专利名称：定位通过发射和接收光辐射来测量容器衬层损耗的测量设备的方法
背景技术：
本发明涉及一种定位通过发射和接收光辐射来测量容器衬层损耗的测量设备的方法，所述方法包括固定测量设备与容器的坐标系，所述固定过程包括通过测量该测量设备的坐标系中特定固定点的位置，将测量设备与容器的坐标系在数学上结合到一起。
测量在钢铁生产中使用的钢水包的转炉衬层的损耗是非常重要的。它能使容器的使用寿命优化成为可能，并能防止衬层过渡损耗而导致危及产品或工业安全的危险。转炉的损耗衬层必须相当频繁地更新，因为其寿命通常只有一到两个星期，不会超过几个月，其使用寿命和以下因素有关转炉中熔化的物质、衬层的制造材料，当然还有转炉用于熔化的次数。通常说来，一个转炉支持100到5000次熔化。
衬层的损耗可以通过一种基于测量激光束的传播时间或相差的方法来测量激光束射向转炉内表面的衬层，然后再从那里反射回测量设备。在基于测量传播时间的方法中，可以根据激光束发射时间和反射回来的时间之间的时差来计算测量设备与待测的衬层上的每个测量点在测量设备的坐标系中的距离。测量点定义了衬层的损耗轮廓，该轮廓例如可以输出到一个显示终端，这样就可以把从使用中的转炉测量到的损耗轮廓于相同的容器的内表面在该容器实际使用前(例如第一次熔化之前)的铸模步骤中测量到的轮廓进行图形和数字上的比较。
为了利用非接触式方法(例如激光测量)测量三维物体(例如转炉、钢水包和其它在钢铁工业中使用的容器)的衬层损耗，要求测量设备和待测对象在同一坐标系中描述。将测量设备和待测对象的坐标系结合起来的过程叫作固定(fixing)。换句话说，测量设备通过相对于该对象的位置来定位。为了进行固定，需要使用至少三个固定点，测量设备的激光束顺次射向每个点，由此就可以测量每个固定点在测量设备的坐标系中的坐标。即使测量设备在容器的附近有一个固定或半固定的位置，也必须在每次衬层测量中分别执行该固定过程，从而确保周围环境和其他因素的变化不会导致误差。为了评估该固定过程是否成功，还必须每次重新执行一次固定过程。
在定位或固定中常用的所谓的直接方法中，固定式的固定标志安装在待测对象(例如一个容器)上，更具体地说，是安装在容器开口附近。通过固定标志，对象和测量设备的坐标系可以在数学上结合到一起。在这一直接方法中，通过每次均测量固定标志以及实际待测的点，可以把待测对象和测量设备包括在同一坐标系中。
在一种特定情况下，如果待测对象由一个转轴支撑，可能就要使用间接的角度测量固定法，此时固定标志位于容器外部。例如，可以把一个角度测量设备安装在容器的转轴上，或者当采用了所谓的倾角测量计时，也可以安装在该容器的其他地方。目前，通过角度测量进行固定是一种间接方法，如果能够为待测对象提供必要的固定标志(该标志清晰可见，且其位置甚至是可以另外检测的)，就能使用该方法。利用结构上位于待测对象外部的固定标志以及由角度测量设备获得的角度值，可以实现角度测量固定；从而允许将坐标系在数学上结合起来。固定标志可以粘贴在厂墙的主体建筑上，例如靠近转炉的地方。当按照已知的方法进行角度测量时，角度测量设备告知该测量设备所述对象或容器相对于已知环境的位置。
无论是直接还是间接角度测量固定法，固定标志例如都是小钢板，测量设备发射的激光束例如通过双目设备或其他设备手动发射到钢板上。在这些已知的方法中，其目标是手动把激光束瞄准到固定标志的中心，以获取一个固定点，从而实现固定过程。因此该测量设备的操作者必须在所有的固定点都被测量之前执行多次操作。这些已知方法的缺点在于难于自动进行固定操作；此外，当固定过程通过人工执行时，在估计固定标志的中心和实际的瞄准步骤中都有出错的危险。
