一种转炉炉衬激光测厚用自动定位装置及自动定位方法

摘要

本发明提供一种转炉炉衬激光测厚用自动定位装置和自动定位方法，其中自动定位装置固定安装在转炉托圈、包括三个呈三角形分布的球体；自动定位方法为：扫描自动定位装置、获得自动定位装置的空间点云坐标数据；识别与拟合出三个球体球心在激光测厚仪坐标系中的坐标值；根据三个球体球心在激光测厚仪坐标系和转炉坐标系中的坐标值求算两个坐标系的换算关系，实现激光测厚仪的定位。由于自动定位装置固定安装在转炉托圈上，可确定三个球体球心在转炉坐标系的坐标值；由于球体具有特殊外形，可保证在各个位置扫描时点云数据自动识别与拟合功能的准确实现、获取球体球心在激光测厚仪坐标系的坐标值，从而获取两个坐标系的转换关系、实现激光测厚仪的定位。

说明书

技术领域

本发明涉及转炉炼钢技术领域，特别涉及一种转炉炉衬激光测厚 用自动定位装置；另本发明还涉及一种转炉炉衬激光测厚用自动定位 方法。

背景技术

在转炉吹氧冶炼过程中，炉衬与高温铁水、炉渣和炉气等长期接 触而产生局部侵蚀现象；同时，炉衬也会受到加废钢、倒渣、出钢等 操作影响而出现局部损伤。随着生产的进行，炉衬厚度会逐渐变薄； 当期厚度低于安全值时，则容易发生穿钢等重大安全事故。

目前，随着炉衬修补技术的发展和溅渣护炉技术的广泛应用，转 炉炉衬的使用寿命可达到1-2万炉，转炉在预期炉役期内发生穿钢事 故的概率几乎为零；但是准确检测转炉炉衬各处的厚度情况，减少过 渡修补造成的浪费，使转炉炉衬保持最佳的轮廓形貌从而延长其炉龄 和减少炉衬重砌冷修次数具有重要作用。同时，准确检测转炉炉衬各 处厚度情况可对转炉熔池液位和出钢角度进行预测，优化氧枪位置和 出钢角度，进而指导转炉炼钢。

因此，定期检测转炉炉衬厚度情况对保证炼钢生产安全、优化炼 钢工艺非常必要。目前，由于激光测量转炉炉衬厚度具有非接触、快 速、准确性高和抗干扰性强的优点而广泛应用于转炉炉衬测厚技术领 域。

在利用激光测厚仪对转炉炉衬厚度进行检测的过程中，设备的定 位是非常重要的环节，定位的便捷性、速度以及操作适应性直接影响 炉衬测厚的准确快捷进行。对于采用激光测距仪和全站仪作为激光器 部分的转炉炉衬激光测厚仪来说，其定位是通过人工操作激光测距仪 或全站仪扫描转炉外三个与转炉位置关系已知的点实现，操作人工适 应性差、定位时间长，且由于定位点易被灰尘遮挡，定位准确性较差。 对于国外采用三维激光扫描仪作为激光器部分的转炉炉衬激光测厚仪 来说，其采用反光条定位法，实现了自动定位，但定位用激光器与测 量用激光器是分开的，成本较高，同时反射条表面沾灰以及转炉炉衬 激光测厚仪不能水平放置时，均会出现较大的定位误差，而对于在转 炉前平台设置标记点组的固定位置定位法来说，转炉炉衬激光测厚仪 只能固定在几个位置进行测量，不利于设备灵活测量转炉炉衬各处的 厚度情况。

发明内容

为解决现有利用激光测厚仪对转炉炉衬厚度进行检测过程中激 光测厚仪的定位操作复杂、时间消耗长、定位准确性不高的问题，本 发明提供一种新的转炉炉衬激光测厚用自动定位装置以及基于此自动 定位装置的转炉炉衬激光测厚用自动定位方法。

