（机械电子工程专业论文）基于三点法的回转窑运行轴线在线测量系统.pdf

摘要 摘要 回转窑是冶金、水泥、耐火材料生产中的关键设备，是一种重载荷、大扭 矩、多支点、静不定运行系统，确保它安全、高效地运行是相应生产企业提高 经济效益的关键。研究发现回转窑的运行好坏主要受其运行轴线的影响，生产 中为对它进行合理地调整与维护，需要准确、及时地掌握和分析它的轴线状态， 因此，迫切需要研制一套大型回转窑运行轴线监测系统。 本论文首先在分析和比较国内外回转窑检测系统现状的基础上，研究了基于 三点法的大型回转窑运行轴线在线测量新方法，该方法不仅能够测得回转窑筒 体回转中心的动态变化情况，同时还可以测取轮带和托轮的直径以及它们的变 形情况。应用该方法，设计研制了一种新型大型回转窑运行轴线动态测量系统。 其次，在系统硬件设计中，说明了传感器性能、通讯方式，并详细分析了测量 模块的电路，采用可以进行大距离非接触式精确测量的激光测距传感器。另外， 在系统软件设计中，详细分析了系统监测软件的实现，并简要介绍了系统的功 能。完成了基于m c g s 平台的应用程序的各个模块设计，主要是基于v c + + 的单片 机与p c 机的通讯模块、数据存储和结果显示等模块，并设计了美观友好的人机 交互界面，使用户能更直观、快捷地看到测量的结果。 测试表明：本文设计的回转窑运行轴线在线测量方法及系统能够在模拟工况 下准确地获取回转窑的运行轴线参数。同时，该监测系统具有安装维护方便、 工作稳定、运行可靠、测量精度高、监测软件功能齐全等特点。本论文最后就 后续的研究工作提出了改进建议。 关键词：三点法，回转窑，运行轴线，动态测量 a b s t r a c t a b s t r a c t r o t a r yk i l ni st h ek e ye q u i p m e n ti nt h ep r o d u c t i o no fm e t a l l u r g y 、c e m e n ta n d m a t e r i a lo ff i r e - f a s t i ti ss t a t i c a l l yi n d e t e r m i n a t es y s t e mw i t ho v e r l o a d 、l a r g et o r q u e a n dm u l t i s u p p o r t i n g e n s u r i n gr o t a r yk i l lo p e r a t es a f e l ya n de f f i c i e n t l yi st h ek e y w a yo fc o r r e s p o n d i n ge n t e r p r i s et oi n c r e a s ee c o n o m i cb e n e f i t t h eo p e r a t i n ga x e so f r o t a r yk i l la r et h ep r o m i n e n tf a c t o ro fi n f l u e n c i n gt h em a c h i n eo p e r a t i n gs t a t e p e o p l e a r er e q u i r e dt ok n o wa n da n a l y z e dt h eo p e r a t i n ga x e so fr o t a r yl 【i h li nt i m ei n p r a c t i c e ，i no r d e rt oa d j u s ta n dm a i n t e n a n c ei ti nr e a s o n , s ot h em i c r o c o m p u t e r m o n i t o r i n gs y s t e mo fl a r g e - s c a l er o t a r yk i l ni sn e e d e dt od e v e l o p e d a tf i r s t ，b a s e do na n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h es t a t u so ft h em o n i t o r i n gs y s t e m o f r o t a r yk i l n ，s t u d yo nan e wm e t h o df o rm e a s u r i n gt h eo p e r a t i n ga x e so f r o t a r yk i l l b a s e do nt h r e ep o i n t sm e a s u r e m e n tm e t h o d t 【l i sm e t h o dc a nm e a s u r en o to n l y d y n a m i cc h a n g e so ft h ec e n t e rl o c a t i o no fr o t