CN106323192A - 一种基于激光扫描的直缝焊管焊缝噘嘴检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光扫描的直缝焊管焊缝噘嘴检测系统。系统包括传动装置、二维激光扫描传感器和上位机；二维激光扫描传感器用来在焊缝上方沿焊管轴线方向等间距的扫描焊缝，获取不同位置的焊缝及焊缝两侧的焊管径向横截面的二维轮廓数据；所述传动装置用于调节二维激光扫描传感器的位置；上位机通过通信线与传动装置控制器和二维激光扫描传感器连接。本发明采用非接触方法检测焊管焊缝噘嘴类型，具有易于实施、适应性强、精度高等特点。

Description

一种基于激光扫描的直缝焊管焊缝噘嘴检测系统

技术领域

本发明专利涉及一种基于激光扫描的直缝焊管焊缝噘嘴检测系统，用来在直缝焊管生产过程中检测焊缝的“噘嘴”故障，属于故障检测领域。

背景技术

随着我国经济的发展，管道的应用已经非常广泛，我们对油气的运输已经逐步从交通运输过渡到管道运输，例如“西气东输”这种重点工程。为了保证运输过程中油气的安全，管线建设对管道提出了“厚壁、高钢级”的要求，所以我们对直缝焊管的需求也越来越大。在直缝焊管的生产过程中，焊缝处“噘嘴”是一种普遍存在的缺陷。“噘嘴”处的曲率不规则，若受到外力，会在“噘嘴”处产生应力集中，影响管道的寿命，不能保证油气运输的可靠性。当我们将缺陷管道和正常管道焊接时，由于“噘嘴”缺陷的存在，并不能很好地将两个管道拟合在一起，即使勉强焊接在一起，也会导致焊接处应力集中，影响整个管道的机械性能。因此，对钢管进行焊缝“噘嘴”检测，可以提高管道的寿命，减轻工人的劳动强度，降低加工成本等等。

目前，在焊管检测方面主要依靠人工手动检测，该方法主要借助外径千分尺和卡规测量直缝焊管的外径，然后看目标是否“噘嘴”并判断噘嘴类型。此方法耗时耗力，而且精度不高，效率低，并不能满足工艺要求。还有一种方法是机械接触测量法，即采用三坐标测量仪，该仪器的测量头可在焊管上进行滑动测量，并且得到表面的三维坐标信息，进而对这些数据进行处理。但是该方法对环境要求高，测量效率低，对探头的质量要求比较高。所以我们需要一种方法可以直观的得到焊管表面的三维数据，而后对这些数据进行处理，得到钢管的“噘嘴”缺陷，并且该方法不能受环境因素和人为因素影响太大，从而提高检测的效率。

中国专利申请号201120049924.2，公开日2011.9.21，公开了一种大口径直缝焊管管端椭圆度和直径测量装置。该装置的上下两端安装了两对激光扫描传感器和两个二维激光位移传感器，对在转辊上旋转的钢管进行外径测量和椭圆度测量。通过计算未被钢管遮蔽的光束长度，可以得到钢管的外径；通过激光位移传感器，可以测量焊缝的形状和位置。但是该测量装置只可以得到钢管的外径和椭圆度，并不能实现对直缝焊管焊缝噘嘴的检测。

发明内容

为了克服现有的直缝焊管焊缝噘嘴检测方法的不足，本发明公开了一种基于激光扫描的直缝焊管焊缝噘嘴检测系统，能够适应不同规格的直缝焊管，在焊管固定不动的前提下可以自动判别噘嘴类型，并给出精确的噘嘴值。

本发明所述的基于激光扫描的直缝焊管焊缝噘嘴检测系统由二维激光扫描传感器、传动装置和上位机组成；所述二维激光扫描传感器用于在焊缝上方沿焊管轴线方向等间距扫描焊缝，获取不同位置处焊管径向横截面的二维轮廓数据；所述传动装置用于调节二维激光扫描传感器的位置；所述上位机通过通信线与传动装置运动控制器和二维激光扫描传感器连接。

