專利名稱：氣動板形檢測輥系統(tǒng)圓周誤差多項式回歸鑒相補償方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種板形檢測技術，特別涉及一種氣動板形檢測輥系統(tǒng)圓 周誤差多項式回歸鑒相補償方法。
技術背景從60年代開始，板形檢測裝置的研制就已非?；钴S，尤其是國外對這 方面的研究較早，取得了可喜的成績。其結構形式繁多，工作原理也各有 不同。如德國鋼鐵研究所研發(fā)的基于壓電效應原理的BFI板形儀，瑞典 ASEA公司研發(fā)的基于壓磁效應原理的stressmeter板形儀，英國DAVY公 司研發(fā)的空氣軸承式vidimon板形儀等。國內板形儀研究較晚，燕山大學在 國內最早開發(fā)了壓磁式板形儀，以后亦有高校和科研單位開展了板形儀的 研制工作，如東北大學、北京科技大學、西安建筑科技大學等。燕山大學在王益群教授的主持下又開發(fā)了七段式空氣軸承氣動板形儀 (板形儀的段數可根據檢測板帶的寬度來確定，檢測原理相同)，并在此基 礎上進行了靜態(tài)標定。該氣動板形儀是采用氣壓測微技術進行板形檢測的 一種接觸分割輥式檢測輥，結構如圖1所示。檢測輥由下列部件組成一 根兩端固定的中空通氣芯軸2，外面套上一排可以自由轉動的輥環(huán)l，以及 對應每段輥環(huán)的芯軸上的雙排出氣節(jié)流孔組4，對應每段輥環(huán)芯軸上下頂點 的兩個測壓孔3，以及置于左、右兩邊部外端的氣動止推軸承5等組成。輥 環(huán)的段數要根據實際的帶材寬度和檢測精度確定，在檢測寬度一定的情況 下，分的段數越多，檢測精度越高。當向中空芯軸2的腔內從進氣口 6通入壓縮空氣時，氣體通過節(jié)流孔4 進入芯軸2和輥環(huán)1之間的間隙，形成氣膜間隙8，使輥環(huán)1浮起，工作時 輥環(huán)可以繞芯軸基本無摩擦轉動。當某段輥環(huán)上加以朝下的載荷時，該輥 環(huán)向下運動，與此輥環(huán)對應芯軸部分的上部分氣膜間隙減小，上測壓孔3 處的壓力增大；同時芯軸下部分氣膜間隙8增大，下測壓孔3處壓力減小， 這樣就有壓力差作用于該加載的輥環(huán)1上以平衡外載荷和輥環(huán)1的自重。 此壓力差和載荷在一定范圍成相應的線性關系，當有載荷作用于輥環(huán)1上時，只要測量出上、下測壓孔3處的壓差，經過數據處理，就可以得出作 用于輥環(huán)1上的載荷大小。測量每段輥環(huán)所對應的測壓孔處壓差，經過信 號處理，可以給出載荷沿軸向的分布，再經過數據計算就可以得出板帶沿 軸向的板形分布。系統(tǒng)圓周誤差是由于氣動板形儀的輥環(huán)和芯軸的加工精度(主要是圓 度和光潔度)不足，產生的加工誤差。如圖2所示，檢測輥氣模間隙8的 變化直接影響上、下測壓孔3壓力變化，在恒定負載下，上、下氣模間隙 應為一定值，檢測輥檢測的壓差也應為一定值，但是由于輥環(huán)1和芯軸2 的加工精度不夠，在輥環(huán)轉過不同角度時會引起上、下測壓點處氣模間隙8 波動，進而引起測壓孔上、下壓力差波動，產生了系統(tǒng)圓周誤差問題。系統(tǒng)圓周誤差使輥環(huán)1與芯軸2間的徑向間隙沿圓周方向分布的不均 勻，導致的氣壓波動，進而影響板形儀檢測精度。靜態(tài)標定方法只能標定 檢測輥某一點的特性曲線，不能體現整個檢測輥徑向誤差沿圓周方向分布 不均勻的特性。發(fā)明內容為了克服現有技術存在的上述問題，本發(fā)明提供一種氣動板形檢測輥 系統(tǒng)圓周誤差多項式回歸鑒相補償方法，該發(fā)明可消除板形檢測輥系統(tǒng)圓 周誤差對板形檢測的影響，從而提高了板形儀的檢測精度。發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是這種氣動板形檢測輥系統(tǒng) 圓周誤差多項式回歸鑒相補償方法包括一下幾個步驟1. 板形儀標定臺的設計，板形儀標定臺的設計主要是為氣動板形檢測輥 建立一套動態(tài)加載裝置，實現板形檢測輥在加載和空載狀態(tài)下的同步轉動。 