（机械电子工程专业论文）基于labview回转窑筒体椭圆度测量系统.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 水泥回转窑是水泥生产中的核心设备，它长期在重载、高温的情况下工作。 作为关键性的设备，回转窑正常运转对水泥生产有着重要意义。回转窑的窑内 砌有一层耐火砖，用于隔热作用。窑在长期的生产过程中，其耐火砖由于不断 受到原料的磨损而变薄，或者由于窑中心线的不平直而使筒体受到应力作用使 耐火砖发生脱落的现象而引发“红窑”事故，如不及时发现，会筒体会被烧穿引发 更大的生产事故。如果发生此类事故，水泥厂家需要停窑做相关的修复工作， 这对水泥厂会带来重大经济损失，因此，保证回转窑的正常运作，对于生产厂 商的生产状况、经济效益和生产成本是非常重要的，具有重大的经济意义。要 防止此类事故，我们需要一套能够检测简体变形的仪器，即椭圆度测量仪，通 过此仪器可以测量筒体变形量，并计算椭圆度大小，根据椭圆度大小我们可以 判断简体刚度情况及其内部耐火砖是否变薄而发生脱落现象。以便提醒水泥厂 决定采取相应的修理措施，提高回转窑的运转效率和检修质量标准。 本文研究分析了回转窑产生椭圆度的原因以及国内外的回转窑简体椭圆度 的测量方法，经过分析对比，提出了新的简体椭圆度测量方法以及新的数据处 理手段，并设计出了筒体椭圆度测量仪，该椭圆仪已得到良好应用。 在论文中，文章对筒体椭圆度的测量原理，计算公式做了详细的介绍与推 理。之后，文章就对椭圆度仪器设计部分进行了详细的介绍，包括仪器的机械 结构的设计，仪器接口电路的设计及上位机软件的编写。在我们自主设计的仪 器中，采用无线通信方式将传感器采集的数据发送到电脑中。采用这种设计， 我们可以直接在现场采集数据，并实时显示筒体变形曲线和计算椭圆度大小。 在软件设计部分，我们采用n i 公司的l a b v i e w 编程软件，该软件编程方便快 捷，并且具有良好的人机交换界面，我们可以方便直观地看到我们的测量结果 及简体变形曲线。 国外由于其技术垄断，其椭圆度测量仪在中国还未得到推广使用。因此我 们设计出国内首款电子式椭圆度测量仪，它打破国外椭圆度测量仪的技术垄断， 并且相对国外仪器成本低廉，能够为绝大多数中国水泥企业服务，其作为产品 也具有良好的市场竞争力。 关键字：回转窑，简体，椭圆度，l a b v i e w 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r o t a r y1 【i l ni st h ec e n t e re q u i p m e n ti nt h ec e m e n tp r o d u c t i o n i tw o r k si nt h e c i r c u m s t a n c e sw i t hb i gs t r e n g t ha n dh i g h t e m p e r a t u r ef o rl o n g a st h ec r u c i a l e q u i p m e n t ，i th a sv i t a ls i g n i f i c a n c et h a tt h ei 【i l i lk e e p i n ga9 0 0 dw o r k t h ei n s i d eo f t h es h e l lw a sb u i l tf i r e b r i c k sf o rs e p a r a t i n gt h eh e a t t h el ( i l l lw a sw o r k i n gf o rl o n g t i m e ，a n dt h ef i r e b r i c k sw e r ew o r eo u tb ya l lk i n d so fc e m e n tm a t e r i a l s ，s ot h e f i r e b r i c k sm a yb e c o m et h i n n e ra n dt h i n n e r , o rt h el ( i l i l sc e n t e rl i n ei sn o ts t r a i g h ts o t h el ( i 1 i ls h e l lc o u l ds u f f e rf r o mt h ef o r c e ，b e c a u s eo ft h ef o r c et h ef i r e b r i c k si n s i d et h e s h e l lm a yb r e a kd o w n i ft h ef i r e b r i c k sb r e a kd o w n ，i tc o u l di n d u c e 蚀er e dk i h r a c c i d e n t i fw ed o n ts t o pt h i sp h e n o m e n o n ，t h es h e l lc a nb eb u r n e do u ts oi tc a nc a u s e m u c hb a dp r o d u c i n ga c c i d e n t i ft h e r ei ss u c ha na c c i d e n t ，t h e1 【i 1 1 1w i l ls t o pw o r k i