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北京邮电大学硕上学位论文 板带钢轧辊辊型及其磨损检测系统的研究与实现 摘要 带钢板材s l n 过程中，轧辊是重要的冶金工具，它的工作状态将 直接影响n s l 钢产品的质量。如何有效地检n s l 辊辊型及其磨损程 度，对于确保s l n 的稳定性，提升板型质量和生产效率有着极为重要 的意义。 本文提出并设计一种基于两组“和差补偿 原理的轧辊辊型及磨 损度的检测系统，针对本检测系统g x u 智能辊型测量仪主要取得以 下几个方面的成果： l 、研究轧辊辊型及磨损度检测系统的数学模型并完成建模算 法，为辊型仪的制作提供了数学模型和理论基础。 2 、设计并制作完成辊型仪的机械结构，实现仪器的定位及平稳 移动、测量范围的可调整及测量臂连接安装、传感器的安装与调整等 功能，保证g x u 智能辊型测量仪具有高精度、高灵敏度、高稳定性、 灵活性好等优点。 3 、设计并制作完成辊型仪嵌入式系统，实现仪器操作具有“可 人机对话 、“输入轧辊各种参数 、“自动采集测量数据”、“数据处理 与显示 、“存储多组轧辊测量结果”、“显示和传输各种数据 的功能。 4 、设计并完成辊型仪数据库管理系统，实现辊型数据的接收并 显示辊型曲线的功能。 经过轧钢现场使用g x u 智能辊型测量仪测量轧辊辊型的实验 及结果分析得出：输出结果可以满足板带钢厂对轧辊辊型及其磨损度 的测量要求：辊型仪的操作简单，便于使用，具有很大的应用价值。 关键词：辊型检测，和差补偿，g x u ，嵌入式系统 i i i 北京邮电大学硕士学位论文 s t u d ya n dr e a l i z er o l l t y p e 姗a rd e g r e ed e t e c t i o ns y s t e m o fp l a t es t i u pr o l l i n g a b s t r a c t r o l li sa l li m p o r t a n tm e t a l l u r g i c a lt o o li nt h ep r o c e s so fs t r i ps t e e l p l a t er o l l i n g ，i t sp e r f o r m a n c ew i l ld i r e c t l y a f f e c tt h eq u a l i t yo fs t e e l r o l l i n gp r o d u c t s h o wt oe f f e c t i v e l yd e t e c tr o l l - t y p ea n dw e a rd e g r e eh a s av e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gp r o d u c ts t a b i l i t y , q u a l i t ya n d p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y t h i sp a p e rp u t sf o r w a r da n dd e s i g n sar o l l - t y p ea n dw e a rd e g r e e d e t e c t i o ns y s t e mb a s e do i l a n d d i f f e r e n c ec o m p e n s a t i o n ”w em a i n l y o b t a i nt h ef o l l o w i n gr e s u l t sa i m e da tt h ed e t e c t i o ns y s t e mg x - u i n t e l l i g e n tr o l l t y p ei n s t r u m e n t 1 s t u d ym a t h e m a t i c a lm o d e lo fr o l l t y p ea n dw e a rd e g r e ed e t e c t i o n s y s t e ma n dc o m p l e t em o d e l i n ga l g o r i t h m ，w h i c hp r o v i d em a t h e m a