CN102607438B - 钢管管端内外径双臂四探头测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于几何量测量技术领域的一种钢管管端内外径双臂四探头测量装置及其测量方法。测量装置包括旋转台(1)、转台固定平面(2)、2个固定臂(3和4)和4个激光测距探头(a1、a2、b1、b2)。测量方法采用利用四个探头围绕旋转台中轴线M-M’转动，同时测量钢管两个截面内外径，然后拟合出钢管的虚拟中心轴线和虚拟空间垂面，将测得的钢管截面数据向虚拟空间垂面做投影的方式来消除旋转台转动的中轴线和和钢管的中轴线不重合偏差，提高测量精度，同时能减少旋转台转动圈数，提高测量速度。本装置和方法能实现钢管管端内外径的快速非接触自动化测量，可以消除人的主观因素影响，提高钢管生产过程的自动化程度。

Description

钢管管端内外径双臂四探头测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于几何量测量技术领域，特别涉及一种钢管管端截面内外径参数的测量装置及其测量方法。

背景技术

随着管道现场焊接施工技术的不断进步，半自动、全自动焊接技术的不断应用，使得对钢管管径的要求越来越严格，特别是对管端，不仅对其外径有要求，同时对其管端椭圆度的要求也极为严格。其目的就在于当两管在野外或海洋中进行配管焊接施工时，使其能顺利的完成焊接。反之，如果钢管的管端直径和椭圆度超标，就会造成两管对焊的困难，即使能勉强对焊在一起，也会产生很大的残余应力，导致焊缝处的机械性能下降，降低了管道在使用过程中的安全性。油气输送管道输送大量易燃易爆介质，承受几十甚至上百个大气压的内压，焊缝处如果机械性能不好的话，极易发生泄漏、爆炸事故，会造成很大损失。

而由于生产工艺的限制，产品中内外径不合格的钢管依然占据一定的比例。为了筛选出合格的钢管，同时对大口径钢管生产质量进行严密地监控，对大口径钢管的内径、外径及椭圆度进行检测是非常有必要的。目前钢管行业中个轧管厂在测量管端内外径时，主要依靠卡尺和千分尺等手工量具进行检测，受生产环境、量具精确度和操作人员的主观因素影响较大，同时测量速度和测量的数据点数均不可能达到较高的水平。为了降低成本，提高检测速度，消除人的主观因素影响，提高测量精度，急需开发一种快速高精度自动化的管端内外径测量系统来提高钢管生产过程的自动化程度。

发明内容

本发明的目的是提供一种钢管管端内外径双臂四探头测量装置及测量方法。本发明是利用旋转测量装置测量距离钢管管端一定距离处的截面的内径和外径，此装置的主要误差来源在于旋转台转动的中轴线和和钢管的中轴线不能完全重合，两条中轴线之间有一定的夹角，测距探头旋转时围绕的中轴线不同于待测钢管的中轴线，所以会导致测量的内外径不准确。本发明的目的在于提出一种基于两个固定臂上分别固定两个测距探头，共使用四个测距探头来同时测量钢管的两个横截面的内外径的装置的测量方法，用于消除两条中轴线不重合带来的误差。

本发明基于的钢管管端内外径双臂四探头测量装置包括：旋转台(1)、转台固定平面(2)、2个固定臂(3和4)、4个激光测距探头(a1、b1、a2、b2)。其特征在于：旋转台带动转动固定平面围绕旋转台中轴线M-M’转动，固定臂垂直固定在转动固定平面上，每个固定壁上安装两个激光测距探头。探头a1、b1为一组，固定在一个垂直于中轴线M-M’的平面上；探头a2、b2为一组，固定在另一个垂直于中轴线M-M’的平面上。探头a1、a2指向中轴线M-M’方向，探头b1、b2背向中轴线M-M’方向。