n g a n di tw i l lb r i n gt h ec e m e n tc o m p a n ye c o n o m y l o s i n g s ow e m u s te n s u r et h ek i l i lt 0 b ei ng o o dc o n d i t i o n si sv e r yi m p o r t a n t f o ra v o i d i n gs u c ha c c i d e n t s w en e e ds u c h a ni n s m m a e n tw h i c hc a nm e a s l l r et h ed e f o r m a t i o no fs h e l la n dc a l c u l a t et h ev a l u eo f s h e l lo v a l i t y a c c o r d i n gt ot h eo v a l i t y , w ec a nd i a g n o s ei ft h ef i r e b r i c k sw e r eb e c o m e t h i n n e ro rb r o k e nd o w n i ft h e r ei ss o m e t h i n gp r o b l e m ，t h ec e m e n tf a c t o r yc o u l dt a k e m e a s l e st or e p a i rt h ek i l n i nt h i st h e s i s ，w er e s e a r c ha n da n a l y s i st h er e a s o no fs h e l lo v a l i t ya sw e l la si t s m e a s u r i n gm e t h o d sb o t hi nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nc o u n t r y c o n t r a s t i n gt ot h e p r o c e s sa n a l y s i s ，w eg e tt h en e wm e t h o dt om e a s u r et h eo v a l i t yo fs h e l la n dh o w t o d e a lw i t hd a t a w ea l s od e s i g no u tt h eo v a l i t yi n s t r u m e n t ，a n dt h ei n s t r u m e n th a sb e e n u s e dv e r yw e l l t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h em e a s u r i n gp r i n c i p l eo fs h e l lo v a l i t ya n dd e d u c e st h e o v a l i t yf o r m u l af o rd e t a i l t h e n ，t h ep a p e ri l l u m i n a t e sh o wt h ed e v i c ew a sd e s i g n e d o u t i tc o n t a i n sm e c h a n i c a ld e v i c ed e s i g n i n g ，t h ei n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e ns e n s o ra n d c o m p u t e rd e s i g n i n ga n dt h es o f t w a r ed e s i g n i n g i no u rd e v i c e ，w et a k ea ni n n o v a t i v e d e s i g n i n gt h a tw es e n tt h em e a s u r i n gd a t at ot h ec o m p u t e rb yw i r e l e s sc i r c u i t b y t a k i n gt h i sm e t h o d ，w ec a nc o l l e c tt h em e a s u r i n gd a t aa tt h es c e n e ，a n di m m e d i a t e l y t h eo v a l i t yc u r v e sc a nb ed i s p l a y e di nt h ec o m p u t e r , a l s ot h ev a l u eo fs h e l lo v a l i t yc a n b ec a l c u l a t e do u t i nt h es e c t i o no fs o f t - w a r e ，w eu s et h el a b v i e wf i o mn ic o m p a n y u 武汉理工大学硕+ 学位论文 t h i ss o f t w a r eh a sm u c hb e t t e rm a n 。