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基于激光技術(shù)的鑄造速度和板坯長度的測量 這篇文章發(fā)表于多普勒激光技術(shù)多普勒激光測速儀是一種非接觸式鑄造速度傳感器，它采用國際最先進(jìn)的激光技術(shù)。由兩個(gè)激光束交叉的表面板，光的邊緣產(chǎn)生的現(xiàn)象就是稱為“多普勒效應(yīng)”。(Figure 1) 這些光的邊緣移動(dòng)的速度是與穿過交點(diǎn)的對象的速度成正比例。記錄這些通過光學(xué)接受裝置的光的邊緣速度，測量對象的精確速度可以是確定的。附錄是用來解釋操作的原理。經(jīng)評價(jià)發(fā)現(xiàn)激光的準(zhǔn)確度是0.02%或者在40英寸/分鐘的鑄造速度下0.001英寸/分鐘。安裝的要素許多多普勒激光測速計(jì)可在鋼鐵廠應(yīng)用。然而，很少是專門為連鑄機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)的，這是，因?yàn)樵O(shè)備必須位于子線的90角度范圍內(nèi)，這樣可以直接地在上面被完成，或者在子線旁邊之下。在子線之上，從子線的背面放出的熱是很強(qiáng)烈的，而安裝一套適當(dāng)?shù)睦鋮s裝置是極端昂貴的。一旦控制結(jié)構(gòu)被修建了，它很可能是阻礙并干涉每日的鑄工操作。在子線之下，放熱再次成為問題，并且落下的殘骸，將導(dǎo)致在透鏡清潔之間的產(chǎn)品縮短使用期限。面對窄面的子線的邊是一個(gè)好的選擇，但是這不可能成功的，因?yàn)槎嘧V勒儀系統(tǒng)利用一個(gè)焦點(diǎn)是不可能獲得可以改變的平板寬度。一個(gè)以激光為基礎(chǔ)，準(zhǔn)確控制平板長度和鑄件速度測量系統(tǒng)在美國克利夫蘭市的aittaI 鋼鐵廠的No.1鑄造車間開發(fā)了并且被測試了二個(gè)月。本文介紹了在測量方面的顯著改善。美國傳感器公司，開發(fā)了包含激光多譜勒儀速度計(jì)的一個(gè)由飛行時(shí)間激光測距計(jì)控制的一臺可移動(dòng)的作動(dòng)器。這個(gè)多譜勒激光儀系統(tǒng)有自動(dòng)聚焦的特點(diǎn)，使它有利于對準(zhǔn)子午線的邊，并且里里外外移動(dòng)與寬度變動(dòng)。通過在側(cè)面安裝一個(gè)裝置，并聚焦與窄面，酷熱被避免，可以減少控制費(fèi)用和熱的干涉。激光多普勒速度計(jì)的原則多譜勒激光儀被安裝了在控制的結(jié)尾，并且，在火炬切割機(jī)器之前。設(shè)備的地點(diǎn)有幾個(gè)因素應(yīng)該在確定應(yīng)用系統(tǒng)安置的合適地點(diǎn)前考慮。第一是極端的熱量，在機(jī)器的控制出口是多塵而且潮濕的。系統(tǒng)將必須完全地被保護(hù)，免受這個(gè)惡劣環(huán)境。第二個(gè)問題是移動(dòng)的設(shè)備的活動(dòng)(吊車、在修理期間的部分移動(dòng)和火炬切割機(jī)器)。因?yàn)橄到y(tǒng)必須安置在一定的程度以防止它干涉每日鑄工活動(dòng)，激光系統(tǒng)被安裝在子午線的機(jī)器控制部分的結(jié)尾，且在火炬切割機(jī)器之前。系統(tǒng)的實(shí)施 在電腦的幫助下，電氣和機(jī)械安裝人員，在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就可以順利地完成安裝。必要的軟件和計(jì)算機(jī)硬件連接完成后，數(shù)據(jù)收集就開始了。每秒一次，子線速度在第2級系統(tǒng)被記錄下。由激光系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)大是每秒40個(gè)數(shù)據(jù)。