本发明的测量方法包括如下步骤：

(1)测量探头a1、b1、a2、b2距离钢管管壁的距离结果分别为A1、B1、A2、B2。已知探头a1、b1、a2、b2距离旋转台转动中轴线的距离分别是C1、D1、C2、D2，可以计算出探头a1、b1所探测的截面的钢管内径为A1+C1，外径为D1-B1；探头a2、b2所探测的截面的钢管内径为A2+C2，外径为D2-B2

(2)在旋转台旋转至不同角度时分别测量内外径的数据，旋转一周之后就可以得到钢管两个截面的形状尺寸参数；

(3)利用两个截面的三维数据拟合空间圆，确定空间圆的中心；

(4)连接两个中心得到钢管的虚拟中心轴线；

(5)过钢管的虚拟中心轴线上任意一点作虚拟空间垂面，即构建空间截面的虚拟投影基准面；

(6)将钢管的两个截面分别向虚拟投影基准面做投影，即可得到修正后的钢管截面形状尺寸参数，确定钢管管端两个截面处的内径和外径。

本发明的有益效果是：

本发明在消除旋转台转动的中轴线和和钢管的中轴线不重合偏差，提高测量精度的同时，还可以同时测量距离钢管管端两个不同距离的截面的内外径数据，可以减少旋转台转动圈数，将测量速度提高一倍。在实际生产过程之中，一般只需要2个截面的内外径大小数据，所以只需要转动一圈就可以达到测量目的，本发明提供的方法具有很强的实用性。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是轴心误差消除方法示例图。

图3是投影过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图说一下具体的实施方式：

如图1所示，本发明基于的钢管管端内外径双臂四探头测量装置包括：旋转台(1)、转台固定平面(2)、2个固定臂(3和4)、4个激光测距探头(a1、b1、a2、b2)。其特征在于：旋转台带动转动固定平面围绕旋转台中轴线M-M’旋转，固定臂垂直固定在转动固定平面上，每个固定壁上安装两个激光测距探头。探头a1、b1为一组，固定在一个垂直于中轴线M-M’的平面上；探头a2、b2为一组，固定在另一个垂直于中轴线M-M’的平面上，两个平面之间的距离为L。探头a1、a2指向中轴线M-M’方向，探头b1、b2背向中轴线M-M’方向。图中的5为待测的钢管。

本发明的测量方法的具体实施方式是：

测量探头a1、b1、a2、b2距离钢管管壁的距离结果分别为A1、B1、A2、B2。已知探头a1、b1、a2、b2距离旋转台转动中轴线的距离分别是C1、D1、C2、D2，可以计算出探头a1、b1所探测的截面的钢管内径为A1+C1，外径为D1-B1；探头a2、b2所探测的截面的钢管内径为A2+C2，外径为D2-B2；在旋转台旋转至不同角度时分别测量内外径的数据，旋转一周之后就可以得到钢管两个截面的形状尺寸参数；

本发明基于的装置的主要误差来源在于旋转台转动的中轴线和和钢管的中轴线不能完全重合，两条中轴线之间有一定的夹角，测距探头旋转时围绕的中轴线不同于待测钢管的中轴线，所以会导致测量的内外径不准确，需要利用算法来消除两条中轴线不重合带来的误差。

如图2所示，圆R1为探头b1探测的钢管外径圆周，圆R2为探头b2探测的钢管外径圆周，由于钢管的形状不规则，所以圆R1和R2为近似的圆形。利用软件的方法(如最小二乘法)拟合出圆R1的圆心O1，圆R2的圆心O2。O1和O2的连线就可以认为是钢管的虚拟中心轴线。然后将探头a1、b1、a2、b2测量出来的内径外径向过直线O1-O2任意一点且垂直于直线O1-O2的平面做投影就可以得到修正后的该截面的钢管内外径。