m a c h i n ec o n t a c ts u r f a c e ，w ec a l lg e tt h er e s u l ta n d c u r v e sc o n v e n i e n t l y b e c a u s eo ft e c h n o l o g ym o n o p o l y , t h ep r i c eo ft h eo v a l i t yi n s t r u m e n td e s i g n e db y f o r e i g n e r si sv e r yh i g h ，s om a n yc e m e n tf a c t o r i e si nd o m e s t i cc a n ta f f o r dt h ed e v i c e s ow ed e s i g nt h ef i r s to v a l i t yi n s t r u m e n t ，i tb r e a k sd o w nt h ef o r e i g nt e c h n o l o g y m o n o p o l y , a n di t sc o s ti sm u c hl o w e r i tc a l ls e r v ef o rm a j o r i t yo fc h i n e s ec e m e n t c o m p a n i e s ，a n dh a v eg o o dm a r k e t i n gc o m p e t i t i o n k e yw o r d ：r o t a r y1 ( i l i l ，s h e l l ，o v a l i t y ，l a b v i e w i i i 独创性声明 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的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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。 签名：董盛笛叁日期： 平p 垆 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：j 赛小吕导师签名：签名：二葑小吕导师签名： 日期： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 回转窑概述 1 1 1 回转窑的应用 第1 章绪论 回转窑于1 8 2 4 年由英国水泥工j 阿斯普发明后，已应用于各行各业，并 在生产设各中处于关键的地位。在水泥行业中，回转窑用来锻烧水泥熟料、粘 土、石灰石和进行矿渣烘干等。在使用回转窑的水泥厂的生产中，回转窑是整 个生产过程的主要设备，是水泥厂的“心脏”。而且由于用回转窑锻烧出的水泥比 用立窑锻烧的水泥质量好，因此在水泥工业中回转窑的使用越来越广泛，并且 有取代立窑的趋势。 在有色和黑色冶金工业中，回转窑也有着重要的用途。在铁、铝、铜、锌、 锡、镍、钨、铬、锂等金属的冶炼过程中，都要应用回转窑作为生产设备。主 要应用回转窑对矿石、精矿、中间产物进行烧结、焙烧等加热处理。如在铝行 业中用回转窑将氢氧化铝焙烧成氧化铝；碳素制品生产中锻烧原料等。在化学 工业中，用回转窑生产苏打，锻烧磷肥、硫化钡等。在耐火材料等工业部门， 回转窑设备也有着广泛的应用，它是原料锻烧的主要设备。 1 1 2 回转窑的发展 回转窑的应用是从水泥生产开始。1 8 2 4 年英国水泥工程师j 阿斯普发明了 间歇操作的土立窑：1 8 8 3 年德国狄茨世发明了连续操作的多层立窑；1 8 8 5 英国 人兰萨姆( e r a n s o m e ) 发明了回转窑，在英美取得专利后将第一台回转窑投入 生产。 回转窑至今己有一百多年的历史，开始时使用的燃料为天然气，接着改为 烧油，最后才改用烧煤。最初的窑直径仅为o 4 6x4 5 7 m ，第一批投入生产的 回转窑直径为1 乱1 9 米，长度1 9 5 2 - 2 1 0 米。随着科技的进步，回转窑日 趋大型化。目前，世界上最大的回转窑直径超过7 米，长度超过2 0 0 米。最早 的窑只有两档静定支承，日产量为3 0 5 0 吨，今天回转窑的支承档数多达7 9 档，日产量已达到5 0 0 0 1 0 0 0 0 吨。【1 】 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 3 回转窑的结构 回转窑属于回转圆筒类设备。简体内砌有耐火砖衬，以低速回转。物料与 热烟气逆流换热，物料从窑的高端加入。由于简体倾斜安装，在回转时，窑内 物料在沿周向翻滚的同时沿轴向移动。燃料由低端喷入，烟气由高喘排出。物 料在移动过程中得到加热，经过物理与化学变化，成为合格产品从低端卸出。 虽然回转窑的烧成工艺种类较多，但从机械结构来看，均由筒体、滚圈、支承 装置、传动装置和窑头、窑尾密封等部分组成。下面简介各部分的结构和作用。 ( 1 ) 筒体和滚圈 简体和滚圈统称为窑体。简体是回转窑的主要部件，由钢板卷成，是物料 完成物理和化学变化的容器。窑内温度可达1 4 5 0 摄氏度以上，故简体内均砌筑 耐火材料窑衬，起保护简体和减少散热作用。滚圈起家固筒体并将密封和物料 等所有回转部分的重量传递到支撑装置上。 ( 2 ) 支撑装置 支承装置承受回转部分的全部重力。由一对托轮轴承组和一个大底座组成。 一对托轮支承着滚圈，既允许筒体自由转动，又向基础传递了巨大的载荷，支 承装置的套数称为窑的档数，一般有2 9 档。在其中的一档或几档支承装置有 档轮，称为带档轮装置。档轮的作用是限制或控制窑回转部分的轴向窜动。 ( 3 ) 传动装置 简体的旋转是通过小齿轮传递给齿圈的力矩实现的，齿圈固结在筒体上。 齿圈与其啮合的小齿轮都是直齿，它们之间只传递力矩而不承受窑体的重力和 轴向力。为保证窑的安全检修要求，还设有辅助传动装置。 ( 4 ) 密封装置 窑的出料端( 窑头端) 装在可移动的窑头窑体和固定的窑头罩或接合处， 应有密封装置，以防漏风。 1 1 4 回转窑相关测量参数 ( 1 ) 回转窑中心线的检测 中心线是回转窑的一个重要参数，正常情况下窑的中心线应该是一条直线， 但是在现实中，由于窑在恶劣环境中长期运转，窑的轮带和托轮发生相互磨损， 加上窑的基座发生沉降，窑的位置必然会发生改变，从而影响其窑中心线的直 2 武汉理工大学硕士学位论文 线度。如果窑不在一条直线上运转，那么会加剧轮带与简体之间的磨损，增大 窑运行的阻力，降低了窑的运转率。而回转窑中心线的检测是个世界难题，目 前国外只有美国飞利浦公司、德国c r u p p 公司及丹麦e l s 公司有着自己的中 心线测量方法。国内就是以武汉理工大学张云教授为代表的动态回转窑轴线检 测与在线调整技术。【1 】【9 】 ( 2 ) 回转窑托轮位置的检测 回转窑的简体位置由托轮位置决定，如果回转窑中心线不在一条直线上，那 么回转窑托轮位置也必定存在问题，因此通过测定托轮位置对于调整回转窑中 心线有着重要意义。 ( 3 ) 筒体与轮带间隙的检测 回转窑设备中简体与轮带之间必须保留间隙，因为筒体与轮带的热膨胀系数 不一样，需要留存一些空间防止筒体被轮带束缚死。但是筒体与轮带的间隙需 要合适的大小，一般在3 m m 左右。如果轮带间隙过小轮带会阻止简体的膨胀， 使简体应力增大，从而对耐火砖有影响。如果间隙过大那么轮带对简体的约束 会减少，筒体椭圆度变形量就会大。【l 】 ( 4 ) 轮带与托轮直径的检测 通过检测轮带与筒体直径可以了解其磨损情况，其直径大小对于计算简体 中心线也有着重要意义。但是由于现场环境的限制，我们不能直接对它们的直 径进行测量，因此我们采用简介圆周长测量发放，即滚轮法。【2 j 【4 j ( 5 ) 大齿圈偏摆的测量 大齿圈是窑的传动装置，如果大齿圈径向偏摆过大，则窑运行必然存在周期 性震动、顶齿等问题。如果该问题长久不解决将会发生齿轮断裂，给企业生产 带来很大的损失【7 1 6 1 。 ( 6 ) 简体椭圆度的检测 筒体椭圆是回转窑筒体在重载作用下，发生的扁平变形情况。椭圆度的检测 是窑设备检测的一个重要参数，通过简体椭圆度检测可以分析窑简体刚度情况 及变形量大小，以及判断窑内耐火砖的厚薄程度。甚至通过测量出的简体变形 曲线可以得出托轮的受力情况，它对我们调整回转窑中心线也具有重要指导意 义。这也正是我们做这一课题的意义【1 0 1 1 8 】。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 课题研究的目的、意义 目的：通过大量资料的查阅，分析国内外对回转窑椭圆仪的研究现现状，我 们要力求研制出精度更高，测量更方便，成本更低廉的回转窑筒体椭圆度测量 系统。同时开发出相关数据处理软件以便根据测量数据得出简洁的测量报告。 意义：熟料回转窑系统是冶金建材行业等部门的重要烧成设备，据统计它 的投资占本项目总投资的l o 一1 6 ，它的施工、检修质量和稳定运行，对本企 业的经济效益和生产成本影响很大。在窑的长期运转过程中，筒体内部的耐火 砖由于长期磨损而变薄，甚至由于简体受到各种原因发生扭曲而使耐火砖发生 脱落。这样会大大减少这段筒体的刚度，从而使这段筒体变的“扁平 _ 一即增大 椭圆度。如果不及时检测修复的话，很容易使这段简体的耐火砖发生整体坍塌 的现象，引发重大生产事故。因此，水泥生产企业迫切希望一种能够轻便地测 量出水泥椭圆度的测量系统。而我中心研制的该测量系统成本低廉，但可以精 确测量窑的椭圆度。 1 3 和本课题有关的国内外研究现状分析，包括发展水平和 存在的问题等 回转窑筒体椭圆度的测量系统，目前国内还没有相关的测量仪器及技术服 务。但是国外在2 0 世纪中期就有相关测量仪器，他们从最初的机械式测量仪一 直发展到现在的电子式测量仪，中间具有很大的改进与创新。概括起来大概就 以下几种类型。 1 3 1 瑞典f g r o s e n b l a d 测量方法f l o j 2 1 】 五十年代中期，瑞典f g r o s e n b l a d 介绍了简体变形仪的结构和工作原理， 并提出了“椭圆度”概念和计算方法。该仪器最初用于研究耐火砖寿命与筒体径 向变形之间关系，先后测定了1 8 0 台回转窑。对大量数据进行分折研究，得出 有益于回转窑设计的许多重要结论。 简体变形仪的结构组成如图1 1 所示。测量时，两侧的磁铁支脚l 吸附在简体 上。两支脚跨距为l 。仪器立于一个弦长为l 的简体圆弧上。框架梁2 的中央，有 一根受弹簧压着的顶针3 ，始终使测量杆接触在窑简体上。经两组杠杆将微量的 4 武汉理工大学硕士学位论文 筒体径向变形放大约一百倍，且把顶针的直线移动变为笔杆4 的摆动。在记录 盘5 的转轴上，安置一个偏心重块，以使记录盘与地面保持相对静止。