圖5-6是典型的由激光和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)收集的測量。結(jié)論：子線長度 板坯長度-在一個(gè)典型的15小時(shí)期間，當(dāng)前測量系統(tǒng)(測量的卷)的子線長度位置(英寸計(jì)數(shù))在每塊平板的長度的實(shí)際英寸計(jì)數(shù)之后下跌180英寸。卷動(dòng)力傳遞滑移的主要結(jié)果是導(dǎo)致不接觸和軸承“粘著”。 這意味著每塊平板被生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生大約1.5英寸長的畸形伸長。這意味著平均每天可以節(jié)約一塊板坯（每年總共生產(chǎn)板坯730塊）。為了證明激光系統(tǒng)輸出的英寸是有效的，在那條子線的火炬切割機(jī)器被連接到它，并且根據(jù)激光計(jì)算的英寸在每兩個(gè)半星期內(nèi)被切割開。在核實(shí)了每塊平板在壓模的長度以后，激光系統(tǒng)很自然地產(chǎn)生了板坯的精確長度，0.2英寸。使用當(dāng)前系統(tǒng)，有時(shí)候會(huì)產(chǎn)生高達(dá)2.5英寸比較錯(cuò)誤。缺陷跟蹤-用一個(gè)更加可靠的計(jì)數(shù)英寸，當(dāng)飛行噴管穿過機(jī)器時(shí)的速度變化，這樣寬度的變化能夠被更準(zhǔn)確地跟蹤，精度的增加將減少降落的鋼坯的量。Figure 3: 在子線一邊有兩個(gè)可看見的激光小點(diǎn)。左小點(diǎn)實(shí)際上是二條多譜勒激光儀射線的交叉點(diǎn)。多譜勒儀系統(tǒng)從那個(gè)小點(diǎn)接受被折射的光并且解釋它作為速度。正確的小點(diǎn)從時(shí)間飛行激光測距計(jì)用于 自動(dòng)聚焦 激光多譜勒儀。Figure 4: 多譜勒激光儀速度計(jì)的背面圖在SPE鑄工No.1。多譜勒激光儀放在桌子的左邊。激光測距計(jì)在桌子的右邊。在桌之下的箱子是具有自動(dòng)聚焦特點(diǎn)的PLC控制部分。這個(gè)設(shè)置容易實(shí)現(xiàn)初始配置和監(jiān)控多普勒系統(tǒng)。在右邊的信息chuliqi 閱讀所有來自激光多普勒單元的未加工的數(shù)據(jù)，并且可以平均為日期，通過兩種模式輸出日期，兩數(shù)字RS-232輸出。這使得連接水平的兩臺計(jì)算機(jī)非常容易，包括系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)程序，能容易地接觸（進(jìn)入）所有簡單配置參數(shù)。一旦系統(tǒng)被配置，重新配置系統(tǒng)是不需要的。結(jié)論：鑄造速度用激光多普勒測量的鑄造速度被證實(shí)精確度在0.02%誤差之內(nèi)，因此，激光多普勒測量的速度的準(zhǔn)確性是在當(dāng)前系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確度之上的。目前，四個(gè)轉(zhuǎn)速計(jì)被安裝在四個(gè)不同的開車卷的背面上測量鑄造速度，由于轉(zhuǎn)速計(jì)測量測速卷的速度，有時(shí)它們不準(zhǔn)確，這與卷的滑動(dòng)和材料有關(guān)（figures 7-10）。鑄造速度測量系統(tǒng)和卷的速度是完全獨(dú)立的，這個(gè)避免了轉(zhuǎn)速計(jì)測量的不準(zhǔn)確問題。這個(gè)系統(tǒng)是如此的精密和敏捷，因此它被用于分析鑄造速度的結(jié)果。這種結(jié)果是直接連接的機(jī)器中的模具振蕩器，這是由不平的卷、損壞的發(fā)動(dòng)機(jī)、錯(cuò)誤的方向和其他活動(dòng)部分導(dǎo)致的。盡管這些敏捷的測量能把正常的鑄造速度讀出來，并過濾下來加以控制，但是這些沒被過濾的數(shù)據(jù)作為一個(gè)預(yù)防性維護(hù)和分析機(jī)器不同的組成部分的故障分析工具是非常重要的。