所述传动装置包括机架、传感器固定装置、X轴步进电机、Y轴步进电机、Z轴步进电机、X轴导轨、Y轴导轨、Z轴导轨和运动控制器；其中X轴为焊管水平径向方向，Y轴为焊管轴线方向，Z轴垂直于X轴与Y轴构成的平面；所述传感器固定装置用于安装二维激光扫描传感器；所述X轴步进电机带动二维激光扫描传感器沿X轴导轨平移，使焊缝位于二维激光扫描传感器的正下方；所述Y轴步进电机带动二维激光扫描传感器沿Y轴导轨等间距扫描焊缝；所述Z轴步进电机带动二维激光扫描传感器沿Z轴导轨上下移动，用于调节二维激光扫描传感器与焊缝的距离，使焊缝位于二维激光扫描传感器的有效扫描范围内；所述运动控制器用于控制X轴步进电机、Y轴步进电机和Z轴步进电机，并与上位机通信。

本发明的优点在于，系统结构简单、便于操作、适应性强、判断精度高、能够实时地检测出焊管焊缝的噘嘴缺陷、受环境因素影响小，并能给出噘嘴类型和精确的噘嘴值，可大幅度的提高此类焊管的产品合格率和生产效率，为我国油气管道的建设提供高质量的焊管，同时打破国外相关装备制造企业在该领域的垄断。

附图说明

图1一种基于激光扫描的焊管焊缝噘嘴检测系统结构示意图。图中1.机架，2.X轴步进电机，3.Y轴步进电机，4.Z轴步进电机，5.X轴导轨，6.Y轴导轨，7.Z轴导轨，8.支撑杆；9.传感器固定装置，10.二维激光扫描传感器，11.焊缝，12.直缝焊管；

图2是焊管焊缝噘嘴检测系统检测与控制装置结构框图；

图3是焊缝噘嘴类型示意图；

图4是基于激光扫描的直缝焊管焊缝检测系统的工作流程图；

图5是二维轮廓离散点曲率聚类流程图。

具体实施方式

直缝焊管焊缝的噘嘴缺陷普遍存在于直缝焊管生产过程中，直缝焊管是由一块钢板经过压力使其弯曲，然后焊接在一起。但是由于机械原因或钢板自身材质的原因，会导致焊管成型缝处拟合不完善，形成成型缝向上或向下噘起的情况，这就是焊缝“噘嘴”缺陷。对焊管噘嘴处进行故障诊断时，如果我们可以直观的得到焊管的三维数据，就可以通过计算得到待检测位置是否存在缺陷，所以我们需要找到一种方法来获得焊管的三维数据。

利用三坐标测量仪虽然可以得到焊管的三维数据，但这种方法对环境要求高，测量速度慢，测量数据密度低，测量过程需人工干预，还需要对测量结果进行探头损伤及探头半径补偿，这些不足限制了它在焊缝噘嘴检测领域中的应用。因此，找到一种更直观有效地方法来得到焊管的三维数据，即可完成对焊缝噘嘴检测的第一步工作。激光扫描技术可以很直观的得到焊管的三维轮廓数据，包括三维激光扫描和二维激光扫描，三维激光扫描可以直接扫描一个面，但设备价格昂贵；二维激光扫描可以扫描出来一条线，但是通过移动扫描仪或者被测物体也可以得到物体的三维轮廓，因此我们选择二维激光扫描。二维激光扫描，即将激光光束扩大为条状后在目标物体上产生漫反射，反射光被聚集到CCD或CMOS上，通过数据处理获得物体轮廓，该方法精度高，受检测环境影响小，可测量外径尺寸和外径轮廓。

