一种无接触式钢卷内径的检测装置与方法与流程

1.本发明涉及冶金行业卷材检测技术领域，更具体地说，涉及一种无接触式钢卷内径的检测装置与方法。


背景技术：

2.在钢铁冶金行业，卷取机卷取热轧钢卷过程中，若发生卷取机芯轴扇形瓦松动、助卷机辊缝偏差过大等情况，则易导致热轧钢卷内圈松散或内径偏小，无法满足冷轧开卷机芯轴直径的要求。钢卷内圈松散，一般肉眼可察，可通过人工或平整机处理合格。若热轧钢卷因卷取机芯轴扇形瓦松动，导致实际内径偏小的情况，则肉眼很难识别。此类热轧钢卷发往下游的冷轧厂用户，则会影响用户使用，产生质量异议。如果热轧卷在上冷轧厂开卷机时，才发现其内径偏小，无法正常开卷，则会直接影响冷轧厂正常生产节奏，降低生产效率，增大产品成本，这是目前众多热轧厂亟需解决的现场问题。因此，急需设计一种能够精准测量钢卷内径的检测装置和方法。
3.经检索，中国专利公开号为cn200950054y的专利公开了一种无接触式钢卷内径动态检测装置，其主要由一开卷机和一位移传感器组成。该方案能全过程地动态检测钢卷内径变化，并实时修正剩余长度，提高带钢定位正确性，避免甩尾故障。不足之处是其检测情景是下游的冷轧厂开卷机开卷时，只能解决内径松散偏大导致提前甩尾的问题，难以解决钢卷内径偏小无法开卷的问题。
4.中国专利公开号为cn206095113u的专利公开了一种热轧钢卷内径检测装置，其主要由带有刻度的圆筒、固定梁、活动梁、过渡板及圆轮组成。该方案首先测量最大距离值a，然后通过收缩，将两圆轮均收缩至钢卷内圈，记收缩量为b，即可测得钢卷内径d＝a
‑
b。不足之处是钢卷卷取温度一般在600℃左右，此装置只能待钢卷冷却后方可进行测量，影响发货及时性。且其通过圆轮在钢卷内圈旋转接触式测量，不仅测量精度较低，而且钢卷易出现压痕等，影响卷材产品的质量。


技术实现要素：

5.1.发明要解决的技术问题
6.本发明目的在于克服现有的现场钢卷内径检测精度不高、安全性低等的不足，拟提出了一种无接触式钢卷内径的检测装置与方法，能够无接触、高精度地检测钢卷内径，而且稳定性高，能够长期稳定、可靠的运行。
7.2.技术方案
8.为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
9.本发明的一种无接触式钢卷内径的检测装置与方法，包括自动伸缩单元、旋转动力单元和检测单元，所述自动伸缩单元包括与旋转动力单元相连的转轴，转轴在旋转动力单元的驱动下进行周向转动，转轴的一端水平延伸设置有自动伸缩杆，自动伸缩杆包括与转轴相连的主杆和移动杆，其中移动杆包括多节可自动伸缩的杆件，且移动杆上远离主杆
的一侧固定有检测单元。
10.作为本发明更进一步的改进，旋转动力单元包括竖直设置的移动板，移动板上靠近转轴的一侧设置有沿高度方向延伸的齿条，转轴的外周套设有与齿条相啮合的转动齿轮。
11.作为本发明更进一步的改进，旋转动力单元还包括与移动板垂直相连的横杆，横杆远离移动板的一端与丝杆传动部件相连，且横杆在丝杆传动部件的驱动下进行上下往复运动。
12.作为本发明更进一步的改进，检测单元包括激光测距传感器，激光测距传感器的底部设置有固定块，移动杆的外周设置有安装槽，固定块配合卡入安装槽内。
13.作为本发明更进一步的改进，还包括支撑单元，支撑单元包括第二支架，第二支架内设置有供主杆穿过的安装孔，安装孔内部环绕周向开设有一圈环形滑轨，主杆外周设置有与环形滑轨相配合的滑块。
14.一种无接触式钢卷内径检测装置的检测方法，包括以下操作步骤：
15.s1：伸入定位：自动伸缩单元、旋转动力单元和激光测距传感器均与计算机保持连接，通过计算机输入指令，启动自动伸缩单元，使移动杆自动伸长并伸入至钢卷内圈中；
16.s2：转动测量：开启旋转动力单元并使得移动板上下移动，进而通过齿条带动转轴和自动伸缩杆进行周向转动；
17.s3：检测数据：移动杆在转动的过程中，激光测距传感器保持开启状态，进行检测，得到相关的数据；
