1.本发明涉及含铁固废回收控制技术，更具体地说，涉及一种转底炉的高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统及方法。
背景技术：2.现有转底炉工艺主要用于处理钢铁企业含锌含铁固废，脱出原料中的锌，同时得到金属化球团。配料仓中各种尘泥、粘结剂经按比例配料混合、压球、烘干后送至转底炉布料器，将料均匀布到转底炉环形炉床上。进入转底炉内的烘干球利用炉内约1250℃～1300℃高温及球团中的碳产生还原反应。在20min～30min内，将氧化铁大部分还原成为金属铁，通过高温出料螺旋排出至冷却机；同时将氧化锌还原为锌，锌挥发进入烟气中，并被再氧化成氧化锌粉末沉降，最终被回收。
3.在转底炉实际生产中，由于出料螺旋叶片直接和炉内高温含铁金属物料摩擦接触，使用到一定周期会发生叶片厚度越来越薄，磨损到一定程度就需要更换新的叶片。
4.由于出料螺旋生产时是密封在炉床内的，检测叶片磨损情况，需要转底炉停产、出料螺旋开盖、降温(两天)再进行人工测量(人工钢卷尺)叶片的磨损厚度，然后根据检测结果再进行检修更换。这种方法非常耗时，处理整个过程需要3至5天的时间，严重影响连续生产，作业率大大下降，同时频繁降温也影响炉子耐材寿命。
技术实现要素：5.针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种转底炉的高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统及方法，不需要人工接触叶片表面，在一定的高温情况下，实施在线检测，能够减少停机时间，减少物料及能源的浪费，提高生产作业率、预防事故、达到节能降耗的目的。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一方面，一种转底炉的高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统，包括：
8.成像设备平移执行单元，设于转底炉的正上方；
9.3d结构光成像单元，设于所述成像设备平移执行单元上，实时采集所述转底炉的螺旋输送器的上表面区域三维点云数据与二维图像，再结合所述螺旋输送器的转动，完成所述螺旋输送器的整个外表面的三维检测扫描；
10.三维重建服务单元，用以将所述3d结构光成像单元的三维检测扫描进行3d建模；
11.hmi界面，用以展示最终检测结果；
12.系统存储单元，用以存储图像数据、各类检测结果。
13.较佳的，所述成像设备平移执行单元包括框架、设于所述框架上的伺服电机；
14.所述伺服电机带动所述3d结构光成像单元在所述框架上平移。
15.较佳的，所述框架的高度在2000mm
±
5mm，所述3d结构光成像单元距离所述转底炉的螺旋输送器之间在980mm
±
5mm。
16.较佳的，所述3d结构光成像单元包括：
17.激光投射器，投出的光平面与被测物体的表面相交形成特征光条；
18.摄像机，用以采集所述特征光条上的特征点；
19.图像处理器，用以提取所述特征点。
20.所述高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统还包括：
21.外部通讯接口单元，用以与外部系统进行数据交互。
22.另一方面，一种转底炉的高温出料螺旋叶片厚度磨损检测方法，采用所述的转底炉的高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统执行以下步骤：
23.s1、通过所述hmi界面的按钮触发检测流程；
24.s2、所述成像设备平移执行单元带动所述3d结构光成像单元平移至检测位置进行三维检测扫描；
25.s3、所述3d结构光成像单元实时采集所述转底炉的螺旋输送器的上表面区域三维点云数据与二维图像，再结合所述螺旋输送器的转动，完成所述螺旋输送器的整个外表面的三维检测扫描，并通过所述三维重建服务单元进行3d重建还原所述螺旋输送器的圆周表面的三维形貌；
26.s4、计算得出所述螺旋输送器的表面高度，对比高度值与系统设定阈值，判别是否存在磨损超标叶片；
27.s5、若存在磨损超标叶片，则在所述hmi界面中标识磨损叶片区域，同时发出语音报警，提醒人工干预处理。
28.较佳的，所述步骤s3中所述3d结构光成像单元实时采集具体如下：
29.由所述激光投射器投出的光平面与所述被测物体的表面相交形成特征光条，所述特征光条上任一特征点p在空间的表达可借助一条射线ocp与光平面来表达；
30.所述特征光条上的所述特征点在所述摄像机的图像平面上的图像坐标可以由图像处理获得；
