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【精品】轧钢论文稿 棒、线材在线测径技术综合评述作者:陈炳生(天津市兆瑞测控技术有限公司)刘宝瑛(天津市激光技术研究所)(作者:陈炳生男 (1940)教授级高工,一直从事军工及工业测量技术及产业化工作,享受政府特殊津贴的专家.)摘要本文对金属棒线材轧制过程在线测径（外形轮廓）的五项主要需求，两种主要测径方法三类轮廓测量技术的特点应用条件进行分析与综合。 最后对使用者如何选用相关技术提出建议。 1线棒材测径有哪些要求随着线、棒材轧制技术不断改进，轧制速度也越来越快，棒材最高轧速达（1836）m/s；高线轧速达（60120）m/s。 高速行进的被测物在行进中的抖动（轴向运动）和扭动（径向运动）对测量提出了很高的要求。 轧制工艺的不断改进要求对轧材“咬入”进入轧机（头部）及“退出”离开轧机（尾部）状况希望有更详细的资料。 对轧材在轧制过程的运动状况有更具体的了解。 根据生产工艺和产品质量要求对测径的功能要求概括为以下5项 （1）轧材行进速度100m/s，抖动10mm/s，（110）Hz。 （2）截面形状缺陷特别是“辊缝面”形成的凸起缺陷俗称“耳朵”有较好的测量判别能力。 （3）轧材的“头”、“尾”十几米的形状变化对分析轧制工艺十分重要，必须详细记录，特别是更换品种时对工艺分析十分有用。 （4）同一根轧材各个方向前后波动量对了解轧辊磨损及压下状况十分有用，对轧制中的“打滑”判别十分必要。 （5）需要有一个放大的各方向外径的偏差图。 不仅有利于监视轧材辊缝面、轧制面及“耳朵”的出现，而且可监视轧材的扭摆状况。 2.两种可用的测径方法2.1原理国内外非接触外径测量技术主要有激光扫描法及光电摄相法两大类。 其特点分述如下 （1）激光扫描法基本工作原理如图1所示。 图1激光扫描法原理由马达带动在发射透镜焦点上的旋转棱镜将激光束反射到发射透镜上经过此凸透镜形成一平行扫描的光带。 被测物的直径（或宽度）在此光带上遮挡平行扫描光束，将遮挡时间乘平行光带的扫描速度就可求出被测物的外径（宽度）。 这种方法的优点是静态精度可以作到?m级，体积可作得很小。 但主要缺点是动态特性差。 因为这种靠电机旋转的机械扫描国际上最高速度约400次/秒。 一般仅几十次/秒。 若被测物横向抖动光束遮挡时间将会被压缩或扩展,这样就会引入较大的动态误差。 30mm的测量范围每秒扫400次，对于10mm/(1/10秒)的振动将产生0.25mm的误差。 若每秒一次振动10mm也产生0.025mm误差。 所以对于高速生产线很难满足在线动态测量误差要求。 另外因转镜长期处于高速旋转状态（5060转/秒），轴的磨损会造成反射光束的变化,测量误差随使用时间延长将而增大。 有的连续工作两年就因误差过大而要更换核心部件扫描装置，维修费用过高。 （2）光电摄相法基本工作原理如图2所示。 图2光电摄像法原理由光学系统形成一束平行光通过接收镜头在线阵CCD上形成电子图像。 经图象处理求出遮挡此平行光束对应的物体外形尺寸。 这种测量方法的优点是无机械运动部件。 不存在磨损造成的误差。 它是用电子摄像拍同一时刻物体遮挡光束阴影。 所以横向抖动的误差远小于激光扫描法。 拍摄速度可达一千幅/秒，甚至更高。 采用专门的高速电子快门拍摄时间可达万分之一秒，这对清晰地测量高速运动物体的外轮廓尺寸十分必要！两种方法比较汇总于表一是否测同断面测量元件是否要运动信号处理每次测量时间装调精度要求动态测量误差使用寿命外形尺寸激光扫描摄像光源否要简单s1/400高大短小平行是不要复杂s1/666一般小长大2.2动态误差估算动态测量误差的估算条件园钢径向抖动频率10次/秒振幅10m。 （1）激光扫描法最快的扫速为400次/秒；测量范围（过钢管内径30mm）;激光扫速=30mm/(1/400)秒=12000mm/秒;振动速度=10mm/(1/10)秒=100mm/秒;引入误差=（振动速度/激光扫描速度）*30mm=(100/12000)30=0.25mm （2）光电摄像法每次外径测量引入误差=振动速度快门时间=100mm/s10-4秒=0.01mm。 我们公司的电子快门是万分之一秒,(10-4秒),国外最快仅为四千分之一秒.