本发明提供一种转炉炉衬激光测厚用自动定位装置，固定安装在 转炉托圈上，包括三个位置相对固定且呈三角形分布的球体。

可选的，三个所述球体呈等腰三角形分布；位于等腰三角形底角 处的两个所述球体的球心位于转炉托圈中线平面上、位于等腰三角形 顶角处的所述球体的球心位于垂直于转炉耳轴轴线且平分转炉本体的 平面上。

可选的，所述球体的半径R满足：60mm<R<80mm。

可选的，所述自动定位装置还具有支架组件；所述支架组件与转 炉托圈固定连接；三个所述球体固定安装在所述支架组件上。

可选的，所述球体具体为球缺；所述球缺通过底面上的螺纹孔固 定在所述支架组件上。

可选的，还具有用于防止落渣跌落至所述球体上的挡渣板和支撑 所述挡渣板的挡渣板加强筋；所述挡渣板和所述挡渣板加强筋均与所 述支架组件固定连接。

可选的，所述支架组件上还具有支架组件加强筋。

本发明提供的转炉炉衬激光测厚用自动定位装置，包括安装三个 呈三角形分布的球体，激光测厚仪可在距离转炉较近的位置以较小的 扫描角度实现对自动定位装置的快速扫描；由于自动定位装置固定安 装在转炉托圈上，也可十分方便地根据自动定位装置尺寸、安装位置 和转炉托圈外径准确计算三个球体球心在转炉坐标系的坐标，提高定 位精度；由于球体具有特殊外形，可保证激光测厚仪在各个位置扫描 时点云数据自动识别与拟合功能的准确实现，从而保证激光测厚仪在 各个位置的自动定位。

在本发明一具体实施方式中，三个球体呈等腰三角形分布，位于 等腰三角形底角处的两个球体的球心处于托圈中线平面上，位于顶角 处的球体的球心位于垂直于转炉耳轴的轴线且平分转炉本体的平面 上，便于三个球体球心在转炉坐标系中坐标值的计算，也便于转炉炉 衬激光测厚仪采集点云数据、快速计算获取自动定位装置的三个球体 球心在激光测厚仪坐标系的坐标值。

在本发明一具体实施方式中，自动定位装置具有支架组件且球体 经过支架组件固定在转炉托圈上，且还具有相应的挡渣板、挡渣板加 强筋和支架组件加强筋，可减少转炉生产中高温、多尘以及落渣对自 动定位装置结构及形状的不利影响。

本发明还提供基于前述自动定位装置的转炉炉衬激光测厚用自 动定位方法，用于激光测厚仪进行炉衬厚度测量前的定位，包括，

步骤S101：扫描所述自动定位装置，获得所述自动定位装置的空 间点云坐标数据；

步骤S102：识别与拟合出所述自动定位装置的空间点云坐标数据 中三个所述球体球心在激光测厚仪坐标系中的坐标值；

步骤S103：采用罗德里格七参数模型、根据三个所述球体球心在 所述激光测厚仪坐标系和在所述转炉坐标系中的坐标值，求算两个坐 标系的换算关系，实现所述激光测厚仪的定位。

可选的，步骤S102中识别与拟合出所述自动定位装置的空间点 云坐标数据中三个所述球体球心在激光测厚仪坐标系中的坐标值具体 为：

利用基于欧式距离的聚类算法对自动定位装置的空间点云坐标 数据进行处理，得到所有类似球体物的粗提取点云数据；

采用采样一致性算法对所述粗提取点云数据进行处理得到中间 提取点云数据；

采用三个所述球体的相对位置关系对所述中间提取点云数据进 行处理得到目标球体点云数据；

利用空间球面方程和最小二乘原理、根据三个所述球体的目标球 体点云数据求算三个所述球体在所述激光测厚仪坐标系中的坐标值。

可选的，在所述步骤S102前对自动定位装置的空间点云坐标数 据进行滤波处理；所述滤波处理包括依次进行的下采样滤波和统计参 数滤波。

本发明提供的转炉炉衬激光测厚用自动定位方法，通过扫描自动 定位装置获得自动定位装置点云数据，再识别与拟合出定位装置点云 数据中三个球体球心在激光测厚仪坐标系中的坐标，并根据计算得到 的三个球体球心在转炉坐标系中的坐标求算激光测厚仪和转炉之间的 相对位置关系；这样可实现各个位置处激光测厚仪相对转炉的自动定 位，利于设备灵活测量转炉炉衬各处的厚度情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面 将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而 易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域 普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些 附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施方式激光测厚仪进行自动定位时的结构示 意图；