t i c a l m o d e la n dt h e o r e t i c a lb a s i so fi n s t r u m e n t 2 d e s i g na n dm a n u f a c t u r em e c h a n i c a lo fi n s t r u m e n tt o a c h i e v e s o m ef u n c t i o n s ：t h el o c a t i o na n dm o v e m e n to fe q u i p m e n t 、a d j u s t a b l e m e a s u r i n gr a n g ea n ds e n s o ri n s t a l l a t i o na n da d j u s t m e n t ，w h i c he n s u r e s t h es y s t e mh a st h ea d v a n t a g e so fh i g hp r e c i s i o n ，h i g hs e n s i t i v i t y , h i g h s t a b i l i t ya n dg o o df l e x i b i l i t y 3 d e s i g na n dm a n u f a c t u r et h ee m b e d d e ds y s t e mt oa c h i e v et h e s e f u n c t i o n s ：“m a n m a c h i n ed i a l o g u e ”“e n t e rt h ep a r a m e t e r so fr o l l ”、 “c o l l e c td a t aa u t o m a t i c a l l y 、p r o c e s sa n dd i s p l a yd a t a 、“s t o r e m u l t i p l es e t so fm e a s u r e m e n tr e s u l t s 、d i s p l a ya n d t r a n s m i s s i o n v a r i o u sd a t a ” 4 d e s i g na n dc o m p l e t et h ed b m s o fi n s t r u m e n tt or e c e i v er o l l t y p e i v d a t aa n dd i s p l a yr o l l t y p ec u r v e a f t e ru s i n gt h eg x ui n t e l l i g e n tr o l l t y p ei n s t r u m e n tt om e a s u r e r o l l t y p e ，w ea n a l y z et h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dd r a wc o n c l u s i o n s ：t h e r e s u l t sc a ns a t i s f yt h em e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n t so f r o l l t y p ea n dw e a r d e g r e ei ns t r i ps t e e lp l a n t ；t h ei n s t r u m e n ti ss i m p l e ，e a s yt ou s e ，h a sg r e a t a p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：r o l l t y p ed e t e c t i o n ，a n d d i f f e r e n c ec o m p e n s a t i o n ， g x u ，e m b e d d e ds y s t e m v 北京邮电大学硕士学位论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期： 仝z ：! ：! 