结论通过以上估算可见，最快的激光扫描由于同样振动条件引入的误差是电子摄像的1025倍！3截面轮廓形状测量方法比较线、棒材的截面轮廓形状可用三种方法测量。 现对其原理特点分述如下3.1原理说明3.1.1摆动测量方法用单（或双）轴测径仪绕被测棒、线材的轴转180?(或90?)即可得到园周的全部投影。 由于往复摆动时光机系统每摆一次都受到一次机械冲击，为了降低冲击力，摆动速度就必须尽量慢。 目前较快的测一截面要36秒！换向的停顿还有一段时间延迟。 这对于轧速达100m/s的高线，即测量螺旋截面的螺距长达300600m！在其中的轴向缺陷将被大量漏测！更无法实现“头”“尾”段的缺陷、工艺参数的检测（4.1节的 3、 4、5项）它只适用于轴向速度很慢的棒线材生产线作外径轮廓测量，而不适用于快速运动物体的外形测量。 对于高速轧制的棒线材生产线难以满足第一节所列要求。 3.1.2旋转测径方法它避开了摆动冲击力的限制，连续围绕被测物旋转，目前最高转速可达200圈/分钟即3.3圈/秒或测量6.6个截面/秒（单轴测径转180?即测出一个截面）。 测量头旋转必须保持光学结构的稳定性否则由于机械惯量的作用力，长期旋转会造成光学测量值的变化。 这种方法只能测出螺旋截面尺寸无法得到同截面尺寸。 当线速达100m/s时螺旋截面的螺距达15m。 这种方式的机械系统比摆动方式寿命长（没有每次摆动的冲击）。 但因测头连续旋转，电信号、测头电源都要通过“滑环”传递。 电滑环的动接触要经过电刷磨擦传递，这种连接不可避免地存在打火、电烧蚀并造成滑环的接触故障它是影响系统可靠性的重要因素。 另外长期旋转也会影响光学系统的稳定性。 这种方式比前一种方式的轮廓测量能力强，测量速度快，基本可完成第一节中的主要要求，但对第一节的 3、 4、5项要求仍不能很好满足。 另外这种产品的滑环及光源故障率较高，维护工作量大。 3.1.3多测头固定测量方式将N个平行光测径仪排布在同一个截面上，测量轨迹形成外切2N边形。 随N的增加测量轨迹就逼近为完整的园截面投影。 当N8时基本实现完整地园截面测量。 这种方式的最大优点是可以在同一时刻完成同一截面的测量。 当N8时可以全面完成第一节所提的全部要求。 通过下一节（3.2）的分析我们可以看到当N8时，这种测量方式的体制可靠性、稳定性是最优的。 这就是我们所获专利的核心之一.3.2动态参数分析误差估算估算条件同上2.2节即园钢线速度100m/s。 3.2.1测量截面的间距测量截面轨迹如图3所示。 其中（a）为摆动测量截面轨迹。 摆动一次测量的螺旋截面斜长为300600M。 每次克服惯性的回摆还有一段停止返转的静止图3间隔时间。 （b）单向旋转，测量截面的轨迹即连续螺旋斜面。 它没有（a）的静止间隔，对于3.1.2的条件，此螺旋间距为100M/6.6次=15M。 （c）为8轴向测量截面的轨迹。 它与（a）(b)的不同点所测轨迹是同一时刻同一截面。 截面是等间距（100m/s）/(660次/s)=0.15M。 所以（C）的实时性最好！3.2.2盲区分析 （1）纵向（行进方向）盲区会影响对轧制打滑，“耳朵”沿纵向大小变化的发现、判别。 缩小纵向测量间隔才利于发现纵向参数变化。 由上节（3.2.1）的分析可见，摆动测量方式的纵向盲区（300600）M是旋转测量 （15）M的2040倍！而8测头固定测量的平行间隔仅（0.15M）是旋转方式的1/100！几乎不存在纵向盲区，所以只有多测头固定测量方式可以及时发现“打滑”及“耳朵”的变化。 （2）横向盲区为了能及时发现棍缝面的主要轧制缺陷“耳朵”，希望横向分辨率高。 若“耳朵”的凸起变化较大，要想正确反映这种变化需要提高径向分辨率。 若轧材不动或行进极慢，摆动及旋转方式可以无遗漏地测出截面变化。 但被测轧材快速抖动和扭摆时，凸起点相对测头可能迅速滑过而难以精确测量凸起点的数值。 对于摆动方式和旋转方式在测量到凸起的“耳朵”时，所测数据量只占测量周期（36）秒或（1/6.6）秒中的很小一部份。 要作统计分析的数据量必须经35个周期才有较高的判决可靠性。 所以这两种测量方式对“耳朵”缺陷检测的判决周期长，测量精度低（数据量少）。 图48组固定测头因为测量区固定，单位时间截面测量数是摆动测量方式的两千倍，是旋转测量方式的一百倍，所以其统计测量的精度高。 但相应的代价是相临测头交汇区有一小段不敏感区，参看图4。 