CN106767579A - 一种基于超声波测距技术的合拢管测量装置及测量方法 - Google Patents

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邹家生
许祥平
严铿
黄晓龙
叶友利
施志强
高飞
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Abstract

本发明公开了一种基于超声波测距技术的合拢管测量装置，两根合拢管的两端分别为第一法兰和第二法兰，该合拢管测量装置包括机箱，机箱的上方设有旋转轴，旋转轴顶端安装有超声波发射器，在待测合拢管的第一法兰与第二法兰上安装超声波接收器，所述超声波发射器内及超声波接收器内分别装有第一角度传感器与第二角度传感器。本发明的一种基于超声波测距技术的合拢管测量装置，可实现高效、精确、经济地测出待合拢管第一法兰和第二法兰的空间位置关系，设计合理，结构简单，有效降低工业成本。

Description

一种基于超声波测距技术的合拢管测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及基于超声波测距技术的合拢管测量装置及测量方法，属于合拢管的测量技术领域。
背景技术
船舶里面到处都铺满了管道，这些管件的设计、制造及在船内安装后的检查等一系列的作业被称作“管道铺设”。通常船舶是分段建造的，在分段合拢时分段间的管线就需要合拢管来连接，但依靠管线设计图纸制造出各式各样的合拢管，合拢管的制作通常采用取型法和现场焊接法。
取型法是将两个法兰固定到需要连接的两个管子的法兰上，然后用角铁将这两个法兰焊接成整体，搬运到管线加工平台上，测量两个法兰的位置关系后工人凭借自己的经验确定大概的直管长度和弯管角度以及弯管的数量，待直管和弯管加工好之后开始和两个法兰进行装配，在装配时不断地根据实际情况对直管和弯管进行切割或者更换，直到各连接处配合合适才开始正式的焊接。现场焊接法是指事先绘制合拢处的局部草图，然后做出较局部草图稍长的管材，在安装现场切割然后焊接的方法。这种方法只适合需合拢的两个管子的法兰空间位置相对简单的情况。这两种方法存在以下缺点：
(1)精度低，导致合格率降低；
(2)作业时间长，安全隐患多；
(3)材料浪费严重，导致成本提高；
(4)船内焊接、切割等操作存在火灾隐患；
(5)需要技术熟练、经验丰富的专业技工才能完成。
在管道制作中最困难的是“保证成品良好的精度”。但是采用上面两种方法经常会出现制造出的合拢管法兰螺栓空位置不正确，导致无法安装的情况发生。这两种方法存在效率低、材料浪费严重、加工精度低及存在安全隐患等缺点。因此一种更为简单、测量精度更高、高效的合拢管测量装置及方法对设备制造企业具有重要的实际意义。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于超声波测距技术的合拢管测量装置及测量方法，可实现高效、精确、经济地测出待合拢管第一法兰和第二法兰的空间位置关系。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于超声波测距技术的合拢管测量装置，两根合拢管的两端分别为第一法兰和第二法兰，该合拢管测量装置包括机箱，机箱的上方设有旋转轴，旋转轴顶端安装有超声波发射器，在待测合拢管的第一法兰与第二法兰上安装超声波接收器，所述超声波发射器内及超声波接收器内分别装有第一角度传感器与第二角度传感器。
作为优选，所述机箱上安装有控制面板，控制面板上包括电源开关、正常运行指示灯与警示灯，在控制面板右侧设有两排按钮，用于控制超声波发射与复位、设置超声波发射频率(38KHz～42KHz)与旋转轴旋转角度及控制蓝牙开启和关闭。
作为优选，所述机箱内安装有电机，电机设有电机轴，电机轴上套有第一锥齿轮，所述旋转轴通过轴承套在机箱上，旋转轴上套有与第一锥齿轮啮合的第二锥齿轮。
作为优选，所述机箱下方设有电源接口。
作为优选，所述超声波发射器的端部设有一半球形超声波换能器，发射角度范围为-90°～90°。
作为优选，所述超声波发射器与超声波接收器，第一角度传感器与第二角度传感器通过蓝牙信号连接并进行数据同步。