18.s4：计算内径值：移动杆转动一周完成检测后，转轴停止转动，此时限位器打开，移动杆退出钢卷内圈，再通过检测算法，即可算得钢卷内径值r。
19.作为本发明更进一步的改进，步骤s3中将激光测距传感器转动一周均匀划分为n个步长，激光测距传感器每转动一个步长，所对应至钢卷内圈上的弧度为θ，同时检测得到一组距离数据r1与r2，转动一周后，共得到n＝2л/θ组距离数据。
20.作为本发明更进一步的改进，步骤s4中激光测距传感器旋转形成的虚拟圆半径为r1，激光测距传感器每转动一个步长所对应至钢卷内圈上的阴影面积s1可利用公式1
‑
1计算得到：
[0021][0022]
因此，热轧钢卷内圈对应的面积为激光测距传感器转动一周得到的n个阴影面积的总和s：
[0023][0024]
最后，利用公式1
‑
3，求解出热轧钢卷内圈的半径r：
[0025][0026]
作为本发明更进一步的改进，步骤s3中移动杆伸入钢卷内圈锁定后以激光测距传感器的固定点为原点，此时激光测距传感器测量得到第一检测点a(x1，y1)，激光测距传感器转动90
°
、180
°
和270
°
后依次得到第二检测点b(x2，y2)、第三检测点c(x3，y3)和第四检测点d(x4，y4)。
[0027]
作为本发明更进一步的改进，步骤s4中激光测距传感器旋转形成的虚拟圆半径为r1，以第一检测点a(x1，y1)为例，激光测距传感器所测得的距离数据与检测点a(x1，y1)坐标之间的关系为：
[0028]
y1＝0；
[0029]
利用坐标系依次得出其他三个检测点的坐标b(x2，y2)、c(x3，y3)和d(x4，y4)，其中
[0030]
x2＝0；
[0031]
y3＝0；
[0032]
x4＝0；
[0033]
将a、b、c、d四个检测点两两相连，得到6条直线l1、l2、l3、l4、l5、l6，根据两点式直线方程，分别求得这6条直线方程，以l1直线为例，l1的直线方程式为：
[0034][0035]
其中6条直线l1、l2、l3、l4、l5、l6的中点坐标分别为，其中6条直线l1、l2、l3、l4、l5、l6的中点坐标分别为，上述6条直线的中心线分别为s1、s2、s3、s4、s5、s6，根据斜率式直线方程，分别求得这6条直线s1、s2、s3、s4、s5、s6的方程式，以s1直线为例，如下：
[0036][0037]
上述6条直线s1、s2、s3、s4、s5、s6两两联立，计算各自交点，得到15组圆心坐标，并求其平均值，得到圆心r(x
r
，y
r
)的坐标，分别计算圆心r到四个检测点a、b、c、d的距离，以圆心r到第一检测点a为例，两点距离公式如下：
[0038][0039]
热轧钢卷内径值r为圆心r到四个检测点a、b、c、d距离的平均值，利用下方公式可得出钢卷内径值r：
[0040]
r＝(ιraι ιrbι ιrcι ιrdι)/4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ1‑
7。
[0041][0042]
3.有益效果
[0043]
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0044]
(1)本发明的一种无接触式钢卷内径检测装置，整体检测装置实现自动化检测，能够无接触、高精度地检测钢卷内径，而且稳定性高，能够长期稳定、可靠的运行，有效节省人力，提高检测效率。
[0045]
(2)本发明的一种无接触式钢卷内径检测装置，采用的激光测距传感器等设备，可以在较为恶劣的现场环境中，长期连续在线测试，稳定运行，故障率低；且激光测距传感器的测量精度可达到微米级，完全可满足钢卷内径测量精度的要求，检测精度高。
[0046]
(3)本发明的一种无接触式钢卷内径检测方法，检测算法通过多次修正，对钢卷内圈的理想圆进行了进一步修正，数据更加精准，提高了测量结果的准确性。
附图说明
[0047]
图1是本发明的一种无接触式钢卷内径高精度检测装置与方法的结构示意图；
[0048]
图2是本发明中钢卷内径高精度检测第一种基本原理示意图；