笠 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： ，适用本 日期： 日期： i i 北京邮电大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 钢铁一贯素有“工业粮食 之称，钢铁材料是诸多工业领域中的“必选材料”， 既是许多领域不可替代的结构材料，也是产量最大，覆盖面极广的功能材料。钢 铁工业长期以来是世界各国国民经济的基础产业，在国民经济中具有重要的地 位。钢铁工业发展水平如何，历来是一个国家综合国力的重要标志，钢铁产量与 人均钢消费量一直是一个国家经济发展程度的重要指标。我国历来重视钢铁工业 的发展，总把钢铁工业作为基础产业和宏观调控的重点行业，这就使得我国现在 的钢铁年生产量已经达到近5 亿吨，位居世界第一位，是第- n 第六位( 日本、 美国、俄罗斯、韩国、德国) 的总和还强，我国已是名副其实的钢铁大国。但是， 我们要清醒看到我国钢铁工业与发达国家的差距，主要表现在：自主创新能力不 够强；缺少具有自主知识产权的核心技术；一些高附加值品种的质量还不能满足 国民经济各部门的需求，特别是在具有高附加值的板带钢生产技术方面，与西方 欧美发达国家相比差距更大【l 】。国外先进的钢铁生产技术，不仅实现了对轧钢全 过程各种主要工艺参数进行实时测量、记录与监控，还涵盖了对轧件形状、尺寸、 表面状态( 质量) 、轧辊表面状态、设备磨损状况等的测量与监控，为实现全过 程的控制和生产线的顺利运行提供着重要依据【2 】。据有关专家估算，在轧钢过程 中采用生产自动化、智能化的全过程参数控制，可以降低成本1 5 - - - 2 0 。由此 看来，借助先进检测与控制技术，来提高板带钢产品的竞争力就显得极为重要【3 】。 1 2 课题意义及来源 在板带钢生产中，轧辊是带钢板材轧制过程中的一种重要的设备部件，它是 利用一对或一组轧辊滚动时产生的压力来轧碾钢材。它的工作状态将直接影响到 轧制的稳定性及板型质量【4 】。在轧制的过程中，轧辊不断受到变形、热膨胀、磨 损等因素的影响，当辊型磨损变化超出了其有效工作状态时，就会使轧制带钢产 品质量下降。所以为了确保轧制的稳定性，不断提升板型质量，轧辊在上轧机前 和使用一段时间后必须进行精确测量与检验【5 j 。轧辊磨损检测是实现轧钢板形控 制和提高轧辊作业率的重要条件，不仅可以大幅度提高轧制后板带材的板形质 北京邮电大学硕士学位论文 量，而且还可以最大限度提高轧辊的使用效率，使生产更经济高效。因此，轧辊 磨损的精确检测技术的研究就成为了提高轧机生产效率的一个关键问题。 正确的测量与检验轧辊是认识轧辊的机械性能、几何形状及其精度状况的基 本手段。通过检测可以达到正确判断轧辊是否符合精度要求，并根据测量得到的 误差值，分析产生误差的原因，从而采取措施改进工艺，以保证和不断提高轧辊 的精度【6 】。对于轧钢厂正使用的轧辊，由于轧钢过程中辊身部分辊型的磨损，下 轧机后要测量轧辊的磨损量，以确定其在磨床上修复辊型时的磨削量。对于磨削 后的这些轧辊，除测量辊身直径、轧辊同轴度外，其重点还是测量轧辊辊型。 随着轧制技术的不断成熟与完善，在特定的工艺条件下，轧制某种材质的材 料，轧辊应该具备什么样的辊型，才能保证轧制时辊缝均匀一致并生产出高质量 的板带材，也日趋成为定数。目前设计的板带钢的辊型是在保证辊身每一横截面 圆度好的前提下，沿辊身长度方向上的凸度、凹度、波度( 如s 型) 、锥度等几何 参刻3 1 。经磨削后的轧辊，或轧制一定数量的板带材后的轧辊，还能否满足这些 设计参数要求，就必须通过测量来检验。目前，我国板带钢的产量与钢铁总产量 的占有比约为3 3 ，年产量达到约1 7 亿吨，有数百条生产线，有大量的轧辊检 测工作量，市场上需求大量的轧辊辊型检测仪器。 本课题源于商丘魁斗计量测控有限公司与本溪钢铁公司的合作项目“g x - u 智能辊型测量仪 ，目的是研究出一种高精度智能测量仪器，主要用于板带钢生 产中的柱体轧辊辊型( 如s 型、凸度、凹度、直线型、锥度等) 及其磨损程度的测 量，以解决传统测量工具不能测量现代化轧机的轧辊辊型及其磨损量的需求。 1 3 国内外研究与发展现状 随着轧制技术的进步，在板带钢轧制方面，传统的两辊等落后的轧机已经逐 渐被淘汰，新的机型仍在不断开发和完善。轧机的辊型根据轧制的需要，也由要 求平辊型发展到正凸、正凹辊型，再到曲线( 如正弦曲线、抛物曲线、c v c 轧机 的s 型曲线，还有综合叠加的二次、三次、四次方曲线等) ，伴随着轧辊辊型曲 线要求的高精度和多样化，对辊型检测的要求也越来越高【7 】。