个人而言，该毕业设计论文是对我大学四年所学的专业知识的一次“期末大考”，同时也是对即将步入社会的我的一次“入门考试”。有助于我掌握机械设计的一般方法及原理，为日后工作打下基础。总的来说，这是一次典型的理论指导实践，实践检验理论的宝贵机会。 本次毕业设计中主要完成的内容包括： 1) 检测装置的选择及方案分析：根据自己的课题选择合适的装置并提出方案。 2) 多普勒激光测速仪的介绍：多普勒测速仪的原理等。 3) 长度检测方案的确定和具体论述原理及可行性分析：提出问题解决方 浙江理工大学本科毕业论文 5 案， 并对此进行可行性分析最终确定具体方案。 4) 与同组成员讨论确定整机方案： 了解其他同学做的设计，在不影响自己图像采集和数据收集的前提下和其他同学进行整机的设计。 5) 完成方案的结构设计，根据需要完成二维、三维图纸：就前面的设计方案进行结构设计，其中要进行应力分析和强度校核，同时要参阅大量文献数据拟定出最佳设计方案，同时又要和其他同学设计的结构不冲突。 6) 运用 Labview 软件进行演示和分析：介绍 Labview 软件，进行长度检测程序的编制和运行，对数据进行分析将。 7) 总结交流对整个设计过程的分析总结得出存在的现象问题并试着 提出解决之道。 1.4 论文的结构安排 综上所述， 本文结合国内外在冷轧中厚轮廓检测的现状和目前钢铁行业在此方面的需求 以及国内外研究中厚板长度检测的现状和对冷轧钢长度检测系统进行了较深入的设计。 第一章主要是介绍中厚板及板形仪的定义。国内外中厚板板形仪的研究现状和发展趋势，以及中厚板长度检测的研究意义和价值。根据其发展现状和研究的重要性，设计一套完整的长度检测系统。 第二章 根据研究所需设计检测仪系统的整体构架，其中包括传感器，多普勒测速仪的位置安装定位。并对设计结构进行受力分析。重点介绍长度检测系统的工作 原理。 第三章论述检测系统的组成和相关参数，着重介绍多普勒激光测速仪工作原理。钢板在长度测量过程中所遇到的需要探讨的问题 第四章主要介绍运用 Labview 构建程序框图和前面板。通过运行虚拟程序得到相应数据，并对数据进行分析。 第五章主要是总结设计研究过程中所完成的一些工作并反思设计过程中遇到的问题和对构建的程序框图所产生的一些不足，提出解决之道和展望未来研究方向。 中厚板板形仪长度检测系统设计 6 第 2 章 中厚板板型仪长度检测系统整体框架的设计 2.1 安装布局 工作环境及仪器选择 冷轧中厚板板型检测仪是一套融合激光、工业视觉、 通信、机械、智能控制和计算机等技术于一体的检测设备。如图所示是一张中厚板板型检测仪的仿真图。这是以往对中厚板板形仪系统常见的结构框架设计。 图 2-1-1 中厚板长度检测系统整体仿真图 由图可知，整个检测系统是固定在横跨辊道的龙门横梁支架上的，由于辊道的宽带非常大，为了尽可能的减小龙门横梁架振动所引起的测量误差，在设计龙门横梁架的机械结构时需要充分考虑横梁架的刚度和强度等方面的因素。其主体部分是横梁架支撑着的传感器柜，传感器柜里包含了检测需要的主要部件矩阵CMOS 相机和线激光源，将矩阵 CMOS 相机和线激光源放在传感柜里主要是对感器柜要求严格的密封，并要求内置有专门的风冷、水冷循环系统。而在矩阵CMOS 相机和线激光源正下方有一个窗板，它的关闭和开启是可控的，从而在必要时候控制线激光的射出。激光多普勒测速仪安装在传感器柜正前方的悬臂梁支 浙江理工大学本科毕业论文 7 架上，其核心单元也是固定在一个严格密闭的铝合金柜中，且内部有专门的风冷和水冷循环通道。目的是为了避免温度、灰尘和水蒸气等外界因素所引起不必要的检测误差。 然而激 光传感器因图 2-1-1 位置角度关系无法表示出来，故而采用 pro/E 三维软件进行仿真得到图 2-1-2。 图 2-1-2 中厚板长度检测系统局部三维示意图 其所处检测环境为 温度 50-0 ，无冷却水，有灰尘，无水蒸气，有噪声，无喷洒水。 通过上述描述和对市面上已有的中厚板板形仪结构框架分析，经三维模拟得到以下结构图 2-1-3。与传统中厚板板形仪检测系统相比。在辊道部位有一轨道，上有若干个（依检测钢板型号不同而采用恰当数量）激光传感器，由图中红色部位表示，轨道一侧有刻 度尺可调节激光传感器的间距。其他功能结构均和原来相似。 中厚板板形仪长度检测系统设计 8 图 2-1-3 中厚板长度检测系统整体框架三维图 根据所选择的研究课题，需要的仪器有激光传感器和多普勒激光测速仪。激光测速仪可选型号及相关参数有： 表 2-1 激光测速仪型号选择 公 司 名 称 型 号 相 关 参 数 德国依威 SPEED smartsensor 240mm/40mm 北京冶自欧博 LSV 300 900mm/60mm 北京冶自欧博 LSV 6000 1500mm/200mm BETA LaserMIKE LS9000-315X 1500mm/200mm 从中我们选择 BETA LaserMIKE 公司的型号 LS9000-315X 的激光测速仪，它的安装高度为 m 1.5 ，测量景深为 mm 200 ，测量精度 0.1% ，重复精度 0.02% ，且可以测量正反方向，及 0 速度，能自动识别板带的头尾，能自动对上一测量结果清零，标准的信号输出包括 ；差动脉冲输出， RS232， RS422，以太 网，模拟量输出，速度测量范围为 12000- 米 /分钟 到 12000 米 /分钟；长度测量范围为999999.999 米。 