本發(fā)明屬于鋼鐵冶金，涉及一種回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈及耐材殘余厚度測(cè)量方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、回轉(zhuǎn)窯作為一種關(guān)鍵的工業(yè)設(shè)備，在水泥、冶金、石灰、陶瓷等礦物材料的高溫煅燒過程中發(fā)揮著重要作用。其優(yōu)勢(shì)在于成本低、原料適應(yīng)性高、控制靈活，因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。然而，由于原料性質(zhì)、操作參數(shù)、設(shè)備狀況等因素的影響，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁常常出現(xiàn)塊狀物料的固結(jié)或結(jié)圈現(xiàn)象，導(dǎo)致一系列問題：（1）重力負(fù)荷增加：結(jié)圈會(huì)增大回轉(zhuǎn)窯的重力負(fù)荷，增加設(shè)備的磨損和能耗。（2）爐料運(yùn)行不暢：結(jié)圈會(huì)阻礙爐料的順暢運(yùn)行，影響煅燒效果和產(chǎn)品質(zhì)量。（3）生產(chǎn)能耗提高：結(jié)圈導(dǎo)致熱量傳遞效率下降，增加生產(chǎn)能耗。（4）產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量下降：結(jié)圈會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，降低生產(chǎn)效率。因此，延長(zhǎng)回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈周期成為相關(guān)行業(yè)面臨的共性難題。目前，針對(duì)回轉(zhuǎn)窯壁厚的監(jiān)測(cè)主要采用軟測(cè)量方式，即通過構(gòu)建物理模型并結(jié)合外壁紅外溫度測(cè)量來實(shí)現(xiàn)反推壁厚。然而，這種方式的準(zhǔn)確性仍然存在質(zhì)疑，主要原因在于物理模型的構(gòu)建需要考慮眾多因素，例如原料性質(zhì)、操作參數(shù)、設(shè)備狀況等，模型的準(zhǔn)確性受限于這些因素的準(zhǔn)確度。此外，外壁紅外溫度測(cè)量容易受到環(huán)境因素和設(shè)備本身的影響，導(dǎo)致測(cè)量誤差。同時(shí)，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等參數(shù)分布不均勻，難以準(zhǔn)確獲取壁厚數(shù)據(jù)。對(duì)于現(xiàn)有的傳統(tǒng)的測(cè)量方法（如人工測(cè)量等）在效率和精度上也存在諸多不足，難以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

2、激光掃描技術(shù)是一種利用激光束進(jìn)行距離測(cè)量的技術(shù)，它通過發(fā)射激光束并接收從目標(biāo)物體反射回來的激光信號(hào)，計(jì)算出激光束的傳播時(shí)間，從而得到目標(biāo)物體的距離信息。激光掃描技術(shù)具有以下特點(diǎn)：（1）高精度；（2）高效率；（3）非接觸式。因此，該方式被廣泛應(yīng)用于三維建模、地形測(cè)繪、工業(yè)測(cè)量、文物考古等領(lǐng)域，但目前在冶金領(lǐng)域中卻少有應(yīng)用。依賴該技術(shù)可以對(duì)回轉(zhuǎn)窯整體進(jìn)行掃描，同時(shí)獲取內(nèi)外兩側(cè)避免的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，直接處理后便能得到窯內(nèi)結(jié)圈和耐材的輪廓分布信息。這種基于三維激光掃描技術(shù)的回轉(zhuǎn)窯壁厚監(jiān)測(cè)方法具有以下特點(diǎn)：（1）三維激光掃描技術(shù)可以高精度地獲取回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部結(jié)圈和耐材的輪廓分布，從而準(zhǔn)確計(jì)算壁厚。（2）三維激光掃描技術(shù)可以快速獲取大量數(shù)據(jù)，提高監(jiān)測(cè)效率。（3）三維激光掃描技術(shù)可以將壁厚數(shù)據(jù)可視化，直觀地展示結(jié)圈和耐材侵蝕情況。（4）可作為各類軟測(cè)量模型對(duì)回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈及耐材殘余厚度的校準(zhǔn)值，以及構(gòu)建工業(yè)大數(shù)據(jù)。