a r yk i i n ，b u ta l s ot h ed i a m e t e r so ft h e r o l l e rs t a t i o n sa n dt i r e sa n dt h e i rc h a n g e s w i t ht h i sm e t h o d ，an e w p r a c t i c a ls y s t e m u s e df o rd y n a m i c a l l ym e a s u r i n go p e r a t i n ga x e so f r o t a r yb l l li sd e v e l o p e d s e c o n d ，i n t h ed e s i g n i n go fh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n ， i td e m o n s t r a t e st h ef u n c t i o no fs e n s o r 、t h e m o d eo fc o m m u n i c a t i o na n dt h ep r i n c i p l eo ft h ec i r c u i ti sa n a l y z e di nd e t a i l l a s e r s e n s o rw h i c hc a nc a r r yo nt h en o n - c o n t a c tp r e c i s i o nm e a s u r i n gt ot h eg r e a td i s t a n c ei s a d o p t e d r d ，i ti n t r o d u c e st h ef u n c t i o na n dt h ep r o c e s so fs o f t w a r eo fm o n i t o r i n g s y s t e m d e s i g n e dm o d u l e so ft h ea p p l i c a t i o nb a s e do nm c g sp l a t f o r m i n c l u d i n g c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em o n i t o r i n gs y s t e ma n dt h ec o m p u t e rb a s e do nv c + + ， d a t ai n p u ta n do u t p u t , r e s u l td e m o n s t r a t i o ne t c t h ea r t i s t i ca n d f r i e n d l ym a n - m a c h i n e i n t e r a c t i v ec o n t a c ts u r f a c ee n a b l et h eu s e rg e tt h er e s u l td i r e c t l ya n dq u i c k l y t h eo p e r a t i o nd e m o n s t r a t e st h a tt h eo n - l i n em e a s u r e m e n tm e t h o da n dt h es y s t e m o ft h eo p e r a t i n ga x e so fr o t a r yk i l nc a na c q u i r et h eo p e r a t i n ga x e so fl a r g e - s c a l e r o t a r yk i l nb yr u l ea n d1 i n ei nt h es i m u l a n tc o n d i t i o n a n di ti sf a c i l i t yt oi n s t a l l ， r e l i a b l et oo p e r a t o r ，a n dp r e c i s et om o n i t o r ，t h em o n i t o r i n gs y s t e ms o f t w a r eh a sl o t s o ff u n c t i o n s t h ep a p e rf i n a l l yp r o v i d e sc o m m e n to nt h ef u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：t h r e ep o i n t sm e a s u r e m e n t ，r o t a r yk i l n ，o p e r a t i n ga x e s ，d y n a m i c m e a s u r e t l e n t s i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：期 z 口口矿年f 月z f 日 ( 注：非保密论文无需签字) 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：翻习 2q o 罗年f 月纠日 第1 章绪论 1 1 回转窑概述 第1 章绪论 回转窑属于大型重要设备，广泛应用于建材、冶金、水泥、化工等许多生 产行业中。