以上性能的参数非常的符合整个板形仪检测系统要求，为带钢轮廓检测的准确性提供了可靠的保证。 浙江理工大学本科毕业论文 9 2.2 冷轧中厚板轮廓检测仪各个子系统的功能 冷轧中厚板轮廓检测系统是一个庞大而复杂的系统，整个系统按其功能可分为五大子系统模块。从功能上讲，各子系统能独立地执行特定功能，这种依据所执行功能对系统进行划分方式 不仅使轮廓检测仪整个系统的层次结构更加清晰，而且还给系统的维护和管理带来了极大的便利。下面将介绍这五大子系统及它们的功能。 1) 人机交互式上位机子系统 人机交互式上位机子系统本质上是轮廓检测结果显示和用户操控的人机交互式应用程序。该应用程序是基于Labview 开发环境开发的适用于 Windows 操作系统的人机交互轮廓显示和操作界面，由于可以安装在任何一台含有 Windows 操作系统的计算机上，所以具有很强的移植性和兼容性。作为上位机人机交互式轮廓显示和操作软件，它的使用对象是冷轧中厚板生产线上的管理人员，所以其应具备操作简单和功能完备等特点。针对所设计的基于图像处理的中厚板板形检测仪的实际情况，提出了人机交互式上位机子系统应具备如图2-4 所示的功能。 图 2-2-1 人机交互式上位机子系统功能图 上 位 机 系 统 钢板数据的存储 人机交互式轮廓显 示和操作软件 离线数据的查询和统计 钢板轮廓检测结果显示 被测钢板参数设计 系统运行状态显示 前 端 工 控 机 TCP/IP 协议 以太网 用户 1 用户 2 TCP/IP 协议 TCP/IP 协议 以太网 以太网 中厚板板形仪长度检测系统设计 10 2) 前端工控机子系统 前端工控机子系统是连接轮廓检测仪中其他四大子系统的纽带，其在整个轮廓检测系统中发挥着极其重要的作用。与人机交互式上位机子系统类似，前端工控机子系统也是依附于计算机的子系统。由于前端工控机计算机所需处理的数据量很大，并且要求满足实时性和多任务的 检测要求。所以它的配置要求较高。其具备很强的数据处理能力；在可靠性方面其具有很强的抗干扰能力，所以也非常适用于这种振动、现场环境恶劣的工况。前端工控机子系统的核心单元是基于Labview 开发的一套数据处理软件，该软件支持 Windows 操作系统，故在操作和维护方面给用户带来了极大的便利。前端工控机子系统所包含的主要功能如图 2-2-2 所示 图 2-2-2 前端工控子系统功能图 3) 激光多普勒速度和长度测量子系统 激光多普勒速度和长度测量子系统的主要功能 是测量冷轧中厚板在辊道上的输送速度和其长度信息。由于冷轧中厚板在辊道上的输送速度是轮廓检测过程中一个非常关键的数前 端 工 控 机 系统、日志维护方面的处理 前端工控机数据处理软件 系统运行状态数据处理 钢板速度、长度数据处理 轮廓数据处理 宽度数据处理 标定参数设置 TCP /IP 协议 图像采集处理计算机 RS232通信 激光多普勒测速仪 CPCI 接口 系 统运行状态实时监控 上 位 机 计 算 机 TCP/IP 协议 以太网 浙江理工大学本科毕业论文 11 据，因此对速度的测量精度直接关系到轮廓检测的准确程度。为了提高对带钢速度的检测精度，同时也是为了提高带钢轮廓检测的准确性，在该轮廓检测仪中采用激光多普勒测速仪来测量带钢的速度。 4) 现场工况及运行状况实时监控子系统 现场工况及运行状况实时监控子系统作用是确保冷轧中厚板轮廓检测系统安全、稳定和可靠运行的关键。通过传感器对环境温度、湿度、压力、噪声、振动等信号进行采集输送到前端工控机中进行处理，经处理 后产生的控制信号去控制相关的执行机构，如水冷循环系统、风冷循环系统等等，以确保板形仪检测系统处于最佳的检测状态。在现场工况及运行状况实时监控子系统中，温度传感器主要用于检测传感器柜、多普勒测速仪和冷却水循环系统中的温度信号，这是由于相机、线激光器和多普勒测速仪等对温度非常敏感，其性能受温度的影响比较大的原因。现场工况及运行状况实时监控子系统是轮廓仪检测系统错误日志记录和报警的信息源，系统错误日志记录和报警对系统的日常管理和维护有着重要的指导意义。 5) 图像采集子系统 图像采集子系统作为中厚板板形仪检测系统最 重要的一个子系统，主要负责采集入射在中厚板表面上线激光的图像信息，然后对采集到的图像进行预处理，再将预处理后的结果传输到相机工控机中。如图 2-2-3 所示 图 2-2-3 图像采集子系统的数据流程图 面阵 CMOS 相机内装图像传感器，能将接受到的光信号转化成模拟电信号，相机内部有专门的信号处理电路能将模拟图像信号转化为数字图像信号。利用 Camera Link 接口将处理后数字图像信息传输给基于 CPCI接口的图像采集卡中，图像采集卡内置有图像预处 理算法，算法的主要目的是为了消除图像中的噪声，突显图像中的有用信息，此外图像预处理算法的作用还在于减小图像的数据量，以提高相机的图像采集速率。图像采集卡再将预处理后图像信息通过 CPCI 接口传输给相机工控机进面阵 CMOS 相机 CPCI 接口 相机工控机 相机 Camera Link 接口 基于 CPCI 通信接口的图像采集卡 中厚板板形仪长度检测系统设计 12 行进一步的处理。 图像采集卡可以调节相机的纵向横向分辨率拍摄重点区域，提高采样帧数，还可以调节相机曝光时间和采样周期来提高对比度，从而使拍摄的照片达到预期效果。 