CN107036540A - 金属罐径向偏差测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属罐径向偏差测量装置及测量方法，采用爬壁机器人拖带一个光学五棱镜，能起到良好的光学反射作用，并配套电控系统进行控制，实现其在罐壁上沿母线方向的上下行走和自动测点定位，使用全站仪，跟踪机器人所携带的光学五棱镜，在机器人到达各预定的测点而停止后进行自动测距，实现更高准确度和适用性的径向偏差测量。本发明设计新颖合理、智能化程度高，工作稳定可靠、安全性高，完全适用于爆炸危险场合，操作便捷灵活，可大幅减轻劳动强度，提高测量效率，并可提升油罐径向偏差测量的自动化水平，更好的实现JJG168‑2005《立式金属罐容量》的检定规程要求，具有很好的应用推广价值。

Description

金属罐径向偏差测量方法及测量装置

技术领域

本发明属于大型罐体容量计量领域，涉及一种金属罐径向偏差测量方法及测量装置。

背景技术

根据国家计量检定标准JJG168-2005《立式金属罐容量》规定，大型金属立式油罐容量必须进行检定，检定包括首次检定、后续检定和使用中检定。首次检定不超过2年，后续检定不超过4年。

根据检定规程确定的计算方法，油罐圈板半径是油罐容量计算的必要参数，因而，在油罐容量检定时，都要确定油罐所有圈板的半径。

测量圈板半径，首先要在油罐的某一高度，找一个“基圆”，就是为了确定其它圈板的直径或周长，在油罐某一高度上所选择的与其它圆周相比较的基础圆周。选择了基圆，然后测量其它圆周与基圆的半径之差，称为径向偏差，继而确定全部圆周的半径。

目前测量油罐径向偏差的方法有围尺法、全站仪法和光学垂准线法，围尺法在实际操作中存在诸多不便，因此很少使用，而光学垂准线法使用的光学垂准仪是国际首推的测量仪器，测量精度高，使用广泛。按照光学垂准线法，使用携带标尺的磁性滑车，由人工通过固定在油罐顶部的定滑轮牵引沿着油罐罐壁行走，逐次到达规定位置（每个圈板的1/4、3/4高度处），再采用下方的光学准直仪进行读取标尺值，得到该水平测站位置的圈板径向偏差。测完一个水平测站点后，再按照一定弧长把光学垂准仪和磁性滑车组件移动到下一个罐体母线，重复上述测量过程，直到全部测量完成。这一过程需要人工拆装定滑轮、牵引绳索，劳动强度很大，同时在人工牵引情况下，也难以控制磁性滑车在读数时的静止状态，因而影响读数准确度。很多时候还发生磁性滑车偏离母线脱离垂准仪视野问题，因而测量效率较低。

在本次科研课题中首先研制了一种金属罐壁面行走机器人，替代了在原有光学垂准线测量法中的磁性滑车，实现了自动壁面行走，大大降低了人工劳动强度，实现了自动母线定位，定位精度高，很好保证了测点的往返一致性。但是，在测量径向偏差时，还需要在水平测站上安装一台光学垂准仪，使用人工去读取母线上各测点的刻度值（通过机器人拖带的标尺），尚不能达到完全的自动化，人工读数主观性大，受光照条件影响测量准确度仍有待提高。

全站仪法是一种新兴的径向偏差测量手段，就是使用全站仪对立式罐罐壁上的待测点进行测距，进而得到各点的径向偏差。使用全站仪法的优点是实现了自动测距和读数，排除了人工读数的主观性，但是缺点依然存在，一是由于罐壁上并没有标记，因此往返测量时未必测量到同一点；二是因为测距光斑小，容易受到罐壁上微小散坑凹凸对光线反射和散射影响，造成测量随机误差大；三是当罐体较高时，由于测距光入射角很大，导致测量误差变大，这是光学测距原理不能避免的。综上所述，全站仪作为一种测量大型立式罐径向偏差的新技术，有其省力高效的优点，但是也存在着由测量原理所带来的无法回避的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对立式金属罐径向偏差测量工作中单纯全站仪法的不足，提供一种金属罐径向偏差测量装置，它包括可在罐壁上行走的机器人，通过测量机构拖带一个光学五棱镜，沿着金属罐壁母线行走，使用全站仪跟踪机器人所拖带的光学五棱镜，进行自动测距获取径向偏差，用来解决背景技术中单纯全站仪法测量的不足。基于金属罐壁行走机器人拖带光学棱镜靶标，采用全站仪实现对大型立式金属罐径向偏差的更准确测量，进而实现对大型立式罐容积表的准确检定。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