3、在處理現(xiàn)有點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，通過cad截圖、切斷層以及手工計(jì)算厚度的方法存在諸多缺陷，具體如下：主觀性強(qiáng)，誤差大：手工計(jì)算厚度依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)和判斷，不同人員對(duì)截?cái)鄬拥倪x取、厚度的估算標(biāo)準(zhǔn)可能存在差異，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的重復(fù)性和準(zhǔn)確性難以保證。難以處理復(fù)雜形狀：對(duì)于形狀復(fù)雜或表面不規(guī)則的物體，手工計(jì)算厚度時(shí)容易遺漏細(xì)節(jié)或無法準(zhǔn)確判斷厚度變化，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際厚度存在較大偏差。耗時(shí)費(fèi)力：手工計(jì)算厚度需要逐層截?cái)唷y(cè)量和計(jì)算，過程繁瑣，尤其在處理大規(guī)模點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，工作量巨大，效率低下。以及上億點(diǎn)云數(shù)據(jù)找中軸線的過程存在的缺陷如下：傳統(tǒng)的擬合方法（如圓柱擬合）可能無法準(zhǔn)確描述其幾何特征，從而導(dǎo)致中軸線提取精度下降以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)中常常包含噪聲點(diǎn)和異常值，這些數(shù)據(jù)會(huì)干擾中軸線的提取精度。例如，基于投影或擬合的方法在高噪聲環(huán)境下容易出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致提取的中軸線不準(zhǔn)確。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，本技術(shù)采用的技術(shù)方案如下：一種回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈及耐材殘余厚度測(cè)量方法，包括以下步驟：

2、通過激光掃描儀對(duì)回轉(zhuǎn)窯外壁、回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁進(jìn)行掃描獲取回轉(zhuǎn)窯相關(guān)點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

3、對(duì)回轉(zhuǎn)窯相關(guān)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部結(jié)圈及耐材厚度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

4、利用回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部結(jié)圈及耐材厚度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用輪廓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方法計(jì)算得到回轉(zhuǎn)窯全域點(diǎn)云數(shù)據(jù)的中軸線坐標(biāo)，進(jìn)而得到回轉(zhuǎn)窯的壁厚；

5、通過極坐標(biāo)與笛卡爾坐標(biāo)系的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換測(cè)量，將回轉(zhuǎn)窯的壁厚信息可視化，得到回轉(zhuǎn)窯壁厚分布云圖，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈及耐材殘余厚度測(cè)量。

6、進(jìn)一步地，所述激光掃描儀采用的型號(hào)是?faro?focus3d?s350p。

7、進(jìn)一步地，所述通過激光掃描儀對(duì)回轉(zhuǎn)窯外壁、回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁進(jìn)行掃描獲取回轉(zhuǎn)窯相關(guān)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過程中采用標(biāo)靶作為拼接標(biāo)志，相鄰兩站的配準(zhǔn)應(yīng)采用不少于m個(gè)同名點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，配準(zhǔn)后同名點(diǎn)的配準(zhǔn)殘余中誤差應(yīng)不大于規(guī)定的精度等級(jí)要求點(diǎn)位中誤差的固定比例；在相鄰點(diǎn)云內(nèi)按相對(duì)方式進(jìn)行拼接，達(dá)到一定范圍后，再用自動(dòng)評(píng)差功能將各個(gè)站點(diǎn)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系統(tǒng)下，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯相關(guān)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集。

8、進(jìn)一步地，所述對(duì)回轉(zhuǎn)窯相關(guān)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的過程如下：

9、篩選出僅包含內(nèi)壁輪廓的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并使用開源庫(kù)處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)組，并對(duì)數(shù)組進(jìn)行了采樣，每隔n點(diǎn)采樣一次。

10、進(jìn)一步地，所述利用回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部結(jié)圈及耐材厚度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用輪廓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方法計(jì)算得到回轉(zhuǎn)窯全域點(diǎn)云數(shù)據(jù)的中軸線坐標(biāo)，進(jìn)而得到回轉(zhuǎn)窯的壁厚包括以下步驟：

11、s31:基于預(yù)處理回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁輪廓的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，確定過回轉(zhuǎn)窯中心的軸線的直線，采用最小化方法優(yōu)化過回轉(zhuǎn)窯中心的軸線的直線的參數(shù)，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)：點(diǎn)云中所有點(diǎn)到直線的距離之和最小，再使用求解無約束非線性優(yōu)化問題的迭代算法方法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到回轉(zhuǎn)窯中軸線坐標(biāo)；

