碳化硅材質(zhì)輥棒自動檢測及排序的研究與設備開發(fā)

譚俊峰，甘 斌，周 濤

（湖南新天力科技有限公司，湖南 長沙 410006）

碳化硅材質(zhì)輥棒因高溫承載力大，長期使用不易彎曲變形，使用壽命更是陶瓷棒的10倍以上，已成為日用陶瓷、衛(wèi)生窯、建筑窯、玻璃、磁性材料以及鋰電池材料等輥道窯高溫帶或全窯首選的輥棒［1-3］。因此，碳化硅材質(zhì)輥棒市場需求將越來越大。

目前，碳化硅材質(zhì)輥棒主要有反應燒結碳化硅、重結晶碳化硅和無壓燒成碳化硅這三種材質(zhì)，在燒制過程中它們均無法像陶瓷輥棒一樣采用吊燒方式，只能通過素坯平燒的方法，所以輥棒的直線度遠不如陶瓷輥棒［4-5］。為此，對輥棒生產(chǎn)的制程管控及直線度檢測也提出了更高的要求。

1 輥棒直線度檢測現(xiàn)狀分析

碳化硅材質(zhì)輥棒的直線度通常采用直線度公差或者圓跳度來進行圖紙標注［6］。但實用的檢測方法還是以水平檢測最大變動量的方法進行測量。

在國家標準GB／T 21944.3-2008［7］中對反應燒結碳化硅輥棒的直線度檢測描述為：“將方梁置于檢測平臺上（可自制，精度為0.05%mm，長度應長于被測產(chǎn)品長度），用塞尺測量兩者之間的最大間隙，數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點后一位”。該國標檢測方法已被國內(nèi)生產(chǎn)廠家大量采用。檢測時工人通過塞尺檢測并將檢測的結果用記號筆記錄在輥棒端頭上，這種方法雖然符合國家標準要求，但缺點也非常明顯，主要表現(xiàn)為：（1）無法真實模擬到輥棒實際使用時轉(zhuǎn)動的工況，測量結果只能簡單的表達輥棒是否平直，不能表達出輥棒的真實形貌，對輥棒使用的排序沒有參考意義；（2）均需人工檢測記錄，效率低且容易犯錯；（3）測試不準確，數(shù)據(jù)與實際運行工況不符，特別在輥棒彎曲形變時會存在較大的偏差等。

傳統(tǒng)輥棒直線度檢測如圖1所示，輥棒彎曲一端上翹時，置于檢測平面上，塞尺測量的最大厚度尺寸為數(shù)據(jù)b，當翻轉(zhuǎn)180°輥棒變成中間拱起，塞塞尺最大厚度則為a，此時數(shù)據(jù)明顯a＜b，在標注直線度時通常會取數(shù)據(jù)b，造成檢測結果不準確。該方法也不能表達出該輥棒到底形貌如何，甚至還會將合格品測試成廢品，將廢品測試成合格品。

圖1 傳統(tǒng)輥棒直線度檢測示意圖

2 輥棒走缽與輥棒排序的現(xiàn)狀分析

一般客戶都會對輥道窯的走缽形貌進行考核，這也是輥道窯的一個非常重要的安全指標，走缽越整齊，窯爐的穩(wěn)定性、安全性才能得到保障［8］。通常匣缽蛇形控制指標為每組匣缽前后錯位距離≤100 mm，左右錯位距離≤50 mm（如圖2所示），個別企業(yè)要求可能更高。因此，在輥道窯插入輥棒進行調(diào)試時，還需要進行前期大量的準備工作，例如：

圖2 輥道窯走缽蛇形控制的示意圖

1.按圖紙復核輥棒的檢測數(shù)據(jù)，針對輥棒直線度數(shù)據(jù)進行全檢，確保生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)準確。

2.根據(jù)檢測數(shù)據(jù)進行分級甄選，了解直線度偏移量的分布情況，每根輥棒只提供了一個最大間隙的塞尺數(shù)據(jù)，并不能真實反應最大間隙的位置，所以更希望最大間隙數(shù)據(jù)越小越好。目前絕大多數(shù)廠家提出的直線度指標控制為≤L×0.8‰mm（L為輥棒總長度）。例如：1根3 m長的輥棒按要求最大的直線度偏移量為3 m×0.8‰＝2.4（mm）。