所述板形標定臺的標定機架12上安裝氣動板形檢測輥9，直流電動機11用 皮帶10帶動板形檢測輥9轉動，砝碼13對氣動板形檢測輥9加載。2. 光纖傳感器15的選取及安裝，光纖傳感器的選取主要為解決氣動板 形檢測輥9鑒相定位問題。由于檢測輥在皮帶帶動下轉動較快，因此必須 選用響應速度快、敏感性好的光纖傳感器，將光纖傳感器固定到標定臺的 一側，在靠近光纖傳感器15的檢測輥9的輥環(huán)1上圖黑色標記14，光纖傳 感器15的探頭垂直于標記14的圓周位置，當檢測輥轉到一周時，光纖傳感器會感應到輥環(huán)1上的標記兩次。兩次標記之間采集的數據即為檢測輥 轉動一周的數據。由于檢測輥的七個輥段在加載狀態(tài)下同步轉動，因此對 七個輥段中的一段進行鑒相定位就可實現檢測輥七個輥段的整體定位。光 纖傳感器信號和檢測輥壓差信號的采集由計算機完成。其鑒相定位原理圖如圖4所示。3. 板形檢測輥鑒相程序實現對檢測輥系統(tǒng)圓周誤差鑒相，功能包括檢測 輥信號和光纖傳感器定位信號的采集及存盤，通過標記提取。4. 板形檢測輥圓周誤差的補償是通過光纖傳感器鑒相定位確定檢測輥 七個輥段一周的系統(tǒng)圓周誤差分布，分別對七個輥段的系統(tǒng)圓周誤差進行 最小二乘多項式回歸，實現圓周誤差補償；按以下步驟進行系統(tǒng)圓周誤差鑒相補償1) 通過光纖傳感器對系統(tǒng)圓周誤差鑒相得出各個輥段每一周的系統(tǒng)圓 周誤差分布；2) 對各個輥段系統(tǒng)圓周誤差曲線進行最小二乘多項式回歸，得出圓周 誤差曲線方程；所述最小二乘多項式的次數為6次，如下式y(tǒng)-ao+aiX+a2x2+a3x3+a4x4+a5x5+agX6式中-X—圓周誤差的刻度值；y—擬合后的壓差值； ao—常數項系數； a, — 一次項系數；&2—二次項系數； a3—三次項系數； a4—四次項系數； as —五次項系數；a6—六次項系數。3) 選擇其中一輥加載其他六輥空載狀態(tài)下，將檢測輥勻速同步轉動過 程中，通過鑒相測得的每一周數據減去相應位置多項式回歸的圓周誤差數 據，并對相減后的結果做平均，即為消除系統(tǒng)圓周誤差的實際檢測值，完成對系統(tǒng)圓周誤差的補償。本發(fā)明的有益效果是該發(fā)明針對氣動板形檢測輥存在的由加工精度 引起的系統(tǒng)圓周誤差問題，設計了板形檢測輥動態(tài)標定臺，利用光纖傳感 器鑒相定位原理找出了系統(tǒng)圓周誤差，在此基礎上利用最小二乘多項式回 歸方法得出各個輥段系統(tǒng)圓周曲線，檢測輥每個輥段的檢測數據減去相應 的圓周誤差后做平均值即為各個輥段實際檢測值，該方法有效消除了靜態(tài) 標定中未能消除的系統(tǒng)圓周誤差，為板形檢測打下基礎。


圖1是氣動檢測輥結構簡圖；圖2是檢測輥檢測原理截面圖；圖3板形標定臺結構示意圖；圖4板形標定臺結構示意圖的左視圖；圖5鑒相定位原理圖；圖6第五個輥段圓周誤差曲線；圖7空載狀態(tài)下測得第五個輥段系統(tǒng)圓周誤差曲線及其擬合曲線； 圖8第七個輥段加載其他六輥空載狀態(tài)下消除圓周誤差后數據圖。 在上述附圖中，l.輥環(huán)，2.雙排出氣節(jié)流孔組，3.測壓孔，4.中空通氣 芯軸，5.氣動止推軸承，6.進氣口， 7.板形儀固定座，8.氣膜間隙，9.氣動板 形檢測輥，IO.皮帶，ll.直流電動機，12.標定臺的標定機架，13.砝碼，14. 標記，15.光纖傳感器，16.帶材。
具體實施方式