图2为本发明具体实施方式的自动定位装置结构视图；

图3为本发明具体实施方式的自动定位装置正视图；

图4为本发明具体实施方式自动定位装置中球体示意图；

图5为本发明具体实施方式转炉炉衬激光测厚用自动定位方法的 流程图；

图1-图4中：1-转炉本体、2-转炉托圈、3-转炉耳轴、4-自动定位 装置、41-球体、42-支架组件、43-挡渣板、44-挡渣板加强筋、45-支 架组件加强筋、5-激光测厚仪。

具体实施方式

本发明提供一种转炉炉衬激光测厚用自动定位装置，实现转炉炉 衬激光测厚仪的快速、便捷定位。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普 通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。

图1为本发明具体实施方式转炉炉衬激光测厚仪进行自动定位时 的结构示意图，图2为本发明具体实施方式的自动定位装置结构视 图，，图3为本发明具体实施方式的自动定位装置正视图。从图1、图 2和图3可看出本发明的自动定位装置4安装在带动转炉炉体1转动 的转炉托圈2上，其包括三个球体41；三个球体41位置相对固定且 呈等腰三角形分布，位于等腰三角形底角处的两个球体41的球心处于 转炉托圈2的中线平面上、另一个球体41的球心位于垂直于转炉耳轴 3的轴线且平分转炉本体1的平面上。

由于球体具有特殊外形且相对于整个转炉凸出设置，因此采用激 光测厚仪5在各个位置扫描自动定位装置4时，能够准确地实现球体 41的球面点云数据的自动识别与拟合，快速获得三个球体41的球心 在激光测厚仪坐标系中的坐标值。

由于自动定位装置4中三个球体41球心在转炉托圈上的位置固 定，因此可根据转炉托圈2外径、自动定位装置4在转炉托圈上的位 置、自动定位装置4中三个球体41的半径确定三个球体球心在转炉坐 标系中的坐标值。

随后根据三个球体41在激光测厚仪5坐标系和转炉坐标系中的 坐标获得两个坐标系的换算关系，实现激光测厚仪5在各个位置相对 转炉的定位，保证后续炉衬激光测厚的快速、便捷进行。

相对于现有的手动定位以及反射条定位方式来说，基于自动定位 装置4的转炉炉衬激光测厚用自动定位方法能够实现激光测厚仪5在 各个位置测量时的准确定位，同时能够加快定位速度，提高定位的便 捷性。

可以想到，实现激光测厚仪5定位主要是通过三个球体的外表获 取三个球体球心在激光测厚仪坐标系中的坐标值；从应用原理角度考 虑，自动定位装置4的三个球体并不限位固定在前述位置处，也可固 定在靠近此位置处的一个区域范围内，但应当保证实际使用中激光测 厚仪能够获取足够多表示三个球体特征的球体点云数据；当然，三个 球体的相对位置关系并不局限于形成等腰三角形，也可形成其他结构 的三角形，但应当尽可能减少三个球体相互重叠、靠近而对球体点云 数据获取的影响。

进一步的，为保证转炉炉衬激光测厚时能够成功实现从自动定位 装置点云数据中识别出目标球面点云数据并拟合出球球心坐标，球体 41的半径R最好满足：60mm<R<80mm；考虑实际使用的球体41安 装的方便性和保证球体部位凸出，球体41设置成球缺形状，球缺的高 L4最好满足:125mm<L<145mm。应当注意，虽然采用的是球缺，但是 由于球缺外露部分仍为球体球面，因此其表观仍为球体；当然，在其 他具体实施中，也可采用完整的球体41安装于支架组件42上。还应 注意，此处三个球体41的球体半径可以相同也可以不同，考虑其加工 方便性其尺寸最好相同。