由美国专利5570185已知可以利用固定或校准标志来固定形状基本上规则的坐标系，其中每个固定标志在测量设备的坐标系中的位置可以通过如下步骤测量在穿过固定标志的两个相互交叉的方向上偏转光辐射，测量从固定标志反射的光辐射，根据反射到测量设备的光辐射确定固定标志与在这两个偏转方向上发射的光辐射之间的至少两个交叉点，然后根据至少四个交叉点计算出一个瞄准点，测量设备发射的光辐射指向这个瞄准点，以确定固定标志在测量设备的坐标系内的坐标。
这一方法是基于用形状规则(最好是环状)的固定标志来代替常规的固定标志的思想；通过两个激光束在不同方向上的偏转、以及必要的计算来确定固定标志的中心；激光束指向这个中心，从而可以自动测量该固定点在测量设备的坐标系内的精确坐标。
然而，仍然需要进一步改进现有方法，以进一步加快速度并使其更加可靠。
发明内容
这通过本发明的方法来实现，该方法用于定位通过发射和接收光辐射来测量容器衬层损耗的测量设备的方法，所述方法包括固定测量设备和容器的坐标系，所述固定过程是通过将这些坐标系结合到一起来实现的，并分别确定多个特定固定标志在测量设备的坐标系中的位置，其中每个所述固定标志的形状基本上是规则的，其中固定标志的位置通过如下步骤确定(a)穿过第一个固定标志在第一和第二交叉方向上偏转光辐射，确定其中心位置及至少两个线性边缘，然后根据所述中心位置和至少两个边缘的方向创建一个第一临时坐标系，(b)根据第一临时坐标系搜索至少两个其它固定标志，并确定其中心位置；并且(c)根据所述固定标志的中心位置定义容器的坐标系。
下面本发明将参考附图进行更为详细的描述图1描述了使该系统可用于直接手动定位和测量的第一预备步骤；图2描述了使该系统可用于间接手动定位和测量的第二预备步骤；图3描述了使该系统可用于自动定位和测量的第三预备步骤。
具体实施例方式
图1描述了使该系统用于直接手动定位和测量的第一预备步骤。图1示出了一个待测量的对象，即容器10，其包括外表面11和具有(未示出的)衬层的内表面12，其中要测量衬层的损耗。容器10(如转炉)悬挂在其转轴13上，转轴由一个轴支件14支撑。实际的测量设备20包括一个激光收发器22及其支撑件21。
图1还示出了测量设备的坐标系26，其包括x轴、y轴和z轴。待测对象(即容器10)的坐标系36也相应地包括x轴、y轴和z轴。在数学上，待测对象(即容器10，如转炉)的坐标系36位于其开口的中心处，且坐标系36的z轴沿着容器10的纵轴延伸。在坐标系36中，x轴是水平的，y轴是竖直的。
该组件最好包括一个角度测量设备(图中没有示出)，用来测量容器的倾斜度，最好放置在容器10的转轴13上。角度测量数据可以通过电缆或无线路径发送到测量设备。如果容器10在固定测量范围和衬层测量范围之间旋转，则角度测量设备是必需的。当固定标志(图2和图3中的41，43，45)位于容器外部时(即间接固定测量法)也需要角度测量设备。
常规方法通常通过测量固定标志31至34的特定点在测量设备20的坐标系26中的位置来使测量设备20和容器10的坐标系26和36在数学上结合到一起。固定标志31至34最好具有规则的形状。固定标志31至34的中心实际上就是其坐标被测量的固定点。美国专利5570185中详细描述了这一测量方法，在此完全并入作为参考。
执行完该测量过程后，系统准备进行直接手动定位和测量。在本发明的实际操作中，这一固定测量过程只需在该系统的预备阶段执行一次。用于固定该系统的所有后续测量都可以通过外部固定标志(图2和图3中的41，43，45)来执行。
现在来看图2和图3，三个外部固定标志41，43，45被附带地组装到固定标志支撑件42，44，46上，且最好位于一个稳定环境中的容器外部。例如，固定标志41，43，45被粘贴在厂墙上或靠近容器10的其他地方。第一个固定标志41最好是矩形的，并且其尺寸最好大于至少两个其它固定标志43和45。至少两个其它固定标志43和45可以是椭圆形的或者位于目标表面上的任意标志。但它们最好也是矩形的。
在本发明的实际操作中，通过在第一和第二交叉方向上穿过所述第一个固定标志41偏转光辐射射束来测量第一个固定标志41的中心点和平面以及边缘方向。根据这一信息，可以创建第一个临时坐标系47(如图3)。