[0049]
图3是本发明中钢卷内径高精度检测第二种基本原理示意图；
[0050]
图4是本发明中的丝杆装置结构示意图；
[0051]
图5是本发明的工作流程示意图。
[0052]
示意图中的标号说明：
[0053]
100、基座；200、第一支架；201、转动槽；300、转轴；310、主杆；311、限位器；320、移动杆；321、安装槽；400、移动板；401、齿条；500、第二支架；600、激光测距传感器；700、钢卷；800、计算机；900、丝杆；910、横杆；920、支座；930、伺服电机。
具体实施方式
[0054]
为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。
[0055]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0056]
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
[0057]
实施例1
[0058]
结合图1和图4所示，本实施例的一种无接触式钢卷内径的检测装置，包括自动伸缩单元、旋转动力单元和检测单元，所述自动伸缩单元包括与旋转动力单元相连的转轴300，转轴300在旋转动力单元的驱动下进行周向转动，转轴300的一端水平延伸设置有自动伸缩杆，自动伸缩杆包括与转轴300相连的主杆310和移动杆320，其中移动杆320包括多节可自动伸缩的杆件，且移动杆320上远离主杆310的一侧设置有检测单元，主杆310固定不动，移动杆320沿靠近或者远离主杆310的方向进行收缩或者伸长，从而实现检测单元水平距离的调节，在检测时实现将检测单元自动伸入钢卷700内圈内进行内径的测量，完成检测
后又能快速地将检测机构退出钢卷700外，避免人工测量发生烫伤事件，同时还能有效提高检测的速度和准确度。本实施例中转轴300在旋转动力单元的驱动下进行周向转动，进而带动移动杆320及检测单元进行周向转动，方便获得多组检测数据，提高检测结果的准确性。
[0059]
本实施例中旋转动力单元包括竖直设置的移动板400，移动板400上靠近转轴300的一侧设置有沿高度方向延伸的齿条401，转轴300的外周套设有与齿条401相啮合的转动齿轮。其中旋转动力单元还包括与移动板400垂直相连的横杆910，横杆910远离移动板400的一端与丝杆传动部件相连，且横杆910在丝杆传动部件的驱动下进行上下往复运动，带动移动板400及齿条401上下移动，通过齿条401和转动齿轮的啮合实现对转轴300的转动。如图3所示，本实施例中丝杆传动部件包括竖直设置的丝杆900，丝杆900的上下两端为支座920，其中底部的支座920内设置有伺服电机930，伺服电机930转动驱动丝杆900上下运动，进而带动横杆910进行上下往复运动。
[0060]
本实施例中检测单元包括激光测距传感器600，其中激光测距传感器600是热轧钢卷700内径的检测设备，检测精度达到微米级，完全符合内径检测的精度要求。此外，热轧钢卷700的卷取温度一般在600℃左右，激光测距传感器600可以实现无接触式测量，既提高测量操作的安全性，又降低测量误差；激光测距传感器600通过自动伸缩杆实现前进和后退，通过转轴300实现周向转动。激光测距传感器600的底部设置有固定块，移动杆320的外周设置有安装槽321，固定块配合卡入安装槽321内从而将激光测距传感器600固定在移动杆320上。其中主杆310上靠近移动杆320一侧端部设置有限位器311，移动杆320上靠近主杆310的一侧沿长度方向开设有定位凹槽，限位器311配合卡入凹槽内实现移动杆320的锁紧。具体地，本实施例中限位器311包括设置在主杆310上的液压缸和自动伸缩的液压杆，液压杆在液压缸的驱动下进行上下伸缩运动，且液压杆的头部两侧对称设有限位部，限位部为弹性件，其中两侧限位部的外侧边缘位置均延伸超过定位凹槽宽度方向两侧，液压杆的头部向下挤压进定位凹槽内时在挤压力的作用下，限位部也挤压进定位凹槽后自动弹开，实现对移动杆320的锁紧固定。