其生产运行特点是在高温、多尘、重载条件下长期连续运转。 回转窑自发明后，已经应用于各行各业，并在生产设备中处于关键地位。 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中的主要设备，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，回转要的使用越来越广泛，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 等金属的冶炼过程中，都要利用回转窑作为生产设备。主要运用回转窑对矿石、 精矿、中间产物进行烧结、焙烧等加热处理。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，回转窑也有着广泛的应用， 它是燃料锻烧的主要设备。 回转窑采用多点支撑，运行在重载、高温的条件下，运行时工况很复杂， 容易出现以下故障：筒体产生疲劳裂纹，严重时会产生塑性变形，甚至断裂： 小齿轮一大齿圈的啮合性能变差，使得传动功率和驱动力矩增加，易引起电机 电流过大，甚至烧毁电机；传动系统和支承装置存在附加载荷和冲击载荷， 容易出现轴瓦发烧现象，甚至发生托轮轴折断；窑头、窑尾端面偏摆，使其 相应位置的密封失效；窑内衬疲劳和松动加剧，导致窑皮脱落，甚至掉砖事 故发生。这些故障都和回转窑轴线的直线度有直接的关系。 回转窑的轴线是指在冷态时筒体的中心线或热态时各档支承处筒体回转中 心的连线。合理的回转窑轴线应该使回转窑各档支撑受力均衡，支撑力最大的 托轮受力最小乜1 。除了上面的一些故障外，回转窑轴线调整不合理还会间接引起 回转窑的其他一些故障，这些故障反过来又会加重轴线的弯曲，形成恶性循环， 如不及时做出调整，将导致一系列机械故障，使回转窑的运转率严重降低，带 来巨大的经济损失，甚至造成人员伤亡。因此，定期测量、调整校准回转窑轴 第1 章绪论 线是确保回转窑安全、稳定运转以及提高产量、降低成本的有效措施。 1 2 课题目的及研究意义 随着工业和科技的快速发展，在我国国民生产各部门对回转窑的应用会越 来越广泛，数量需求会越来越多，规格要求也会越来越大。同时回转窑在这些 流程工业生产中也占有了越来越重要的地位，它的技术性能和运转情况，在很 大程度上决定着企业产品的质量、产量和成本与效益。 目前回转窑生产中由于故障率高，给企业的生产和设备维护造成了重大经 济损失。每台大型回转窑每年的检修、维护费用近千万元，故障性停窑造成的 生产损失达几千万元。通过对回转窑轴线检测与故障诊断等问题进行系统研究， 得出合理有效的检测方法，从而更好的调整回转窑的运行状态。通过技术手段 保证回转窑生产中安全、高效地健康运行。可望带来显著的经济效益。 回转窑作为流程生产中的核心设备，不但应用广泛，而且相应的应用企业 主要是国有大型企业，这些企业在国民经济中占有举足轻重的地位。解决这些 企业生产中的难题，不但能有效提高它们的经济效益，对国民经济和社会发展 也能产生重要的有益影响：同时论文研究以保证回转窑设备健康运行为目标，最 大限度避免生产中的人机事故，对保证生产人员人生安全也有积极的社会意义。 综上所述，合理的回转窑轴线对提高回转窑的运转率，保证设备长期稳定 运行具有重要作用。回转窑的静态测量不能及时为回转窑的维护提供准确的参 考依据，而回转窑轴线的动态测量可以准确反映回转窑运行时轴线的情况，为 回转窑的维护和调整提供准确可靠的参考数据，因此，回转窑轴线的动态测量 对回转窑的调整和维护以及企业经济效益的提高有着重要意义。 1 3 回转窑轴线检测技术研究现状及存在的问题 1 3 1 回转窑轴线检测技术研究现状 回转窑的轴线检测技术，按照测量时回转窑的运行工况可以分为静态测量 和动态测量。静态测量指停窑时进行的测量，动态测量是指回转窑运行中进行 的测量。由于回转窑冷态和热态温差达2 0 0 度以上，所以静态测量的结果不能 2 第1 章绪论 很好反映运行中轴线的情况，因此从上世纪8 0 年代人们开始研究回转窑的动态 测量技术。成熟的回转窑动态测量系统包括：( 1 ) 中南大学研究提出了一种零 位移方向键相测量法，并且得到了湖南省科技厅的肯定口1 ；( 2 ) 武汉理工大学在 上世纪8 0 年代末推出了成本低、操作方便、适合国内回转窑用户使用的k a s 0 1 回转窑轴线测量系统，并在此之后不断进行改进h 1 ( 3 ) 山东铝业公司研制了一种 改变传感器仰角的测量系统1 ( 4 ) 中国矿业研制了y z c - 1 型回转窑轴线测量系 统1 ；( 5 ) 丹麦f l s 公司研制了激光轮带测量系统口1 ；( 6 ) 加拿大h a r t c o 公司 研究的筒体位置测定系统嘲；( 7 ) 德国p o l y s j u s 公司提出的托轮位置测量系统 西，。