實施例以下給出在第七個輥段加載其他六輥空載狀態(tài)下，以第五個輥段為例 說明消除檢測輥系統(tǒng)圓周誤差的步驟首先，在步驟1中，數據采集程序實現對檢測輥各個輥鍛壓差信號及 光纖傳感器定位信號的采集，光纖傳感器信號為0、 l數字量信號，當光線 傳感器檢測到標記時傳感器輸出信號為1，反之為0。當第七個輥段加載勻 速轉動時會帶動其他六個輥段同步轉動，此時可通過數據采集卡連續(xù)測出 第五個輥段多周的系統(tǒng)圓周誤差的連續(xù)分布如圖5所示。數據采集存盤后的數據庫列表如表1所示，表1中ID列中的0、 1數據為檢測輥鑒相定位 數據，其它七列為七個輥段的壓差數據。隨后，在步驟2中，檢測輥存盤數據的曲線形式如圖5所示，可知檢測輥信號是連續(xù)采集，其信號呈周期性復現信號，在未對檢測輥進行鑒相 定位時，其單周的圓周誤差并不能確定，當引入光纖傳感器通過檢測輥上 的標記對其鑒相定位后，表1中ID列連續(xù)出現0、 1的數據即為一周的壓 差數據，以第五個輥段為例，取出此一周的壓差數據，并繪出曲線如圖6 中的點所示，由于這是第五個輥段空載狀態(tài)下測得的壓差數據，因此壓差 數據即為一周的系統(tǒng)圓周誤差。由于檢測輥在以不同的速度勻速轉動時， 數據采集卡采集的壓差信號點數會不同，但是其壓差信號所對應的誤差曲 線是基本保持不變的。因此，對系統(tǒng)圓周誤差曲線按照公式 y-ao+ap+a2X^a3xS+a4X、a5xS+a6xe進行最小二乘多項式回歸，多項式回歸曲 線見圖6中的實線所示，并得出圓周誤差曲線方程如下式Y=203.597-0.483995 *x-0.0100983 *x2+0.000108853 *x3-2.89417E-7*x4+1 .69731E-10*x5+1.14169E-13 *x6隨后，在步驟3中，仍用光線傳感器定位方法得出空載狀態(tài)下任意一 周第五個輥段壓差信號檢測值，如下列所示133.1923, 150.3160, 134.8877， 137.4647, 137.8716, 136.2440， 134.8538, 135.1929， 137,9055， 136.3458, 140.2452， 133.4635, 136.3458， 141.6694， 140.4487, 140.1774， 145.3993, 207.2144' 137.2274, 163.5742' 205.4850， 202.5350， 197.3131, 191.4130， 186,6659， 183.0716， 180.3928， 136.0406, 168.2197' 154.0799, 160.0477， 156,1483, 150.5534, 144.4838， 141.7372, 141.1947， 141.2286， 174.4249， 232.3066' 144.6194'■ 228.6445， 228.3054， 228.3732， 230.5094, 231.1537, 228.7462， 228.8140, 231.7980， 227.0508, 230.5433, 227.8646， 225.3554' 225.2875， 225.0163, 221.9306， 215.0133, 229.4583， 204.6712， 204.6712, 158.7592, 163.8794, 171.1358, 177.3071， 185.2078, 186.2590, 230.2721， 200.9752， 210.2322, 209.5540, 215.3863， 221.5237， 224.8806, 227.1525, 227.0169， 225,7623， 193.2102共76組數據，為檢測數據組。此76組數據為一周360度等刻度(刻 度間隔為360/76度)分布的檢測數據，該檢測數據還未消除系統(tǒng)圓周誤差；將數組0， 1*(360〃6)， 2*(360〃6), 3*(360〃6)，.........