技术领域
[0001] 本
发明属于工程测量技术领域，主要涉及一种应用于
冶金行业粗加工设备中的高速强力随形荒磨机床砂轮直径在线测量方法。
背景技术
[0002] 重型高速强力随形荒磨机床是冶金行业的一种粗加工设备，其磨削控制的优化建立在各运行参数能够实时获取的
基础上，其中尤以磨削砂轮直径的测量为关键。荒磨机工作环境恶劣，在高速磨削时产生的高温高线速的磨削金属颗粒四处迸射，使得砂轮直径的直接测量非常困难。使用激光
传感器间接测量是一种方案，但砂轮外圆在磨削时呈高温红热状态，普通
激光器将测点打在砂轮上会发生返回
信号时有时无甚至无法收到的情况。将激光测点
定位于
工件（
轧辊铸坯）表面，利用工件、砂轮直径关联模型间接计算得到砂轮直径是一种替代方法，技术难点是由于在磨削中辊坯直径发生变化，激光测点无法保证通过圆心，需要建立精密的几何定位关系使之能正确地变换到工件、砂轮直径关联模型参数。另外，工件表面粗糙不平，其旋转时导致激光传感器测量值相应地
波动，同时由于砂轮与工件直接
接触，磨削过程中产生强烈震动，
支撑悬臂的液压
活塞也随之上下波动，测量系统也要考虑减小此类干扰。
发明内容
[0003] 本发明的目的是在重型高速强力随形荒磨机床运行时，实时测量并计算磨削砂轮的直径，为后续优化磨削控制、降低砂轮损耗提供实时数据支持。
[0004] 本发明的技术方案是利用高
精度位移测量激光传感器，在建立工件、砂轮直径关联模型的基础上，在大振动背景下用简单测量方法获取高精度的砂轮直径数据。包括设备安装及通信、工件与砂轮直径关联模型、误差处理。
[0005] 该方法具体包括以下步骤：
[0006] （1）
硬件配置及安装：在荒磨机支撑臂下面安装位移测量激光传感器，使用
水平仪将激光传感器调平，并使激光传感器光路垂直于台车行进方向，同时在水平方向使其光路位于砂轮所在铅垂面之同台车运动方向一侧并尽量靠近砂轮铅垂面。，垂直方向上将激光传感器固定于地面台基；
[0007] （2）测量参数：
[0008] H——悬臂
转轴中心至支撑滚轮圆心的垂直距离，
[0009] X——激光传感器至轧辊辊坯中心的水平距离，
[0010] M——液压推
杆底端转轴至轧辊辊坯中心的水平距离，
[0011] N——支撑滚轮圆心至液压
推杆底端转轴的垂直距离，
[0012] Y0——液压推杆活塞完全缩回时推杆两端转轴间距，
[0013] h——支撑滚轮中心至激光传感器测点的垂直高度，
[0014] a——激光传感器至较近支撑滚轮表面的水平距离，
[0015] b——轧辊辊坯中心至支撑滚轮中心的水平距离，
[0016] r——支撑滚轮的半径，
[0017] α——悬臂与悬臂轴心—推杆顶轴连线的夹
角，
[0018] c——悬臂转轴中心至液压推杆顶端转轴中心的距离，
[0019] d——液压推杆底端支撑轴中心至悬臂转轴中心的距离，
[0020] l——悬臂转轴中心至砂轮中心的距离；
[0021] （3）数据通信：激光传感器通过RS232串口与上位机连接通信，上位机运行
数据采集程序实时接收数据并保存；开启激光测距仪进行调试，确认激光测点有效；试测辊坯直径，与手动测量值比较，得到偏置量δ；
[0022] （4）计算轧辊直径：通过公式 计算辊坯的理论直径，其中：
[0023]
[0024] 式中， h为支撑滚轮中心至激光传感器测点的垂直高度，Φ为轧辊辊坯直径，R为轧辊辊坯半径，a为激光传感器至较近支撑滚轮表面的水平距离，b为轧辊辊坯中心至支撑滚轮中心的水平距离，r为支撑滚轮的半径，s为激光传感器至轧辊辊坯表面测点的距离，即激光传感器的实时测量值；
[0025] （5）计算砂轮直径：当满足砂轮启动旋转、砂轮与辊坯
正压接触、辊坯旋转、辊坯轴向进给这4个条件时，才进行砂轮直径的更新计算。任何一个条件不满足的情况下，则保持前次计算值；
[0026] 通过公式 得砂轮直径的理论值，其中：
[0027] ，
[0028] ，
[0029] y=Y0+ΔY，
[0030] ，
[0031] ，