实际安装中，本发明自动定位装置4中的三个球体41并不是直 接安装在转炉托圈2上，而是通过先安装于支架组件42上，再将支架 组件42固定安装在转炉托圈2上实现定位；可想到，这样的安装方式 能够方便球体41之间的位置定位、提高安装的方便性。在本发明的一 具体实施中，三个球缺的底面上具有螺纹孔，球缺通过螺栓连接方式 固定在支架组件42上，十分方便地实现球缺在支架组件42上的安装。

生产作业中，因转炉炼钢的落渣以及出钢时氧枪落渣会飞溅到球 体41表面和支架组件42上而改变球体41和支架组件42的外形、影 响后续激光炉衬测厚仪扫描定位的准确性；为此，还可在自动定位装 置4上设置防止落渣跌落到球体41上的挡渣板43和支撑挡渣板43 的挡渣板加强筋44，挡渣板43和挡渣板加强筋44均位于支架组件42 的上侧、可与支架组件42固定连接，便于加工安装。此外，为提高支 架组件42的结构强度，支架组件42上还可设置支架组件加强筋45， 以防止变形。

在本发明具体实施中，球体41可为硬质铝合金2A12材质或圆钢 Q235材质，而自动定位装置4上的其他组件可采用Q235材质或45 号钢材质。此外，为防止落渣造成球体41变形，球体41优先设置为 实心结构。

可以想到，由于采用了以上的防护结构和定位结构，自动定位装 置4具有较好的抗变形能力、球体41球心的位置稳定，有效保证球体 41球心在转炉坐标系中的稳定性，能够适应转炉现场高温、多尘的恶 劣环境，满足转炉炉衬激光测厚的便捷、实用需求。

以上所说的自动定位装置4应安装在转炉托圈2上，下面就如何 将自动定位装置4安装在转炉托圈2上做个简单介绍：首先，将转炉 摇平并标记出转炉托圈2的中线位置，使自动定位装置4中下侧两个 球体41的球心位于这一位置，然后利用水平尺测量使上部一个球体 41的球心位于转炉左右对称位置；由此确定自动定位装置4安装位置 后将其焊接在转炉托圈2上(这一段需要与前面的表述保持一致)。

因自动定位装置4的尺寸、安装位置和转炉托圈2的半径均是确 定的，根据相应的尺寸就可确定三个球体41球心在转炉坐标系中的坐 标值。为方便确定球体41球心坐标，具体应用中可将转炉耳轴3的轴 线和垂直于转炉耳轴3的轴线且平分转炉本体1的平面的交点作为原 点，以转炉旋转球心轴为z轴、以转炉耳轴41的轴线为x轴，以垂直 于xz轴平面且经过原点的直线为y轴；当然，也可采用其他坐标系统 标定三个球体41的球心位置。

除提供以上转炉炉衬激光测厚用自动定位装置外，本发明还提供 一种转炉炉衬激光测厚用自动定位方法。如图4，图4为本发明具体 实施方式炉衬激光测厚用自动定位方法的流程图，这一方法包括以下 步骤：

步骤S101：扫描转炉托圈2上的自动定位装置，获取自动定位装 置的空间点云坐标数据。

由于自动定位装置4安装在转炉托圈2上，可将激光测厚仪5设 置在离转炉较近的位置(一般为2-3m)，以较小的水平视场角(一般 为25°-30°)正对扫描自动定位装置4，获得包括自动定位装置4在 内的空间点云坐标数据。

步骤S102：识别与拟合出自动定位装置的空间点云坐标数据中三 个球体球心在激光测厚仪坐标系中的坐标值。

这一步骤对空间点云坐标数据进行数据处理，提取出自动定位装 置4中三个球体41的球面点云坐标数据，并利用球面点云坐标数据计 算得到三个球体41的球心在激光测厚仪5坐标系中的坐标值。

