CN107664483B - 一种圆柱棒材形状参数测量方法 - Google Patents

Abstract

一种圆柱棒材形状参数测量方法，采用一组对射式位置测量传感器测量圆柱棒材圆周方向的外边界轮廓点，移动并使该传感器绕圆柱棒材旋转获得圆柱棒材多个截面的外轮廓形状；通过多个轮廓相对位置关系进行误差校正和拟合，最后计算圆度及圆柱度参数。本发明测量方法能够高精度定量化圆柱棒材的形状参数测量，取代人工测量手段，提高检测效率和数据测量精度。

Description

一种圆柱棒材形状参数测量方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种圆柱棒材形状参数测量方法。

背景技术

圆棒材参数测量是管棒线生产企业生产的产品所耗费时间较长的工序步骤之一，但因为该工序的重要性，无法被省略。目前对圆形棒材参数，例如：内外径测量、圆度测量、圆柱度测量等通常都要借助多种仪器设备来联合使用，给测量工作带来诸多不便，并且在测量过程中，也会因多工具的联合应用，会带来一定的测量误差。

中国专利201510036516.6公开了一种无缝钢管用内外径测量仪，具有两个对称设置于无缝钢管左右两侧的支撑座，所述的每个支撑座上表面的内侧均设置有可用于测量其到无缝钢管相邻外侧壁之间距离的反光测量体，每个支撑座上表面的外侧均设置有可用于测量其到无缝钢管相邻内侧壁之间距离的超声波测量体，所述的两个反光测量体之间的距离为l，所述的两个超声波测量体之间的距离为L。

中国专利201010202983.9介绍了一种圆度测量设备，包括：旋转台，被测量物体被装载于该旋转台上；接触型触针，该接触型触针被构造成倾斜地接触被测量物体的基本上圆形的被测量表面保持件，该保持件被构造成在预定行程范围内保持所述触针，使得所述触针的倾斜角可变；位移探测器，该位移探测器被构造成探测所述触针的倾斜角的位移，该位移是由触针和被测量表面之间的接触所造成；以及控制器，该控制器被构造成：基于位移探测器的输出估计触针顶端的位置；以及将该位置的最佳行程范围指示给保持件。

以上专利，能够直接或者间接的测量管棒材的圆度和直径尺寸，但是不能很好的计算圆柱度、管端直线度等尺寸。

发明内容

本发明的目的在于提出一种圆柱棒材形状参数测量方法，能够高精度定量化圆柱棒材的形状参数测量，取代人工测量手段，提高检测效率和数据测量精度。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提出一种圆柱棒材形状参数测量方法，采用一组对射式位置测量传感器测量个圆柱棒材的外边界轮廓一个获得多个点，通过该传感器绕圆柱棒材旋转获得圆柱棒材多个截面的轮廓形状。通过多个轮廓相对位置关系进行误差校正和拟合，最后计算圆度及圆柱度参数。

具体的，本发明的一种圆柱棒材形状参数测量方法，包括如下步骤：

1)采用一套对射式位置测量传感器，对射式位置测量传感器的发射端和接收端布置在一个可以旋转的圆环形轨道上，其测量区间覆盖圆柱棒材圆形截面圆周方向的边界；圆柱棒材穿过该圆环形轨道中心，传感器测量面与圆柱棒材轴向垂直，通过获得圆柱棒材外轮廓圆形切线上切点的位置，测量截面圆的外轮廓点；

2)转动圆环形轨道带动传感器旋转一周，传感器获得圆柱棒材一个截面的外轮廓圆数据，将传感器在旋转圆周上的角度位置信息与该位置上测得外轮廓点关联，即可以获得一个外轮廓圆的空间数据点集得到Rn(n＝0-360°)；

3)将所述圆环形轨道沿圆柱棒材轴心方向移动一个位移，使传感器绕圆环形轨道旋转，或者同时在圆柱棒材轴心方向固定的间距并列放置两套传感器，使两套传感器绕圆环形轨道旋转，两种方式都可以获得圆柱棒材轴心方向不同位置上两个截面圆外轮廓的数据点集合，得到P1_i、P2_i(i＝0-360°)，且因为两个截面圆在圆柱棒材轴心方向的间距固定并已知，两个截面圆的轮廓数据也存在空间位置对应关系；

4)对获得的间距固定的两个截面圆轮廓数据，拟合计算圆心并将圆心连线，计算圆柱棒材直径和圆度；

建立三维空间坐标系，定义沿过圆心的圆形旋转轨迹法线方向为X轴，与之垂直的水平线为Y轴，垂直方向为Z轴；

在该坐标系内进行几何数据解析：

分别对步骤3)获得的两个轮廓数据在YOZ平面进行数据分析，由于圆柱轴心与旋转轨迹圆的轴心并不一定一致，所以YOZ平面内获得圆柱截面轮廓可能是个椭圆，因此计算该轮廓点中距离最远的两个点，两个点的连线方向为椭圆长轴方向，中心点定义为C；与两点连线之垂直且过C点的直线方向为短轴方向；根据上述方法分别定位两个截面上轮廓圆形的圆心位置C1和C2；