[0032] 式中，Rs为砂轮半径，l为悬臂转轴中心至砂轮中心的距离，f为悬臂转轴中心至轧辊辊坯中心的距离，α为悬臂与悬臂轴心—推杆顶轴连线的夹角，β为悬臂轴心—推杆顶轴连线与悬臂轴心—推杆底轴连线的夹角，γ为悬臂轴心—辊坯中心连线与悬臂轴心—推杆底轴连线的夹角，c为悬臂转轴中心至液压推杆顶端转轴中心的距离，d为液压推杆底端支撑轴中心至悬臂转轴中心的距离，y为液压推杆两端支撑转轴动态间距，ΔY为推杆内部
液压缸活塞实时
位置，该值由推杆液压数控系统记录，可供第三方程序调用，e为液压推杆底端支撑转轴中心至轧辊辊坯中心的距离；
[0033] （6）误差分析和处理：考虑到误差因素，对砂轮的直径计算公式进行修正，[0034] 修正后的砂轮直径计算公式为：
[0035] ；
[0036] 其中，
[0037] ，
[0038] A=4(h2-r2)，
[0039] B′=4r[h2+b2-r2-(a+b+r-s′)2]，
[0040] C′=-[(a+b+r-s′)2+r2+h2-b2]2–4h2(b2-r2)，
[0041] s′=s′|t-1+K|t-1(s-s′|t-1)，
[0042] ，
[0043] D′=a+b+r-s′，
[0044] E′=D′2+r2+h2-b2，
[0045] ，
[0046] ，
[0047] ，
[0048] ，
[0049] ，
[0050] 上面式中， m为激光传感器距砂轮所在铅垂面的水平距离，Va为辊坯轴向进给速度，K为等效误差比例系数。
[0051] 所述激光传感器所要求的量程为0.2~70m，精度为±1mm，
频率不大于10Hz。
[0052] 所述数据采集程序能进行系统显示设置、串口通信设置和激光传感器工作模式的参数设置。
[0053] 本发明的有益效果为：
[0054] （1）对特定的荒磨机床，建立了精密的几何定位关系，使激光测点不通过辊坯圆心的情况下，仍能将现场数据正确地变换到工件、砂轮直径关联模型参数，利用激光测距数值和其他相关静态变量计算获得中间量——辊坯的直径；再利用砂轮悬臂支撑杆活塞的位置数据推导出砂轮直径的理论值，同时，在计算过程中加入了辊坯直径校正环节。
[0055] （2）使用高精度位移测量激光传感器，在大振动、强干扰背景下用简单测量方法得到高精度的砂轮直径数据，为后续包括在线精确测量磨削量等在内的磨削优化和降低砂轮损耗提供了实时的数据支持。
[0056] （3）提出了一种有效的误差处理方法，利用了辊坯
缺陷不同时通过砂轮和激光测点的时延和等效误差比例系数，将激光测距值和活塞位置作相关处理后，使二者的误差波动在计算过程中有效相消，降低了砂轮直径的误差波动；同时，对磨削过程中的震动数据进行滤波，有效降低了测量误差。
附图说明
[0057] 图1为荒磨机尺寸及激光传感器安装示意图；
[0058] 图2为辊坯与激光传感器相对位置几何关系示意图；
[0059] 图3为辊坯直径计算值曲线；
[0060] 图4为砂轮与辊坯相对位置几何关系示意图；
[0061] 图5为悬臂支撑杆活塞位置趋势曲线；
[0062] 图6为辊坯表面缺陷对砂轮直径计算的影响示意图；
[0063] 图7为本方案提供的误差处理方法示意图；
[0064] 图8为砂轮、辊坯与激光测点在磨削时的相对位置关系示意图；
[0065] 图9为等效误差比例系数K的趋势曲线；
[0066] 图10为砂轮直径计算值曲线。
[0067] 图中标号：
[0068] 1-激光传感器；2-砂轮；3-辊坯；4-荒磨机支撑臂。
具体实施方式
[0069] 本发明提供了一种高速强力随形荒磨机床砂轮直径在线测量方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
[0070] 该方法的具体步骤为：
[0071] 1）硬件配置及安装：基于荒磨机规格和现场生产环境，对激光传感器的各项指标均有相应要求，其中最重要的是量程、精度、频率及
稳定性。本方案选用的是一款国产激光位移传感器，量程0.2~70m，精度达到±1mm，频率最大可至10Hz。
[0072] 高精度位移测量激光传感器1安装于荒磨机支撑臂4下面，既避开磨削时四处飞溅的火星，又避免距离过远引起误差增大。使用水平仪将激光传感器调平，并使传感器光路垂直于台车行进方向。同时在水平方向使其光路位于砂轮所在铅垂面之同台车运动方向一侧并尽量靠近砂轮铅垂面，以减小测量数据的滞后性，垂直方向上将激光传感器固定于地面台基，以减少震动，如图1所示。