2.3 结构的受力分析 由于辊道宽度大，导致上方中厚板板形仪检测系统整体结构跨度也较大，故而还需考虑材料的受力分析是否 满足要求。 在跨桥面主要有横梁和钢板组成，所以它主要承受的载荷均由横梁承担。因此我们只需要计算横梁的弯曲正应力是否满足条件。此时满足弯曲正应力强度条件的梁，一般都能满足切应力的强度条件。因为跨度较大，所以这里我们采用热轧工字钢作为横梁。 1 2 0 06100684 . 5R1 .65斜 度 1 : 6 图 2-3-1 横梁和钢板位置图 假定跨桥面上载荷分布均匀，材料的许用应力 140MPa ， MPa 100 。横梁长度 9.3ml 。工字钢型号为 8870610 GB ，用 3 根。上铺钢板尺寸规格为 mmmmmm 006.05.05006.02.13.9 。钢板约重 08kg4 ，控制柜 100kg ， 浙江理工大学本科毕业论文 13 人数限制 5 人，共重 400kg580 ，查表得该不等边角钢理论重量 11.261kg/m ，故而总计重量 kg31439 . 3261.11 。 所以可知载荷 m/44.033.9 10103 1 44 0 01 0 04 0 8q3 kN ）（ 。 查表得其 3-6z m 1049W 。 qA BL 图 2-3-2 受力分析图 如图所示为受力分析图，所以我们得到 mkNqlM 757.48 3.944.08 22m a x 因此有 MPamkNWMz1.971049 7 5 7.4 36m a x 。 综上所述，设计的结构经受力分析满足条件。 我们知道，弯曲正应力是控制梁强度的主要因素。所以弯曲正应力的强度条件 WM m a xm a x （ 2-3-1） 往往是设计梁的主要依据。从这个条件看，要提高梁的承载能力，应从两方面考虑：一方面是改善梁的受力情况，以降低maxM的值；另一方面则是采用合理的截面形状，用以提高 W 的值，使材料得到充分利用。 首先，应把梁的支座设置在合适的位置，以尽量减少梁内的最大弯矩，相对地说，也就是提高了梁的强度。如图 2-2-3a 所示均布载荷作用下的简单梁为例，22m a x 1 25.08 qlqlM 中厚板板形仪长度检测系统设计 14 图 2-3-3 受力分析图 若将两端支座各向里移动 0.2L （如图 2-3-3b），则最大弯矩减小为 22m a x 0 25.040 qlqlM 只及前者的51。也就是说按图 2-2-3b 布置支座，承载能力即可提高 4 倍。这里我根据实际情况，设计将两端支座各向里移动 0.1L 。经计算即便如此 也可以大幅提高承载能力。 其次我们可以选择梁截面的合理形状。弯曲正应力的强度条件可改写成 WM max （ 2-3-2） 显而易见，梁可能承受的maxM与抗弯截面系数 W 成正比， W 越大越有利。可做横梁的钢材主要有角钢（热轧等边角钢、热轧不等边角钢），热轧槽钢和工字钢。经比较选择工字钢较为合适。这里我用 Pro/E 进行简 单的三维结构模拟。如图 2-2-3 所示 浙江理工大学本科毕业论文 15 图 2-3-3 龙门式横梁支架图 上文我们提到 整个检测系统是固定在横跨辊道的龙门横梁支架上的，由于辊道的宽带非常大。因此辊道的结构强度和受力情况也需要分析计算。但若是深入的对辊道的结构进行设计分析研究，这将偏离本论文研究的主要目的及意义。所以我将简单的对辊道结构进行描述且采用以往设计成熟的辊道结构。 辊道主要有工作辊道，受料辊道，运输辊道，特殊用途辊道，收集辊道等类型。这里需要的类型是运输辊道。 辊道的传动方式分集体传动、单独传动和不传动而空转的三种。前两种应用较广， 尤其是单独传动方式发展较快。而不传动的空转辊道应用较少，如重力辊道，或在长轧件的运输辊道辊子中间间隔放置空转辊子，仅起支承作用。这里我们主要选用的是单独传动辊道。 单独传动辊道，这种传动方式具有以下特点： （ 1） 飞轮矩小，启动和制动容易。 （ 2） 可单独快速换辊，维修方便，而不影响生产。 （ 3） 辊子高度易于调整。 （ 4） 结构简单、重量小和易于加工。 中厚板板形仪长度检测系统设计 16 （ 5） 易于实现标准化；辊子、支座、减速器、联轴器和电动机均可标准化。实现生产专业化。 单独传动辊道相比集体传动辊道更适于运送较长的轧件，轧件的重量分配在许多棍子上，此时集体传动能充分利用电机功 率的优越性已不存在了。单独传动辊道的优点完全胜过因其电力传动部分造价高的缺点，所以是有发展前途的方案，一般约占全车间辊道数量的 60% 以上，随着生产的发展所占比重将逐渐增长。 该辊道主要有支座，外径 80mm 壁厚 15mm 的热轧无缝钢管，轴，型号为70107C 的角接触球轴承，型号为 5010 的平键， 4GY 型凸缘联轴器，4-D137Y160M型减速电机以及若干螺母和螺栓等零部件组成。 单个辊子详细装配图及零件图见图纸。 2.4 仪器的安装定位 图 2-4-1 仪器安装位置分布图 浙江理工大学本科毕业论文 17 如图 2-4-1 所示为所选多普勒测速仪和激光传感器位置安装分布图。 多普勒激光测速仪安装在传感器柜右侧前方的悬臂梁支架上如图中的网格阴影部分表示。激光传感器如图所示安装在底座。激光传感器可根据钢板尺寸型号不同进行位置上的调节。相应的尺寸如图 所示。 