5)连接圆心C1C2，定义为圆柱轴心方向，将YOZ平面的圆形轮廓P1_i、P2_i(i＝0-360°)向垂直于C1C2的平面YOZ'(Y'OZ')投影，得到P1'_i、P2'_i(i＝0-360°)，然后在Y'OZ'平面内计算投影轮廓的圆度和半径；计算圆柱平均半径R：

针对两个截面分别计算得到R1、R2；

在一个截面圆轮廓中，首先计算各个方向上的半径R_i(i＝0-360°)：

R_i＝|P_i-C|

然后计算圆柱棒材的圆度，计算轮廓圆上最大半径和最小半径的差：

ΔR＝maxR_i-minR_i(i＝0-360°)

6)计算圆柱直线度

沿着圆柱棒材长度方向多次旋转并记录传感器获得的计量值，获得在不同的位置测量轮廓圆的半径和圆心位置C_i(i＝0-N)，即一个三维坐标空间坐标系中沿X轴方向不同位置上的N个圆形；在一个基准下以多个外圆柱外轮廓为已知数据计算圆柱的直线度；

针对空间点集C_i(x，y，z)(i＝0-N)采用最小二乘法计算圆心的拟合直线：

(x-x0)/a＝(y-y0)/b＝(z-z0)/c

然后计算每个点到拟合直线的距离，简化计算为圆心到C_i(x，y，z)点C′_i的距离，其中C′_i定义为拟合直线与过C_i点且与YOZ平面平行平面的交点，C′_i点坐标计算为：

C′_i.x＝C_i.x

C′_i.y＝b((C_i.x-x0)/a)+y0

C′_i.z＝C((C_i.x-x0)/a)+z0

由于C_i与C′_i点都位于过C_i点且与YOZ平面平行的平面内，所以点到直线距离计算为C_i点到C′_i点的距离：

用最大的点到直线间距离表征圆柱直线度表示为：

Δe＝max(d_i)(i＝0-N)。

本发明选用德国METIS公司研制的Lap Laser系列传感器，采用透光检测原理，能够轮廓或者间隙的尺寸进行一维或者多维测量；瑞士仲巴赫(ZUMBACH)公司开发的测径仪，采用相同原理完成直径或者轮廓测量。上述公司的产品都是对一维尺寸或者二维尺寸的测量，而本发明在采用透光原理进行轮廓、边界检测的基础上，通过多个传感器与被测物体的相对位置变化，测得棒材多个截面的尺寸及相对位置关系，进一步的完成形状测量，如棒材端头直度、管接头同心度及角偏差等内容。

本发明的有益效果：

本发明通过三维空间的位置测量和相对运动，截取圆柱棒材多个截面外轮廓数据，通过数据拟合和计算，计算各个截面的圆形半径和各个圆截面之间的相对位置偏差，大大简化了质检人员的工作强度，提高了劳动效率，和测量结果的准确性。

附图说明

图1为本发明测量传感器及被测圆柱棒材布置示意图1。

图2为本发明测量传感器及被测圆柱棒材布置示意图2。

图3为本发明测量圆与计算圆原理图。

图4为本发明测量圆与计算圆原理图。

图5为本发明实施例1计算油井管外径及直度示意图。

图6为本发明实施例2计算钢管外径及直度示意图。

具体实施例

参见图1～图6，本发明的一种圆柱棒材形状参数测量方法，包括如下步骤：

1)采用一套对射式位置测量传感器1，对射式位置测量传感器1的发射端11和接收端12布置在一个可以旋转的圆环形轨道2上，其测量区间覆盖圆柱棒材3圆形截面圆周方向的边界；圆柱棒材3穿过该圆环形轨道2中心，传感器1测量面与圆柱棒材3轴向垂直，通过获得圆柱棒材3外轮廓圆形切线上切点的位置，测量截面圆的外轮廓点；

2)转动圆环形轨道带动传感器旋转一周，传感器获得圆柱棒材一个截面的外轮廓圆数据，将传感器在旋转圆周上的角度位置信息与该位置上测得外轮廓点关联，即可以获得一个外轮廓圆的空间数据点集，得到Rn(n＝0-360°)；

3)将所述圆环形轨道2沿圆柱棒材3轴心方向移动一个位移，使传感器1绕圆环形轨道2旋转，或者同时在圆柱棒材3轴心方向固定的间距并列放置两套传感器1、1’，使传感器1、1’绕圆环形轨道2旋转(如图2所示)，两种方式都可以获得圆柱棒材3轴心方向不同位置上两个截面圆外轮廓的数据点集合，得到P1_i、P2_i(i＝0-360°)，且因为两个截面圆在圆柱棒材3轴心方向的间距固定并已知，两个截面圆的轮廓数据也存在空间位置对应关系；