一种上述基于超声波测距技术的合拢管测量装置的测量方法，建立空间笛卡尔坐标系，以超声波发射源为零点位置，以沿超声波发射方向的水平位置为x轴矢量正方向，以竖直向上为z轴矢量正方向，根据右手定律，确定y轴方向，设P1点为超声波接收器接收到超声波信号时的坐标点，则P1点可以利用依次来确定，其中r为原点O与点P1之间的距离，为从正z轴来看自x轴按逆时针方向转到有向线段的角，θ为有向线段于z轴正向所夹的角，为有向线段OP与Z轴正向所夹的角，为线段OP在xOy平面的投影线段OA与x轴正向的夹角，通过超声波接收器内的第二传感器可以测定的大小，从而可以确定OP在xOy平面内的投影线段OA，超声波发射器内的第一传感器可以测定OA与x轴正向的夹角θ的大小，从而可以确定法兰表面上一点的坐标，以同样的方法再测定出P2点与P3点的坐标，利用三点确定一个平面的原理就可以得到法兰在空间中的位置，具体测量方法包括以下步骤：
(1)将测量装置安装在现场适当的平整位置上，将超声波接收器安装在第一法兰表面一处；
(2)接通机箱电源，打开电源开关，设定与法兰盘相适应的旋转轴角度，设定超声波发射频率，按下控制面板上的复位按钮，并打开蓝牙开关；
(3)利用工业PDA机连接上蓝牙信号，按下超声波发射按钮，PDA机记录下 的数据；
(4)取下超声波接收器，将其安装在第一法兰表面的其它两处，按照上述操作分别记录下与的数据；
(5)利用同样的方法记录下第二法兰表面三点的数据，将这些数据导入PC电脑，通过三维数据处理软件自动将测量数据转换成法兰的空间位置。
在本发明中，超声波接收器固定在法兰的一个点上时，此时超声波接收器是不移动的，第二角度传感器测量是以此时超声波接收器接收到的信号与Z轴的夹角，而第一角度传感器测量是OA线段与X轴的夹角，这个OA信号是第二角度传感器传来的，超声波接收器，超声波发射器以及两个角度传感器都是用蓝牙连接在一起的，可以进行信号及数据同步。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明的一种基于超声波测距技术的合拢管测量装置测量精度高，为合拢管安装提供了可靠的数据，在保证生产质量的同时提高了作业效率。
(2)本发明的一种基于超声波测距技术的合拢管测量装置利用蓝牙数据同步技术，使操作更为简便，测量数据记录及时可靠。
(3)本发明的一种基于超声波测距技术的合拢管测量装置设备加工制造简单，适用性广，能用于各种行业合拢管的安装制造，可以大规模生产应用。
(4)本发明的一种基于超声波测距技术的合拢管测量装置设计合理，结构简单，有效降低工业成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明另一角度的结构示意图。
图3为本发明中测定P点坐标中θ与角的原理示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的一种基于超声波测距技术的合拢管测量装置，由机箱1、旋转轴2、超声波发射器3、超声波发射器5、第一法兰4、第二法兰7组成。所述机箱1的上方设有旋转轴2，超声波发射器3安装在旋转轴2的上方，在待测合拢管的第一法兰4与第二法兰上7安装超声波接收器5，超声波发射器3与超声波接收器4，第一角度传感器与第二角度传感器通过蓝牙信号连接进行数据同步。
在本发明中所述机箱1上安装有控制面板6，控制面板6上包括电源开关9、正常运行指示灯10与警示灯11，在控制面板右侧设有两排按钮7，用于控制超声波发射与复位、设置超声波发射频率(38KHz～42KHz)与旋转轴旋转角度及控制蓝牙开启和关闭，机箱1下方设有电源接口12，所述超声波发射器3的端部设有一半球形超声波换能器13，发射角度范围为-90°～90°，所述超声波发射器内及超声波接收器内分别装有第一角度传感器与第二角度传感器，分别用于测量θ与
在本发明中，所述机箱1内安装有电机，电机设有电机轴，电机轴上套有第一锥齿轮，所述旋转轴2通过轴承套在机箱1上，旋转轴2上套有与第一锥齿轮啮合的第二锥齿轮。