以探头b1探测的钢管外径圆周R1为例介绍一下做投影的方法，如图2所示建立空间直角坐标系O-XYZ，Z轴与旋转台中轴线M-M’重合，零点在转台固定平面上。X轴与Y轴的方向与Z轴垂直，对其方向不做要求。以探头b1探测的钢管外径圆周R1位于垂直于Z轴的平面上，以探头b2探测的钢管外径圆周R2也位于垂直于Z轴的平面上。利用软件的方法(如最小二乘法)拟合出圆R1的圆心O1点的坐标(x1，y1，z1)，圆R2的圆心O2点的坐标(x2，y2，z2)。这两个点的坐标均是已知的。

如图3所示，将R1向与过点O1且与直线O1O2垂直的平面N-N’做投影，得到修正后的外径圆周R1’。对于R1上任意一点P(x3，y3，z3)，求其在R1’上的对应点P’(x4，y4，z4)的计算过程如下：

向量与向量平行，所以此处λ为不等于零的实数。

$\frac{x3-x4}{x1-x2}=\frac{y3-y4}{y1-y2}=\frac{z3-z4}{z1-z2}\mathrm{\λ}$

可以得出

$\left\{\begin{array}{c}x4=x3-\mathrm{\λx}1+\mathrm{\λx}2\\ y4=y3-\mathrm{\λy}1+\mathrm{\λy}2\\ z4=z3-\mathrm{\λz}1+\mathrm{\λz}2\end{array}\right.$

另外还有向量与向量垂直，所以

(x1-x4)(x1-x2)+(y1-y4)(y1-y2)+(z1-z4)(z1-z2)＝0

代入刚得到的x4、y4、z4关于λ的表达式，可以得到：

(x1-x3+λx1-λx2)(x1-x2)+(y1-y3+λy1-λy2)(y1-y2)+(z1-z3+λz1-λz2)(z1-z2)＝0由于x1/y1/z1/x2/y2/z2/x3/y3/z3均为已知，可以求出

$\mathrm{\λ}=\frac{(x3-x1)(x1-x2)+(y3-y1)(y1-y2)+(z3-z1)(z1-z2)}{{(z1-z2)}^2+{(y1-y2)}^2+{(z1-z2)}^2}$

代入x4、y4、z4关于λ的表达式，就可以求出点P’的坐标。对于其他圆周的投影，可以用同样的方法求出。

Claims (1)

1.一种钢管管端内外径双臂四探头测量装置的测量方法，所述的钢管管端内外径双臂四探头测量装置包括旋转台(1)、转台固定平面(2)、2个固定臂(3和4)、4个激光测距探头(a1、b1、a2、b2)；旋转台带动转动固定平面围绕旋转台中轴线M-M’旋转，固定臂垂直固定在转动固定平面上，每个固定臂上安装两个激光测距探头；探头a1、b1为一组，固定在一个垂直于中轴线M-M’的平面上；探头a2、b2为一组，固定在另一个垂直于中轴线M-M’的平面上；探头a1、a2指向中轴线M-M’方向，探头b1、b2背向中轴线M-M’方向；所述的测量方法其特征在于，包括如下步骤：

(1)测量探头a1、b1、a2、b2距离钢管管壁的距离结果分别为A1、B1、A2、B2，已知探头a1、b1、a2、b2距离旋转台转动中轴线的距离分别是C1、D1、C2、D2，可以计算出探头a1、b1所探测的截面的钢管内径为A1+C1，外径为D1-B1；探头a2、b2所探测的截面的钢管内径为A2+C2，外径为D2-B2；

(2)在旋转台旋转至不同角度时分别测量内外径的数据，旋转一周之后就可以得到钢管两个截面的形状尺寸参数；

(3)利用两个截面的三维数据拟合空间圆，确定空间圆的中心；

(4)连接两个中心得到钢管的虚拟中心轴线；

(5)过钢管的虚拟中心轴线上任意一点作虚拟空间垂面，即构建空间截面的虚拟投影基准面；

(6)将钢管的两个截面分别向虚拟投影基准面做投影，即可得到修正后的钢管截面形状尺寸参数，确定钢管管端两个截面处的内径和外径。