包含多普勒系統(tǒng)的測量是調(diào)整和監(jiān)控設(shè)備的軟件。來自多普勒傳感器的信號質(zhì)量、英寸計(jì)數(shù)和鑄造速度有自動(dòng)中斷能力。Figure 7:取樣比較轉(zhuǎn)速計(jì)輸出的電流功率和激光的鑄造速度的功率，顯然，激光的輸出比轉(zhuǎn)速計(jì)的更多，這是因?yàn)榧す獾木_度高.該連鑄機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)速計(jì)的測速不是運(yùn)行在一個(gè)恒定速度，相反，它有一個(gè)不斷變化的速度的小增量 ，在此，鑄造速度計(jì)表明模具振蕩是非常明顯的。然而，二者都是用來分析機(jī)器不同部分的故障的儀器。Figure 8: 多譜勒激光儀和在加速的變動(dòng)期間的車頭表測量的比較說明車頭表測量的動(dòng)力傳遞和損耗不一致.Figure 9: 突然鑄件的速度從20英寸/分鐘變?yōu)?5英寸/分鐘。一次不精確的車頭表測量在速度上的變化之前是很明顯的速度等級限制-堅(jiān)持用精確的鑄造速度測量來控制鑄造速度的質(zhì)量是比較好的。沒有確切的鑄造速度，這些限制參數(shù)偏離實(shí)際速度1-2英寸每分鐘是允許的。通過了解了精確的機(jī)器速度，這些值可以重新調(diào)整，以幫助優(yōu)化生產(chǎn)和鋼的質(zhì)量。比較多普勒激光測速和轉(zhuǎn)速計(jì)測速，表明二者的測速結(jié)果是不一致的。結(jié)論： 考慮到當(dāng)前鑄造速度測量系統(tǒng)的誤差，用一個(gè)基于激光的鑄造速度測量系統(tǒng)試驗(yàn)。下面是這次試驗(yàn)的結(jié)果：當(dāng)前基于測量輪子的鑄造速度和板坯長度的測量，不但不準(zhǔn)確（誤差在1-2%），而且需要頻繁的調(diào)整和維護(hù)。激光多普勒系統(tǒng)是一個(gè)無接觸、少維護(hù)、無人操作的鑄造速度和板坯長度測量設(shè)備。激光單元檢測系統(tǒng)是一種大有前途的設(shè)備，與當(dāng)前30英寸/板坯而誤差相比，使用激光多普勒系統(tǒng)控制板坯長度僅僅導(dǎo)致0.2英寸/板坯的絕對誤差。這樣更準(zhǔn)確，超過當(dāng)前系統(tǒng)的10倍。因此，這將可以解決現(xiàn)在板坯長度測量不準(zhǔn)確的問題。在15小時(shí)內(nèi)，當(dāng)前的測量卷能夠下落18英寸長，這意味著生產(chǎn)的每一塊板坯必要球的0.5-1.5英寸的誤差稍微長一些。避免這些尺寸的損失，將可以使得 每天的每一條板坯都相等。隨著增加條塊位置上的精度，條塊上的缺陷位置更能準(zhǔn)確地被跟蹤，進(jìn)而優(yōu)化板坯長度。Figure 10: 以低鑄件速度例如在釀酒形容器飛行期間，車頭表準(zhǔn)確地測量是有困難的。擁有一個(gè)高精度的鑄造速度測量系統(tǒng)，能夠允許在激光機(jī)的質(zhì)量限制范圍內(nèi)最大化地生產(chǎn)。系統(tǒng)對鑄造速度的高度敏感地讀出，在發(fā)動(dòng)機(jī)、軸承和測量卷卷的方面，能夠潛在地幫助維護(hù)人員。這個(gè)系統(tǒng)也排除了測量卷的高度維護(hù)的必要性，當(dāng)前測量卷被用來監(jiān)控英寸計(jì)數(shù)并且控制火炬切割機(jī)器。激光系統(tǒng)就對維護(hù)的要求很低。感謝：作者感謝B.Segulin,R.C.Crowley和J.Singleton在這個(gè)工程的所有階段的全力支持，作者也很想感謝國際鋼鐵組織（現(xiàn)在的Mittal鋼鐵）能夠發(fā)表這篇文章。參考文獻(xiàn)1. 1981年，Durst.F,等人.在學(xué)院壓力上發(fā)表的激光多普勒風(fēng)速測定的原則和準(zhǔn)則。