这样就 能在记录盘上的圆形记录纸上，画出简体的变形曲线。 毒 图1 1 筒体变形仪 1 、筒体支脚；2 、框架梁；3 、顶针；4 、笔杆；5 、记录盘 窑旋转一周时，记录下对应于框架梁中央的径向移动，其筒体变形图示于 图1 2 。记录纸上画出的最大与最小偏摆之差，即为对应于两支脚的简体最大的 变形。6 l 是筒体顶点的变形；6 2 是简体水平直径处变形；, 5 3 是托轮支承处变形；8 4 是筒体最低点的变形。 6 图1 2 筒体变形图 l 、未变形圆；2 、变形曲线 该仪器结构经多次改进，渐趋完善。目前除用于研究耐火砖寿命与筒体径 向变形的关系及影响筒体径向变形的因素之外，还可为工厂管理人员进行回转 窑热态中心线调整提供依据。从变形图中可为分折窑简体在托轮上支承情况、 托轮工作表面的偏心度和不圆度大小、轮带与垫板的间隙影响等提供有用的信 息。为回转窑长期安全运转提供了检测手段，1 9 8 3 年曾在我国某水泥厂得到应 用。 此种方法先天性精确度不够高，由于是画图来得到数据，因此数据虽然连 5 武汉理工人学硕士学位论文 续，没有遗漏，但是对于每个点的数据却不够精确，使用起来较为不便。 13 2 美国飞利浦测窑公司电子式测量仪 飞利浦公司电子式测量仪，是基于瑞典fgr o s e n b l a d 测量方法之上的。 它们的测量原理是一样。只不过瑞典的是用传统机械式结构来记录测量数据， 而飞利浦公司是结合现代电子技术，采用数字化测量仪器来记录测量数据。它 简化了仪器结构，并且使测量过程大为方便和提高了测量数据的精度。 也醯豳鹾豳嘲麟糊 图l 一3 飞利浦公司椭圆仪图片 上图为美国飞利浦公司椭圆度测量仪的实物图，其测量原理就是在椭圆仪支 架上安装数字式测量仪表，将测量的数据保存到电路存储系统中，等测量完毕 后，再将储存单元中的测量数据发送到p c 机进行处理。 l3 3 丹麦雷法测窑公司无线式椭圆仪 雷法公司椭圆度测量仪如图1 - 4 所示，它与飞利浦公司测量仪类似， 也是采用电子式测量系统，不过其测 量数据是采用无线发送式采集到的 数据直接发送到上位机进行处理。提 高了测量效率。 图l - 4 雷法椭圆仪图 武汉理工大学硕士学位论文 综上所示，国外虽然有比较先进的椭圆度测量仪，但是由于其技术垄断及其 价格非常昂贵，故他们的产品都未在国内应用。因此对于国内水泥行业来说， 设计一种成本低廉又非常便捷的椭圆度测量仪有重要意义。 1 4 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题 ( 1 ) 研究目标：通过对国外几家公司研制的回转窑椭圆仪的分析，我们要 力求研制出精度高，测量方便，成本低廉的回转窑筒体椭圆度测量系统。同时 开发出相关数据处理软件以便根据测量数据得出简洁的测量报告。 ( 2 ) 研究内容及研究方法： 根据不同的回转窑筒体直径，设计出不同的椭圆仪的机械结构。同时寻找 能够耐高温的高强度磁铁。 选择耐高温，具有良好稳定性的数显表作为传感器部分，需要做相关的接 口电路。 采用无线数据传输的数据采集方式，需要对无线数传电路的设计及接口电 路。 学习l a b v i e w 编程，编写椭圆度的相关数据处理程序，能够采集数据并且 计算椭圆度且得出直观的图形。 ( 3 ) 拟解决的关键问题： 如何处理筒体表面的高温对仪器的影响及产生的误差。 1 5 预期的研究成果和创新点 预期的研究成果： ( 1 ) 设计出回转窑筒体椭圆度的测量方案； ( 2 ) 设计出可以使用的测量仪器； ( 3 ) 完成学术论文至少一篇。 优点：采用无线数据传输方式实现对数据的采集； 整个仪器相对与国外产品成本低廉，能为大多数企业接受。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 6 本章小结 本章介绍了回转窑的应用、发展、 窑筒体椭圆度检测方面的现状和不足， 预期达到的目的。 结构，分析研究了目前国际国内在回转 并叙述了本课题的思路及使用的方法和 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章回转窑简体椭圆度测量方法及公式原理 2 i 椭圆度的定义 要想知道椭圆度我们必须先了解什么是椭圆。定义为平面上到两点距离之 和为定值的点的集合( 该定值大于两点间距离，一般称为2 a ) ( 这两个定点 也称为椭圆的焦点，焦点之间的距离叫做焦距) ；如果假设其焦点在x 轴上， 那么它的标准方程为：焦点在x 轴时，标准方程为：x 2 a 2 + y 2 厂b 2 = 1 ( a b o ) 。其中a 为长轴，b 为短轴。 椭圆度，又称为不圆度或失圆度。是指椭圆中最大与最小直径之差，即其 长轴与短轴之差，但是这又是个相对亮，其差相对于整个椭圆来说的大小。简 单来说就是圆的扁平程度。 这里需要指出的是，在用直径法测量的过程中，圆柱面的几何中心是不定 的，这里就存在一个重要的问题，即椭圆度如何评定? 一般情况下，我们所说的 椭圆度，它包含于工件的圆度误差中我国形位新标准采用“公差带概念”。定义圆 度误差如下：圆度误差指包容同一正截成实际轮廓且半径差为最小的两同心圆 间的距离。圆度公差带是同一正截面上两同心圆间的区域。圆度误差反映了圆 度的两个几何特性。一是误差具有径向性，二是误差的周期性。【1 9 】【2 0 1 2 2 回转窑简体椭圆度的测量方法 前面也提到过，我们要测量椭圆度，需要知道椭圆的长轴与短轴。