另外还有一些在这些系统的基础上改进的测量系统。 1 3 2 回转窑轴线检测技术存在的问题 在上述各种测量方法中，除简体位置测定系统和零位移方向键相法外，各 种测量系统最终得到回转窑轴线的方法都是通过测量轮带中心位置间接得到筒 体的中心。筒体位置测定系统采用高科技仪器直接测量筒体上垫板的位置参数， 精度较高，但系统造价昂贵，操作复杂，不利于水泥厂自己购买和使用。零位 移方向键相测量法传感器布置方便，但用到的一个假设是截面在旋转过程中其 回转中心不变。但实际上这个假设并不十分合理。在实际测量过程中，有时可 以明显看到轮带在水平方向上的大幅摆动，这说明轮带在旋转过程中其中心不 是稳定的。 其它各种间接测量方法都需要用到轮带的直径，在测量过程中都是采用测 周长的方法来求得轮带的直径。测周法用一个摩擦轮和轮带接触，在摩擦轮和 轮带没有相对滑动的情况下，测出轮带转一周的过程中摩擦轮的转数，测量过 程一般由单片机系统完成。采用测周法进行直径测量的缺点主要有以下两个方 面： ( 1 ) 从实际操作角度看，保证这种方法的测量精度的前提是摩擦轮和轮带 之间没有滑动，但在实际应用中很难保证这一点，所以即使仪器本身的测量精 度很高，仍然难以保证测量的精度。 ( 2 ) 从测量原理看，测周法测得的直径是把轮带当作一个标准的圆来计算 的，实际上由于温度、自重以及载荷的影响，轮带实际上是一个水平方向为长 轴，垂直方向为短轴的椭圆。通过上面的分析可以看出，目前的测量系统中， 第1 章绪论 简体位置测定法和零位移方向键相法都是直接测量简体的中心，但都有一定的 缺点。而轮带直径的测量不准确制约各种间接测量方法测量精度n 叭。 1 4 课题主要研究内容 本课题的主要研究内容分三大部分： i 、在分析现有的回转窑轴线的测量方法的基础上，得出优化的回转窑轴 线的测量方法，即三点法测量。从而设计一种测量精度高，数据采集简便的回 转窑动态参数测量仪器的方案。通过对测量数据进行误差分析，可以采用合适 的数据处理方法来减小或消除系统误差。并尝试采用数据融合技术和误差补偿 技术对测量数据进行处理。对测量数据的分析过程中采用动态信号分析的方法， 主要是信号的相关分析。 i i 、a t m e g a l 2 8 l 单片机作为下位机开发的数据采集系统。数据采集是对数 据进行处理的前提，因此有必要对数据采集技术进行研究。具体内容包括： 信号采集电路 直流电源转换电路 单片机外围电路 显示电路 u s b 口通信电路 i 、以p c 机为上位机开发的数据分析处理系统。其中包括： 基于组态软件开发的操作界面； 根据所建立的误差评定模型，设计m a t l a b 程序计算回转窑的轴线回转误 差； 输出窑体轴线误差模拟图。 1 5 本章小结 本章主要介绍了回转窑运行轴线监测系统的应用研究，以及课题研究的背 景和意义。分析了国内外相关应用技术的现状以及存在的问题，论述了本论文 的主要研究内容。 4 第2 章回转窑轴线测量的原理和方法 第2 章回转窑轴线测量的原理和方法 回转窑是一个结构复杂，运行环境恶劣的重型设备，容易发生多种故障。 进行回转窑轴线测量的目的是为了保证回转窑能正常稳定地运行。对回转窑的 维护除了进行轴线测量外，还需要有其它的监测手段。为了更好的满足回转窑 维护的需要，更多地为回转窑维护提供所需的数据，有必要对回转窑的运行情 况和维护的方法进行比较全面地了解。本章将对回转窑检测方面的内容进行简 要介绍，并对常见的回转窑轴线测量方法进行了介绍，详细说明与本文提出的 回转窑轴线动态测量方法有关的几种测量方法。 2 1 回转窑的基本结构 回转窑是一个对物料在高温下进行处理的大型回转机械，属于大型回转圆 筒类设备，从机械结构来看，均由通体、轮带。支撑装置、传动装置和窑头、 窑尾密封等部件组成，如图2 1 所示口： 图2 1 回转窑基本结构 l 一燃烧器2 一窑头罩3 一筒体4 一窑衬5 一热交换器6 一轮带 7 一窑尾罩8 一喂料装置9 一支承装置1 0 一挡轮1 1 一传动装置 其工作原理如下：燃料由窑头的燃烧器送入窑内燃烧，产生高温气体。窑 头罩和窑尾罩用来密封回转窑，防止燃烧产生的气体污染大气。简体通过轮带 支承在各支承装置的托轮上低速回转工作。筒体轴线与水平面存在一定的斜度 口( 通常指的是窑头窑尾的垂直高度差与筒体长度之比) n2 | ，一般以3 一5 的斜 度倾斜布置( 绝大多数在3 5 - 4 0 之间) ，且窑尾高于窑头。窑衬由耐热、隔 第2 章回转窑轴线测量的原理和方法 热的材料做成，用来保护筒体并减少热量散失。轮带在简体和支撑装置之间， 用来增强筒体在支撑处的刚度，保护筒体。支撑装置用来承载窑体以及内部物 料的重力，每组支承称为一档，档的数目随窑的长度和结构不同而不同n3 j 。传 动装置包括减速箱、小齿轮和大齿圈等，将电机的转动力矩传递到简体上，使 筒体绕轴线以0 5 4 r m i n 的速度缓慢转动n 引。生料由窑尾( 高端) 进入筒体， 由于简体有一定的斜度，生料在重力作用伴随简体转动向窑头( 低端) 运动， 并在此过程中完成所需的物理化学反应。 