2. 2001年，Assar.M等人在第84次鋼鐵公司會(huì)議 記錄第84卷第23-32頁的準(zhǔn)確的板長測量和使用激光技術(shù)控制。3. 1997年，KoCutulum B.等人在鐵和鋼會(huì)議記錄第80卷第209-213頁的以燃燒口Casters控制班的寬和長。 附錄：操作的理論激光速度計(jì)：利用多普勒變頻的證明技術(shù)與一個(gè)活動(dòng)的目標(biāo)速度沒有聯(lián)系。非多差法（非變頻轉(zhuǎn)變）速度計(jì)：選擇激光作為來源，歸功于它的獨(dú)特特點(diǎn)，產(chǎn)生一致的穩(wěn)定波長和階段。在傳感器頭之間，一種單一的激光電波被分裂成為相等的波長和頻率的兩種電波，然后電波被重新定向在相交或平行道路上，這些道路離傳感器有一定距離。這個(gè)距離被叫做僵持狀態(tài)的距離。由于兩種電波相交他們也創(chuàng)造了一個(gè)測量容量或者僵持狀態(tài)距離周圍的領(lǐng)域深度。兩種相交的電波的建設(shè)性和破壞性的干擾產(chǎn)生光和黑暗邊緣的一種干擾模式，類似于一種雙切口的衍射模式，被測容量的任何表面將要被測量。邊緣的穩(wěn)定和平行的性質(zhì)對于系統(tǒng)的表現(xiàn)是至關(guān)重要的，因?yàn)檫吘壞Ｊ降淖兓瘜⒃跍y量中造成錯(cuò)誤。從高峰到高峰的邊緣間距被激光的波長和發(fā)生的角度在理論上確定，作為表面垂直的參考。這個(gè)差值是按微米計(jì)量的，肉眼是看不見的。實(shí)際上，真正的邊緣間距在制造與校準(zhǔn)期間被確定，并且它在確定測量的穩(wěn)定和可靠性時(shí)是一個(gè)關(guān)鍵的因素。當(dāng)兩種激光電波沖擊表面時(shí)，光被分散到傳感器頭上。被分散的光通過透鏡系統(tǒng)被聚集并且集中在一個(gè)照片檢測器上，檢測器的輸出測量分散光的強(qiáng)度。假設(shè)邊緣模式對于肉眼是可見的，當(dāng)目標(biāo)的速度為零時(shí)，它將出現(xiàn)靜止或靜態(tài)（圖12）。在檢測器上強(qiáng)度方面的檢測結(jié)果將是零。然而，當(dāng)目標(biāo)開始移動(dòng)從每種電波分散出的光將要被改變，這種改變就是多普勒效應(yīng)。前方指的是電波頻率減少的改變，而后面保護(hù)指的是電波經(jīng)歷等值而頻率增加的的轉(zhuǎn)變。光頻率的改變，本質(zhì)上是波長的改變。因此，分散的光是不同波長波的結(jié)合。兩種不同波長的電波發(fā)生干涉或。邊緣經(jīng)過一點(diǎn)。這樣，目標(biāo)的速度與頻率成正比時(shí)檢測器中在擺動(dòng)時(shí)做FFT強(qiáng)度分析、自相關(guān)、零點(diǎn)穿越或者其他方式的信號可能被用于分析這個(gè)被調(diào)整的或者被沖擊的頻率，這個(gè)頻率直接與被測量材料的速度有關(guān)。外差法的速度計(jì)或頻率改變的速度計(jì)，多普勒變頻技術(shù)被引入新的發(fā)展領(lǐng)域。一個(gè)Bragg細(xì)胞的產(chǎn)生兩種電波，這兩種電波是與單一激光電波稍微不同的頻率。結(jié)果邊緣模式產(chǎn)生了一個(gè)干擾相關(guān)波或當(dāng)目標(biāo)表面為零速度時(shí)產(chǎn)生40HZ的沖擊波。表面在一個(gè)方向的移動(dòng)將引起沖擊波的增加，而表面在不同方向的移動(dòng)將引起沖擊波數(shù)目的減少。這個(gè)技術(shù)使傳感器在內(nèi)部決定移動(dòng)的方向，同時(shí)也能及其準(zhǔn)確的測量接近零的速度。作者：Mohammad B.Assar(左)，產(chǎn)品冶金師-質(zhì)量系統(tǒng)，M.F.Battaglia (左數(shù)第二個(gè))，自動(dòng)化工