，75*(360/76)作為回歸的多項式自變量x的值帶入步驟3的多項式中，可得相應位置的一組回歸數 據組如下203.243， 198.54， 193.659, 188.913， 184.476' 180.423， 176.758， 173.439， 170.398, 167.556' 164.835， 162.166， 159.495， 156.786， 154,021, 151.202, 148.35， 145.498, 142.696' 140， 137.475, 135.185， 133.197， 131.572， 130.365, 129.622， 129.38, 129.662， 130,481, 131.833， 33.706, 136.072， 138.895， 142.127， 145.714, 149.595，153.705' 157.979, 162.351, 166.761, 171.15, 175.468， 179.673, 183.734, 187.628, 191.343, 194.88， 198.248, 201.464, 204.553， 207.547， 210.476, 213.375, 216.27, 219.184， 222.128, 225.1， 228.08, 231.03, 233.894， 236. 591, 239. 024， 241. 077, 242. 622, 243. 528, 243. 67， 242. 942， 241. 28, 238. 682, 235. 238， 231. 165, 226. 847， 222.891， 220.178， 219.937， 223.82將此兩組對應數據做差后求和，將求和后的值除以76即為消除圓周誤 差后實際的檢測值，如下式IX檢測數據組-回歸數據組)/ 76 = -1.4035從以上第五個輥段例程結果看，在空載狀態(tài)下，其理想壓差值應為 0KPa，對其進行圓周誤差補償后，其空載狀態(tài)下的壓差為-1.4035，已經非 常接近理想狀態(tài)壓差值，說明其方法有效。其他六個輥段(無論加載或者 空載狀態(tài))消除系統(tǒng)圓周誤差方法皆用上述方法。實施例2以下給出采用本發(fā)明的方法在第七個輥段加載其他六個輥段空載狀態(tài) 下消除系統(tǒng)遠走誤差的過程。首先，根據步驟1中鑒相方法得出七個輥段每一周空載狀態(tài)下的檢測值；隨后，根據步驟2對七個輥段空載狀態(tài)下的檢測值按照公式 y-ao+aiX+a^+a3xS+a4xVa5xS+a^進行最小二乘多項式回歸，得出每個輥段 的回歸多項式如下第1個輥段擬合曲線Y=96.45781238956+2.0142249294*x-0.0509603913833*x2+0.000519414 9428342*x3-2.297634894393E-6*x4+4.60726274497E-9*x5-3.462487404437E-12*x6第2個輥段擬合曲線Y=l 43.4456569171 -0.8325053053449*x+0.02298296131407*x2-0.000139 9611670393*x3+3.493829235774E-7*x4+3.950347680856E-10*x5+1.72982325 4144E-13*x6第3個輥段擬合曲線Y=279.0362718978+4.31853 8425403 *x+0.07493400504141 *x2+0.000477 3091183936*x3+1.75870535409E-6*x4+3.615113952913E-9*x5-3.001527480075E-12*x0第4個輥段擬合曲線Y=144.8071248453+0.3572857963865*x-0.00140151422068*x2+4.85959 3948766E-5*x3-2.342739874983E-7*x4+4.322619009227E-10*x5-2.869550738 145E-13*x6第5個輥段擬合曲線Y=203.597-0.483995*x-0.0100983*x2+0.000108853*x3-2.89417E-7*x4+l. 69731E-10*x5+1.14169E-13*x6第6個輥段擬合曲線Y=316.1460445928-1.98393178846*x+0.01951639872132*x2-0.00018808 17116787*x3+9.182509436917E-7*x4-1.955087546747E-9*x5+1.51132685314 