31.根据所述摄像机的标定模型，所述特征点的图像坐标唯一对应空间的一条通过所述摄像机的光学中心的射线ocp，即可以得到射线在三维摄像机坐标下的方程：
[0032][0033]
再通过光平面的标定就可获取光平面在摄像机坐标系下的方程：
[0034]aw
xw+b
wyw
+c
wzw
+dw＝0
[0035]
联立射线方程和光平面方程可以唯一确定光条上特征点p在摄像机坐标系下的三维坐标；
[0036]
通过所述图像处理器可以提取光条上所有的特征点，就可以计算出光条的三维空间位置坐标。
[0037]
较佳的，所述步骤s3中所述三维重建服务单元进行3d重建过程具体如下：
[0038]
1)点云数据预处理；
[0039]
2)分割；
[0040]
3)三角网络化；
[0041]
4)网格渲染。
[0042]
本发明所提供的一种转底炉的高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统及方法，具有以下有益效果：
[0043]
1)对转底炉高温螺旋出料机圆周表面三维结构进行有效检测，其中高度方向检测精度≤
±
1mm；
[0044]
2)对转底炉高温螺旋出料机圆周表面三维结构进行有效检测，其中宽度方向检测精度≤
±
1mm；
[0045]
3)在转底炉开盖冷却过程中完成检测，不会额外占用检修维护作业时间；
[0046]
4)系统运行稳定，年故障时间低于8小时，系统有效运行率不低于99％；
[0047]
5)历史数据自动保存，可供查询，数据连续保存时间一般可为2年。
附图说明
[0048]
图1是本发明高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统的框架结构示意图；
[0049]
图2是本发明高温出料螺旋叶片厚度磨损检测方法中步骤s3的原理示意图。
具体实施方式
[0050]
为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
[0051]
结合图1所示，本发明所提供的一种转底炉的高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统，包括：
[0052]
成像设备平移执行单元100，设于转底炉的正上方；
[0053]
3d结构光成像单元200，设于成像设备平移执行单元100上，实时采集转底炉的螺旋输送器的上表面区域三维点云数据与二维图像，再结合螺旋输送器的转动，完成螺旋输送器的整个外表面的三维检测扫描；
[0054]
三维重建服务单元300，用以将3d结构光成像单元200的三维检测扫描进行3d建模；
[0055]
hmi界面400，是本发明高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统最终检测结果的重要展示窗口，同时hmi界面400还将结合生产系统的数据对检测结果进行逻辑判别与处理，并根据逻辑判别结果进行相应的结果输出处理，从而更高效、更友好、更准确、更灵活地满足管理者和最终用户的需要。hmi界面400将根据机组情况与现场用户需求进行定制化开发。hmi界面400实时将系统设备的工作状态监测展示出来，若出现系统设备故障，则发出语音报警，提醒人工及时干预处理；
[0056]
系统存储单元500，用以存储图像数据、各类检测结果等数据，数据存储二年以上。
[0057]
本发明高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统还包括：
[0058]
外部通讯接口单元600，用以与外部系统进行数据交互(检测结果、报警信号等)，以达到多系统协同工作的目标。在开放接口时，将采用交互指令加密传输、ip地址与端口号
白名单配置等措施，来保障通信接口的安全性。如：
[0059]
1)通过以太网与现场l1/l2系统通讯；
[0060]
2)通过独立式i/o模块与现场l1系统通讯。
[0061]
成像设备平移执行单元100包括框架、设于框架上的伺服电机。
[0062]
伺服电机带动3d结构光成像单元200在框架的导轨上平移，导轨位于转底炉的正上方。
[0063]
框架的整体高度在2000mm
±
5mm，导轨的高度在1500mm
±
5mm，3d结构光成像单元200距离转底炉的螺旋输送器的上表面之间在980mm
±
5mm。
[0064]
为了规避成像设备平移执行单元100在移动过程中的震动对于扫描检测的干扰，成像设备平移执行单元100安装固定在地面上，通过独立plc+伺服电机完成平移移动，移动速度与移动距离由本发明高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统自行控制。
[0065]