本发明对故障焊管进行了大量的实验，提供了一种基于激光扫描的直缝焊管焊缝噘嘴的检测系统，实验表明该检测系统较现有的检测系统具有明显的优势。

下面对本检测系统进行详细介绍，参照附图1和附图2：

A.传动装置包括机架(1)，X轴步进电机(2)，Y轴步进电机(3)，Z轴步进电机(4)，X轴导轨(5)，Y轴导轨(6)，Z轴导轨(7)，支撑杆(8)；传感器固定装置(9)和运动控制器，所述导轨为丝杠；所述传感器固定装置用于安装二维激光扫描传感器；

A1.X轴即焊管(12)的水平径向方向，由X轴步进电机带动二维激光扫描传感器(10)沿X轴导轨(5)平移，使焊缝(11)位于二维激光扫描传感器(10)的正下方，便于采集更加准确的噘嘴信息；支撑杆(8)用于确保机架左右两侧同时沿X轴运动，支撑杆(8)光滑，机架被支撑杆(8)穿过的地方安装轴承；

A2.Y轴即焊管(12)轴线方向，由Y轴步进电机带动二维激光扫描传感器(10)在Y轴导轨(6)上平移，使二维激光扫描传感器(10)对焊管焊缝(11)进行等间距扫描，从而得到不同位置的、比较密集的焊缝及焊缝两侧的焊管径向横截面的二维轮廓数据；

A3.Z轴垂直于X轴与Y轴构成的平面，由Z轴步进电机带动二维激光扫描传感器(10)沿Z轴导轨(7)上下移动，可以调整二维激光扫描传感器(10)到焊管(12)的距离，用于适应不同规格的焊管；直径大的焊管，可以使传感器向上移动；直径小的焊管，可以使传感器向下移动；

A4.所述运动控制器用于控制上述3个步进电机工作，从而带动二维激光扫描传感器(10)运动；运 动控制器与上位机相连接，接收上位机发来的运动指令，并且向上位机反馈步进电机当前工作状态；

B.所述二维激光扫描传感器(10)是本发明的核心部件，在传动模块X轴和Z轴上对传感器位置进行调节，使其处于一个最佳的测量位置，然后通过传感器在Y轴上的等间距扫描，来采集焊管不同位置的径向截面二维轮廓数据，一共可获得n组焊缝及焊缝两侧焊管表面的轮廓数据；

C.所述上位机通过通信线与运动控制器和二维激光扫描传感器相连接，用于对运动控制器发送运动指令，接收运动控制器反馈的步进电机工作状态，对二维激光扫描传感器进行参数设置，并且接收二维激光扫描传感器的扫描数据；

附图4是基于激光扫描的直缝焊管焊缝检测系统的工作流程，具体步骤包括：

A.利用二维激光扫描传感器Gocator2350沿焊管轴线方向运动,运动方式为编码器模式，等间距采集焊管的二维轮廓数据。运行系统进行数据采集，可获取n组焊缝及焊缝两侧焊管表面的轮廓数据M_i(i＝1,2,…,n)，M_i包含t个离散点，点的坐标为：

P_j＝{x_j,z_j},j＝1,2,…,t；

因为Y坐标表示的是扫描仪的行进方向，Y值的个数即为n，对该位置的二维轮廓没有影响，所以不显示在轮廓数据的坐标中；下面对这些数据进行处理，以得到焊缝的噘嘴值和噘嘴类型；

B.检测中，由于待检测焊管焊缝没有焊接，所以激光扫描仪发出的激光在焊缝处会投影到焊管内部的底端，这些数据会对后面曲率的计算产生影响，所以要对A所述的轮廓数据进行预处理，去除噪点后得到精简的数据M′_i(i＝1,2,…,n)，M′_i包含v个离散点；

C.提取二维轮廓数据M′_i(i＝1,2,…,n)对应的焊缝噘嘴值，包含以下步骤：

C1.根据数据特点，选择差分曲率法计算第i条轮廓M′_i(i＝1,2,…，n)上的点P_j的曲率k_j,根据差分曲率计算公式，可以算出当j＝3,4,…,v-2时点P_j的曲率，差分曲率法计算离散曲率的公式如下：

