CCD提升钢丝绳直径检测系统设计光学系统及机械结构设计.doc
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摘要
在我国,无论是煤矿还是冶金矿所使用的提升设备都普遍存在着钢丝绳磨损的问题,尤其是斜井提升设备上使用的钢丝绳,最突出的问题就是钢丝绳磨损,直径变细。
我国《煤矿安全规程》规定,矿用提升钢丝绳断面积减小5%时,不能用来提升工作人员;断面积减小10%时,不能用来提升矿用物资。
而提升钢丝绳的提升能力及使用状态对于提升设备的安全可靠运行至关重要,因此,每天必须对提升钢丝绳进行检测,以确保提升设备的安全可靠运行。
目前,厂矿企业仍然沿用传统的人工检测方法,即人工使用游标卡尺进行抽点检测。
这种检测方法存在着很大的弊端,它检测精度低,不能进行连续的实时在线检测,漏检的情况也时有发生,这就给提升安全带来严重隐患。
同时,这种方法劳动强度大,检测速度慢。
另外,在进行人工检测时,提升钢丝绳必须停止提升,这样会降低工作效率和设备利用率。
而且人工检测全凭实际工作经验,精度、效率也会随之降低,既不能完成非接触检测,又不能实现在线检测,同时还增加了检测时给工作人员所带来的危险性。
针对这种现状,国内外各高校及研究部门对提升钢丝绳直径的连续实时在线检测进行了大量的研究工作。
从检测方法看,主要有两类:
磁通检测法、激光扫描法,但这两种检测方法都存在着较大的缺点。
磁通检测法检测精度低、设备笨重;激光扫描检测法虽然检测精度高,但是设备复杂、成本高。
在这种情况下,利用CCD技术本文提出了一种新的提升钢丝直径测量方法——CCD实时在线非接触式线径测量数码管显示具有测量快速高效自动化程度高示直观等特点并能克服人工检测所具有的缺点.
关键词钢丝绳磨损;光电技术;非接触式测量;CCD技术
Abstract
Inourcountry,whetherormetallurgicalcoalmineupgradeequipmentusedbythewireropewearisprevalentproblem,particularlytheinclinedshaftupgradeequipmentusedwirerope,themostprominentistheissueofwireropewear,smalldiameter.China's"coalminesafetyregulations",minehoistingcablebasalareadecreased5%,shouldnotbeusedtoenhancestaff;basalareadecreased10percent,cannotbeusedtoupgrademinesupplies.WireRopeforupgradingandenhancingcapacityandtheuseofstateequipmenttoupgradethesafeandreliableoperationofutmostimportance,therefore,mustbetoupgradetheropedailytestingtoensurethatliftingequipmentsafeandreliableoperation.Atpresent,miningenterprisesarestillusingthetraditionalmethodsofdetection,theuseofaverniercaliperpumpingdetection.Thistestisthepresenceoflargedefects,itdetectslowaccuracybutnotcontinuousreal-timedetection,missedthesituationoccurredfromtimetotime,whichtoenhancesecurityserioushiddendangers.Atthesametime,thismethodlaborintensity,slowdetection.Meanwhile,inartificialtesting,muststophoistingcableupgrade,whichwillreduceefficiencyandequipmentutilization.Detectionentirelyartificialandpracticalworkexperience,accuracyandefficiencywillalsobereduced,neithercompletenon-contactdetection,anddetectioncannotbeachievedonline,atthesametimealsoincreasedthedetectionofstafftothedangersposedbysexual.Inviewofthisstatusquo,andcollegesanduniversitiesathomeandabroadandresearchdepartmentstoupgradethediameterofthewireropeforreal-timedetectionofalargeamountofresearchwork.Fromthedetectionmethod,therearemainlytwocategories:
themagneticfluxdetection,laserscanningmethod,butthetwodetectionmethodsexistmoreweaknesses.Detectionofmagneticfluxdetectionoflowaccuracy,heavyequipment,laserscanningdetectionAlthoughthedetectionofhighprecision,butthecomplexequipment,highcosts.Insuchcircumstances,thepaperusingCCDtechnology,anewupgradewirediametermeasurementmethod-CCD-linenon-contactmeasurementofdiametermeasurementwithdigitaldisplayquicklyandefficientlyshowahighdegreeofautomationandintuitivefeatures,suchasartificialovercomeDetectionbythedrawbacks.