[0073] 2）测量参数：手动测量以下参数及待磨辊坯3辊身直径，如图2、3、5所示：
[0074] H——悬臂转轴中心至支撑滚轮圆心的垂直距离，
[0075] X——激光传感器至轧辊辊坯中心的水平距离，
[0076] M——液压推杆底端转轴至轧辊辊坯中心的水平距离，
[0077] N——支撑滚轮圆心至液压推杆底端转轴的垂直距离，
[0078] Y0——液压推杆活塞完全缩回时推杆两端转轴间距，
[0079] h——支撑滚轮中心至激光传感器测点的垂直高度，
[0080] a——激光传感器至较近支撑滚轮表面的水平距离，
[0081] b——轧辊辊坯中心至支撑滚轮中心的水平距离，
[0082] r——支撑滚轮的半径，
[0083] α——悬臂与悬臂轴心—推杆顶轴连线的夹角，
[0084] c——悬臂转轴中心至液压推杆顶端转轴中心的距离，
[0085] d——液压推杆底端支撑轴中心至悬臂转轴中心的距离，
[0086] l——悬臂转轴中心至砂轮中心的距离。
[0087] 3）数据通信：将激光传感器的电气线路连接好，包括电源线和RS232串口数据线。手动测量待磨辊坯辊身直径后，将其移入工作位置。开启激光测距仪进行调试，确认激光测点有效。
[0088] 激光传感器通过RS232串口与上位机通信，上位机运行自主开发的数据采集程序实时接收数据并保存。该程序基于Microsoft Visual C#语言，支持对传感器的所有设置功能。打开设置界面可以进行系统显示设置、串口通信设置和激光传感器工作模式的参数设置。试测辊坯直径，与手动测量值比较，得到偏置量δ。
[0089] 4）计算轧辊直径：将图1中所示的荒磨机结构与激光传感器相对位置抽象为图3所示的几何关系，图中变量除R外皆可由机床设计尺寸或现场量测得到。
[0090] 根据平面几何知识，有：
[0091]
[0092] 展开得到：
[0093]
[0094] 其中，h为支撑滚轮中心至激光传感器测点的垂直高度，R为轧辊辊坯半径，a为激光传感器至较近支撑滚轮表面的水平距离，b为轧辊辊坯中心至支撑滚轮中心的水平距离，r为支撑滚轮的半径，s为激光传感器至轧辊辊坯表面测点的距离，即激光传感器的实时测量值。
[0095] 令：
[0096]
[0097] 有：
[0098]
[0099] 由此可得到辊坯的理论直径，由于现场不可避免地存在系统误差，还需要加上一定的偏置。在测量装置固定好后，开机之前使用激光传感器静态测量辊径，将得到的结果与磨削前手动测量的辊径比较，得到偏置量δ。这样，辊坯直径的计算公式为：
[0100]
[0101] 辊坯直径的变化趋势如图4所示。
[0102] 5）计算砂轮直径：当荒磨机执行磨削工序时，砂轮2与辊坯3紧密接触，其相对位置的几何关系如图5所示。根据平面几何关系，有：
[0103]
[0104] 其中，l为悬臂转轴中心至砂轮中心的距离，c为悬臂转轴中心至液压推杆顶端转轴中心的距离，d为液压推杆底端支撑轴中心至悬臂转轴中心的距离，y为液压推杆顶端和底端转轴中心间距，e为液压推杆底端支撑转轴中心至轧辊辊坯中心的距离，f为悬臂转轴中心至轧辊辊坯中心的距离，α为悬臂与悬臂轴心—推杆顶轴连线的夹角，β为悬臂轴心—推杆顶轴连线与悬臂轴心—推杆底轴连线的夹角，γ为悬臂轴心—辊坯中心连线与悬臂轴心—推杆底轴连线的夹角，Rs为砂轮半径。y为液压推杆两端支撑转轴动态间距，ΔY为推杆内部液压缸活塞实时位置，该活塞位置由ProTool的Archives功能自动记录并保存，可供第三方程序调用。Protool是集成在西
门子PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑
控制器）编程组态
软件STEP7中的HMI（Human Machine Interface，
人机界面）软件，本系统中的支撑杆液压控制采用西门子SINUMERIK 840D数控系统，它集成了西门子S7-300-2DP的PLC。
[0105] 由此可得砂轮直径的理论值：
[0106]