4E-12*x6第7個輥段擬合曲線Y=104.9926892628+1.500517161131*x-0.02308583878083*x2+0.000236 781155562*x3-1.129857551375E-6*x4+2,387023942515E-9*x5-1.84137375835 E-12*x6隨后，在步驟3中，在第七個輥段加載其他六個輥段空載狀態(tài)下，電 動機帶動七個輥段勻速同步轉動，將測得每一周數據減去相應位置多項式 回歸的圓周誤差數據，并對相減后的結果做平均，即為消除系統(tǒng)圓周誤差 的實際檢測值，具體公式如下式所示S(檢測數據組-回歸數據組)/數組大小=實際壓差值 消除圓周誤差后數據圖見圖7，從圖中可以看出，該方法有效消除了系 統(tǒng)圓周誤差。表1數據采集存盤后的數據庫列表IDhOLL2S0LL3R0LL5ROLLS243.233.4595—21^J§52201.8229 194.05T9183.3428 182.9359 皿2233 1T3.T頓 183.1055 184.5635 182.902 亂艦l 肌6819 183.4446 183. 6U1185.9538 189.T1T6' 196.0585206.8414 209.7575: 212.1311;93.90.9085, 88.8401;168.2536 165.5748217,，7| 221.0151;T^丄喂二 5別3哩t.. 卿.j一 8628:4023!29對.姐5.L. 0942!223 223 226 230 229 226 223 221, 216 212, 208, 205. 202.,鄰:84.徹 8T. 3咖i 90.8407:1CU.454;127.4618i 140. 1TW 153.9781I190. 1245 205.3494 220.7438;166,6599170.89841TU 1525: 1ST.4059162.艦l 159.946 156.25 l站.9252 139.1941 136. 5復 130. 34^ 1^4. T491; 126.6"; 12T.T669;208.5368191.413 187, 920517:3, 7.467149.6718;142.178; 135.3963;掘:，，一170, l眺 166.5921; 163.2351; 156.6908; 150.282i;146.8574:132.6497;132.10T2; 130.3101i125.529140,—1096; 142.4493;139.9061139. 43H; JiH6攀 :亂4哩…,3,j 里.1977
TJ 212. 30圃 210.40JJ: 201,5，:19§:7706 200. 3祖 19T.51§5:19L.M§.! 206.3327i1權利要求
1.一種氣動板形檢測輥系統(tǒng)圓周誤差多項式回歸鑒相補償方法，其特征是所述方法包括以下步驟a.氣動板形檢測輥系統(tǒng)圓周誤差信號的采集；b.通過應用數據采集卡采集氣動板形檢測輥(9)每個輥段的壓差信號及光纖傳感器(15)的定位信號實現對檢測輥系統(tǒng)圓周誤差鑒相；c.通過光纖傳感器(15)鑒相定位確定氣動板形檢測輥(9)每個輥段一周的系統(tǒng)圓周誤差分布，對每個輥段系統(tǒng)圓周誤差進行最小二乘多項式回歸，實現圓周誤差補償。
2. 根據權利要求1所述氣動板形檢測輥系統(tǒng)圓周誤差多項式回歸鑒相 補償方法，其特征是在所述步驟a中，對氣動板形檢測輥(9)每個輥段 的圓周誤差信號進行采集-1) 在板形標定臺上使氣動板形檢測輥(9)在加載和空載狀態(tài)下轉動， 實現氣動板形檢測輥(9)動態(tài)加載。所述板形標定臺的標定機架(12)上 安裝氣動板形檢測輥(9)，直流電動機(IO用皮帶(10)帶動檢測輥(9) 轉動，砝碼(13)對氣動板形檢測輥(9)中的一個輥段進行加載，其他六 個輥段在加載輥段的帶動下保持同步轉動。2) 將光纖傳感器(15)固定到板形標定臺的一側，并在靠近光纖傳感 器(3)的某一個輥段上涂上黑色標記(14)，使光纖傳感器(15)的探頭 垂直于標記(14)的圓周位置；當氣動板形檢測輥(9)轉到一周時，光纖 傳感器(15)會感應到氣動板形檢測輥(9)上的標記(14)兩次；兩次標 記之間采集的數據即為氣動板形檢測輥(9)各個輥段轉動一周的數據，光 纖傳感器(15)的信號和氣動板形檢測輥數據的采集由計算機完成。