成像设备平移执行单元100的工作流程如下：
[0066]
1)当转底炉的螺旋输送器具备检测条件后，通过hmi界面400中的画面按钮触发检测流程；
[0067]
2)本发明高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统控制成像设备平移执行单元100进入工作状态；
[0068]
3)plc接收系统控制指令，匀速带动3d结构光成像单元200平移；
[0069]
4)完成扫描检测后，系统发送指令至plc，控制3d结构光成像单元200回到待机位；
[0070]
5)等待下一次检测。
[0071]
结合图2所示，3d结构光成像单元200包括线结构光传感器3，线结构光传感器3具体包括：
[0072]
激光投射器4，投出的激光平面5与被测物体6的表面相交形成特征光条；
[0073]
摄像机1，用以采集特征光条上的特征点；
[0074]
图像处理器，用以提取特征点。
[0075]
3d结构光成像单元200在进入检测工作状态时，3d结构光成像单元200在平移过程中控制摄像机1实时采集下方螺旋输送器的上表面的区域三维点云数据与二维图像，再结合螺旋输送器的转动，完成螺旋输送器整个外表面的三维检测扫描，在系统中通过三维重建服务单元300还原其圆周表面的三维形貌，在此基础上通过线结构光传感器来实时测量，结构光三维视觉测量原理如下：
[0076]
由激光投射器4投出的激光平面5与被测物体6表面相交形成特征光条，特征光条上任一特征点p在空间的表达可借助一条射线ocp与光平面来表达。特征光条上的特征点在像平面坐标系2上的图像坐标可以由图像处理获得。根据摄像机1标定模型，特征点的图像坐标唯一对应空间的一条通过摄像机光学中心的射线ocp，即可以得到射线在三维摄像机坐标下的方程，如下式所示：
[0077][0078]
再通过光平面的标定就可获取光平面在摄像机坐标系下的方程：
[0079]aw
xw+b
wyw
+c
wzw
+dw＝0
[0080]
联立射线方程和光平面方程可以唯一确定光条上特征点p在摄像机坐标系下的三维坐标。
[0081]
通过图像处理器可以提取光条上所有的特征点，就可以计算出光条的三维空间位置坐标(点云)。
[0082]
当存在高度低于系统设定阈值的位置时，则判定叶片磨损超标。
[0083]
3d结构光成像单元200的工作流程如下：
[0084]
1)当转底炉具备检测条件后，通过hmi界面400中的画面按钮触发检测流程；
[0085]
2)本发明高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统通过成像设备平移执行单元100带动3d结构光成像单元200在转底炉的正上方匀速平移；
[0086]
3)本发明高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统控制上方线结构光传感器3实时检测扫描螺旋输送器的上表面的区域三维点云数据与二维辉度图像；
[0087]
4)持续扫描检测，直至完成螺旋输送器的完整圆周表面扫描检测；
[0088]
5)本发明高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统接收到点云数据后，通过三维重建服务单元300重建算法，重绘出螺旋输送器的圆周表面区域3d形貌；
[0089]
6)通过数据计算得出螺旋输送器的表面高度，对比高度值与系统设定阈值，判别是否存在磨损超标叶片；
[0090]
7)若存在磨损超标叶片，则系统在hmi画面标识磨损叶片区域，同时发出语音报警，提醒人工干预处理。
[0091]
本发明还提供了一种转底炉的高温出料螺旋叶片厚度磨损检测方法，采用本发明转底炉的高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统执行以下步骤：
[0092]
s1、通过hmi界面400的按钮触发检测流程；
[0093]
s2、成像设备平移执行单元100带动3d结构光成像单元200平移至检测位置进行三维检测扫描；
[0094]
s3、3d结构光成像单元200实时采集转底炉的螺旋输送器的上表面区域三维点云数据与二维图像，再结合螺旋输送器的转动，完成螺旋输送器的整个外表面的三维检测扫描，并通过三维重建服务单元300进行3d重建还原螺旋输送器的圆周表面的三维形貌；
[0095]
s4、计算得出螺旋输送器的表面高度，对比高度值与系统设定阈值，判别是否存在磨损超标叶片；
[0096]
s5、若存在磨损超标叶片，则在hmi界面400中标识磨损叶片区域，同时发出语音报警，提醒人工干预处理。
[0097]
上述步骤s3中3d结构光成像单元200实时采集具体如下：