通常調(diào)試人員在插入輥棒調(diào)試時會把直線度偏移量小的置于前段，以防止匣缽在前段走缽時就開始錯亂。后段采用直線度相對差一些的輥棒，通過頻繁調(diào)頭、或增加異形輥棒來確保走缽的蛇形控制。

在插入輥棒調(diào)試時為能更直觀觀察走缽的偏移情況，一般在窯爐筑爐蓋頂前會完成冷態(tài)調(diào)試走缽，并對輥棒進行重新編序號，在客戶現(xiàn)場按序號進行重新安裝，熱態(tài)調(diào)試時再針對走缽的蛇形控制情況進行輥棒的再次微調(diào)，直至走缽整齊。

3 自動檢測設備

結合輥棒直線度檢測現(xiàn)狀及走缽調(diào)試現(xiàn)狀分析，為實現(xiàn)自動排序功能，檢測時測量出輥棒的彎曲形貌，確定采用同時多點檢測輥棒圓跳度的方法。

3.1 系統(tǒng)檢測原理

由于被檢測輥棒材質(zhì)為碳化硅材質(zhì)，表面較粗糙耐磨，接觸式的圓跳動測量儀探針會很快磨損，影響壽命和測量準確度，本系統(tǒng)采用非接觸式測量。

采用激光測距的方式測量不同點位的圓跳動值；檢測原理如圖3所示。

圖3 檢測原理示意圖

支撐驅(qū)動輪位置寬度W和大小Φd不變，輥棒的理論直徑ΦD為已知值，支撐驅(qū)動輪中心到激光傳感器的距離L0為定值。被測輥棒兩端為打磨尺寸D0也為已知尺寸，也是支撐輪支撐的位置點。

被測輥棒中心到激光傳感器距離L1見式（1）。

但激光實際測量距離L2與輥棒被測量位置的直徑ΦDa值有關，關系為公式（2）和（3）。

可知圓跳度值k為公式（4）和（5）。

通過上述方式可實時測量出輥棒的多點圓跳度。

3.2 測量位置選擇

先考慮匣缽底面平整且匣缽在輥棒上行走時摩擦力足夠大，不會發(fā)生打滑。匣缽走缽發(fā)生偏斜通常是因為匣缽行進方向左右行走距離不一致造成的。所以需測量匣缽最大寬度尺寸位置的圓跳度值。

如圖2所示，同時行走4個匣缽時，則測量每個匣缽緊靠一起的拼接位置即a／b／c／d／e共5個點位置。這5個點位數(shù)據(jù)才能反應輥棒在運行時對匣缽行走的影響，為后續(xù)輥棒自動排序提供了基礎。

3.3 多點圓跳度檢測設備

設備主要針對細長型的非透明圓柱形輥棒的圓跳動測試而設計。主要組成如圖4所示。設備主要技術參數(shù)見表1。

圖4 多點圓跳度檢測設備外觀示意圖

表1 主要技術參數(shù)

根據(jù)上述檢測原理，控制流程如圖5所示。

圖5 自動測試控制系統(tǒng)單元框圖

為滿足設備檢測數(shù)據(jù)的權威性，做到數(shù)據(jù)精準，需對設備進行校準，設備校準分為支撐軸水平校準、激光測距儀水平校準和激光過輥棒軸線校準，設備配備標準輥棒一根，經(jīng)專業(yè)檢測認證公司進行檢定，系統(tǒng)校準后再通過該標準輥棒進行測試檢驗是否校準成功。

4 排序評定的實現(xiàn)

通過對整條輥道窯所使用的輥棒圓跳度數(shù)據(jù)采集，再進行排序的評定。

4.1 數(shù)據(jù)模型的建立

前文已介紹目前絕大多數(shù)廠家對輥棒的直線度指標為≤L×0.8‰ mm。在圓跳度復檢時，為建立輥棒的數(shù)據(jù)模型，對輥棒測量的圓跳度值轉(zhuǎn)換成直線度指標再進行分檔處理。具體分檔見表2。