如果对 于一个确定的椭圆来说我们可以测量椭圆的长轴与短轴，从而计算出它的椭圆 度，但是在现实测量中，我们很难直接测量出其长轴与短轴。更多时候现实中 的测量，都不是一个标准的椭圆，我们需要测量的回转窑筒体椭圆度就是一个 很好的例子。水泥回转窑筒体在理论上它是一个圆，但是在工业现场由于重力 的作用及其受到的托轮的支撑力的作用，其截面形状为一个类似椭圆但却是不 规则椭圆的一个截面。如图2 1 所示。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 回转窑简体截面形状示意图图2 - 2 测量装置示意图 对于如图2 - 1 这样一个截面，我们无法知道它的长短轴，因此我们要测量出 它的椭圆度，就得用间接方法。在回转窑筒体椭圆度测量中，我们会设计一个 如图2 - 2 所示的装置，让它吸附在窑筒体的表面。在回转窑旋转的过程中，该装 置会跟随简体一起旋转，装置中间的数字千分表( 容栅式位移传感器) 相对与 装置两端的两个支撑点的距离会发生变化。我们根据这个距离的变化量就可以 推导出出简体的椭圆度。 2 3 椭圆度计算公式原理 我们将回转窑筒体的截面近似地看成是一个椭圆，根据图2 - 2 的装置，我们 将该装置吸附在椭圆表面，我们会得到如图2 _ 3 所示的示意图。 图2 - 3 椭圆度计算原理图 武汉理工大学硕士学位论文 事号= 协， 6 4 3 ( 掣) 4 三万( 口+ 6 ) 6 4 - 1 6 ( 季a 考- 量b f ) 2 2 2 a+d 功：2 ( a - b )( 2 5 ) 功= 一 l z ) j d 口= 一+ 2 一d b = - 2 ( 2 6 ) 当测量装置位于图2 3 所示的a 位置的时候，仪器支点位置为y = 考，则支点 的横坐溉阿，其中- l 为两支点之间的足巨离o 、j 加一4加一4 武汉理工大学硕士学位论文 所以，咖一( 去) 2 叫一一( 寺2 】= m 飓t h = b - b x 扛寺2 叫一再扣= m 飞j q 7 为，x 2 为该装置分别在a ，b 位置时，横梁到筒体的距离 所测得的摆幅：f = - h , = x l x 2 _ 口 1 一1 _ ( 去) 2 】山【卜1 _ ( 去) 2 】 ( 2 - 8 ) ( 2 8 ) 式表示横梁长度为l 时，激光测距仪所得到的摆动值与a 、b 、l 之间的 关系。 对( 2 8 ) 进行分析，幂级数展开，可得到： - 一去) 2 = ，一三去) 2 _ 昙( 寺4 一石3c 方l 8 c 2 聊 卜c 寺，2 = 一三c 去，2 一言去，4 一去c 寺，8 - c 2 邶， 将( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 代入( 2 8 ) ，并与( 2 6 ) 联立 则可得到： 吲一) 争南巧万藉d 2 丐再 亿 舻瓴_ 弦i 历再百磊丽 心1 。 即可得到筒体的椭圆度。 式中d 为窑简体的直径。所以测量的关键就是就是在椭圆度测量仪跟着窑一起 旋转的一周中，要得到x l 、x 2 的值，计算它们的差，在由直径d 和跨距l 带入 就可以得到椭圆度。 在式( 2 1 1 ) 中，我们会发现公式比较冗长复杂，但是式中，横梁的长度比 窑的直径要小好几倍，所以带入公式中，会发现： 1 + 西5 五l ) 2 + 瓦7 【旁l4 + 丽1 5 五l ) 8 + a 1 ( 2 - 1 2 ) 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章回转窑简体椭圆度测量仪器设计 本椭圆仪测量系统的设计包括仪器机械结构的设计和系统电路的设计。仪 器结构的设计包括，横梁的设计，测量仪表外壳的设计，磁铁的设计等。电路 设计主要是数据通信接口电路的设计。 3 1 椭圆仪机械部分设计 3 1 1 椭圆仪主要材料的选择 ( 1 ) 横梁的选择 回转窑简体表面温度最高可达4 0 0 0 c ，因此对于横梁的选择主要考虑到其强 度与热膨胀系数的问题。因为横梁的尺寸对椭圆度的计算有影响，因此我们需 要横梁在测量过程中尽量减少它的变形量。我们看下图这个表格对我们横梁擦 聊的选择有参考作用。 表3 1 常用金属物理性能表 金线膨胀 属符 密度p ， 名号 ( k g m 3 ) x 1 0 3 熔点 热导率九 系数a l电阻率p ( 2 0 0 c ) ，w ( m k )k - 1 x 1 0 - 6胞m 1 0 - 6 称 ( 0 , q 0 0 ) 银 a g 1 0 4 99 6 0 84 1 8 61 9 71 5 ( 0 ) 铝 a l2 6 9 86 6 0 12 2 1 92 3 6 2 6 5 5 ( o ) 铜 c u8 9 61 0 8 33 9 3 51 7 0 1 6 7 ( 2 0 ) 铬 c r7 1 91 9 0 36 76 21 2 9 ( o ) 铁 f e7 8 41 5 3 87 5 41 1 7 6 9 7 ( 0 ) 镁m g 1 7 46 5 01 5 3 72 4 3 4 4 7 ( 0 ) 猛m n7 4 31 2 4 44 9 83 71 8 5 ( 2 0 ) 镍 n i8 9 01 4 5 39 2 11 3 4 6 8 4 ( 0 ) 钛 t i4 5 0 81 6 7 71 5 18 24 2 5 ( o ) 锡s n7 2 9 82 3 1 9 16 2 82 31 1 5 ( 0 ) 钨w 1 9 33 3 8 0 1 6 6 24 6 ( 2 0 )5 1 ( o ) 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 从表格中我们可以看出铁的热导率及热膨胀系数都不算高，因此我们选用 铁合金中的不锈钢作为我们横梁的材料。