如图 2-4-2 所示为激光传感器位置详细图 图 2-4-2 激光传感器详细安装位置图 2.5 长度检测原理和方案 轧制钢板单一纬度长度测量是通过多普勒激光测速装置得到的，依据一段时间内测量的速度来计算钢板长度信息。其计算公式如下： 钢板的长度 itvL (2-5-1) 其中 it 为第 i 次测量速度的时间间隔 ， v 为平均速度。 具体测量原理如下： 表 2-5-1 钢板参数表 厚度 垂直方向波动 水平方向波动 长度 宽度 传送速度 温度 5-50mm 小于 50mm 左右不超过 200mm 最大 5.2m 1.3-5m 3m/s 最大不超过 100 中厚板板形仪长度检测系统设计 18 表 2-5-2 辊道传送情况表 辊道宽度 对齐方式 水平方向误差 板材间最小时间间隔 板材间最小距离 5000m 所有右对齐 左右最大不超过 200m 大于 10 秒 大于 2 米 因 此可知检测时间 s7.135t 由表可知由于钢板宽度跨度较大，在实际测量中选择合适的宽度假设为 m 2 。 在指定位置安装多台激光传感器，根据钢板宽度 m 2 和传感器尺寸大小调节传感器间距，最后选择安装 16 台。如图 2-3 所示。激光传感器的位置是可调节的 ,阴影部分是刻度尺 ,根据钢板宽度选择激光传感器数量并调节激光传感器的间距。网格部分表示的是要测的不规则中厚板。为便于 测量所以开始时“右对齐”。图中一般辊道（辊子）之间距离是 m 0.4 ，其中当有激光传感器时，为了安置传感器，使距离为 0.65m 。由于所测中厚板一般长度较大（大于等于 m 5 ），因此中厚板能在辊道上平稳传动（满足中厚板下始终有 5 个及以上辊子的条件）不受影响。 图 2-5-1 激光传感器安装位置局布图 该长度检测系统具体的检测方案是：由于中厚板首尾不平整，当其上方有通过中厚板时，只要其中任意一台激光传感器检测到有中厚板时，触发多普勒激光 浙江理工大学本科毕业论文 19 测速仪工作对其进行速度测量，同时 16 台传感器同时工作，传感器工作情况为：检测到中厚板时记为“ 1 ”，未检测到时记为“ 0 ”。每一次数据将传送 16 个，激光传感器每 1/50 秒检测并记录一次并上传。根据总计检测时间 s 1.7 来算，总共需上传 85 组数据 ,即组成一张 8517 的数据表格。多普勒测速仪工作情况：任意一台激光传感器检测到有中厚板时，触发多普勒激光测速仪工作，同理在检测时间s 1.7 ，测速仪每 1/50 秒检测并记录一次并上传，也将上传 85 组数据。 最后可以用 Matlab 软件来 进行数据处理和图像分析。但由于实验条件所限，我们主要使用 Labview 软件对它的过程进行虚拟运行并用来验证。 对方案的可行性分析：该方案主要依靠的是一个多普勒测速原理。现有的技术手段完全能够保证方案的顺利实施，并且目前冷轧钢板工业上运用该技术也比较成熟，不存在知识障碍。这对我考量的也是一个基础性的专业知识及简单深入的知识。相信在老师的指导帮助和自身不断努力进取下能够在规定时间内完成该毕业设计。 由图 2-5-2 所示可以 形象地表达具体长度检测的原理及具体的方案。 图 2-5-2 长度检测系统流程图 任 一 激 光 传 感 器 检 测 到 信 号 触发其余传感器同时工作 触发多普勒测速仪工作检测测量速度 每 1/50 秒记录并上传一组（ 16 个）数据至计算机 每 1/50 秒记录并上传数据至计算机 计算机对获得数据进行处理，运用 Matlab 软件对获取数据进行分析处理。 中厚板板形仪长度检测系统设计 20 第 3 章 系统组成和多普勒激光测速仪 3.1 长度检测系统的组成 本论文主要研究钢板通过检测装置 (板型仪 )时测出其长度和输送速度信息。由于钢板在辊道上的输送速度是轮廓检测过程中一个非常关键的数据。其测量精度甚至直接关系到轮廓检测的准确性。这里我们采用一种非接触性激光测速装置。 在带钢轧制生产线上，传统的测速方法是采用速度编码器测量辊筒的转速，然后间接计算出带钢在辊道上的运行速度，这是一种接触式速度测量方法，其存在严重的摩擦现象，此外 ，由于辊筒与带钢并不一种绝对无相对滑动的运动，所以采用这种方法测量出来的速度存在很大的误差。 激光多普勒测速仪是一种非接触式激光测速装置，由于其是非接触式的测量方式，所以在检测过程中不会对钢板的表面产生划伤，也不会因为机械摩擦或者碰撞损坏测速装置，同时检测精度也大大提高了。因此与速度编码器测速相比，其有着无可比拟的优势。 该测长系统还需要激光传感器用来识别是否有钢板从辊道上经过。激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远 距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。 3.2 多普勒激光测速仪及测量原理 辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高 (蓝移 (blue shift)。在运动的波源后面，产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低 (红移 (red shift)。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据光波红 / 蓝移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度。