3. 根據權利要求1所述氣動板形檢測輥系統(tǒng)圓周誤差多項式回歸鑒相 補償方法，其特征是在所述步驟b中，氣動板形檢測輥(9)的壓差信號 和光纖傳感器(15)的定位信號的采集及存盤1)氣動板形檢測輥測試系統(tǒng)的數據采集部分采用研華板卡基于 LabVIEW的驅動程序，利用LabVIEW的queue技術可將數據采集線程中 的數據傳遞到數據存盤線程保存，數據的存盤和提取可通過調用LabSQL工具包來完成；2) 為提高采集控制程序的執(zhí)行效率，將采集控制優(yōu)先級置為最高，提 高系統(tǒng)的實時性；3) 研華板卡完成檢測輥壓差信號的采集和數字量輸入功能用7個模 擬量輸入通道采集檢測輥壓差信號，用一路數字量輸入通道檢測光纖傳感 器(15)感應的氣動板形檢測輥(9)的位置信號；因氣動板形檢測輥(9) 測試的壓差信號較弱，在數據采集卡和壓差傳感器之間設有信號放大器； 為抑制高頻信號的干擾，還設有低通濾波器。
4. 根據權利要求1所述氣動板形檢測輥系統(tǒng)圓周誤差多項式回歸鑒相 補償方法，其特征在于，在所述步驟c中，通過光纖傳感器鑒相定位確定 氣動板形檢測輥(9)各個輥段一周的系統(tǒng)圓周誤差分布，對系統(tǒng)圓周誤差 進行最小二乘多項式回歸，圓周誤差曲線回歸多項式次數為6次，其數學 模型是<formula>formula see original document page 3</formula>式中X—圓周誤差的刻度值；y—擬合后的壓差值； ao—常數項系數； a,— —次項系數； &2—二次項系數； a3 —三次項系數； a4—四次項系數； as—五次項系數； a6—六次項系數。
5. 根據權利要求4所述氣動板形檢測輥系統(tǒng)圓周誤差多項式回歸鑒相 補償方法，其特征是按以下步驟進行系統(tǒng)圓周誤差鑒相補償1) 通過光纖傳感器對各個輥段系統(tǒng)圓周誤差鑒相定位得出一周的系統(tǒng) 圓周誤差分布；2) 對各個輥段系統(tǒng)圓周誤差曲線進行最小二乘多項式回歸，得出各個輥段系統(tǒng)圓周誤差曲線方程； 3)選擇其中一個輥段加載其他六個輥段空載狀態(tài)下，檢測輥勻速同步 轉動過程中，通過鑒相測得各個輥段每一周數據減去相應位置多項式回歸 的圓周誤差數據，并對相減后的結果做平均，即為消除系統(tǒng)圓周誤差后的 各個輥段實際檢測值，完成對系統(tǒng)圓周誤差的補償。
全文摘要
本發(fā)明公開一種氣動板形檢測輥系統(tǒng)圓周誤差多項式回歸鑒相補償方法。其特征是所述方法的步驟如下a.氣動板形檢測輥系統(tǒng)圓周誤差信號的采集；b.通過應用數據采集卡采集氣動板形檢測輥(9)每個輥段的壓差信號及光纖傳感器(15)的定位信號實現對檢測輥系統(tǒng)圓周誤差鑒相；c.通過光纖傳感器(15)鑒相定位確定氣動板形檢測輥(9)每個輥段一周的系統(tǒng)圓周誤差分布，對每個輥段系統(tǒng)圓周誤差進行最小二乘多項式回歸，將加載或空載狀態(tài)下測得的每個輥段一周的數據減去回歸的圓周誤差數據，并對相減后的結果做平均，即為消除系統(tǒng)圓周誤差的實際檢測值。實驗表明該方法有效消除了系統(tǒng)的圓周誤差。
文檔編號G01B13/00GK101246001SQ200810054668
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月22日 優(yōu)先權日2008年3月22日
發(fā)明者建 劉, 王益群 申請人:燕山大學