Keywordsropewearphotovoltaictechnologyon-contactmeasurementCCDtechnology
I
徐州工程学院毕业设计(论文)
目录
1绪论……………………………………………………………………………………………1
1.1课题的意义和目的…………………………………………………………………………3
1.2CCD检测系统的特点和分析………………………………………………………………4
1.3基于CCD技术的钢丝绳检测系统……………………………………………………….4
2钢丝绳的选用…………………………………………………………………………………6
2.1钢丝绳的计算及合理参数…………………………………………………………….6
2.2钢丝绳的使用…………………………………………………………………………….8
2.3钢丝绳的养护和报废…………………………………………………………………….9
2.4钢丝绳直径的计算……………………………………………………………………….11
3CCD工作原理及选用………………………………………………………………………..13
3.1电荷的存储……………………………………………………………………………….13
3.1.1电荷的耦合……………………………………………………………………………16
3.2电荷的注入和检测……………………………………………………………………….17
3.2.1电荷的注入…………………………………………………………………………..17
3.2.2电荷的检测…………………………………………………………………………..17
3.2.3CCD的特性参数……………………………………………………………………..18
3.3CCD选型…………………………………………………………………………………..19
3.4CCD工作原理……………………………………………………………………………..20
4光学系统的设计………………………………………………………………………………21
4.1光学成像基本计算公式………………………………………………………………….21
4.1.1理想光学系统的基本参数…………………………………………………………21
4.1.2理想光学系统成像的物像关系……………………………………………………22
4.1.3理想光学系统的放大率……………………………………………………………23
4.2光学中光阑的作用……………………………………………………………………….24
4.2.1孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳………………………………………………….24
4.2.2视场光阑…………………………………………………………………………..25
4.3照明系统设计………………………………………………………………………….25
4.3.1照明方法…………………………………………………………………………….25
4.3.2聚光镜的作用……………………………………………………………………….27
4.3.3照明系统的设计原则……………………………………………………………….28
4.4远心光路的应用…………………………………………………………………………28
4.5光学系统的设计……………………………………………………………………….29
4.5.1成像系统的设计……………………………………………………………………..29
4.5.2照明系统的设计参数……………………………………………………………….30
5机械结构的设计………………………………………………………………………….35
5.1机械设计的原理和要求……………………………………………………………….35
5.2支架的作用…………………………………………………………………………….36
6CCD在线的实验…………………………………………………………………………..37
6.1实验准备………………………………………………………………………………37
6.2实验方案…………………………………………………………………………………37
6.3实验系统设计…………………………………………………………………………….38
6.4数据采集……………………………………………………………………………….39
6.4.1系统标定………………………………………………………………………………39
6.4.2影响测量的几个因素及改进方法……………………………………………………40
结论和展望…………………………………………………………………………………….41
致谢…………………………………………………………………………………………….43
参考文献……………………………………………………………………………………….43
附录…………………………………………………………………………………………….46
附录1………………………………………………………………………………………….46
42