除非波源的速度非常接近光速，否 则多普勒位移的程度一般都很小。所有波动现象 (包括光波 ) 都存在多普勒效应 11。 目前多普勒效应的主要应用有： 1) Baby Fun 多普勒胎音仪 浙江理工大学本科毕业论文 21 它的主要特点有： 采用超声多普勒技术，剂量低，无辐射，真健康； 家用型产品，探头和主机为一体式微型设计，轻便、灵巧、美观时尚，随时随地都可监听； 特选优质立体声耳机，音质清晰，音量大小可调； 高精度 LCD 液晶屏幕显示胎心率值； 胎心音异常报警，安全、可靠； 采用两节 7 号碱性电池供电，可连续工作 8 小时以上； 独特的双耳机插孔配置，使得准爸 爸、准妈妈可以共同聆听胎心音； 具有音频输出功能，在监听胎心音的同时可接驳 MP3/MP4、电脑等录音设备，把宝宝的胎心音刻录成光盘作为宝宝成长的纪念； 胎心仪重量仅为约 56 克（包括电池），体型跟普通手机大小一样，方便随身携带。 2) 多普勒彩超 声波的多普勒效应也可以用于医学的诊断，也就是我们平常说的彩超。彩超简单的说就是高清晰度的黑白 B 超再加上彩色多普勒，首先说说超声频移诊断法，即 D 超，此法应用多普勒效应原理，当声源与接收体（即探头和反射体）之间有相对运动时，回声的频率有所改变，此种频率的变化称之为频 移， D 超包括脉冲多普勒、连续多普勒和彩色多普勒血流图像。 彩色多普勒超声一般是用自相关技术进行多普勒信号处理，把自相关技术获得的血流信号经彩色编码后实时地叠加在二维图像上，即形成彩色多普勒超声血流图像。由此可见，彩色多普勒超声（即彩超）既具有二维超声结构图像的优点，又同时提供了血流动力学的丰富信息，实际应用受到了广泛的重视和欢迎，在临床上被誉为“非创伤性血管造影”。 3) 激光多普勒测速仪 激光多普勒测速仪测量通过激光探头的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到速度。由于是激光测量，对于流场没有干 扰，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界上速度测量精度最高的仪器。这里我们将主要用到这 中厚板板形仪长度检测系统设计 22 一应用。 激光多普勒测速仪 (Laser Doppler Anemometry, LDA)是测量通过激光探头的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到速度。由于是激光测量，对于流场没有干扰，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界上速度测量精度最高的仪器。 激光多普勒测速仪是利用一种特殊形式的双束激光干涉技术来测量物 体的运动速度，激光测速的原理大致是这样：激光束射向流动着的粒子，粒子发出的散射光的频率改变了，通过光电装置测出频率的变化，就测得了粒子的速度，也就是流动的速度。激光测速的最主要的优点是对流动没有任何扰动，测量的精度高。以下是对多普勒测量原理的具体描述，如图 3-2 所示， 图 3-2 激光多普勒测速仪测量原理 由图可知，两条激光束以一定的倾角射到被测物体的表面，由于这两束激光具有同样的波长，因此当它们照在被测物体表面的同一处时就会产生干涉现象，在干涉区域就会产生明暗相间的条纹，然后利用光电传感器测量出干涉 区域的明暗条纹的光强信号。当被测物体处于运动状态时根据相对运动的原理，干涉区域的明暗条纹相对被测物体以相反的速度在运动，测量出的明暗条纹的光强信号也是周期性变化的，通过相关的处理可以计算出相邻两条亮条纹变化的时间 t。两束激光干涉相邻亮条纹之间的距离满足以下关系 浙江理工大学本科毕业论文 23 kd sin2 (3-2-1) 这样可以通过以下公式计算出被测物体运动的速度 tdv (3-2-2) 计算出了物体的瞬时运动速度就可以通过积分的方式计算出物体的长度，计算公式如下： itvL (3-2-3) 关于多普勒测速仪的相关性能参数上文已经有介绍，这里不再重复。 激光多普勒测速技术是伴随着激光器的诞生而产生的一种新的测量技术 , 它是利用激光的多普勒效应来对流体或固体速度进行测量的一种技术 , 广泛应用于军事、航空、航天、机械、 能源、冶金、水利。钢铁、计量、医学、环保等领域。 3.3 钢板长度测量过程中需要探讨的问题 本论文研究背景是针对轧钢生产线中为了精确测量钢板输送速度和长度而进行的。在测量过程中，如果能精确测量钢板输送速度，就可以即时计算出钢板的长度。因为测速装置的精确性，这样可以减少废品率，节约原材料和能源，同时误差也很小，为后续测量提供精度保证。当然我们在长度测量过程中不可避免地会遇到一些影响测量结果或者阻拦测量系统运行的各类问题。以下是遇到的问题和对应解决之道。 1) 钢板在辊道上输送是有抖动的，因此存在左右方向和纵向上 的速度。而多普勒测速仪测得的速度实际上是一个合成后的速度。所以准确地讲我们用多普勒测速仪测得的是一条近似于直线的曲线上的速度而不是真正的直线。这里我们考虑辊道辊身的材料具有一定防震的特性（目前市面上已经有橡胶输送辊道和为玻璃生产提供的退火窑辊道等，这些都可以一定程度上起到防震防抖动的作用），并且输送速度是均匀平稳恒定的。而且在输送时均右对齐。