国外发展中国家的 检测设备与技术水平与我国现阶段大多数生产厂家情况相当，不及我国的宝钢、 鞍钢、武钢等大型钢铁企业。而美国、日本、德国等发达国家的轧辊辊型的检测 设备与技术水平，总体看来要比我国强的多，他们已经很少使用传统的千分尺、 马鞍仪等，取而代之的是电子类辊型测量仪或在线测量。轧辊辊型测量的工具和 方法有多种，采用不同的测量方法其测量效果和经济性不同，现分述如下。 2 北京邮电大学硕士学位论文 1 3 i 千分尺测量 千分尺是一种长度测量工具，是利用精密螺纹副原理测长的手携式通用长度 测量工具【9 1 。千分尺测量辊型需单点多次测量，测量的是离散点，操作简便。生 产工艺简单，测量设备价格便宜。但测量速度慢，精度低，需要高的使用技能， 无法动态测量。目前国内还有不少带钢生产厂家在使用【l o 】。 1 3 2 鞍式辊型测量仪 用鞍式辊型测量仪( 马鞍仪) 测量轧辊辊型是一种比较传统的测量方法。测量 时首先根据被测轧辊的大小选择测量范围合适的马鞍仪。然后对仪器进行调整， 如图1 1 所示： 紧 图i - i 鞍式辊型测量仪测量示意图 将仪器放置在被测轧辊的正上方，使鞍座上的四滚轮都与被测轧辊的辊面相 接触：调整定位重锤使其定位端部在被测轧辊的最大直径附近将其固定；安装调 整百分表及其滑座，使百分表测量头与被测轧辊的辊面接触，并使百分表测量杆 受到一定压缩( 量表指针在量程的中部附近) 后将其固定。仪器调整完毕后，推拉 仪器沿轧辊轴向移动，由于测力定位重锤的作用，在仪器移动时保证了重锤杆的 端部始终与被测辊面接触，当被测轧辊直径变化时，测量表即指示出相对起始点 的变化量【l l j 。 为保证仪器能测量到轧辊的两端，测量时一般应该在轧辊的中部两次调整 ”0 ，位，先测量轧辊的左( 右) 半部，再测量轧辊的右( 左) 半部。这种仪器测量，需 要高的使用技能，曲线轧辊( c v c 轧辊) 无法测量。生产工艺相对复杂，需要较高 的使用技能，性价比适中，仍有一些生产低端板带钢的厂家在使用】。 3 北京邮电大学硕士学位论文 1 3 3z d c 系列轧辊多参数测量仪 z d c 系列测量仪主要用于测量轧辊辊型的凸度，凹度，锥度，椭圆度等多 种参数。测量架体为整体铸造铝镁合金弓型架，其大小根据被测件而定，能适应 被测轧辊直径变化范围0 1 8 0 2 2 0 0 m m ( j 恿常每1 0 0 m m 或2 0 0 m m 范围设计成一种 规格) ，左右两侧下端分别与左右两个扶向定位板用螺丝固定连接，定位板与被 测工件的接触处采用高速工具钢( w 1 8 c r 4 v 等) 材料，如下图1 2 所示： 主视图左视图 图1 - 2z d c 系列轧辊多参数测量仪 测量杆安装在测量架体上中部的圆孔内，根据被测件的大小可上下调整。其 上端安装有测量表( 也可安装电测量传感器，配置计算机，实现数据处理、显示 辊型曲线、打印和数据存储功能) ，通过测量杆内部的导向传动杆与测量头相连。 用测量架体中部的旋扭固定测量杆的位置，测量架体中部侧边附加安装游标测量 尺，可测量轧辊直径【1 2 】。 轧辊多参数测量仪测量快速，可部分替代千分尺。它是我国的一种专利产品， 能准确迅速测量板带钢轧辊( 不适用于c v c 轧辊) 辊型、直径、椭圆度等多种参 数的新型仪器，经济实用，目前国内外已有几百个板带钢生产厂家使用【l o 】。 1 3 4c a d n o 电子辊型测量仪 c a d n o 电子辊型测量仪是由英国m e t r o l o g ys y s t e m sw a l e s 公司推出，可以 对精轧工作辊辊型进行精确测量与分析，其精度可以达到0 0 0 1 m m 。它的测量范 围为2 7 5 8 2 5 m m ，采用的是铝合金材料，呈线性测量，外型如图1 3 所示： 4 n 京口m # 日学位论文 图1 - 3c a d n o 电子辊型测量仪 它的定位传感器随着支撑轮转动一周获得1 0 0 位脉冲信号，由此测量辊身长 度，其测量范围可以达到辊身的最边缘。为防止仪器在测量时发生偏移和打滑， 直径1 0 0 m m 的支撑轮设计为粘性聚氨醋轮。c a d n o 测量仪可作为检测工具单 独使用，也可与本公司开发的c a d n o2 0 0 0 辊型数据分析管理系统配套使用， 使所测得的辊型数据通过串口与电脑相连，输入到c a d n o2 0 0 0 辊型数据分析 管理系统。系统在接收到辊型测量数据后会自动生成轧辊辊型实测曲线图。