[0061]
如图1所示，本实施例中还包括支撑单元，支撑单元包括第二支架500，第二支架500内设置有供主杆310穿过的安装孔，安装孔内部环绕周向开设有一圈环形滑轨，主杆310外周设置有与环形滑轨相配合的滑块，转轴300带动主杆310转动时，滑块在环形滑轨内滑动，通过滑块和环形滑轨的相互配合，不仅能够有效对主杆310进行支撑，还能够使得主杆310转动更加流畅。本实施例中支撑单元还包括第一支架200，第一支架200内设置转动槽201，转轴300远离主杆310一侧的端部内嵌入转动槽201内，且转动槽201内部环绕周向开设有一圈环形滑轨，转轴300外周设置有与环形滑轨相配合的滑块，转轴300转动时滑块在环形滑轨内滑动，通过滑块和环形滑轨的相互配合，不仅能够有效对转轴300进行支撑，还能够使得转轴300转动更加流畅，通过第一支架200和第二支架500的相互配合支撑使得整体装置支撑运行得更加稳定。
[0062]
本实施例中支撑单元还包括呈l型结构的基座100，基座100包括水平段和竖直段，其中第一支架200固定在竖直段上，第二支架500固定在水平段上。本实施例中激光测距传感器600、限位器311的液压缸、旋转动力单元的伺服电机930以及自动伸缩单元中的移动杆320均与计算机保持连接，计算机内设置程序可自动控制各个检测和运动元件的开启及关闭动作，整体检测装置实现自动化检测，能够无接触、高精度地检测钢卷700内径，而且稳定
性高，能够长期稳定、可靠的运行，有效节省人力，提高检测效率。
[0063]
本实施例的一种无接触式钢卷内径检测装置的检测方法，包括以下操作步骤：
[0064]
s1：伸入定位：在热轧钢卷700的待测点较近处，将基座100安装固定好，将转轴300安装进第一支架200内的转动槽201上，自动伸缩杆安装进第二支架500的安装孔内，安装完毕后，自动伸缩单元、旋转动力单元和激光测距传感器600均与计算机保持连接，通过计算机输入指令，启动自动伸缩单元，使移动杆320自动伸长并伸入至钢卷700内圈中，而后启动限位器311的液压缸，使限位器311锁紧在移动杆320上的定位凹槽内，完成对移动杆320的锁紧固定。
[0065]
s2：转动测量：开启旋转动力单元并使得移动板400上下移动，进而通过齿条401带动转轴300和自动伸缩杆进行周向转动，具体地，本实施例中计算机控制激光测距传感器600开启，同时控制旋转动力单元内的伺服电机930开启，实现转轴300与整个自动伸缩杆的转动。
[0066]
s3：检测数据：移动杆320在转动的过程中，激光测距传感器600保持开启状态，进行检测，得到相关的数据，具体地，本实施例中将激光测距传感器600转动一周均匀划分为n个步长，激光测距传感器600每转动一个步长，所对应至钢卷内圈上的弧度为θ，同时检测得到一组距离数据r1与r2，其中r1与r2分别为每个步长的起始位置和终止位置时所对应的激光测距传感器600实际测量得到的距离(即激光测距传感器600所形成的的虚拟圆外圈与钢卷700内圈之间的实际距离)，转动一周后，共得到n＝2л/θ组距离数据。其中θ的取值应不超过标准值θ
*
，使r1与r2相差较小，从而使得对应的阴影部分弧形更近似于圆弧形，有效减小计算误差。标准值θ
*
的取值，根据钢卷700尺寸大小，现场条件而定。
[0067]
s4：计算内径值：移动杆320转动一周完成检测后，伺服电机930关闭，转轴300停止转动，此时限位器321打开，移动杆320退出钢卷700内圈，并将得到的相关数据传回到计算机，再通过检测算法，即可算得钢卷700内径值r。
[0068]
如图2所示，本实施例中外圈(圆)为热轧钢卷700的内径r，内圈(圆)为激光测距传感器600旋转形成的虚拟圆，虚拟圆半径为r1，激光测距传感器600每转动一个步长所对应至钢卷700内圈上的阴影面积s1(为图2中阴影部分面积)，可利用公式1
‑
1计算得到：
[0069][0070]