所以我们认为此类因素对测量结果的影响甚小，所以可以忽略。 2) 轧制钢板本身并非是平直的，由于轧制工艺问题，钢板可能有弯曲现象存在，如图 3-3 所示 中厚板板形仪长度检测系统设计 24 图 3-3 轧制钢板示意图 由图可知，钢板是翘曲的，且钢板的绝对长度就是图示钢板翘曲曲线的长度。正对这类问题，我们用数学积分的思想来解决。在每 1/50 秒的时间间隔内测量速度并记录一次。由前文可知，钢板的长度控制在 5m 左右，输送速度 3m/s 。因为时间间隔很小，在 1.7s 测量时间内共可记录 85 次。通过计算每一小段长度再依次累加 ，就可以得钢板翘曲曲线长度即钢板的绝对长度。 3) 由于多普勒测速仪安装位置和激光传感器安装位置关系，对于长度的测量存在时间差，可能对整体长度测量结果存在影响。这里我们认为首先保证输送速度平稳且恒定。这样对多普勒测速仪测得的数据波动较小。产生的误差也在可接受范围之内。 4) 由于在测量过程中计算机程序也是在运行的，这势必需要一定的时间。但钢板的测量是大量的。所以我们需要保证钢板测量的持续性。对于这个问题我们可以从调整输送过程中钢板之间的距离。但需要注意的是在保证计算机程序运行顺畅的同时，还应该保证钢板输送效率也达到最佳状态。 钢板移 动方向 钢板翘曲曲线 钢板的侧面 浙江理工大学本科毕业论文 25 第 4 章 基于 Labview 的长度检测系统的设计 Labview（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种程序开发环境，由美国国家仪器（ NI）公司研制开发的，类似于 C 和 BASIC 开发环境，但是 Labview 与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而 Labview 使用的是图形化编辑语言 G 编写程序，产生的程序是框图的形式。 与 C 和 BASIC 一样， Labview 也是通用的编程系统， 有一个完成任何编程任务的庞大函数库。 Labview 的函数库包括数据采集、 GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等。 Labview 也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序的结果、单步执行等便于程序的调试。 Labview 是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而 Labview 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了 VI 及函数的执行顺序。VI 指虚拟仪器，是 Labview 的程序模块。 4.1 Labview 程序图主界面的设计 Labview 是图形化编程的工业生产和实验中非常普及的仿真软件。如图 4-1就是 Labview 的软件界面。打开软件后先新建文件，然后可以用工具建立一个文件，包含初始数据图像和目标数据的图像。由于初始数据和目标数据之间处在一一对应的关系，因此中间需要桥梁 ：函数。 图 4-1 Labview 软件界面图 中厚板板形仪长度检测系统设计 26 根据需要创建一个空白 VI 文件，在前面板设计表格和波形图。 4.2 速度测量程序框图和前面板的设计 我们用多普勒测速仪来测得钢板的输送速度。由前文可知，钢板的长度控制在 5m 左右，输送速度 3m/s 。因为时间间隔很小，在 1.7s 测量时间内共可记录 85次。所以我们需要设计一个程序用来得到一段时间内输送速度平均值和方差（反映速度波动情况）。并通过观察速度图像可直观了解情况。以下是我根据所需要掌握的数据情况设计的前面板。如图 4-2-1 所示。 图 4-2-1 速度分析前面板图 如图所示设计有“速度 时间间隔次数”图像，速度 记录表格和数据分析值：平均值与方差。 根据“通过模拟信号的建立，在进行数据采样压缩。通过对数据的统计处理”步骤创建中厚板板形仪长度检测系统的设计速度分析程序框图。如图 4-2-2 所示。 浙江理工大学本科毕业论文 27 图 4-2-2 速度分析程序框图 4.3 长度测量程序框图和前面板的设计 对中厚板的长度测量分析是本课题研究的核心内容。这里我运用 labview 软件对长度测量进行虚拟运行。因需要将设计得到如图 4-3-1 所示的前面板 图 4-3-1 长度分析前面板图 中厚板板形仪长度检测系统设计 28 由上图可知，我们需要测量得到速度数据统计，平均速度和用来反映速度波动 大小的方差；各纬度长度数据统计，平均长度和用来反映长度大小均匀程度的方差。所以我将根据上述目的用 Labview 创建程序框图： 图 4-3-2 长度分析程序框图 如图 4-3-3 所示，程序的建立大致分为四个步骤。 图 4-3-3 建立长度分析程序的流程图 创建速度模拟信号 创建 16 个纬度的长度位置信号 数据压缩、采样统计 数据采样统计 公式处理 数据输出与分析 浙江理工大学本科毕业论文 29 4.4 数值显示与分析 通过前文描述的程序的建立，然后创建模拟信号。程序顺利运行并在前面板上显示所测得的数据。同时进行数据分析为后续轮廓测量提供关键数据保证。 