用户 测量的辊型数据在储存到c a d n 0 2 0 0 0 辊型数据分析管理系统后，任何一项辊 型测量数据记录都可捡索出来，以便于研究和数据处理【l ”。 它有两个测量臂，单测量传感器，形成单个测量截面，测量轧辊时移动一次 可测量到轧辊的两端，但由于每个测量截面是单一测量传感器，无和差补偿功能， 且仪器较重易形成较大的测量误差，无温度测量功能。 3 5p w t 便携式轧辊测量仪 p 、v t 便捷式轧辊测量仪由德国埃佛特工业技术有限公司研发，它主要有三 部分组成，鞍型轧辊测量仪3 0 4 0 ，电子传感系统w m g l 0 0 ，数据处理软件s w l 0 7 如图1 4 所示： 黼 幽1 4p w t 便捷式轧辊测描仪 北京邮电大学硕士学位论文 电子传感系统w m g l 0 0 非常轻便，它由电池驱动，能非常容易的安装在鞍型 轧辊测量仪上，通过专用接口可将检测到的数据传输到w i n d o w sc e 操作系统的 p o c k e t - p c 上。 测量数据还可以上传到p c ，做更深入的分析、存储和打印。数 据使用标准化格式，以便使通用软件都可以进行数据分析n 引。 仪器较轻，很相似于传统马鞍仪，两个测量臂，单一测量传感器( 马鞍仪的 量表位置) ，形成一个测量截面，测量轧辊时需移动两次( 测量一端后要移动变换 测量臂的位置) 才可测量到轧辊的两端，无和差补偿功能，易形成较大的测量误 差，无温度测量功制巧】。 1 4 本论文主要研究内容 本课题的主要研究内容是研制一种智能化的检测轧辊辊型及其磨损的高精 度测量仪器。要求其结构简单、体小质轻、操作方便、测量快准、配有接口便于 和计算机相连实现测量的智能化，在实现测量轧辊辊型曲线的同时可测量轧辊表 面的温度数据。 围绕这种智能化的检测轧辊辊型及其磨损的高精度测量仪器，我们必须在以 下几个方面进行研究： 第一、轧辊辊型磨损检测系统的数学模型研究。 第二、测量架体的设计与制作：主要实现仪器的定位及平稳移动、测量范围 的可调整及测量臂连接安装、传感器的安装与调整等功能。 第三、测微电路设计与制作：实现对微信号的采集接收、信号放大、和差运 算等处理功能。 第四、电源电路设计与制作：实现对测量传感器、测微电路、专用嵌入式计 算机系统提供工作电源保障。 第五、专用嵌入式计算机硬件与软件的设计与制作：实现操作”可人机对话、 ”输入轧辊各种参数 、n 自动采集测量数据”、”数据处理与显示”、n 存储多组轧 辊测量结果”、”显示和传输各种数据”的功能。 第六、上位计算机辊型管理应用软件的设计与编程。 6 北京邮电大学硕士学位论文 第二章g x u 智能辊型仪机械结构设计 研究“和差补偿 原理，并建立基于“和差补偿 原理的数学模型， 并根据此数学模型进行机械结构设计，主要是设计鞍车测量架体，该测量 架体具有带刻度滑动臂及四轮可滚动鞍车，使仪器测量范围可调节、操作 方便、测量稳定。 2 1 基于“和差补偿 的数学建模 2 1 1 “和差补偿”原理 “和差补偿 原理是利用一组传感器，分组安装在轧辊同一轴向剖面 的相隔跨距对径位置上，传感器a 和传感器b 是一组，传感器c 和传感 器d 是一组，这两组传感器在被测轧辊上进行轴向移动时采集大量轧辊轴 径变化数据，再把这些数据分组传输到专用电器箱中进行加法运算处理以 消除误差。例如当测量架体沿着轧辊轴向移动的同时往某一方向横向摆 动，传感器a 值( c 值) 如果增加，那么传感器b 值( d 值) 就会减少，同组 传感器求和后就排除了由于测量架体横向摆动产生的误差，从而提高测量 精度。 测量时起始点尽量靠近轧辊端部，测量方向为沿辊身从驱动侧向操作 侧，以指定间距采集测量数据，通过对上轧机前及下轧机冷却均匀后的同 一个轧辊的测量和比较处理，就可得到轧辊实际辊型曲线【1 6 】。测量原理如 图2 1 所示： 拖罐强耪 图2 1数据采集与处理的数学模型建立示意图 7 北京邮电大学硕士学位论文 2 1 2 “和差补偿 轧辊辊型数学模型的建立 该原理的数学模型建立分为五步。 1 、确定初值零点：由于本数学模型主要是测量变化量，测量结果都 以相对值形式保存，即测量起始点处数值应为零，其它点数值为该点与起 始点的直径差值。所以要在被测轧辊的最右端确定各路传感器的初始点 砌0 、场0 、您队v d o ，并把他们作为初值零点。 2 、“和差补偿 算法：测完初值零点后可以移动辊型仪，每移动一 个设定步距，辊型仪自动进行一点测量。