在第一个临时坐标系的基础上，最好是借助于距离测量和反射强度测量中的一种方法，通过由其交叉点计算出至少两个其它固定标志43，45的中心，来搜索所述的固定标志43，45，并确定其位置。
最后，根据所述固定标志41，43，45的中心位置、以及通过角度测量获得的角度值来确定容器10的坐标系36。这些数据允许将坐标系26和36结合起来。
总的来说，本方法可以用于将待测对象和测量设备的坐标系结合起来。因此待测对象可以不仅仅是一个容器。虽然本方法对测量衬层或其他涂层的损耗特别有用，但并非一定要应用在这些方面。本方法也可以应用于其他需要将待测对象和测量设备的坐标系结合起来的测量。
虽然本发明是参考附图给出的例子描述的，但是很明显本发明并不局限于此，而可以在权利要求书所公开的发明构思的范围内做出多种改进。例如，根据本发明的方法并不局限于对容器的坐标系36进行间接测量。它也可以在直接测量(其中固定标志直接粘贴在容器上)中采用。在这种情况下，固定标志的光反射率最好与该容器在固定标志周围的区域的反射率有显著不同。然而，目标标志并不一定是单种材料构成的。固定标志也可具有自然形状或形态，或者是目标表面上的一个标记。
权利要求
1.用于定位通过发射和接收光辐射来测量一个容器(10)的衬层损耗的测量设备(20)的方法，所述方法包括固定测量设备(20)和容器(10)的坐标系(26，36)，所述固定过程是通过将这些坐标系结合到一起来实现的，并分别确定多个特定的固定标志(41，43，45)在测量设备(20)的坐标系(26)内的位置，其中每个所述固定标志(41，43，45)基本上具有规则的形状，其中固定标志(41，43，45)的位置通过如下步骤确定(a)在第一和第二交叉方向上穿过第一个固定标志(41)偏转一个光辐射射束，确定其中心位置及至少两个直线边缘，然后根据所述中心位置和至少两个边缘的方向创建一个第一临时坐标系(47)；(b)根据第一临时坐标系(47)搜寻至少两个其它固定标志(43，45)，并确定其中心的位置；(c)根据所述固定标志(41，43，45)的中心位置定义容器(10)的坐标系(36)。
2.权利要求1所述的方法，其中第一个固定标志(41)的形状基本上为矩形。
3.权利要求1或2所述的方法，其中第一个固定标志(41)的尺寸大于至少两个其它固定标志(43，45)。
4.以上权利要求中任一项所述的方法，其中固定标志(41，43，45)的中心是通过其交叉点计算出的。
5.权利要求4所述的方法，其中所述交叉点是通过距离测量和反射强度测量中的一种方法来检测的。
6.权利要求5所述的方法，其中固定标志(41，43，45)包括后反射表面。
全文摘要
本发明涉及一种用于定位通过发射和接收光辐射来测量一个容器的衬层损耗的测量设备的方法，所述方法包括固定测量设备和容器的坐标系，所述固定过程是通过将这些坐标系结合到一起来实现的，并分别确定多个特定的固定标志在测量设备的坐标系中的位置，其中每个所述固定标志的形状基本上是规则的，其中固定标志的位置通过如下步骤确定(a)在第一和第二交叉方向上穿过第一个固定标志偏转一个光辐射射束，确定其中心位置及至少两个线性边缘，然后根据所述中心位置和至少两条边缘的方向创建一个第一临时坐标系；(b)根据第一临时坐标系搜寻至少两个其它固定标志，并确定其中心的位置；(c)根据所述固定标志的中心位置定义容器的坐标系。
文档编号G01B11/00GK1723382SQ200380105464
公开日2006年1月18日 申请日期2003年11月5日 优先权日2002年12月9日
发明者翰纽·E.·乔金宁 申请人:密执安特种矿石公司
专业数控铣床产品供应商
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