[0107] 在实际应用中，激光器应安装于荒磨机床控制台所在一侧，以保证激光测点总是照射在磨削过的表面，且磨削过程所产生的废料不会打坏激光传感器。当满足砂轮启动旋转、砂轮与辊坯正压接触、辊坯旋转、辊坯轴向进给这4个条件时，才进行砂轮直径的更新计算。任何一个条件不满足的情况下，则保持前次计算值。
[0108] 6）误差分析和处理：磨削工件时，砂轮实际直径的减小应是一个平滑渐变的过程。而在计算过程中，如果不作误差进行处理，直接计算，由于受悬臂震动和辊坯表面粗糙的影响，激光测距值和悬臂支撑杆活塞位置值都会有频繁的波动，此二者皆是计算过程中涉及到的动态变量，因此得到的砂轮直径也波动较大。
[0109] 轧辊
钢坯在
铸造时形成的表面缺陷，如凸起的钢包砂，用荒磨机对其进行磨削时并不能做到一次削平，尤其是一些明显的凸起。这样在砂轮每次经过凸起时便会带动悬臂和液压推杆，造成活塞位置数据的波动。以单个缺陷为例，在图7（a）所示的情况下，凸包经过砂轮时将其顶起，此时激光器测距未发生明显变化，可知由其计算得出的辊径亦未发生明显变化，而根据几何约束关系计算出的砂轮直径如左图中虚线所示，此种情况引起的误差约等于钢包的凸起高度。第二种情况如图7（b）所示，待钢包旋转至激光测点时，激光器测距值发生明显变化，由其计算得出的辊径为下方的虚线圆所示，此时液压推杆并无明显变化，根据几何约束关系算出的砂轮直径如上方的虚线圆所示，其引起的砂轮半径误差相较凸起本身的高度一般来说并不相同，此中差异取决于测量光路偏离辊坯圆心的距离。
[0110] 本发明提供了一种能够有效减小误差的处理方法。由于荒磨机支撑臂的结构及周围环境的限制，激光传感器无法摆放在与砂轮同一个垂面，而是向侧方有一定偏置，设为m；同时，由于辊坯直径变化，激光器也无法总通过圆心，砂轮、辊坯与激光测点在磨削时的相对位置关系如图8所示。辊坯在切向旋转的同时也有轴向进给，而切向旋转线速度比轴向进给速度大得多。因此，在进行辊身磨削时，如果一个凸起经过砂轮，必然在一定时延后经过激光测点。设辊身旋转线速度为Vt，轴向进给速度为Va，此二变量皆在840D数控程序的保存变量列表中，则凸起经过砂轮和激光测点的时间差为：
[0111]
[0112] 将液压活塞位置的当前数据前推Td时间得到的值恰与当前的激光测点数据相合，由此算出的砂轮直径有Td长度的延时，但鉴于偏置量m值较小、辊坯进给速度可观且砂轮直径的减小比较缓慢，此延时可以接受。
[0113] 另外，凸包经过激光测点时和经过砂轮时引起的砂轮半径误差不一定相同，因此需要对激光器测距数据的波动进行放缩，使其乘以一个比例系数K后等效于原凸包经过砂轮时引起的砂轮半径误差，这里称K为等效误差比例系数。这样激光测距的数据波动与活塞位置的数据波动可以更好地相互抵消，降低砂轮直径的计算误差。如图9所示，当一个实际高度为p的钢包砂旋转至激光测点时，以比例系数K将其放缩至Δs，则以此算出的辊坯外径刚好与Td时刻前钢包砂经过砂轮时约束关系下的理论辊径相等，由此算出的砂轮直径将更接近真实值。
[0114]
[0115] 其中p为钢包砂凸起实际高度，z为辊坯顶部距支撑滚轮轴平面的高度，其与辊坯半径R的关系为：
[0116]
[0117] 进一步推导，令：
[0118]
[0119] 有：
[0120]
[0121] 代入数据得到K线趋势如图10所示。修正后的砂轮直径计算公式为：
[0122]
[0123] 其中，
[0124] ，
[0125] A=4(h2-r2)，
[0126] B′=4r[h2+b2-r2-(a+b+r-s′)2]，
[0127] C′=-[(a+b+r-s′)2+r2+h2-b2]2–4h2(b2-r2)，
[0128] s′=s′|t-1+K|t-1(s-s′|t-1)，
[0129] ，
[0130] D′=a+b+r-s′，
[0131] E′=D′2+r2+h2-b2，
[0132] ，
[0133] ，
[0134] ，
[0135] ，
[0136] 。
[0137] 计算得到的砂轮直径变化趋势如图10所示，其中上图为误差修正后的结果，下图为误差修正后再经过n=10的移动平均滤波后的结果，可以看出砂轮直径总体上随着磨削的进行逐渐减小，经现场验证其数值亦与实际相符。