测量时传感器a 值和传感器b 值、 传感器c 值和传感器d 值将通过专用电脑电器箱内的“加法器”各合成一 路，也就是未去除零点值的数据v a b kv a + v b ，v c d = v c t + 阿t ，每个测量 点一组有两个数据v a b 和v c d ，其中： v a b = v a b - ( v a o + r b o ) ， v c d = v c d ”一( m + v d o ) 。 3 、归一化处理：测量仪在测量时从一端移动到另一端，传感器a 、传 感器b 无法测量轧辊的前半部分，传感器c 、传感器d 无法测量轧辊的后 半部分，所以采用两组传感器使测量仪在一次移动过程中，可以采集完轧 辊上的所有数据并进行处理。但利用这种方法在进行数据处理时，要依据 客观一致协调条件：在覆盖段的右端点处有两个测量值：v a b ( n ) 和v c d t ( o ) ， 两者值实际上应该是相等的，但由于a b 和c d 两组传感器测零点时轴向 位置不同，使得v a b ( n ) 和v c d ( o ) ，未处理前不等。由于v c d ( o ) = 0 ，说明v a b 和删由于零点位置不同造成的基准差值为v a b ( n ) ，要进行归一化处理【1 7 l 。 因此它的数据处理模型如图2 2 所示： 图2 - 2“归一化”原理数据处理模型 8 b 北京邮电大学硕上学位论文 设轧辊测长为l ( m m ) ，跨距为l ( m m ) ，步距为s ( m m ) ，总测点数为，两 端不覆盖点数为胛，中间覆盖点数为m ，施测点序号为i ，则 总测点数为： n = k 一甩+ 1 = ( l 1 ) s + 1 ， 总数据点数为：z = l s + 1 = k + 1 两端不覆盖点数：刀= l s 中间覆盖点数： m = z 一2 n = l s + 1 2 1 s = ( l 一2 1 ) s + 1 零点t 轧辊的右端记为v a o 、y b o 、v c o 、v d o 和差补偿： y a b 是未去除零点值的数据tv a b - v a + 场 玩d 是未去除零点值的数据：聊_ 眙- t + 阿t 则： v a b = v a b - ( v a o + v b o ) v c d = v c d ”一( 玩o + v d o ) 归一化处理： 由于v a b ( n ) = y c d ( o ) ，则在覆盖段： y c d ( i - n ) = v c d ( i - n ) + y a h ( n ) i = 万，疗+ 1 ，l + 2 ，k - n 在左结束段：v c d ( i ) = v c d ( f ) + v a b ( n ) i = k - n + 1 ，k - n + 2 ，七 4 、轧辊辊型数据处理值： 每测量点一个数据，k 一刀+ 1 个测量点，尺+ 1 个数据。 在右开始段： v i = v a b ( i ) f - o ，1 ，2 ，n - 1 在中间覆盖段： v i = v a b ( i ) + v c d ( i n ) 2 = v a b ( i ) + v c d o 一咒) + v a b ( n ) 2 ( i = 刀，n + l ，n + 2 ，k n ) 在左结束段： v i = v c d ( i ) = v c d ( f ) + v a b ( n ) i = k - n + 1 ，k n + 2 ，后 以轧辊测长为横坐标，v i 2 ( 半径差) 为纵坐标，绘制的各测量点的 连线即为被测轧辊的辊型曲线【17 1 。 9 北京邮电大学硕士学位论文 5 、轧辊磨损数据的取得 同一个轧辊：上轧机前的辊型数据所初下轧机冷却均匀后的辊型数 据班士，则轧辊磨损数据： v i m = 所初一所末， 其中( f = 1 , 2 ，3 ，k + 1 ) 各测量点两次测量数据的差值即为轧辊磨损数据，以轧辊测长工为横 坐，班2 为纵坐标，绘制的各测量点的连线就是轧辊实际磨损曲线。 2 2 机械结构的整体设计 根据以上推导出来的算法进行机械设计，主要是设计鞍车测量架体，该测量 架体具有带刻度滑动臂及四轮可滚动鞍车，滑动臂上轧辊的对径位置上前后安装 了两组( 4 个) 高精度电测量传感器，使仪器测量过程中具有“和差补偿 ，它的右 视图与俯视图如图2 3 、2 4 所示【1 7 l ： 图2 3 辊型测量仪测量架体示意图( 右视图) 图2 4辊型测量仪结构连接示意图( 俯视) 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 仪器设计有测长脉冲编码器机构，使得轧辊轴向测量步距的高精度及 测量点数的可选择。