1绪论
1.1课题的意义和目的
提升机是国内外竖井煤矿生产的咽喉[1]。
井下煤炭的输出、生产人员与设备的出入井等,它是唯一的运输工具,因此,它的运行状态直接关系到人身安全和煤炭生产。
一个罐笼一次最多可提升150人,他们的生命都寄托于钢丝绳悬挂的罐笼。
井上的物料和井下的矿石也无一不是用不同的提升装备每天运送的。
但更换钢丝绳的成本对运行费用影响极大。
因而,保持钢丝绳间的载荷一致,对延长钢丝绳的寿命、减轻衬垫磨损、保证设备安全运行有着很重要的意义。
根据《煤矿安全规程》第399条规定,摩擦提升装置中任一根提升钢丝绳的载荷与平均载荷之差不得超过±10%。
一旦超过(即失衡)就潜伏下了危险,如不能及时调整就可能发生重大事故。
在此之前,煤矿系统只能按照现行的安全规程,定期停产检查调整或者更换价格昂贵的钢缆。
这样不仅影响正常的煤炭生产,又造成很大的浪费,更重要的是不能从根本上保证提升机运行的安全。
国内几乎年年都发生提升机“坠井”的重大恶性事故,造成重大经济损失和人员伤亡,成为煤炭生产中的一项重大技术难题。
因此,要从根本上预防事故的发生,必须随时、自动地监测各钢丝绳的载荷变化状况。
但由于矿井特殊环境和煤矿生产条件的制约,国内外多年来的研究成果都难以实用化,除了理论估算和预算外,没有一个实用有效地自动监测手段。
因此,对钢丝绳的承载大小及各钢丝绳之间平衡情况的掌握和监测方法的研究,就成为实现煤矿安全提升很重要的一个环节。
矿井提升过中,随着矿井深度的增加和一次提升量的加大,由于多绳摩擦式提升设备体积小、重量轻、提升能力大、安全性能好、常用于深井等优点,成为我国很多矿井生产中的主要提升设备。
但由于多绳摩擦提升中存在各钢丝绳张力分配不均的特殊问题,解决不好不但影响生产,同时也给设备的安全运行带来隐患,因此对该问题进行研究并加以解决具有现实意义。
1.2CCD检测系统的特点和分析
CCD(ChargeCoupledDevices)电荷耦合器件是20世纪70年代初发展起来的新型半导体集成光电器件,是由美国贝尔试验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年首次提出的。
在经历了一段时间研究之后,建立了以一维势肼模型为基础的非稳态CCD理论并逐渐完善,发展成为一种新型的固体成像器件。
实际上,CCD是在大规模硅集成电路工艺基础上研制而成的模拟集成电子芯片,它既具有光电转换的功能,又具有信号电荷的存储、转移和读出的功能。
而且,它具有体积小、重量轻、高灵敏度、高精度、抗震好、寿命长和可靠性高等优点。
CCD从结构上讲,可分为面阵CCD和线阵CCD两种。
面阵CCD主要用于图像记录、储存等方面;线阵CCD主要用于产品外部尺寸的非接触检测、控制和分类、产品表面质量评定、自动化及机器人视觉中的精确定位等[1]。
CCD技术在光电扫描技术、图像处理技术和非接触检测等领域应用广泛。
诸如冶金部门中各种管、线、带材轧制过程中的尺寸测量,光纤及纤维制造中的线径尺寸测量、控制,机械产品尺寸测量、分类,产品表面质量评定,文字与图形识别,光谱测量以及空间测量等;它还可以应用于数码摄相、复印、扫描等。
而以CCD技术为核心的数码相机的发展之迅猛令人难以想象。
自1991年第一架数码相机问世以来,数码相机的发展可谓日新月异,其像素数由原来的几十万增加到几百万乃至上千万。
而应用CCD技术的扫描仪和复印机更是现代办公必不可少的设备,极大提高了工作效率。
同时,CCD不但广泛应用于民用范围,也广泛应用于军事工业[19][20]。
CCD图像技术可用于特定的场合,如侦察、探测等,借助军用PDA(PersonalDigitalAssistant)的存储、处理和传输功能来达到相应的军事目的。
例如美国KH-11侦察卫星,卫星上装有二套相机。
其中一套是高分辨率CCD可见光相机,它能提供分辨率为0.1m的图片。
而应用于海湾战争中使用CCD相机的SPOT卫星,它所提供的数字图像对作战效果的提高是十分明显的,它使精确制导炸弹的单发摧毁概率由30%提高到70%,在海湾战争中发挥了极大作用。
近年CCD应用技术已成为集光学、电子学、精密机械和计算机技术为一体的综合性技术,在现代光子学、光电检测技术和现代测试技术领域中日趋广泛,而该技术的应用和研究在国内外都发展的很快。
1.3基于CCD技术的钢丝绳检测系统
由以上CCD特性分析可知,其用于尺寸测量是非常有效的非接触式检测技术,被广泛应用于在线检测和高精度、高速度的检测技术领域。
由CCD光电传感器、光学系统、单片机数据采集和处理系统构成的CCD光电尺寸检测仪器的使用范围和优越性,不仅是人工检测所无法比拟的,也是现有机械式、光学式、电磁式测量仪器都无法比拟的。
近年来,利用CCD进行非接触检测在国外已经得到广泛应用,但国内在这方面的应用还处在研制和试用阶段,而在矿用提升钢丝绳直径检测方面还是个空白[1]。
如果用CCD来对提升钢丝绳直径进行非接触实时在线测量,不但可以克服人工测量的缺点,而且还可以克服磁通检测法和激光扫描法的缺点。