在前面第二章里已经叙述过，椭圆度 的计算与横梁的长度有很大的关系。因此在我们所设计的仪器中，为了仪器的 便携美观，同时又方便使用，我们选用较短长度的不锈钢材料作为仪器横梁。 ( 2 ) 磁铁的选择 在椭圆仪测量椭圆度过程中，我们要将椭圆仪吸附在窑筒体的表面，因此 我们需要一个重要的材料就是磁铁。 在本仪器设计中，我们对磁铁有两个要求： ( 1 ) 有足够的吸力将仪器吸附在简体表面； ( 2 ) 简体表面温度最高达3 0 0 0 c ，因此需要耐高温的磁性材料。 ( 3 ) 电木等隔热材料的选择 在椭圆度的测量过程中，我们要将整个仪器吸附在筒体表面，因此仪器将 遭受很大的辐射热。为了保护仪器里面的传感器及电路板等电子设备，我们需 要一种能够耐高温同时又有较好隔热效果的材料来保护我们的仪器。 我们选用“电木”作为我们的隔热材料，电木的化学名称叫酚醛塑料，是塑料 中第一个投入工业生产的品种。酚类和醛类化合物在酸性或碱性催化剂作用下， 经缩聚反应可制得酚醛树脂。将酚醛树脂和锯木粉、滑石粉( 填料) 、乌洛托 品( 固化剂) ，硬脂酸( 润滑剂) 、颜料等充分混合，并在混炼机中加热混炼， 即得电木粉。将电木粉在模具中加热压制成型后得到热固性酚醛塑料制品。 酚醛树脂的缺点是机械性能较差，也不耐油和化学腐蚀，为了克服上述缺 陷，人们对酚醛树脂进行了改性，在酚醛树脂中加入不同的填料可得到功能各 异的改性酚醛塑料，如在配料中加入石棉、云母，能增加它的耐酸、耐碱、耐 磨性，可用作化工设备的材料和电机、汽车的配件；加入玻璃纤维可以增加硬 度，可用作机器零件等；用丁腈橡胶改性后耐油性能和抗冲击强度大大提高； 用聚氯乙烯改性后则能提高机械强度和耐酸性。 电木具有较高的机械强度、良好的绝缘性，耐热、耐腐蚀，因此常用于制 造电器材料，如开关、灯头、耳机、电话机壳、仪表壳等，“电木”由此而得名。 3 1 2 椭圆仪仪器结构的设计 本仪器主要结构主要有横梁，仪器盒，隔热板，磁铁座及磁铁。因此我们 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 需要将每个部件设计出来，最后组装成我们的仪器。 ( 1 ) 磁铁的设计 我们设计磁铁注意以下几个处： 降低磁铁高度，减少重量，同时增大接触面积，提高吸力强度； 外部包一层铁壳，可以防止磁外漏，同时也保护了已碎的磁铁。 ( 2 ) 仪器盒的设计 仪器盒主要是存放数字位移传感器及相关电路板，并起到一定保护的作用。 它是由电木制成。在本仪器设计中，我们设计宗旨是尽量设计较小的仪器盒来 盛放相关的电路板及数字位移传感器，因为设计的仪器体积越小重量越轻对于 测量越方便。设计仪器盒的过程中，还有一个主要内容就是如何将仪器盒和我 们的横梁紧固的连接起来。 3 2 椭圆仪电路部分设计 3 2 1 椭圆度测量仪电路系统简介 本椭圆度测量系统中，我们要用位移传感器。把它安装于椭圆仪横梁上， 由它感知窑在回转过程中筒体的变化量。位移传感器即数据测量系统，用它来 测量简体的径向变化量，但是位移传感器的采集数 据要传输到计算机系统中处理，在现场测量中不便于用数据线将位移传感 器与计算机连接起来，因此我们考虑到用无线数传模块将位移传感器采集的数 据直接无线发送给计算机。其系统框图如图3 1 所示。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 i 感煞f 无线数据 l l 发送测量数据l 7 发送模块 l i 图3 1 椭圆仪测量电路系统 3 2 2 椭圆度测量仪电路元器件选择 3 2 2 1 传感器的选择 传感器采用具有数字信号输出接口 其技术指标为： 分辨率：0 0 1 m m ； 测量范围：o - - 3 0 m m ： 示值误差：0 o l m m ： 工作温度：0 - 4 0 。c ( 采用隔热包装，受环境影响不大) ； 电源：1 5 5 v 高能氧化银电池( s r 4 4 ) ； 工作湿度s 8 5 ； 其功能特点有： 防水防尘； 设有电源开关：在任意位置零；单位转换； 可预置数； 可数据保持； 快速显示； 寻找并保存最打、最小值； 两种计数状态：正向和反向； 备有串行数据输出口，经适配器可与r s 2 3 2 插口的计算机或打印机联结进 行数据处理。 3 2 2 2 无线模块的选择 在工业测量和控制中，因为受到现场环境和其他条件的限制，使用传统的 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 有线电缆传输信号由于存在着现场连接、接线麻烦等缺点，特别是在一些特定 的环境下，极不方便，因此提出了无线数据传输。使用无线数据传输模块，进 行数据信号的传输，对于长距离传输，带来了很大的便利。无线传输数据模块 在智能仪器上也得到越来越广泛的应用。1 2 7 在我们的仪器设计中，我们选用某科技公司生产的多通道微功率嵌入式无 线数传模块。 