2 1 1 筒体和轮带 筒体和轮带统称为窑体。简体是回转窑的主要基件，用厚度为2 8 3 8 m m 厚 的钢板卷焊而成，是物料完成物理和化学变化的容器，通过回转窑的轮带自由 座落在托轮上，由于回转窑长度有差异，每台窑安装的轮带数量不等。窑内物 料温度可达1 4 5 0 摄氏度以上，故简体均砌筑耐火材料窑衬，起保护筒体和减少 散热的作用安装时筒体与水平面有一定的倾斜角，托轮中心线与筒体中心线保 持平行，各档托轮中心与筒体横截面中心之线均成6 0 度夹角。大齿圈安装在筒 体中部，通过变速电机和减速机将动力传递到大齿圈，从而带动简体回转。轮 带为一厚圆环，靠它将所有简体、窑衬、物料等所有回转部分的重量传递到支 撑装置上。筒体和轮带的参照对比图2 - 2 和图2 3 所示。 图2 3 支撑系统截面示意图 带 板 体 轮 2 1 2 支撑装置 支撑装置承受回转部分的全部重力，既要保证筒体在其上回转灵活自如， 6 第2 章回转窑轴线测量的原理和方法 又要起到在径向和轴向上的定位作用。窑体径向定位依靠按6 0 度夹角布置的托 轮来实现n 射。支承位置中轮带、筒体和托轮三者的位置关系如图2 3 所示。图 中o 。为轮带中心，0 ：为筒体中心，轮带和简体之间为垫板。从回转窑的结构可以 看出，因为有大齿圈的存在，测量中在窑的外侧建立从窑头到窑尾的基准需要 与窑隔开一定距离。另外，根据现场测量的经验，需要在轮带的下方测量时， 所以测量装置的尺寸不能太大，而且测量仪器要有一定的耐高温性能。 2 1 3 传动装置 传动装置是保证回转窑长期安全运转的重要部件，主要由电动机、减速器、 开式大小齿轮和辅助传动装置组成。传动装置的作用是通过设在筒体中部的齿 圈使筒体回转，齿圈固定在简体上。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休的重力和轴向力。传动的可靠性在很大程度上取决 于润滑油系统的效能，润滑剂的质量，齿圈的温度以及筒体的旋转精度。为保 证窑的安全检修要求，还设有辅助传动装置。辅助传动装置的作用是当主电机 或电源发生故障时定期转窑，以免筒体弯曲，或在砌砖和检修时简体能停留在 某个指定位置。筒体的旋转是通过小齿轮传递给齿圈力矩实现的。齿圈固结在 筒体上，齿圈与其啮合的小齿轮都是直齿，他们之间只传递力矩而不承受窑体 的重力和轴向力。传动装置如图2 - 4 所示： 犬齿圈 图2 - 4 传动装置示意图 7 第2 章回转窑轴线测量的原理和方法 回转窑传动系统的最末一级是通过一个或若干个小齿轮带动安装在筒体 上的大齿圈回转工作，属于大直径、大模数、大速比和多齿数的大型开式齿轮 传动。若在安装调试中对其间隙控制不当，在生产中会经常出现卡死或严重振 动和冲击，造成齿面磨损过快和顶齿不正常变形，大大降低齿轮的使用寿命， 造成严重经济损失，应将齿轮副间隙严格控制在合理范围内。 2 2 回转窑筒体变形原因分析 回转窑是在高温、多尘、重载的条件下连续运转，而且回转窑跨度大，是 个典型的超静定问题，受力原因十分复杂。 由于回转窑筒体长、跨距大、简体应具有足够的刚度和强度，在安装和运 行中保持窑筒体的“直而圆 直接关系到回转窑内衬砖的寿命和窑的运转率n 引。 比较理想的筒体应该是“横刚纵柔 ，即在横断面上具有较大的刚度，可以使简 体保持一个比较标准的圆形，不致因变形而产生大的振动：在纵向则要有较好的 柔性，筒体中心线的微小变化不会引起载荷大的改变或分布严重不均n 刀。 回转窑是典型的复杂重载、大扭矩、多支点、变刚性的大型超静定系统， 处在高温、冲击、震动、露天的工作环境，受力十分复杂，变形原因也非常复 杂，总结起来，主要有以下几点： l 、简体长、跨距大，加上本身自重，如果在运行中由于托轮基座发生不均 匀沉陷，支撑组件的非均匀磨损容易导致简体变形。 2 、托轮轴瓦、托轮、轮带内外圆的磨损、垫板间隙的增大也是导致筒体变 形的原因。 3 、各处温度的差异、内衬剥落后的红窑，局部的温度过高，热胀冷缩使窑 体变形。 4 、生产过程中由于突然停电，窑体在高温下停止转动等因素。 2 3 回转中心三点测量法 第2 章回转窑轴线测量的原理和方法 精确测量一个回转面的一个截面圆弧上的三点的坐标，就能计算出回转体 在该截面的回转中心，三点测量法就是建立在此基础上的，其测量原理如图2 5 所示。 (淞l这 乎一二专一这 ￥渺一 j 图2 5 三点几何法测量示意图 假设回转窑的简体是刚性的，即对于回转窑上的某一点，不论其旋转到什 么位置，其回转半径是不变的。在回转窑上取一个靠近托轮的截面作为研究对 象，如图2 5 所示，先建立截面的基准坐标x o y 平面直角坐标系，其坐标原点 为0 ，是回转截面的理想回转中心。1 、2 、3 是三个传感器，安装在回转窑的下 端，传感器1 3 对称y 轴安装，传感器2 安装在y 轴上。4 为回转体上焊接的 一标记块，用于传感器采集信号。标定好传感器的坐标后，当标记块4 依次经 过传感器1 ，2 ，3 时，传感器可以测得距a b ，c 三点的距离。由于a ，b ，c 三 点均是绕0 。旋转的旋转面上三点，因此可以根据几何关系得出0 。点的坐标，即 实际中心偏离理想中心的距离。