金属罐径向偏差测量方法，包括如下步骤。

步骤1，测量基圆的周长。

步骤2，确定待测母线。

步骤3，确定水平测站数及各圈板垂直测量点位置；计算第一个圈板3/4处的高度，将它设置基圆的测点，将爬壁机器人置于基圆的第一个测点处，使测量机构上的五棱镜中心正好处于测点上。

步骤4，放置并调整全站仪，使得全站仪对准机器人所拖带的五棱镜，能够测距。

步骤5，操作爬壁机器人，使爬壁机器人在母线的预定测点逐点停止，全站仪跟踪并自动读数。

步骤6，测完母线最高测点后，爬壁机器人返回到初始点。

步骤7，将爬壁机器人放置在第二条母线上，重复以上测试步骤，直到所有母线测试完毕。

本发明还提供了一种金属罐径向偏差测量装置，该测量装置包括爬壁机器人、电控系统、测量机构和全站仪。

所述爬壁机器人包括行走机构、传动机构和驱动机构；所述行走机构包括磁性履带、主动轮和从动轮；所述驱动机构包括电机及其驱动器。

所述电控系统包括控制板、电控箱和遥控器，爬壁机器人与电控箱连接；遥控器和电控箱进行通信。

控制板安装在爬壁机器人内，并通过电缆和地面上的电控箱连接，控制板采用单片机配以输入输出接口，主要用来输出电机的控制脉冲信号，采集电机的转速、温度，以及机器人的两个方向的角度，接收来自电控箱的指令，并发送爬壁机器人的参数。

电控箱放置在待测母线附近，实现供电和指令传输，电控箱包含电池、显示器和接口板，电控箱为爬壁机器人提供电源，并通过显示器显示爬壁机器人当前的工作状态，包括速度、高度、角度、温度等信息，同时可以对机器人的基本工作过程进行设置，包括安全高度、运行速度、脉冲距离等关键参数。

爬壁机器人的控制主要通过遥控器实现，操作人员手拿遥控器实现对爬壁机器人的控制，遥控器采用无线通信方式与电控箱进行控制输出和数据读取，实现爬壁机器人的启动、停止、转弯，以及自动化测量控制。

所述测量机构固定在爬壁机器人上，所述测量机构包括五棱镜；爬壁机器人拖带五棱镜作为自动移动反射靶标，采用全站仪进行光学跟踪测距。

金属罐径向偏差测量装置还包括传感器，传感器包括测量机器人工作环境、自身状况与位置姿态的传感器，通过传感器采集的信息，机器人进行故障报警，调整运行方向保证竖直，同时根据机器人本体的俯仰角度进行紧急停车保障安全。

传感器包括设置在爬壁机器人的温度传感器和双轴倾角传感器。

温度传感器，用于采集温升，以便判断自身故障。

双轴倾角传感器，用于监测爬壁机器人的竖直行进偏离角度和爬壁机器人俯仰角度。监测爬壁机器人竖直走向偏角，进而便于调整其航向，检测爬壁机器人的俯仰角，用于吸附安全预警。

作为本发明的进一步改进，所述传动机构包括齿轮减速器和传动齿轮副。

所述爬壁机器人包括防爆壳体，传动齿轮副和行走机构设置在防爆壳体外。

所述磁性履带包括磁铁，磁铁通过磁铁座固定到链条上。

所述磁铁表面设有橡胶薄膜，以增大滑动摩擦系数。

所述行走机构还包括张紧轮。张紧轮，通过弹簧的拉力保持一定力量压紧磁性履带，使磁性履带前部行走时总是贴紧到金属罐壁上。

作为本发明的进一步改进，所述测量机构，还包括活动轴、车轮、滑块和配重，活动轴的双侧设有车轮，活动轴上设有能够在其上滑动的滑块，将五棱镜安装在滑块上，配重也安装在滑块上。