其主要特点有： ( 1 ) 6 0 0 米传输距离( 室外可视距离) ； ( 2 ) 3 3 5 5 v 宽电压运行； ( 3 ) f s k 的调制方式； ( 4 ) 高效的循环交织纠错编码； ( 5 ) 灵活的软件编程选项设置； ( 6 ) 可选的1 6 位r f i d ： ( 7 ) u a r t t t l , r s 4 8 5 和r s 2 3 2 三种接口； ( 8 ) 超大的5 1 2 b y t e s 数据缓冲区； ( 9 ) 适合大数据量传输； ( 1 0 ) 内置看门狗，保证长期可靠运行。 3 2 3 椭圆度测量仪电路系统的设计 在本椭圆度测量仪器中，因为传感器输出信号是数字信号，且是标准r s 2 3 2 电平。故其电路主要是传感器与无线模块的接口电路。还有其他一些外围电路 如电源模块设计，电源电压指示灯的设计，传感器接口的外围电路等。 仪器总的电路接口原理图 在完成电路总图的时候，我们先介绍一款软件一r o t e l 软件的的介绍。 p r o t e l 是p r o t e l 公司在8 0 年代末推出的e d a 软件，经过2 0 年的发展，现已发 展为一个庞大的e d a 软件，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合 信号仿真、多层印制电路板设计( 包含印制电路板自动布线) 、可编程逻辑器件 设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有c l i e n t s e r v e r ( 客 户n 务器) 体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如o r c a d ， p s p i c e ，e x c e l 等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度p c b 的1 0 0 布通率。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 在软件的使用上我们主要使用p r o t e l 9 9 s e 这个版本，共分5 个模块，分别是 原理图设计、p c b 设计( 包含信号完整性分析) 、自动布线器、原理图混合信号 仿真、p l d 设计。以下介绍一些p r o t e l 9 9 s e 的部分最新功能i 可生成3 0 多种格式的电气连接网络表； 强大的全局编辑功能； 在原理图中选择一级器件，p c b 中同样的器件也将被选中； 同时运行原理图和p c b ，在打开的原理图和p c b 图间允许双向交叉查找元 器件、引脚、网络； 既可以进行正向注释元器件标号( 由原理图到p c b ) ，也可以进行反向注 释( 由p c b 到原理图) ，以保持电气原理图和p c b 在设计上的一致性； 满足国际化设计要求( 包括国标标题栏输出，g b 4 7 2 8 国标库) ；方便易用 的数模混合仿真( 兼容s p i c e3 t 5 ) ； 支持用c u p l 语言和原理图设计p l d ，生成标准的j e d 下载文件；p c b 可设计3 2 个信号层，1 6 个电源地层和1 6 个机加工层； 强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查； 智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺； 提供大量的工业化标准电路板做为设计模版； 放置汉字功能； 可以输入和输出d x f 、d w g 格式文件，实现和a u t o c a d 等软件的数据交 换； 智能封装导航( 对于建立复杂的p g a 、b g a 封装很有用) ； 方便的打印预览功能，不用修改p c b 文件就可以直接控制打印结果： 独特的3 d 显示可以在制板之前看到装配事物的效果； 强大的c a m 处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴 片机文件、测试点报告等； 经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析直接 从p c b 启动： 反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合； 专家导航帮您解决信号完整性问题。 在本毕业设计中，我们主要使用了p r o t e l 可以画出比较工整漂亮的原理图以及 p c b 制板文件的功能。为了使我们的仪器更加方便紧凑，我们将传感器自带的 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 部分电路和我们所另外设计的电路一并画在一个原理图中，最后也一并制成我 们需要的p c b 板，这样即减少了几块电路板占用空间的问题，也简化了仪器的 安装，提高了系统的可靠性。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章椭圆度测量系统软件设计 4 1 虚拟仪器简介 4 1 1 虚拟仪器概念 所谓虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) ，就是在以通用计算机为核心 的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的 一种计算机仪器系统。使用者用鼠标点击虚拟面板，就可操作