图 4-4 速度长度数据显示分析图 如图 4-4 所示，最终对长度检测系统的设计需要有相对应数据与图像显示。图像主要有“速度 时间间隔次数”曲线图像和“长度大小 位置”曲线图像。其中“速度 时间间隔次数”曲线图像主要表示出在测量时间内的速度波动。便于直观比较。而“长度大小 位置”曲线图像用来表示各位置（纬度）长度值信息。因曲线变化和直观的看出最大值和最小值。 上述图中还有数据以表格的形式显示出来的。如“长度位置分析表”，“长度数值统计表”“长度数据分析表”和“速度分析与统计表”。 “长度位置分析表”主要是记录 16 个位置（纬度）激光传感器检测到有中厚板记为“ 1 ”后对 85 个数值统计的结果；“长度数值统计表”主要是记录 16 个位置（纬度）进过测量和计算得出的中厚板长度；“长度数据分析表”是对于 16 个测量计算所得的长度数值的利用统计学的知识进一步计算与分析；“速度分析与统计表”是对多普勒测速 中厚板板形仪长度检测系统设计 30 仪所测速度的统计和对这些速度值得进一步分析。 如图 4-4 所示，经多普勒测速仪测得的速度平均值为 m/s 3.0060 。速度方差（速度波动大小情况）为 0.0010 。这与我们预先确定的输送速度 3m/s 且平稳输送相符合。误差也很小。根据前文的公式： 钢板的长度 itvL (4-4-1) 其中 it为第 i 次测量速度的时间间隔 ， v 为平均速度。公式中速度采取平均速度符合测量情况，公式适用。根据公式 4-4-1 计算所得钢板长度最大值为 m 5.0501 ，最小值为 m 4.8096 ，平均长度为 m 4.9411 ，方差为 0.0044 。这与预先我们确定的钢板长度控制在 m 5 左右相符合。误差也很小 。 综上所述，根据要求所编写的中厚板板形仪长度检测系统的设计程序，其运行后得出的相应实验数据与实验前设定的值相接近。其中输送速度的误差为%2.0%1003 3006.3 ，中厚板长度的误差为 %17 8.1%10 05 94 11.45 。误差在允许范围内。所以程序编写合理且符合要求。 4.5 小结 本章主要论述了运用 Labview 软件对长度检测系统设计的程序编写。具体有对编写的速度测量分析程序及其前面板的展示和对编写的长度测量分析程序及其前面板的展示和对测量数据的统计与分析。程序编写较为成功 ，符合预期目标。 当然也存在不足之处，不足之处在于最终结果显示的前面板上并没有表格可以直接显示出最大长度和最小长度。需要根据“长度大小 位置”曲线图像观察和 “长度数值统计表”查找得出结果。这对于数据量较小还行得通。当数据量较大时，查找“最值长度”会有不小的工作量。 浙江理工大学本科毕业论文 31 第 5 章 MATLAB 编程 MATLAB 是由美国 mathworks 公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一 个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如 C、 Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB 和 Mathematica、 Maple、 MathCAD 并称为四大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。 MATLAB 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、 连 接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、 信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 来解算问题要比用 C， FORTRAN 等语言完成相同的事情简捷得多，并且 MATLAB也吸收了像 Maple 等软件的优点，使 MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对 C， FORTRAN， C+， JAVA的支持。可以直接调用 ,用户也可以将自己编写的实用程序导入到 MATLAB 函数库中方便自己以后调用，此外许多的 MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下 载就可以用。 5.1 程序编写 前一章我们主要运用 Labview 软件对长度检测系统设计的程序编写。完成了对钢板的长度测量。不足之处在于最终结果显示的前面板上并没有表格可以直接图 5 Matlab 主界面图 中厚板板形仪长度检测系统设计 32 显示出最大长度和最小长度。需要根据“长度大小 位置”曲线图像观察 和 “长度数值统计表”查找得出结果。这对于数据量较小还行得通。当数据量较大时，查找“最值长度”会有不小的工作量。所以就需要使用 Matlab 这一数学软件对数据进一步处理。 在 MATLAB 中进行数据处理或计算 ,已知原始资料一般为磁盘文件 ,格式有*.txt， *.xls， *.wkl,*.dat， *.m等等。却不包含 Labview 软件一般用来写入数据的*.lvm， *.tdms， *.tdm格式的文件。 所以需要用一个 Write a Spreadsheet File.