因此,本项目拟研制开发CCD实时在线非接触式线径测量系统来取代原有的人工测量,对于提升设备的安全可靠运行具有重大意义,并具有较大的社会效益和巨大的经济效益。
图1-1CCD实时在线非接触式线径测量系统结构图
图1-2CCD实时在线非接触式线径测量系统原理图
本项目研究的CCD实时在线非接触式线径测量系统由照明系统、提升钢丝绳(被测物)、成像系统、CCD光电检测系统和单片机处理系统构成,其系统结构图见图1-1,系统原理图见图1-2。
稳压稳流电源为照明系统提供稳定的平行照明光,被照明的提升钢丝绳直径经成像系统成像在线阵CCD的光敏阵列面上。
由于钢丝绳为不透明物体,钢丝绳直径所成的像会在CCD光敏阵列面的中间部分形成暗带,两侧形成亮带,暗带的宽度就是钢丝绳直径所成像的大小。
线阵CCD在驱动脉冲的作用下完成光电转换并产生视频信号,将光敏面的空间宽度转换成时间宽度信号。
此视频信号送到二值化电路中进行二值化(即0和1)处理,产生二值化信号,其二值化信号波形见图1-3。
此二值化信号送到单片机系统中进行处理,得到高电平宽度,此高电平宽度即对应着钢丝绳直径在CCD像敏面上所成的像宽,再查标定表和换算即可得到钢丝绳直径的真实宽度。
图1-3CCD二值化信号图
2钢丝绳的选用
2.1钢丝绳的选用和合理参数
随着技术发展,钢丝绳的品种日益增多,应用范围越来越广,要安全经济地使用好钢丝绳,除了需要钢丝绳制造企业努力提高质量、发展品种、降低成本之外,设计部门和使用单位对钢丝绳及其有关装置合理地选择、正确使用以及妥善养护等关系甚大,而合理选择则是正确使用的基础。
实验室试验和现场实践证明:
同样工作条件下由于选择不同品种的钢丝绳,使用寿命有成倍差别[21]。
正确选择钢丝绳要首先在购买钢丝绳前确定钢丝绳的用途。
例如用于立井提升可选用三角股钢丝绳、线接触钢丝绳或多层股钢丝绳;用于开凿立井提升(建井用)可选用多层股钢丝绳或异型股钢丝绳;用于立井罐道及索道承重可选用密封钢丝绳、三角股钢丝绳、多层股钢丝绳或普通钢丝绳等。
其次要明确不同用途钢丝绳的安全系数(2~5)。
钢丝绳最小破断拉力应不小于钢丝绳最大工作静拉力与钢丝绳最小安全系数的乘积。
最后进行结构与规格的选择。
例如,某煤矿主井矿车提物单绳缠绕,钢丝绳实际使用长度250m,绳端最大静载荷49kN,矿车平均运行速度3.5m/s。
选择步骤如下:
(1)根据《煤矿安全规程》规定,单绳缠绕式提升装置专为升降物料的安全系数最低为6.5,则需选用的钢丝绳破断拉力应不小于318.5kN;
(2)最后选择时还需综合考虑钢丝绳的柔软性、耐疲劳性、耐磨性、耐挤压性以及价格等因素。
一般常用圆股钢丝绳柔软性、耐疲劳性、耐磨性三者之间的关系见表1。
耐挤压性一般来说股内钢丝数少相对稳定[21];
(3)由上分析,本例选用26NAT6×+FC167019ZS的钢丝绳可满足要求。
表2-1 圆股钢丝绳柔软性、耐疲劳性、耐磨性之间的关系
柔软性
耐磨性
耐疲劳性
结构
软(A)-硬(E)
强(A)-弱(H)
高(A)-低(H)
6×7
E
A
H
6×19
D
C
G
6×19S
E
B
F
6×19W
D
C
E
6×25Fi
D
C
C
6×31SW
D
C
C
6×29Fi
C
D
C
6×36SW
C
D
B
6×24
C
E
G
6×41SW
B
F
A
6×37
B
G
G
2.2钢丝绳的使用
(1)解卷
将绳盘放在专用支架上,也可用钢管穿入绳盘孔,两端套上绳索吊起,将绳盘缓缓转动抽出钢丝绳。
抽取钢丝绳的同时应采取措施防止钢丝绳打环、扭结、弯折或粘上杂物。
(2)剪切
钢丝绳剪切前应在距切割处左右各10~20mm处分别用铁丝扎紧,捆扎长度为绳径的1~4倍,再用切割工具切断。
(3)安装
钢丝绳投入使用前,用户应确保与钢丝绳工作有关的各种装置已安装就绪并运转正常。
如果当钢丝绳空载时与机械的某个部位发生摩擦则应将能接触到的部位加以防护。
新钢丝绳不要立即在高速、重载下直接使用,而要在低速、中载条件下运行一段时间,使新绳适应使用状后,再逐步提高钢丝绳运行速度和加大提升载荷,即新钢丝绳在进行高速重负荷作业前必须经过初期磨合阶段。
(4)使用
1.钢丝绳和滑轮配合使用时,必须注意防止钢丝绳从轮槽中跳出。
如果钢丝绳脱落了轮槽后还在继续使用,钢丝绳将会产生挤压变形、扭结、断丝、断股,严重缩短钢丝绳使用寿命,如果发生断绳现象,往往会带来灾难性的后果。
2.钢丝绳在使用时不能受到强烈挤压,以免钢丝绳变形,导致结构破坏而出现早期断丝、断股甚至断绳,显著降低钢丝绳使用寿命并危及作业安全。
3.钢丝绳在高速运行时应避免与非匹配轮槽外的其它物体发生摩擦。
因为在高速情况下,钢丝绳与这些物体相互运行时所产生的瞬间摩擦热,可导致钢丝表层出现马氏体组织,而这种组织上的变化虽然无法通过肉眼辨别,然而却是引起钢丝早期断裂的主要原因。
4.钢丝绳不能过载使用,否则将急速加剧其被挤压变形程度、内部钢丝之间及外部钢丝与匹配轮槽之间的磨损程度,对作业安全性带来严重危害,同时缩短滑轮使用寿命。
5.钢丝绳使用过程中,如果运行速度频繁发生急剧变化,将造成冲击载荷
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