即交汇区凸起比接测量要高一点才能发现敏感度低一些。 在此区域最不敏感点在交汇中心。 即11.25?处。 此点的凸起要大于直径的0.98%才能被测到。 这一分析在被测物处于静态时误差大！但若被测物是在抖动和扭摆运动中前进时，只要有5?角的变化，其不敏感值就从0.98%降到0.27%以下。 对于20mm的园钢仅0.05mm的不敏感凸起，这个值与氧化铁皮的厚度差不多。 而由于这种多头同截面测量方式比另两种多1002000倍的测量数据，从统计误差分析，其测量随机误差可减小1001/220001/2倍。 即减小1044倍。 综合以上分析可知三种测量均无横向盲区。 摆动、旋转测量的径向（横截面）的分辨率高，但统计测量误差大。 8头固定测量方式的径向（横截面）的分辨率稍低但因测量数据量大，其统计测量误差小许多。 三种测量方式的实际径向有效分辨率相差不大。 但动态特性8头测量方式最好，旋转测量方式其次，摆动测量方式最差。 3.2.3配合轧制工艺参数检测据现场轧钢工艺人员要求在更换品种时，需要了解轧机对进入和轧出的轧材的头部及尾部几米到十几米的形状以便分析轧机工况并进行调整。 提高成材率加快轧机调整速度提高作业率。 摆动测量测一个斜截面要（36）秒即轧材前行300600m长！肯定不能满足此项要求。 旋转测量，测一个斜截面要（1/6.6）秒即15m长才测一个截面也无法满足此要求。 8头测径，测一个同时刻同截面仅需（1/666）秒即测量间隔仅0.15m。 每一秒就可给出统计处理之后的96组截面数据及8个方向的波动图供轧机调整参考。 所以要观查头尾参数只有8轴测径才能实现。 3.2.4轧材扭摆分析轧材在轧制过程，辊缝面即最易出“耳朵”的位置。 在轧制过程是否有扭摆（径向扭转）不仅对研究轧制工艺有一定参考，而且对能否消除8测量头的不敏感区有重要意义。 由于摆头及旋转测量方式。 测头自身的径向运动，单位时间内截面测量数据也太少（相对多头测量方式）难以测出轧材的扭摆状况。 8头测量方式，因测量头固定，且单位时间截面测量数是旋转方式和摆动方式的一百两千倍。 经过统计处理的截面数据及8轴向波动图每秒可给出经过统计处理的96组截面数据。 所以可清晰地观查轧材扭摆状况。 另外经过放大的公差带也有利于分析判别径向变化。 3.2.5测量螺纹钢特征尺寸初步可行性分析采用固定8轴向测仪在同时刻、同截面测8个方向的投影即可得到螺纹钢16个独立的空间位置参数，据此求解同一截面的几何参数，比起旋转或摆动方式，同截面每次只能测二个或四个（二维测径）参数。 更有利于螺纹钢特征尺寸的测量。 从三种测量方式比较，只有8头同截面同时刻投影测量解决螺纹钢特征参数测量的可行性最坚实！但必须有大量现场统计数据才能编制出适当的软件。 这是一个国际性的难题。 必须由设备研发、生产工艺、现场操作人员合作才能解决好！3.2.6光电系统及整机的可靠性分析光电成象无论是扫描方式还是平行光摄相方式，对光源、镜头、检测元件（光电管、CCD）等都要求相对位置稳定不变，否则难以保证测量精度。 摆动及旋转测量方式使光电系统长期处于运动状态，转动惯性力，摆动冲击力都不利于光电系统稳定。 长时间连续运动状态使光电系统经过一段时间工和需要重新调校才能保证其测量精度，这些问题对于固定不动的8轴向测量方式都不存在。 另外8轴测径光源采用兆瑞公司的专有技术，其光源寿命比卤素灯长100倍以上。 厂方保修5年。 8轴测径的光电系统都有加固设计。 对于过钢的高温、粉尘、水汽均有水冷、吹扫、隔离等防护设计予以克服。 经可靠性设计及统计推断，其可靠连续工作时间MTBF10000h。 4结论与建议通过以上分析讨论可以得到如下结论 （1）对于高速行进并伴有快速横向抖动的棒、线材应选用高速电子摄相方式的测量头而不宜选用激光扫描方式的测量头。 （2）对于棒、线材截面形状的测量，采用8轴固定轴向测径方式比旋转方式好，旋转测量方式比摆动方式好。 （3）对于棒、线材头尾截面形状测量仅有8轴固定测量能较好地实现，其它方式都难以实现。 （4）目前解决螺纹钢特征尺寸（内径、横肋、纵肋）测量的最有利方式是8个头的固定测量，但要硬件、软件、工艺人员通力合作解决一系列技术专题才能实现。 附带说明:本文介绍8轴向测径方案失去的专利保护的技术.受到知识产权保护.他人不得防止或用于