$k_j=\frac{{\mathrm{\Δx}}_j^{\mathrm{\Δ}2}{z}_j-{\mathrm{\Δ}}^2{x}_j{\mathrm{\Δz}}_j}{{\[{\left({\mathrm{\Δx}}_j\right)}^2+{\left({\mathrm{\Δz}}_j\right)}^2\]}^{\frac{3}{2}}}$

其中， ${\mathrm{\Δx}}_j=\frac{x_{j+1}-x_{j-1}}{2},{\mathrm{\Δz}}_j=\frac{z_{j+1}-z_{j-1}}{2},{\mathrm{\Δ}}^2{x}_j=\frac{{\mathrm{\Δx}}_{j+1}-{\mathrm{\Δx}}_{j-1}}{2},{\mathrm{\Δ}}^2{z}_j=\frac{{\mathrm{\Δz}}_{j+1}-{\mathrm{\Δz}}_{j-1}}{2};$

C2.对C1所述的v-4个曲率值进行K均值聚类，选取K＝2，将轮廓上的离散点聚为两类：S₁和S₂，其中S₁为曲率较大的点的集合，S₂为曲率较小的点的集合，分别对应焊缝中心处轮廓和焊缝两侧轮廓，参照附图5，步骤如下：

(1)选取合适的聚类中心，因为我们要将v-4个曲率值聚类为曲率值较大和曲率值较小两类，故可选取曲率k_j(j＝3,4,…,v-2)中的最大值和最小值为初始聚类中心z₁和z₂；

(2)遍历k_j(j＝3,4,…,v-2)中每一个值，如果|k_j-z₁|＜|k_j-z₂|，k_j∈S₁，反之，k_j∈S₂；

(3)分别计算S₁和S₂中曲率的平均值作为新的聚类中心；

(4)重复步骤(2)、(3)，直到新的聚类中心与前一次计算结果相同，完成聚类；

C3.用S₂中所有曲率值对应的离散点拟合出标准圆，得到圆心O的坐标和圆的半径r；

C4.计算圆心O到焊缝左坡点P和右坡点Q的距离计算第i条焊缝的噘嘴值 其中焊缝左坡点P和右坡点Q是指焊缝中心处轮廓的左右间断点，参照附图3；

D.计算所有n组轮廓数据的噘嘴值Δ₁,Δ₂,…,Δ_n，计算焊管焊缝的平均噘嘴值对噘嘴类型进行判定：若判定噘嘴类型为外噘；若判定噘嘴类型为内噘；若判定焊管焊缝正常。

Claims (2)

1.一种基于激光扫描的直缝焊管焊缝噘嘴检测系统，其特征在于，所述系统由二维激光扫描传感器、传动装置和上位机组成；所述二维激光扫描传感器用于在焊缝上方沿焊管轴线方向等间距扫描焊缝，获取不同位置处焊管径向横截面的二维轮廓数据；所述传动装置用于调节二维激光扫描传感器的位置；所述上位机通过通信线与传动装置运动控制器和二维激光扫描传感器连接。

2.根据权利要求1所述的基于激光扫描的直缝焊管焊缝噘嘴检测系统，其特征在于，所述传动装置包括机架、传感器固定装置、X轴步进电机、Y轴步进电机、Z轴步进电机、X轴导轨、Y轴导轨、Z轴导轨和运动控制器；其中X轴为焊管水平径向方向，Y轴为焊管轴线方向，Z轴垂直于X轴与Y轴构成的平面；所述传感器固定装置用于安装二维激光扫描传感器；所述X轴步进电机带动二维激光扫描传感器沿X轴导轨平移，使焊缝位于二维激光扫描传感器的正下方；所述Y轴步进电机带动二维激光扫描传感器沿Y轴导轨等间距扫描焊缝；所述Z轴步进电机带动二维激光扫描传感器沿Z轴导轨上下移动，用于调节二维激光扫描传感器与焊缝的距离，使焊缝位于二维激光扫描传感器的有效扫描范围内；所述运动控制器用于控制X轴步进电机、Y轴步进电机和Z轴步进电机，并与上位机通信。