表2 輥棒測試數(shù)據(jù)分檔

輥棒通過多點圓跳度測試儀的測試數(shù)據(jù)自動進行分檔并生成報表，激光打碼機在輥棒端頭打碼，將各點數(shù)據(jù)記錄在二維碼上，便于后續(xù)獲取數(shù)據(jù)。

4.2 排序評定的初始條件的建立

數(shù)據(jù)獲取后需根據(jù)數(shù)據(jù)進行自動排序，排序評定的初始條件建立如下。

檢測位置及原理如圖6所示，標準匣缽尺寸為330 mm×330 mm×100 mm，即a與b之間距離為330 mm，輥棒直徑為ΦD，通過測得a位置直徑為ΦDa，b位置直徑為ΦDb。

圖6 檢測位置及原理示意圖

可知，當匣缽通過該輥棒旋轉(zhuǎn)送出時：a位置行走距離為位置行走距離為340 mm。當Da＝Db時，不發(fā)生偏移；當Da＞Db時，匣缽從a向b發(fā)生偏移；當Da＜Db時，匣缽從b向a發(fā)生偏移。

因此只有匣缽需行走通過的每根輥棒a和b位置的時匣缽行走才不發(fā)生偏移。

4.3 計算機實現(xiàn)

為了滿足排序的有效性，以圖2的四列輥道窯為例，針對整窯輥棒的圓跳度數(shù)據(jù)先進行換頭確定，再進行邏輯排序。

4.3.1 換頭確定

認知模型是根據(jù)課標中的統(tǒng)計觀念或數(shù)據(jù)分析觀念的內(nèi)涵建立的，注重心理、意識的考察，關注內(nèi)隱的認知過程.但是這種模型不能直接進行測量，需要外在表現(xiàn)間接得到認知發(fā)展水平.目前比較典型的是童莉建構的認知模型，這一模型包括了3個維度，每個維度包括3或4個水平.但是這一模型缺乏實證研究，能否真正刻畫不同年級的學生在數(shù)據(jù)分析觀念上的不同表現(xiàn)還有待研究[5].

1.首先通過式6和式7計算差值Δka-e和Δkb-d

式中：Δka-e為a點和e點圓跳動與中間c點位置的差值；Δkb-d為b點和d點圓跳動與中間c點位置的差值；ΦD為理論直徑，mm；ΦDa為a點實測直徑，mm；ΦDe為e點實測直徑，mm；ΦDb為b點實測直徑，mm；ΦDd為d點實測直徑，mm。

Δka-e值和Δkb-d值越小越好，對走板整齊越有利。

2.按公式8分別計算每根輥棒的兩端a點和e點實測與理論半徑比差Δγa-e

該差值為正值或負值，結果按從大到小先第一次排序。

3.按公式9計算窯上所有輥棒的兩端a點和e點實測與理論直徑比求和差Δβa-e

4.確定需要選取多少根輥棒的Δγa-e值求和才能和Δβa-e值相當，求和時先從大到小順序累加，然后將這些用于求和的輥棒標定換頭。

最終按此方法實現(xiàn)換頭確定。

4.3.2 邏輯排序

換頭確定后的輥棒按圓跳度分檔，按從好到壞1檔-2檔-3檔-4檔的排列方法從頭至尾排列，完成最終的邏輯排序。

排序后的輥棒按次序插入輥道窯進行走缽調(diào)試，調(diào)試中根據(jù)匣缽走缽的姿態(tài)對輥棒進行最終的細微調(diào)整。

5 結 論

通過對輥棒多點圓跳度自動檢測及排序的研究設計，并開發(fā)樣機對輥棒進行實測分檔和排序，對排序結果進行多次的實測驗證，證明該方式在實際應用中可行，不但能簡化輥道窯調(diào)試的流程和時間，也降低了調(diào)試的難度，減少了出口異形棒的應用，該設備和方法具有推廣的價值。