所述测量机构可拆卸地固定在爬壁机器人上。

配重上端加工成T形，能够插入滑块底部的燕尾槽。

滑块上有圆柱，五棱镜上设有U形槽，U形槽穿过滑块固定圆柱。在安装五棱镜后，应调整配重在燕尾槽中的深度，使五棱镜保持固定斜角。

控制板并通过隔爆连接器和电缆与电控箱连接。

爬壁机器人上还设有磁铁安装板，磁铁安装板上固定有磁铁安装套，磁铁安装套上设有防倾磁铁。

所述防倾磁铁外还设有磁铁护片。

本发明所提出的新的技术方案是一种径向偏差测量机器人，其特征在于采用爬壁机器人拖带一个光学五棱镜，能起到良好的光学反射作用，并配套电控系统进行控制，实现其在罐壁上沿母线方向的上下行走和自动测点定位，使用全站仪，跟踪机器人所携带的光学五棱镜，在机器人到达各预定的测点而停止后进行自动测距，实现更高准确度和适用性的径向偏差测量。

在使用本发明提供的机器人配合全站仪进行金属罐径向偏差测量时，径向偏差测量流程不变。

本发明的有益效果是，设计新颖合理、智能化程度高，工作稳定可靠、安全性高，完全适用于爆炸危险场合，操作便捷灵活，既可以通过全站仪大幅减轻劳动强度，提高测量效率，又能通过光学棱镜克服单纯全站仪在测量时，面临的光照环境、大角度入射以及漫散射造成的测量误差，避免无效测量，提升油罐径向偏差测量的自动化水平，更好的实现JJG168-2005《立式金属罐容量》的检定规程要求，具有很好的应用推广价值。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1是本发明整体结构简图。

图2是爬壁机器人及测量机构的主视图。

图3是图2中去盖半剖的爬壁机器人结构图。

图4是图3中A-A面示意图。

图5是图3中E-E面示意图。

图6是磁性履带结构示意图。

图7是图6中A-A面结构示意图。

图8是传动齿轮副结构示意图。

图9是测量机构结构示意图。

图10是图9中B-B面结构示意图。

其中，1、爬壁机器人；2、测量机构；3、电控箱；4、遥控器；5、罐壁；6、地面；7、磁性履带；8、从动轮；9、传动齿轮副；10、双轴倾角传感器；11、防爆壳体；12、防爆壳盖；13、五棱镜；14、活动轴；15、车轮；16、滑块；17、配重；18、连接杆；19、隔爆连接器；20、把手；21、磁铁安装板；22、磁铁安装套；23、防倾磁铁；24、磁铁护片；25、全站仪。

701、磁铁；702、链条；703、磁铁座；704、橡胶薄膜。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，一种金属罐径向偏差测量装置，包括爬壁机器人1、测量机构2、由电控箱3和遥控器4组成的电控系统、全站仪25。

所述测量机构2包括五棱镜13；爬壁机器人1拖带五棱镜13作为自动移动反射靶标，采用全站仪25进行光学跟踪测距。

如图2-图5所示，所述爬壁机器人1，包括行走机构、传动机构、电机及其驱动器、控制板及传感器。

如图6-图7所示，行走机构是由磁性履带7、主动轮、从动轮8和张紧轮构成，磁性履带7绕在主动轮、从动轮8上，磁性履带7包括磁铁701，磁铁701选用磁性强的钕铁硼磁铁，履带选用链条702，钕铁硼磁铁块用平头螺丝通过磁铁座703固定到链条702上，机器人双侧链条每侧各有48个磁块701，经计算，只要每侧16个磁块701吸附在罐壁5上，机器人就可保证牢固吸附。

为避免机器人在自重作用下在罐壁5上发生滑动摩擦，每块磁铁701表面都粘贴了橡胶薄膜704以增大滑动摩擦系数。

传动机构包括齿轮减速器和传动齿轮副9构成；传动齿轮副9如图8所示。行星齿轮减速器减速比为1:10，选用集成行星齿轮减速器的山社42型步进电机及MD-2422型步进电机驱动器，作为驱动机构为机器人行走提供动力。

传感器包括测量机器人工作环境、自身状况与位置姿态的传感器，通过传感器采集的信息，机器人进行故障报警，调整运行方向保证竖直，同时根据机器人本体的俯仰角度进行紧急停车保障安全。