其具体方法如下所述： 先固定好传感器1 ，2 ，3 的位置并调整传感器1 ，3 之间的夹角，使其等于 我们预先定义好的角度2 。假设传感器1 ，2 ，3 探头的坐标分别为( x 1 ，y 1 ) ， ( x 2 ，y 2 ) ，( x 3 ，y 3 ) 。当回转窑回转中心在运行过程中偏离了理想中心时，传 感器1 ，2 ，3 可依次测量出它们探头距标记块的距离，即测出距a 、b 、c 三点 的距离。假设传感器探头距标记块的距离分别为l a 、l b 、l c 。则a 、b 、c 三点 的坐标即可求出：设a 、b 、c 三点的坐标分别为( x a ，y a ) ，( x b ，y b ) ，( x c ，y c ) 9 第2 章回转窑轴线测量的原理和方法 则 x a = x 1 - l a s i na ，y a = y 1 - l a c o sq x b = o ，y b = 二y 2 - i 七 x e = x 3 - l c s i n q ， y 萨y a - l c c o sq | | i f ， b 图2 - 6 三点法原理 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 连接a b ，a c ，b c ，并分别做a b ，b c 的垂直平分线d o 。、e o 。，如图2 - 6 所示： 由几何知识可得，a b 的垂直平分线方程为： 】r 一y a + y b ：x a - x b ( x x a + x b ) ( 2 - 4 ) 2物一玩z b c 垂直平分线的方程为： y 一y b + y c ：x b - x c ( x x b + x c ) ( 2 - 5 ) 2y c y b 、 2 因为a ，b ，c 三点为同一点在不同时刻绕同一回转中心旋转所到的位置， 因此a 、b 、c 均为同一圆上的三点，所以a b ，b c 两中垂线的交点即为所求圆心。 由( 2 4 ) ，( 2 5 ) 两方程联立解得： y a - y c x a - x b z x b 2 一x c 2 ) 2 x ： 2：垣= 毖 毖=致：(2-6) 一xbxcx a x b 您一场砀一玩 y ：y a + y b 1 - x a - x b f x 一x a + x b ) ( 2 7 ) 1 2y b y n ?z 上式中x 即为回转中心在x 轴方向上偏离理想中心的距离，y 为回转中心在 y 轴方向上所偏移的距离。由以上公式可看出，三点法算法在理论上直观易懂， 系统的精度主要在传感器的定位精度和传感器本身的测量精度。 l o 第2 章回转窑轴线测量的原理和方法 2 4 回转窑轴线测量系统的测量原理 当三个测点位置固定，回转窑旋转时，就可以得到回转窑在转一周的过程 中三个测点位置的变化情况。因为不在同一直线上的三个点可以唯一确定一个 圆，可以通过测量三个测点位置的变化而得到回转中心的变化情况。用三点法 不但可以得到筒体的轴线情况，当将位移传感器固定在轮带下面时还可以得到 轮带的变形情况。具体测量位置如图2 所示，通过对位移传感器进行适当的选 择和改进还可以对简体进行测量。采用连续采集和记录数据之后，就实现了对 筒体变形的动态测量。具体测量方法如下： 在一个带刻度的机械导轨上安装三个可以沿着筒体截面方向移动的位移传 感器。用经纬仪和水准仪建立空间直角坐标系，确定三个传感器测头在坐标系 中的坐标。将中间的传感器对准回转窑的母线位置，其余两个可对称的安放到 母线的两侧。在筒体旁固定一个霍尔开关位置传感器，在回转窑筒体的相应位 置上吸附一块磁铁，作为测量起始标记。当磁铁经过霍尔传感器时，开始记时， 当回转窑旋转一周磁铁再次经过霍尔传感器后，记时结束。这样筒体的旋转周 期就确定出来。单片机将这段时间分成3 6 等份，在每份时间结束时，三个位移 传感器开始同时测量轮带外圆的位移，并输入单片机构成的测量系统，并且测 量3 - 5 周求取平均值。单片机对三路平均值进行分别保存，以便求取圆心坐标。 由于三个传感器都可以连续测量，所以，测量开始后每隔一定角度就可以得到 一个轮带直径和筒体中心坐标。得到圆心坐标后即可得到轮带的直径和简体的 中心坐标。对所得数据进行处理后可以得两方面的信息，一是轮带在圆周方向 上各个相位的直径，由此可以对轮带的变形进行分析；二是轮带在旋转过程中 回转中心的变化情况，由此可以分析回转窑轴线在运行过程中的变化情况。系 统组成图如图2 7 所示： 第2 章回转窑轴线测量的原理和方法 图2 7 测量系统组成图 将计算得到的各支承位置简体的回转中心在坐标图中用点标出，用线段连 接各点，可以得到简体的回转轴线，也就是通常所说的回转窑的轴线。目前各 种动态测量方法都将这个轴线作为测量结果，并用于指导托轮的调整。本文提 出的测量方法同样将热态时回转窑的轴线作为测量结果的一项重要内容。简体 在各支承位置回转中心的连线是一条空间折线，但空间折线不便于为托轮调整 提供直观的参数，因此将折线在水平面和垂直面内分别投影，可以得到轴线的 水平直线度和垂直直线度。托轮调整方案即根据轴线的水平直线度和垂直直线 度来确定。