因此，热轧钢卷700内圈对应的面积为激光测距传感器600转动一周得到的n个阴影面积的总和s：
[0071][0072]
最后，利用公式1
‑
3，求解出热轧钢卷700内圈的半径r：
[0073][0074]
通过上述钢卷700内径的检测算法，计算可得热轧钢卷700内径值r。
[0075]
实施例2
[0076]
本实施例的一种无接触式钢卷内径的检测方法，基本结构同实施例1中所述，其不同之处在于激光测距传感器600的测量数据方法与检测算法有进一步地改进，对实施例1中的钢卷700内圈的理想圆进行了进一步修正，数据更加精准。其中步骤s3中热轧钢卷700进入待测点前，调整激光测距传感器600保持水平，激光发射头对准前或者后射出。检测时，移动杆320伸入钢卷700内圈锁定后以激光测距传感器600的固定点为原点(0，0)，此时激光测距传感器600测量得到第一检测点a(x1，y1)，旋转动力单元带动转轴300和自动伸缩杆以及激光测距传感器600转动90
°
、180
°
和270
°
后依次得到第二检测点b(x2，y2)、第三检测点c(x3，y3)和第四检测点d(x4，y4)。将检测所得a、b、c、d四个检测点的坐标数据，传回计算机，根据设计的检测算法，计算可得热轧钢卷700内径值r。
[0077]
如图3所示，本实施例中步骤s4中外圈(圆)为热轧钢卷700的内径r，内圈(圆)为激光测距传感器600旋转形成的虚拟圆，虚拟圆半径为r1，以第一检测点a(x1，y1)为例，激光测距传感器600所测得的距离数据与检测点a(x1，y1)坐标之间的关系为：
[0078][0078][0079]
其他检测点坐标与激光测距传感器600检测距离数据之间的关系，原理与a检测点相同，利用坐标系依次得出其他三个检测点的坐标b(x2，y2)、c(x3，y3)和d(x4，y4)，其中
[0080]
x2＝0；
[0081]
y3＝0；
[0082]
x4＝0；
[0083]
将a、b、c、d四个检测点两两相连，得到6条直线l1、l2、l3、l4、l5、l6，根据两点式直线方程，分别求得这6条直线方程，以l1直线为例，l1的直线方程式为：
[0084][0085]
其中6条直线l1、l2、l3、l4、l5、l6的中点坐标分别为其中6条直线l1、l2、l3、l4、l5、l6的中点坐标分别为上述6条直线的中心线分别为s1、s2、s3、s4、s5、s6，根据斜率式直线方程，分别求得这6条直线s1、s2、s3、s4、s5、s6的方程式，以s1直线为例，如下：
[0086][0087][0088]
上述6条直线s1、s2、s3、s4、s5、s6两两联立，如果热轧钢卷700内径是一个理想的
完美圆，则6条直线s1、s2、s3、s4、s5、s6两两联立均交于一点，此唯一交点即为圆心。实际现场，热轧钢卷700是通过卷取机实现打卷，内径本质上并非真正的完美圆。进一步地，为减小误差，使所测得的内径值更贴合现场实际。上述6条直线s1、s2、s3、s4、s5、s6两两联立后，计算各自交点，得到15组圆心坐标，并求其平均值，得到圆心r的坐标(x
r
，y
r
)。
[0089]
进一步地，为减小误差，分别计算圆心r到四个检测点a、b、c、d的距离，以圆心r到第一检测点a为例，两点距离公式如下：
[0090][0091]
所述热轧钢卷700内径值r为圆心r到四个检测点a、b、c、d距离的平均值，利用下方公式可得出钢卷700内径值r：
[0092]
r＝(ιraι ιrbι ιrcι ιrdι)/4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ1‑
7。
[0093][0094]
在计算机中，设计好该检测算法，输入四个检测点a、b、c、d对应的检测距离数据，即可计算得出热轧钢卷700的内径值r。上述检测算法通过多次修正，提高了测量结果的准确性。
[0095]
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。