为监测步进电机的发热情况，及时进行故障预警，在双侧步进电机上粘贴温度传感器进行温度采集，同时，在机器人壳体内安装双轴倾角传感器10，分别监测机器人的竖直行进偏离角度和机器人俯仰角度，用竖直偏离角度来矫正机器人的运行方向，防止跑偏；用俯仰角度保障安全，防止遇到较大焊缝或者异常情况时，机器人仰头脱离罐壁，因此应设定，当检测到俯仰角度超过15°时，应紧急自动停止机器人行走。

行走机构和传动齿轮副9在防爆壳体11外部，其它部件封闭在防爆壳体11内，并用防爆壳盖12盖紧，从而能够安全应用于爆炸危险场合，同时有利于减小外壳宽度降低重量。

如图9-图10所示，所述测量机构，包括五棱镜13、活动轴14、车轮15、滑块16和配重17。

活动轴14的双侧设有车轮15，活动轴14上设有能够在其上滑动的滑块16，五棱镜13安装在滑块16上，配重17也安装在滑块16上。

测量机构通过双侧的连接杆18连接到爬壁机器人1尾部。测量机构可以整体从爬壁机器人1的尾部拆下，以便进行准确度检定。滑块上面有一个固定圆柱，与螺孔都位于金属罐径向法线上，五棱镜零刻度端有一个U形槽，五棱镜U形槽穿过滑块固定圆柱，再使用螺丝固定，这样可保证五棱镜平行于金属罐径向法线。

测量机构采用双轮连轴支撑结构，滑块安装五棱镜与配重成约90°夹角，滑块可在连轴上自由转动和左右滑动，配重上端加工成T形，能够插入滑块底部的燕尾槽，通过旋钮可调整配重嵌入距离，进而能把五棱镜调整为自由水平状态。

所述的电控系统，包括控制板、电控箱3和遥控器4，控制板安装机器人防爆壳体11内，电控箱3为一个包含电池、显示器、接口板的隔爆壳体，放置在待测母线附近，控制板通过机器人外壳上的隔爆连接器19，使用电缆和地面6上的电控箱3连接，实现供电和指令传输，操作人员手拿遥控器4实现对机器人的控制，遥控器4采用无线通信方式进行控制输出和数据读取。

机器人及测量机构、电控箱3及附件可分别装入一个拉杆箱里，便于远程移动，机器人上还有一个把手20，便于操作人员携带进出作业区域。

机器人控制板是机器人的控制核心部件，采用32位ARM单片机设计，配以输入输出接口，主要用来输出步进电机的控制脉冲信号，采集步进电机的转速、温度，以及机器人的两个方向的角度，通过RS485通信接口接收来自电控箱3的指令，并发送当前机器人的各个参数。

电控箱3主要功能是为机器人提供电源，并可以通过一个触摸屏显示器显示机器人当前的工作状态，包括速度、高度、角度、温度等信息，同时可以通过触摸屏对机器人的基本工作过程进行设置，包括安全高度、运行速度、脉冲距离等关键参数。

机器人的控制主要通过遥控器4实现，遥控器4选用通用的手机型手持终端，带LCD字符显示屏和19个按键，通过按键和无线通信，实现机器人的启动、停止、转弯，以及自动化测量控制。遥控器4和电控箱3之间采用433MHz无线通信，通信协议采用MODBUS协议，遥控器4为主机，机器人为从机。

爬壁机器人1上还设有磁铁安装板21，磁铁安装板21上固定有磁铁安装套22，磁铁安装套22上设有防倾磁铁23，所述防倾磁铁23外还设有磁铁护片24。

采用爬壁机器人配合全站仪进行金属罐径向偏差测量的步骤：

1、用围尺测量基圆的周长（第一圈板的3/4高度处）。

2、确定待测母线。

4、水平测站数和垂直测量点的确定，水平测站数及各圈板垂直测量点位置的确定, 采用光学垂准线法进行。首先计算第一个圈板3/4处的高度，将它设置基圆的测点，将爬壁机器人置于基圆的第一个测点处，使其测量机构上的五棱镜中心正好处于测点上。

5、放置并调整全站仪，使得全站仪对准机器人所拖带的五棱镜，能够测距。

6、操作机器人，使机器人在母线的预定测点逐点停止，全站仪跟踪并自动读数。

7、测完母线最高测点后，机器人返回到初始点。

9、将爬壁机器人放置在第二条母线上，重复以上测试步骤，直到所有母线测试完毕。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.金属罐径向偏差测量方法，其特征是，包括如下步骤；