在计算直线度时，参考直线可以用简体的设计斜度作为理想线，也 可以用折线的最小二乘拟合直线作为理想线。根据现场要求或测量结果而定。 回转窑轴线测量的目的是对回转窑的运行工况进行判断。如需要对回转窑 轴线进行调整，则提供相应的调整依据。本文提出的测量方法的测量结果包括 以下4 个方面，它们都为回转窑的调整和维护提供了重要信息。 各支承位置轮带的变形情况，包括其变形的大小及在轮带上的位置； 简体的回转轴线，即通常所说的回转窑的热态轴线，它是各支承位置筒 体回转中心的连线； 筒体的变化情况，可以用来对筒体的弯曲情况进行分析； 第2 章回转窑轴线测量的原理和方法 回转窑轴线不直的原因，主要是区分了筒体弯曲和托轮位置不当造成的 轴线不直。 2 5 回转窑轴线调整方法 回转窑轴线的测量是为轴线的调整提供依据，使窑体的直线度符合要求。 除了弯曲严重的情况需要修补简体外，改变回转窑的轴线一般是通过调整托轮 来实现的。对托轮的调整通常要根据具体情况结合经验来进行。 2 6 本章小结 回转窑是典型的复杂负载、大扭矩、多支点、变刚性的大型超静定系统， 处在高温、冲击、震动、露天的工作环境，受力十分复杂，变形原因也非常复 杂。本章通过介绍了回转窑的总体结构，再从回转窑的结构特点及筒体变形原 因出发，提出了既可以测量筒体的轴线情况又可以测量轮带的变形情况的三点 法的测量方法。并介绍了基于三点法的回转窑轴线测量系统的基本原理和基本 测量方法。 第3 章回转窑轴线测量系统硬件设计 第3 章回转窑轴线测量系统硬件设计 3 1 测量系统总体结构设计 本测量系统主要由三大部分组成：用来建立测量基准的经纬仪和水准仪 各一台；进行信号采集与分析的动态信号测试分析系统一套，包括单片机信 号采集系统和上位机分析系统；位移传感器及其配套设备。 采用a t m e g a l 2 8 l 单片机为平台，开发回转窑动态轴线参数测量装置。硬件 系统结构框图如图3 1 所示。测量部分主要由传感器及单片机系统两大部分构 成。单片机系统以a t m e g a l 2 8 l 为核心，由单片机及外围接口电路等模块组成， 其主要工作流程如下所述：根据液晶面板显示的需要采集的参数功能提示，通过 键盘选择，进入某一功能参数采集。霍尔传感器输出的是脉冲信号，可直接被 单片机采集。激光传感器输出的是2 3 2 标准的串行数据，可直接送至单片机， 单片机系统对输入的信号进行保存、处理、显示，最后将此结果与采样所得数 据全部上传至上位机，由上位机调用相关的算法程序，计算出回转窑的轴线状 态并显示。 陌磊习 2 4 v 5 打印绘 图 激光测距传感ll下一 器 土l 激光测距传感 器 霍尔传感器 按键模ii 液晶显 块 i 示模块 图3 1测量系统结构框图 1 4 第3 章回转窑轴线测量系统硬件设计 以单片机为核心的回转窑轴线下位机测量系统的原理图如图3 2 所示 峨 士厣 | i 苦 抵州剁瓣瓣删埴 l l l 星匡茧誉蚕釜星匡g 星主藉 l 堇兰室警爱； 重量叠望星荟謦釜密莹墓釜星圣誉茧基鳓嘲il 荟莶荟釜荟荟荟套 蝴州掣i i 蝴2 制制世 _ j 7 i 露 嚼址 8 丰蔑= + 晕一 i 一 酬f 5 图3 2 回转窑轴线下位机测量系统的原理图设计 1 5 轴。l嘈翟 警丁羞 h8砬l l蚕目丁a 一6口1广1瑚11i+口(肾 兰+ia拿iu才 匏竹j；b。君懿鍪r葛 f i 第3 章回转窑轴线测量系统硬件设计 回转窑轴线测量部分的p c b 图设计分别如图3 3 所示 图3 3 同转窑轴线测量部分的p c b 图设计 根据原理图和p c b 图设计制作的下位机测量系统的实物图如图3 4 所示 图3 4 回转窑轴线测量部分的实物图 1 6 第3 章回转窑轴线测量系统硬件设计 3 1 1 仪器总体性能 系统可实现对数据的测取、记录存贮和换算，并可借助于通讯接口和通讯 软件，将有关的测量数据传送给上位计算机，进行进一步的数据处理和分析。 上位机按照一定的算法和测试报告的要求，对下位机送给上来的数据进行保存 并处理，形成相关的报表和测量曲线，供分析之用。测量系统功能及有关参数 如表3 1 所示。 表3 1 系统功能及技术参数 项目参数备注 直径测量范围 及误差( 唧) 1 0 0 9 9 9 9 0 6示值分辨率为0 1 m m 位移测量范围 及误差( r a m ) 5 0 0 0 0 5 霍尔传感器 工作距离( m m ) 1 6 配套磁片工作温度1 8 0 。c 电源直流+ 5 v 和直流2 4 v 主机工作温度( )一2 0 7 0 为便于使用，本仪器设计为便携测量仪。其主要性能如下： ( 1 ) 宽温型的l c d 液晶显示器，6 0 高温下正常工作； ( 2 ) 防尘、防潮、触摸式键盘面板； ( 3 ) 可连续测量、存储6 组回砖窑参数数据( 左、右托轮直径、简体中心及 直径、轮带中心及直径等) ； ( 4 ) 抗干扰性强的激光测距传感器，高温型霍尔传感器； ( 5 ) 数据输出器的通讯接口符合u s b 传输信号协议，可向p c 机传送测量数 据。 3 1 2 操作使用特点 手持测量主机可在多尘、高温等严峻条件下正常可靠的工作。它可随传感 器到各轮带旁，从而提高了测量时的工作效率。