在本发明的一具体实施中，根据自动定位装置4的空间点云数据 得到三个球体41的球心坐标具体分为以下分步骤：

(1)利用基于欧式距离的聚类算法对自动定位装置4的空间点 云坐标数据进行处理，得到所有类似球体物的粗提取点云数据。

(2)采用采样一致性算法对粗提取点云数据进行处理得到中间 提取点云数据。

粗提取后的点云数据中除包含三个目标球体点云数据外，还具有 较多类似球体点云数据，这些类似球体点云数据会对利用目标球体点 云数据求算球心坐标产生影响，而采用采样一致性算法后可排除大部 分的类似球体的点云数据。

(3)采用三个球体41的位置关系对中间提取点云数据再进行处 理，得到三个目标球体点云数据；

因中间提取点云数据中仍然会有非目标球体的点云数据，而且这 些非目标球体的点云数据位于三个球体41之外、对球体球心计算产生 很大影响。由于三个球体41之间的位置关系是确定的，因此可通过三 个球体的位置关系排除非目标球体点云数据。

(4)利用空间球面方程和最小二乘原理、根据三个球体41的目 标球体点云数据求算三个球体的球心在激光测厚仪坐标系中的坐标 值。

应当注意，球体点云数据识别与球心拟合算法实现的精度与成功 率依赖于球体41的半径和球体41的高度。为了使得拟合成功率大于 99％，在前述设定距离上，球体41的半径R最好满足：60mm<R<80mm； 考虑实际使用的球体为球缺，球缺的高L最好满足:125mm<L<145mm。

以上各个步骤中运算处理目的是快速提取出三个球体41的点云 数据进而获得球体41的球心坐标；当然，在其他具体实施方式中并不 仅限于以上算法处理顺序和算法类型，也可为本领域技术人员已知的 其他处理算法。

在获得三个球体41在激光测厚仪5和转炉坐标系中的坐标后， 就可进行步骤S103：采用罗德里格七参数模型、根据三个球体球心在 激光测厚仪坐标系和转炉坐标系中的坐标值求算两个坐标系的换算关 系，实现所述激光测厚仪的定位。

本步骤具体根据三个球体41的球心在转炉坐标系和激光测厚仪5 坐标系中的坐标值，利用罗德里格七参数模型求得激光测厚仪5坐标 系与转炉坐标系之间数值转换的三个平移量(△x,△y,△z)、三个旋转 量组成的旋转矩阵R和一个尺度变化参数λ，确定两个坐标系之间的 相对位置关系、实现激光测厚仪5的定位。

在步骤S101中，激光测厚仪5扫描自动定位装置4得到的空间 点云数据数据量很大，同时具有噪声点，可能会造成后续自动提取球 体点云数据的成功率低、时间较长。为解决因数据量很大及数据噪声 造成的球体点云数据提取成功率低、提取时间较长的问题，在进行步 骤S102之前还可进行滤波处理，滤波处理可包括依次进行的下采样 滤波处理和统计参数滤波；其中下采样滤波用于将自动定位装置4的 点云数据稀释至合理密度，统计参数滤波用于消除点云数据中的拖尾 噪声；当然，在其他具体实施方式中，也可采用本领域技术人员可想 到的其他算法对自动定位装置4的空间点云数据进行滤波处理。

采用以上的自动定位装置4和自动定位方法，实际应用中可在转 炉前平台各个位置处均进行自动定位，可灵活调节激光测厚仪5测量 转炉炉衬各处的厚度情况；经过实践检验，每次定位时间小于30s， 有效减少了定位用时间。

以上对本发明实施例中的转炉炉衬激光测厚用自动定位装置和 自动定位方法进行了详细介绍。本文应用了具体个例对本发明的原理 及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明 的核心思想，在不脱离本发明原理的情况下，还可对本发明进行若干 改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明的保护范围内。