仪器设计有温度测量机构，使得仪器在测量辊型的同 时可测量轧辊表面的温度数据，为减少温度影响而引起的辊型测量误差及 分析轧辊的热凸度等提供了方便。 2 3 鞍车的设计 鞍车是跨骑在被测轧辊上并且承载着带刻度的滑动臂的部件，它的主要作用 是：连接安装测量臂；连接安装嵌入式系统及外壳；连接安装测长编码器机构； 保证仪器沿轧辊辊身( 圆柱体) 平稳运行，鞍车与各部件的连接如图2 5 所示【1 8 】： 图2 - 5鞍车与各部件的连接示意图 如上图所示：由于被测轧辊的直径参数设计为5 0 0 0 0 0 m m ，为保证鞍车在 移动时运动平稳和定位准确，四轮的前后轮距设计为2 5 0 r a m ，左右轮距为 2 2 0 m m 。测量臂回转轴是连接测量臂v 型滑架与鞍车的载体；测长编码器在仪 器的左边，由外边的长方体金属保护盒包裹着安装在鞍车上；右边则是放嵌入式 系统；温度传感器座安装在鞍车的右前端；滚轮选用耐磨不锈钢材料，内镶铜套 轴承。鞍车滚轮的连接如图2 - 6 所示，四滚轮通过相应的滚轮轴、调整垫片，连 接在鞍车体上四滚轮连接在鞍车体上。 图2 - 6鞍车滚轮连接示意图 北京邮电大学硕士学位论文 2 4 测量臂的设计 测量臂v 型滑架通过测量臂回转轴与鞍车座的上部连接，测量臂的上部有 提把，下部的两边有两个“丁 字型的测量臂体，测量臂体在v 型滑架上可移 动，以满足轧辊测量范围( d 。证d 脚。) 变化的需要，指标线对正滑杆上的数字刻 线为被测直径，并能通过紧定螺将其固定。每个“丁字型的测量臂体上，各连 接安装有相距2 5 0 r a m 的用于安装两个传感器的测量头，如图2 7 所示： 图2 - 7 适应测量范围变化示意图 2 4 1 测量臂v 型滑架的设计 为使测量仪结构紧凑且满足使用要求，测量臂v 型滑架设计成如图2 8 所示： 它由横梁和滑尺组成，横梁上部设计有提把，横梁下部连接两个带有刻度的滑尺 杆，横梁的中部设计有连接鞍车座的安装孔。 图2 - 8 测量臂v 型滑架设计 北京邮电大学硕士学位论文 2 4 2 测量臂体的设计 测量臂体设计为两个，分前测量臂体和后测量臂体，为便于鞍车座对应位置 的安装，测量臂体设计成了非对称型状，以滑尺孔的中心面分左短右长。测量臂 体上加工有滑尺安装孔，上部以螺纹连接有测量臂体紧定螺，将测量臂体安装在 滑尺的适当位置后，旋紧测量臂体紧定螺，可将测量臂体固定在需要的位置。下 中部螺纹连接有保护测量头的限位螺，在限位调整螺上安装有限位紧定螺圈，限 位调整螺调到适当位置后，通过旋紧螺圈将其固定。在后测量臂体的左端设计有 安装c 传感器测量头的安装孔，右端设计有安装a 传感器测量头的安装孔。在 前测量臂体的左端设计有安装d 传感器测量头的安装孔，右端设计有安装b 传 感器测量头的安装孔。各传感器的测量头通过对应的测量头紧定螺固定其位置， 见图2 9 ，图2 1 0 所示： 图2 - 9 后测量臂体 图2 1 0前测量臂体 1 3 北京邮电大学硕士学位论文 2 5 测量头的设计 设计了四个测量头，前、后测量臂体各安装两个，分别用于安装调整a 、b 、 c 、d 四个传感器，它的结构型式完全一样，如图2 1 1 所示： 图2 - 1 1 测量头总体结构图 2 5 1 传感器的连接关系 测量头通过微调连接体安装在测量臂体的测量头安装孔内。传感器测头部自 身有一向外的弹力，其前端与测杆接触，通过弹性套和传感器安装紧定螺帽将传 感器安装在传感器连接体上。传感器后端的外部通过连接螺丝安装有传感器保护 套。传感器连接体内装有测力弹簧、测杆、测杆防转套、测杆扶向套，弹簧一端 抵压弹性套，另一端抵压测杆后部，使测杆获得一个始终向外的力，在扶向套内 向外运动至测杆后端环型部与测杆防转套接触。测杆的中部设计有防转销，该销 可在防转套的滑槽内沿测杆轴向移动。测杆与测杆扶向套精密配合，以保证测杆 的移动精度。 测杆的行程设计为4 2 4 5 r a m ，以保证仪器测量变化范围一2 m m + 2 m m 。 实际测量时，调整仪器使测杆端部与被测轧辊相接触并压缩至测杆在行程的中部 位置。当被测轧辊的直径变大时，推测杆向内压缩测力弹簧及传感器测杆向内。 当被n ! f l 辊的直径变小时，在测力弹簧及传感器弹性向外的力共同作用下，测杆 及传感器测杆向外。 1 4 北京邮电大学硕士学位论文 2 5 2 测量头的微调设计 传感器连接体安装在微调座体内，其后部抵住微调座体，通过其前端的螺纹 与传感器连接体螺圈固定连接。