[0098]
由激光投射器4投出的激光平面5与被测物体6表面相交形成特征光条，特征光条上任一特征点p在空间的表达可借助一条射线ocp与光平面来表达。特征光条上的特征点在像平面坐标系2上的图像坐标可以由图像处理获得。根据摄像机1标定模型，特征点的图像坐标唯一对应空间的一条通过摄像机光学中心的射线ocp，即可以得到射线在三维摄像机坐标下的方程，如下式所示：
[0099][0100]
再通过光平面的标定就可获取光平面在摄像机坐标系下的方程：
[0101]aw
xw+b
wyw
+c
wzw
+dw＝0
[0102]
联立射线方程和光平面方程可以唯一确定光条上特征点p在摄像机坐标系下的三维坐标。
[0103]
通过图像处理器可以提取光条上所有的特征点，就可以计算出光条的三维空间位置坐标(点云)。
[0104]
当存在高度低于系统设定阈值的位置时，则判定叶片磨损超标。
[0105]
上述步骤s3中三维重建服务单元300进行3d重建过程具体如下：
[0106]
1)点云数据预处理：由于激光扫描获取的数据中常常伴有杂点或噪声，影响了后续的处理，因此为了获取完整的模型，需要对点云数据进行一定的预处理，常用的方法有滤波去噪、数据精简、数据插补等；
[0107]
2)分割：是指将整个点云聚类为多个点云，每个点云对应独立的物体对象。分割算法大体上是先选定一个点，利用kd树计算以该点为中心的球，球内的点都属于该物体，球的半径设为一个阈值，之后遍历该物体的其他点都这么处理，最终会将点云分割成一个一个的物体；
[0108]
3)三角网络化：为了便于后续的网格渲染，需要提前将点云进行三角网格化，采用的算法通常是凸包或凹包算法；
[0109]
4)网格渲染：经过以上1～3步基本上已经得出了点云的空间拓扑结构，要得到逼真的物体，还需要网格渲染。网格渲染主要为纹理映射，就是将数码相机中的图像贴到网格上。
[0110]
本发明通过3d结构光相机实时采集转底炉出料螺旋整个叶片表面区域三维点云数据与二维图像，结合出料螺旋设备的转动，完成整个外表面的三维检测扫描，在控制系统中通过3d重建技术还原其圆周表面的三维形貌，在此基础上通过数学计算得出叶片高度信息，当检测出的高度低于系统设定阈值的位置时，则判定叶片磨损超标，指导检修人员更换处理。
[0111]
通过此高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统，不需要人工接触叶片表面，在一定的高温情况下，实施在线检测，能够减少停机时间，减少物料及能源的浪费，提高生产作业率、预防事故、达到节能降耗的目的。
[0112]
本发明可以在转底炉广泛应用，用于监控高温出料螺旋设备叶片磨损情况，指导定修炉修计划，减少转底炉非计划停机时间，减少物料及能源的浪费，提高生产作业率、预防事故、达到节能降耗的目的。
[0113]
实施例1
[0114]
本实施例1通过3d结构光成像单元200采集到的三维点云数据如下表1所示：
[0115]
表1
[0116][0117]
经过算法处理后的数据如下表2所示：
[0118]
表2
[0119][0120]
最终得到叶片高度检测如下表3所示：
[0121]
表3
[0122]
叶片编号12345678910高度mm460458455461462450456450465453设定阈值280280280280280280280280280280是否正常正常正常正常正常正常正常正常正常正常正常
[0123]
实施例2
[0124]
本实施例2通过3d结构光成像单元200采集到的三维点云数据如下表4所示：
[0125]
表4
[0126][0127]
经过算法处理后的数据如下表5所示：
[0128]
表5
[0129][0130]
最终得到叶片厚度检测如下表6所示：
[0131]
表6
[0132]
叶片编号12345678910厚度mm40394138403742363836设定阈值23232323232323232323是否正常正常正常正常正常正常正常正常正常正常正常
[0133]
通过以上测量能够实时快速检测叶片磨损状态，指导检修计划，降低设备故障率，减少非计划停机时间。
[0134]
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