一种利用上述基于超声波测距技术的合拢管测量装置，其测量根据是建立空间笛卡尔坐标系，以超声波发射源为零点位置，以沿超声波发射方向的水平位置为x轴矢量正方向，以竖直向上为z轴矢量正方向，根据右手定律，确定y轴方向。如图3所示，设P1点为超声波接收器接收到超声波信号时的坐标点，则P1点可以利用依次来确定，其中r为原点O与点P1之间的距离，为从正z轴来看自x轴按逆时针方向转到有向线段的角，θ为有向线段于z轴正向所夹的角，为有向线段OP与Z轴正向所夹的角，为线段OP在xOy平面的投影线段OA与x轴正向的夹角，通过超声波接收器内的第二传感器可以测定的大小，从而可以确定OP在xOy平面内的投影线段OA，超声波发射器内的第一传感器可以测定OA与x轴正向的夹角θ的大小，从而可以确定法兰表面上一点的坐标，以同样的方法再测定出P2点与P3点的坐标，利用三点确定一个平面的原理就可以得到法兰在空间中的位置。具体测量方法包括以下步骤：
(1)将测量装置安装在现场适当的平整位置上，将超声波接收器安装在第一法兰表面一处；
(2)接通机箱电源，打开电源开关，设定与法兰盘相适应的旋转轴角度，设定超声波发射频率，按下控制面板上的复位按钮，并打开蓝牙开关；
(3)利用工业PDA机连接上蓝牙信号，按下超声波发射按钮，PDA机记录下 的数据；
(4)取下超声波接收器，将其安装在第一法兰表面的其它两处，按照上述操作分别记录下与的数据；
(5)利用同样的方法记录下第二法兰表面三点的数据，将这些数据导入PC电脑，通过三维数据处理软件自动将测量数据转换成法兰的空间位置。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于超声波测距技术的合拢管测量装置，两根合拢管的两端分别为第一法兰和第二法兰，其特征在于：该合拢管测量装置包括机箱，机箱的上方设有旋转轴，旋转轴顶端安装有超声波发射器，在待测合拢管的第一法兰与第二法兰上安装超声波接收器，所述超声波发射器内及超声波接收器内分别装有第一角度传感器与第二角度传感器。
2.根据权利要求1所述的基于超声波测距技术的合拢管测量装置，其特征在于：所述机箱上安装有控制面板，控制面板上包括电源开关、正常运行指示灯与警示灯，在控制面板右侧设有两排按钮。
3.根据权利要求1所述的基于超声波测距技术的合拢管测量装置，其特征在于：所述机箱内安装有电机，电机设有电机轴，电机轴上套有第一锥齿轮，所述旋转轴通过轴承套在机箱上，旋转轴上套有与第一锥齿轮啮合的第二锥齿轮。
4.根据权利要求1所述的基于超声波测距技术的合拢管测量装置，其特征在于：所述机箱下方设有电源接口。
5.根据权利要求1所述的基于超声波测距技术的合拢管测量装置，其特征在于：所述超声波发射器的端部设有一半球形超声波换能器，发射角度范围为-90°～90°。
6.根据权利要求1所述的基于超声波测距技术的合拢管测量装置，其特征在于：所述超声波发射器与超声波接收器，第一角度传感器与第二角度传感器通过蓝牙信号连接并进行数据同步。
7.一种利用权利要求1至6任一项所述的基于超声波测距技术的合拢管测量装置的测量方法，其特征在于，建立空间笛卡尔坐标系，以超声波发射源为零点位置O，以沿超声波发射方向的水平位置为x轴矢量正方向，以竖直向上为z轴矢量正方向，根据右手定律，确定y轴方向，设P1点为超声波接收器接收到超声波信号时的坐标点，则P1点可以利用(r，θ)依次来确定，其中r为原点O与点P1之间的距离，为从正z轴来看自x轴按逆时针方向转到有向线段的角，θ为有向线段于z轴正向所夹的角，第一传感器测定夹角θ的大小，第二传感器测定的大小，从而可以确定法兰表面上一点的坐标，以同样的方法再测定出P2点与P3点的坐标，利用三点确定一个平面的原理就可以得到法兰在空间中的位置，具体测量方法包括以下步骤：
(1)将测量装置安装在现场适当的平整位置上，将超声波接收器安装在第一法兰表面一处；
(2)接通机箱电源，打开电源开关，设定与法兰盘的旋转轴角度，设定超声波发射频率，按下控制面板上的复位按钮，并打开蓝牙开关；
(3)利用工业PDA机连接上蓝牙信号，按下超声波发射按钮，PDA机记录下(r1，θ1)的数据；
(4)取下超声波接收器，将其安装在第一法兰表面的其它两处，按照上述操作分别记录下(r2，θ2)与(r3，θ3)的数据；
(5)利用同样的方法记录下第二法兰表面三点的(r，θ)数据，将这些数据导入PC电脑，通过三维数据处理软件自动将测量数据转换成法兰的空间位置。
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