微调座体外部套有柱体微调弹簧( 压簧) ，安装在 微调连接体的空腔内，一端抵住微调连接体，另一端抵住微调座体。微调紧定螺 与测量臂体螺纹连接，其端部置入微调座体的防转滑槽内。微调螺圈与微调座体 外端部的螺纹连接，在微调弹簧的弹力作用下，保证微调螺圈的内端面与微调连 接体的外环型的端面相接触。其微调机构的连接图如图2 1 2 所示： 图2 1 2 测量头的微调机构图 旋松微调紧定螺，顺时针旋微调螺圈，微调座体在微调紧定螺端部防转制动 下，压缩微调弹簧，带动传感器连接体、传感器、测杆等部件一起向外移动。逆 时针旋微调螺圈时，在微调弹簧胀力的作用下，微调座体带动传感器连接体、传 感器、测杆等部件一起向内移动。此仪器设计的微调范围为1 0 m m ，实际测量时， 就是靠旋微调螺圈的不同方向，来实现测量头的前后微小移动调整的，调整到合 适的位置后，旋紧微调紧定螺，固定测量头。 2 6 编码器测长机构的设计 测量轧辊辊型时，沿轧辊轴线方向的长度测量( 包括轧辊测长、步距) 设计为 利用脉冲编码器机构实现，测长滚轮与被测轧辊的接触部位设计成无滑动的纯滚 动。 编码器选用无锡生产的z s p 3 8 0 6 g 0 3 g 1 0 0 b z 0 5 p ，接入+ 5 v 电源， 每转脉冲数为1 0 0 0 个，外部直径3 8 m m 。考虑到仪器整体结构的可使用性， 摩擦测长滚轮外径d 应设计在4 4 m m 5 0 r a m 之间，j r d 为摩擦滚轮每转直线 1 5 北京邮电大学硕士学位论文 长度，每脉冲长度当量万= t e d 1 0 0 0 ，1 m 聊的脉冲数胁= = 1 0 0 0 r , d 。 当d = 4 4 时，n s = 1 8 = 1 0 0 0 t e d = 1 0 0 0 4 4 t e = 7 2 3 4 当d = 5 0 时，n s = 1 8 = 1 0 0 0 t e d = 1 0 0 0 5 0 n = 6 3 6 6 要使测量步距计算误差最小，l m m 的脉冲数n s l 应为：6 3 6 6 n s l 0 ，则m i 大，m 2 b ( m 1 、m 2 为互感系数) ：当铁芯 向下移动时，u i u 2 ，u o 0 ，则m 1 小，m 2 大。铁心偏离中心位置时，输出电 压u o 的大小发生变化i 。 332m a - 25 型差动变压器位移传感器 本系统中使用北京京海泉传感器科技有限公司v i a 25 型差动变压器位移传 感器，外形如图3 - 6 、3 - 9 、3 - 1 1 所示： 幽3 - 6 电路扳连接目蚓3 7 电路扳实物幽 瓣 北京邮电人学碰学位t 立 它的主要技术指标如下表所示： 1 测量范围：+ 25 r a m 2 线性度： 00 5 3 工作电源： a _ 1 2 v ( 用户自各) 4 额定信号输出： + 5 v 5 电缆长度： 15 m 它的接线图如下图所示 闰3 - 8 传感器座接线圈图3 - 9 传感器座实物图 图3 - 1 0 传感器头接线圈图3 - 1 l传感器头实物图 使用时，我们把电路板与传感器座相连接，然后再传感器座与传感器头相 连接就可以使用测微电路了。我们采用接插件的方式把信号连接到主电路板中， 因为有四路信号，所以需要四个这种测微电路输入到主电路板中，主电路板与变 换器电路板的连接示意图如图3 1 2 所示： 龟；| 謦旦 主电略板元器件面 l li l 。一 藏l 南南南南红栏黄绿i l i i l i i i i i l l l i i i 幽3 12主山路扳，变换器【b 踏板的连接幽 北京邮电大学硕上学位论文 3 3 3 位移传感器的接口电路 根据第二章推导出来的数学建模算法，我们需要四个m a 2 5 型差动变压器 位移传感器来采集位移变化信号，记为传感器a 、传感器b 、传感器c 、传感器 d ，其中传感器a 和传感器b 为一组，这组信号经过由m a x 4 9 7 组成的加法器 电路输出v ( a b ) ，传感器c 和传感器c 为另一组，这组信号经过由m a x 4 9 7 组 成的加法器电路输出v ( c d ) ，这两路电压模拟信号经过专用a d 芯片m a x l 9 7 转化为数字信号输入至c p u 中进行处理，处理的结果由l c d 屏显示出来，并且 存储在存储设备中，它的接口电路框图及电路原理图如图3 1 3 和3 1 4 所示： 图3 1 3m a 2 5 型差动变压器位移传感器接口电