技术特征：1.一种转底炉的高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统，其特征在于，包括：成像设备平移执行单元，设于转底炉的正上方；3d结构光成像单元，设于所述成像设备平移执行单元上，实时采集所述转底炉的螺旋输送器的上表面区域三维点云数据与二维图像，再结合所述螺旋输送器的转动，完成所述螺旋输送器的整个外表面的三维检测扫描；三维重建服务单元，用以将所述3d结构光成像单元的三维检测扫描进行3d建模；hmi界面，用以展示最终检测结果；系统存储单元，用以存储图像数据、各类检测结果。2.根据权利要求1所述的转底炉的高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统，其特征在于：所述成像设备平移执行单元包括框架、设于所述框架上的伺服电机；所述伺服电机带动所述3d结构光成像单元在所述框架上平移。3.根据权利要求2所述的转底炉的高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统，其特征在于：所述框架的高度在2000mm
±
5mm，所述3d结构光成像单元距离所述转底炉的螺旋输送器之间在980mm
±
5mm。4.根据权利要求1所述的转底炉的高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统，其特征在于，所述3d结构光成像单元包括：激光投射器，投出的光平面与被测物体的表面相交形成特征光条；摄像机，用以采集所述特征光条上的特征点；图像处理器，用以提取所述特征点。5.根据权利要求1所述的转底炉的高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统，其特征在于，所述高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统还包括：外部通讯接口单元，用以与外部系统进行数据交互。6.一种转底炉的高温出料螺旋叶片厚度磨损检测方法，其特征在于，采用如权利要求1-5之一所述的转底炉的高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统执行以下步骤：s1、通过所述hmi界面的按钮触发检测流程；s2、所述成像设备平移执行单元带动所述3d结构光成像单元平移至检测位置进行三维检测扫描；s3、所述3d结构光成像单元实时采集所述转底炉的螺旋输送器的上表面区域三维点云数据与二维图像，再结合所述螺旋输送器的转动，完成所述螺旋输送器的整个外表面的三维检测扫描，并通过所述三维重建服务单元进行3d重建还原所述螺旋输送器的圆周表面的三维形貌；s4、计算得出所述螺旋输送器的表面高度，对比高度值与系统设定阈值，判别是否存在磨损超标叶片；s5、若存在磨损超标叶片，则在所述hmi界面中标识磨损叶片区域，同时发出语音报警，提醒人工干预处理。7.根据权利要求6所述的转底炉的高温出料螺旋叶片厚度磨损检测方法，其特征在于，所述步骤s3中所述3d结构光成像单元实时采集具体如下：由所述激光投射器投出的光平面与所述被测物体的表面相交形成特征光条，所述特征光条上任一特征点p在空间的表达可借助一条射线ocp与光平面来表达；
所述特征光条上的所述特征点在所述摄像机的图像平面上的图像坐标可以由图像处理获得；根据所述摄像机的标定模型，所述特征点的图像坐标唯一对应空间的一条通过所述摄像机的光学中心的射线ocp，即可以得到射线在三维摄像机坐标下的方程：再通过光平面的标定就可获取光平面在摄像机坐标系下的方程：a
w
x
w
+b
w
y
w
+c
w
z
w
+d
w
＝0联立射线方程和光平面方程可以唯一确定光条上特征点p在摄像机坐标系下的三维坐标；通过所述图像处理器可以提取光条上所有的特征点，就可以计算出光条的三维空间位置坐标。8.根据权利要求6所述的转底炉的高温出料螺旋叶片厚度磨损检测方法，其特征在于，所述步骤s3中所述三维重建服务单元进行3d重建过程具体如下：1)点云数据预处理；2)分割；3)三角网络化；4)网格渲染。
技术总结本发明公开了一种转底炉的高温出料螺旋叶片厚度磨损检测系统及方法，包括：成像设备平移执行单元，设于转底炉的正上方；3D结构光成像单元，设于所述成像设备平移执行单元上，实时采集所述转底炉的螺旋输送器的上表面区域三维点云数据与二维图像，再结合所述螺旋输送器的转动，完成所述螺旋输送器的整个外表面的三维检测扫描；三维重建服务单元，用以将所述3D结构光成像单元的三维检测扫描进行3D建模；HMI界面，用以展示最终检测结果；系统存储单元，用以存储数据、检测结果。本发明不需要人工接触叶片表面，在一定的高温情况下，实施在线检测，能够减少停机时间，减少物料及能源的浪费，提高生产作业率、预防事故、达到节能降耗的目的。的目的。的目的。
技术研发人员：张元玲 丁雪良 崔慧君 余志友 刘建 马莲卿 井威 曹志成
受保护的技术使用者：宝武集团环境资源科技有限公司
技术研发日：2022.09.16
技术公布日：2022/12/5