12、s32:計(jì)算回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁輪廓的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中每個(gè)點(diǎn)到回轉(zhuǎn)窯中軸線的徑向距離；

13、s33:基于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壁輪廓的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中每個(gè)點(diǎn)到回轉(zhuǎn)窯中軸線的徑向距離，根據(jù)回轉(zhuǎn)窯外徑將徑向距離轉(zhuǎn)換為壁厚數(shù)據(jù)。

14、進(jìn)一步地，所述根據(jù)回轉(zhuǎn)窯外徑將徑向距離轉(zhuǎn)換為壁厚數(shù)據(jù)的過程如下：

15、沿中軸線方向，將回轉(zhuǎn)窯劃分為若干個(gè)截面，每個(gè)截面為一個(gè)圓環(huán)面；

16、將每個(gè)圓環(huán)面展開為平面，得到一系列的環(huán)形平面圖；展開時(shí)，保持圓環(huán)面上各點(diǎn)之間的相對(duì)位置關(guān)系；

17、在展開的平面圖上，測(cè)量每個(gè)點(diǎn)至中軸線的距離，即為該點(diǎn)的壁厚信息。

18、進(jìn)一步地，所述通過極坐標(biāo)與笛卡爾坐標(biāo)系的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換測(cè)量的過程如下：

19、根據(jù)笛卡爾坐標(biāo)為(x，y，z)以及柱坐標(biāo)為(ρ，θ，φ)，根據(jù)中軸線的投影距離，計(jì)算點(diǎn)云中任意一點(diǎn)到中軸線的徑向距離，并將方位角和旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為角度制。

20、一種回轉(zhuǎn)體厚度測(cè)量裝置，包括：

21、獲取模塊：通過激光掃描儀對(duì)回轉(zhuǎn)體外壁、回轉(zhuǎn)體內(nèi)壁進(jìn)行掃描獲取回轉(zhuǎn)體相關(guān)點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

22、預(yù)處理模塊：用于對(duì)回轉(zhuǎn)體相關(guān)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到回轉(zhuǎn)體內(nèi)部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

23、計(jì)算模塊：用于回轉(zhuǎn)體內(nèi)部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用輪廓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方法計(jì)算得到回轉(zhuǎn)體全域點(diǎn)云數(shù)據(jù)的中軸線坐標(biāo)，進(jìn)而得到回轉(zhuǎn)體的壁厚；

24、可視化模塊：用于通過極坐標(biāo)與笛卡爾坐標(biāo)系的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換測(cè)量，將回轉(zhuǎn)體的壁厚信息可視化，得到回轉(zhuǎn)體壁厚分布云圖。

25、本發(fā)明提供的一種回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈及耐材殘余厚度測(cè)量方法及裝置，以實(shí)現(xiàn)窯體內(nèi)壁厚度數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)提供一種回轉(zhuǎn)窯三維可視化分析方式，特別是一些其他測(cè)量方式無法精密測(cè)量全域范圍的厚度變化。

26、本發(fā)明提高了回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過程中壁厚檢測(cè)精度，同時(shí)規(guī)范了測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，也可為后續(xù)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)大數(shù)據(jù)提供一種方法。該方法通過利用python（一種編程語言的名稱）科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)包以及點(diǎn)云處理包進(jìn)一步針對(duì)三維輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，構(gòu)建回轉(zhuǎn)窯三維內(nèi)外壁點(diǎn)云輪廓，并使用輪廓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方法求出點(diǎn)云中軸線坐標(biāo)，以將點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理成壁厚信息。采用bfgs（一種擬牛頓法）局部搜索方法，將點(diǎn)云中所有的數(shù)據(jù)到直線的距離之和最小化作為目標(biāo)函數(shù)，并傳遞初始猜測(cè)值和點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到中心軸位置。采用相對(duì)點(diǎn)位置以及笛卡爾坐標(biāo)系與極坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換策略，最終實(shí)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈以及耐材殘余厚度熱力圖，以及壁厚高精密測(cè)量。