由于采用高温霍尔开关，它轻 巧可靠，能在7 0 。c 高温中正常可靠工作，提高仪器的适用性。由于测量主机内 1 7 第3 章回转窑轴线测量系统硬件设计 有大容量数据存储器和数据输出器，它可在回转窑现场测量工作结束后，到办 公室把原始采集数据传给微机，避免微机系统在回转窑现场高温多尘中受损。 3 2 传感器的选择 本系统需要测量的量为轮带上3 个点的位移及轮带和简体各自的转动周期， 位移的测量需要用到位移传感器，转动周期的测量需要用到开关量输出的传感 器。传感器主要包括：用于测量轮带表面位移的激光传感器、用于测量回转窑 转动周期的霍尔传感器。其中霍尔元件采用单稳开关型霍尔元件( 定位误差小 于0 0 2 r a m ) ，配套磁片采用钕铁硼材料( 最高工作温度达1 8 0 。c ) 。 3 2 1 位移传感器的选择 在本项目中，传感器是采集数据的主要仪器，其精度、使用性能、可靠性 等性能对测量的精度影响很大，因此传感器的选择在本课题中显得尤为重要。 位移的测量按接触方式分类有接触式测量和非接触式测量。接触式测量适 用的测量距离较小，且对被测物体表面的光洁度有较高要求，但回转窑筒体和 轮带上布满了油污，所以采用接触式测量时需要对测量表面进行相应的处理， 不仅增加了操作难度，且精度难以保证。非接触式位移传感器有激光位移传感 器、电涡流位移传感器等。电涡流位移传感器和激光传感器同样具有响应速度 快，测量灵敏度高、抗干扰能力强、不受磁场、油、水等介质的干扰，能长期 在线测量稳定可靠，且具有互换误差小，工作环境温度高，输出线性度高、容 错性好等特点。但电涡流传感器的线性度和精度都与被测物体的材料有关。激 光传感器不仅不受被测材料的影响，还能在较远距离对移动的物体进行距离测 量。可以方便的实现对回转窑简体进行测量。 位移传感器按输出信号形式分类有：电流输出、电压输出、频率输出、直 接输出数字量的集成式传感器等。电流信号不受信号传输距离的影响，适用于 信号传输距离较远的场合，但被采集前一般需要转换为电压信号，这就会导致 第3 章回转窑轴线测量系统硬件设计 产生一定的误差；电压输出的传感器与其他器件接口方便，经a d 转换为数字 量后可以方便地输入到处理器中，但电压信号受传输距离影响较大；频率信号 受传输距离影响较小；数字量输出准确，适当选择输出协议可适合远距离传输， 且方便单片机读取和存储。 本测量系统中的传感器要求采用非接触式测量，输出信号希望能方便的被 单片机系统采集到，且数字量输出的位移传感器的温度稳定性很好，在回转窑 下进行测量时可以不考虑温度对测量的影响。综合考虑上述原因，本系统选用 德国a c e t e c h 公司生产的l r f s 一0 0 4 0 - 1 型激光测距传感器，外形如图3 5 所示。 图3 5l r f s - 0 0 4 0 - 1 型激光测距传感器外形 l r f s - 0 0 4 0 - 1 型激光测距传感器是一种应用在工业中的高性能的综合距离 测量传感器。该激光测距传感器采用相位比较原理进行测量。本传感器可以精 确的对大距离进行非接触式的测量。激光传感器发射不同频率的可见激光束， 接收从被测物返回的散射激光，将接收到的激光信号与参考信号进行比较，最 后，用微处理器计算出相应相位偏移所对应的物体间距离。测量原理如图3 6 所示 l d m4 0l a s e rb e a m ( m e a sb e a m ) t a r g e t 图3 6 激光测距传感器测量原理 1 9 第3 章回转窑轴线测量系统硬件设计 l r f s - 0 0 4 0 - 1 型激光测距传感器的主要特点如下： 测量范围：0 2 5 0 m ，任何物体表面，超过l o o m 时，需使用特制反射器 测量精度：0 5 m m 分辨率：0 1 m m 测量速率：通常5 h z ，( 可达l o h z ) 激光发散角：0 6 m r a d 工作温度：- 1 0 - 5 0 存储温度：一2 0 一7 0 供电电压：i o v - 3 0 v 直流 数据接口：r s 2 3 2 r s 4 2 2 ，波特率2 4 0 0 - 3 8 4 0 0 精度：0 1 5 ， 温漂： 5 0 p p m 触发输入：外部触发，5 v 脉冲信号，触发相位( 上升沿、下降沿) 可调 3 2 2 高温型霍尔接近开关位置传感器 测量轮带和简体转动周期的开关信号可以用机械式开关提供，也可以用开 关量输出的传感器提供。机械式开关由于在使用过程中有机械接触，随着开关 动作次数的增加，可能会出现机械故障，测量的可靠性会受到影响，而非接触 式的开关量输出的传感器没有这个缺点。因此本测量系统选择了南京中旭微电 子有限公司生产的开关型霍尔传感器h k z 8 0 0 2 c 来提供测量轮带和简体转动周期 的开关信号，与霍尔传感器配套的磁片材料为钕铁硼合金，在1 0 8 c 时仍具有良 好磁性。该霍尔传感器技术指标如表3 2 所示： 表3 2i t k z 8 0 0 2 c 部分技术指标 v c c1 0 l 工作距离 f 眦 工作温度 ( v )( m a )( m m ) v o l ( v ) 外形输出极性 ( k h z )( o c )