步骤1，测量基圆的周长；

步骤2，确定待测母线；

步骤3，确定水平测站数及各圈板垂直测量点位置；计算第一个圈板3/4处的高度，将它设置基圆的测点，将爬壁机器人置于基圆的第一个测点处，使测量机构上的五棱镜中心正好处于测点上；

步骤4，放置并调整全站仪，使得全站仪对准机器人所拖带的五棱镜，能够测距；

步骤5，操作爬壁机器人，使爬壁机器人在母线的预定测点逐点停止，全站仪跟踪并自动读数；

步骤6，测完母线最高测点后，爬壁机器人返回到初始点；

步骤7，将爬壁机器人放置在第二条母线上，重复以上测试步骤，直到所有母线测试完毕。

2.一种金属罐径向偏差测量装置，其特征是，该测量装置包括爬壁机器人、电控系统、测量机构和全站仪；

所述爬壁机器人包括行走机构、传动机构和驱动机构；所述行走机构包括磁性履带、主动轮和从动轮；所述驱动机构包括电机及其驱动器；

所述电控系统包括控制板、电控箱和遥控器，爬壁机器人与电控箱连接；遥控器和电控箱进行通信；

控制板安装在爬壁机器人内，并通过电缆和地面上的电控箱连接，控制板采用单片机配以输入输出接口，主要用来输出电机的控制脉冲信号，采集电机的转速、温度，以及机器人的两个方向的角度，接收来自电控箱的指令，并发送爬壁机器人的参数；

电控箱放置在待测母线附近，实现供电和指令传输，电控箱包含电池、显示器和接口板，电控箱为爬壁机器人提供电源，并通过显示器显示爬壁机器人当前的工作状态，包括速度、高度、角度、温度等信息，同时可以对机器人的基本工作过程进行设置，包括安全高度、运行速度、脉冲距离等关键参数；

爬壁机器人的控制主要通过遥控器实现，操作人员手拿遥控器实现对爬壁机器人的控制，遥控器采用无线通信方式与电控箱进行控制输出和数据读取，实现爬壁机器人的启动、停止、转弯，以及自动化测量控制；

所述测量机构固定在爬壁机器人上，所述测量机构包括五棱镜；爬壁机器人拖带五棱镜作为自动移动反射靶标，采用全站仪进行光学跟踪测距；

金属罐径向偏差测量装置还包括传感器，传感器包括设置在爬壁机器人的温度传感器和双轴倾角传感器；

温度传感器，用于采集温升，以便判断自身故障；

双轴倾角传感器，用于监测爬壁机器人的竖直行进偏离角度和爬壁机器人俯仰角度；监测爬壁机器人竖直走向偏角，进而便于调整其航向，检测爬壁机器人的俯仰角，用于吸附安全预警。

3.如权利要求2所述的金属罐径向偏差测量装置，其特征是，所述爬壁机器人包括防爆壳体。

4.如权利要求2所述的金属罐径向偏差测量装置，其特征是，所述行走机构还包括张紧轮。

5.如权利要求2所述的金属罐径向偏差测量装置，其特征是，所述磁性履带包括磁铁，磁铁通过磁铁座固定到链条上，所述磁铁表面设有橡胶薄膜，以增大滑动摩擦系数。

6.如权利要求1所述的金属罐径向偏差测量装置，其特征是，所述测量机构，还包括活动轴、车轮、滑块和配重，活动轴的双侧设有车轮，活动轴上设有能够在其上滑动的滑块，五棱镜安装在滑块上，配重也安装在滑块上。

7.如权利要求2或6所述的金属罐径向偏差测量装置，其特征是，所述测量机构可拆卸地固定在爬壁机器人上。

8.如权利要求6所述的金属罐径向偏差测量装置，其特征是，配重上端加工成T形，能够插入滑块底部的燕尾槽。

9.如权利要求6所述的金属罐径向偏差测量装置，其特征是，滑块上有圆柱，五棱镜上设有U形槽，U形槽穿过滑块固定圆柱。

10.如权利要求2所述的金属罐径向偏差测量装置，其特征是，爬壁机器人上还设有磁铁安装板，磁铁安装板上固定有磁铁安装套，磁铁安装套上设有防倾磁铁。