把vi程序把表格数据导出到 Microsoft Excel 文件中。这只需要在长度分析程序框图中加入上述程序如图 5-1 所示 图 5-1 Labview 程序 框图变化图 经测量后将数据写入 Excel 文件中，这样就可以利用 Matlab 编程了。 编写的程序为： A=xlswrite (d:MATLAB7workchangdu.xls,a1:p1)； %从磁盘中写入文件 MAX=max(A)； %求最大值 MIN=min(A)； %求最小值 经运行可以得出数值。 添加程序后 浙江理工大学本科毕业论文 33 5.2 小结 本章主要介绍了 Matlab 软件的相关背景及内容。并具体对如何处理上一章所遗留的不足之处给予完整的回答 最值问题的处理分析。这样从整体性上完整的测量和分析了中厚板 板形仪对钢板长度检测的任务。 但还需考虑在实际环境中，需要不断重复对测量所获数据进行分析处理。即保持程序随 Excel文件新数据的写入不断更新工作。 Excel Link 是一个在 Windows 环境下实现 Excel 与 Matlab 进行链接的插件。通过连接 Excel 和 Matlab，用户可以在 Excel 工作表空间和宏编程工具中使用Matlab 的数值计算，图形处理等功能，不需要脱离 Excel环境。同时由 Excel Link来保证两个工作环境中的数据交换和同步更新。这是目前常用的一个解决办法。 中厚板板形仪在线检测是一个 综合性的工程。由于本人做的只是长度检测系统设计这一模块，所以在与同组同学交流中还需考虑“数据竞争”，程序合理性等问题。这对今后的研究工作提出了新问题、新要求。 中厚板板形仪长度检测系统设计 34 第 6 章 总结与展望 本章对全文的设计研究进行了概括性总结，并对后续研究工作的设想和计划进行了探讨 。 6.1 总结 以上是我对中厚板板形仪长度检测系统的设计的研究。提出了能实现冷轧中厚板长度非接触式在线检测的原理，并对该长度检测原理进行了深入的研究。利用所编写的长度检测程序，不仅实现了中厚板长度在线检测和显示，而 且还对冷轧中厚板长度检测原理性能进行了检验，证明了长度检测原理的正确性和处理算法具有运算速度快、可靠性高、准确性高和实用性强的特点。 通过对中厚板板形仪长度检测系统的设计的研究，主要完成了以下几方面的工作。 1) 针对冷轧中厚板长度检测仪的检测目的，构建了长度检测仪系统的整体构架，主要有长度检测系统机械结构布局，期间与同组成员交流讨论来确定电气结构、通信结构的设计使中厚板板形仪具备了图像采集、控制、处理、通信和测量数值显示的功能。 2) 提出了中厚板长度非接触式检测的原理与方法，并进行深入研究。 3) 介绍了多普勒测速仪及其 工作原理，并针对中厚板长度测量过程中所遇到的问题进行预先规划和提出解决方案。最后付诸实施。 4) 利用 Labview图形化编程软件编写中厚板长度检测的应用程序实现了对长度和速度检测结果的显示。并对检测结果进行数据分析 6.2 展望 通过上述工作设计的中厚板长度检测系统虽然能比较精确地达到检测目的，但依旧存在许多问题。 1) 进一步完善板型仪仪中各子系统之间的数据交互方式，避免出现数据之间的竞争现象，实现各子系统之间的协调通信。 2) 考虑到冷轧中厚板生产现场的实际情况，需要利用多台激光传感器来进行“位置感应”。在实际环 境中可能会受到信号干扰，这需要进一步的分析和研究。 浙江理工大学本科毕业论文 35 3) 为了提高冷轧中厚板板型仪的长度检测精度，也为了使检测仪的安装趋于简单化，需要进一步研究多普勒测速仪和激光传感器安装精度对检测仪的影响。考虑多普勒测速仪安装位置和激光传感器安装位置关系，对于长度的测量存在时间差，可能对整体长度测量结果存在影响。 4) 在冷轧中厚板生产线上，考虑到钢板在辊道上的振动是比较严重的，因此需要进一步研究如何减小和补偿振动引起的测量误差。 5) 由于在长度测量过程中 ,激光传感器每隔 50/1 秒测量并记录一次。从 常理上讲，这 85 组数据只有首尾会出现“ 0 ”情况。但若是一些不规则的轧制钢板如图 5-2 所示，就会在数据组中间也有出现 “ 0 ”情况。这样会影响到真正测量的准确性。 图 6-2 特殊不规则中厚板板型图 以上都是我所设计的系统尚未解决或尚未考虑到的问题，由于自己深入研究时间所限或者受专业知识局限将留待后期深入继续研究学习。 中厚板板形仪长度检测系统设计 36 参考文献 1.刘汉章我国钢铁行业研究 J合作经济与科技， 2011(14)： 19-20 2. 徐康宁，韩剑中国钢铁产业的集中度、布局与结构优化研究 J中国工业经济， 2006：38-44 3. 刘姝宇 . 轧钢厂中多普勒激光测量仪的应用 J. 山西冶金， 2009， 117： 74-75. 4. 陈敏，汤晓安 . 虚拟仪器软件 Labview 与数据采集 J.小型微型计算机系统， 2001，22(4)： 501-503. 5. 李拥军，杜立辉，高学东中国钢铁产业为何 出现逆集中化现象 J经济纵横， 2006：24-26 6. 王香菊 . 基于中值滤波与小波变换的图像去噪方法研究 D.西安科技大学， 2008. 7.沈熊 . 激光多普勒技术及应用 M. 北京 :清华大学出版 社 ,2004 8. 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