4)对获得的间距固定的两个截面圆轮廓数据，拟合计算圆心并将圆心连线，计算圆柱棒材直径和圆度；

建立三维空间坐标系，如图3所示，定义沿过圆心O的圆形旋转轨迹法线方向为X轴，与之垂直的水平线为Y轴，竖直方向线为Z轴；

在该坐标系内进行几何数据解析：

分别对步骤3)获得的两个轮廓数据在YOZ平面进行数据分析，由于圆柱轴心与旋转轨迹圆的轴心并不一定一致，所以YOZ平面内获得圆柱截面轮廓可能是个椭圆，因此计算该轮廓点中距离最远的两个点，两个点的连线方向为椭圆长轴方向，中心点定义为C；与两点连线之垂直且过C点的直线方向为短轴方向；根据上述方法分别定位两个截面上轮廓圆形的圆心位置C1和C2；

5)连接圆心C1C2，定义为圆柱轴心方向，将YOZ平面的圆形轮廓向垂直于C1C2的平面YOZ'(Y'OZ')投影，如图4所示，将测量得到的截面上轮廓圆形10，即P1_i、P2_i(i＝0-360°)，投影到平面YOZ'，得到投影圆形20，得到P1'_i、P2'_i(i＝0-360°)，然后在Y'OZ'平面内计算投影轮廓的圆度和半径；

针对投影得到的圆形20，计算圆柱平均半径R，以R1为例：

针对两个截面分别计算得到R1、R2；

在一个截面圆轮廓中，首先计算该圆周上各个方向上的半径R_i

(i＝0-360°)：

R_i＝|P_i-C|

然后计算圆柱棒材的圆度，计算轮廓圆上最大半径和最小半径的差：

ΔR＝maxR_i-minR_i(i＝0-360°)

6)计算圆柱直线度

沿着圆柱棒材长度方向多次旋转并记录传感器获得的计量值，获得在不同的位置测量轮廓圆的半径和圆心位置C_i(i＝0-N)，即一个三维坐标空间坐标系中沿X轴方向不同位置上的N个圆形；在一个基准下以多个外圆柱外轮廓为已知数据计算圆柱的直线度；

针对空间点集C_i(x，y，z)(i＝0-N)采用最小二乘法计算圆心的拟合直线：

(x-x0)/a＝(y-y0)/b＝(z-z0)/c

然后计算每个点到拟合直线的距离，简化计算为圆心到C_i(x，y，z)点C′_i的距离，其中C′_i定义为拟合直线与过C_i点且与YOZ平面平行平面的交点，C′_i点坐标计算为：

C′_i.x＝C_i.x

C′_i.y＝b((C_i.x-x0)/a)+y0

C′_i.z＝c((C_i.x-x0)/α)+z0

由于C_i与C′_i点都位于过C_i点且与YOZ平面平行的平面内，所以点到直线距离计算为C_i点到C′_i点的距离：

用最大的点到直线间距离表征圆柱直线度表示为：

Δe＝max(d_i)(i＝0-N)。

实施例1：计算油井管管端直度和同轴度

针对人工采用骑马规测量方法对油井管端头测量管端直度和同轴度的需求，可以适用本法明提出的办法，通过非接触、高效、准确的方式进行测量。

如图5所示，油井管管端和内部分别配置一组测量传感器，传感器之间位置固定。旋转两组传感器，分别在油井管管端和内部两个部位各测量两个截面，计算这4个截面的圆心C1～C4并连线，这样即获得了管端的直径和中心线C1C2、内部的直径和中心线C3C4，在三维空间坐标系中计算两条直线的夹角θ和距离d，通过直线夹角和直线距离来表征油井管管端直度和同轴度。

实施例2：计算钢管直径、圆度和直线度

如图6所示，在钢管长度方向布置多组传感器，传感器之间的位置固定并可以绕钢管在固定的轨道旋转。测量时多组传感器同步绕钢管旋转一周，获得多个截面的轮廓数据，分别计算各个轮廓圆的圆心C1～C4、圆形半径R1～R4、圆度；将圆心C1～C4连线，计算该连线的直线度，用来表征钢管的直线度。

本发明推广应用前景广阔，可以应用于所有圆形棒材、管材、辊子参数测量。

Claims (1)

1.一种圆柱棒材形状参数测量方法，包括如下步骤：

1)采用一套对射式位置测量传感器，对射式位置测量传感器的发射端和接收端布置在一个可以旋转的圆环形轨道上，其测量区间覆盖圆柱棒材圆形截面圆周方向的边界；圆柱棒材穿过该圆环形轨道中心，传感器测量面与圆柱棒材轴向垂直，通过获得圆柱棒材外轮廓圆形切线上切点的位置，测量截面圆的外轮廓点；

2)转动圆环形轨道带动传感器旋转一周，传感器获得圆柱棒材一个截面的外轮廓圆数据，将传感器在旋转圆周上的角度位置信息与该位置上测得外轮廓点关联，即可以获得一个外轮廓圆的空间数据点集得到Rn(n＝0-360°)；

3)将所述圆环形轨道沿圆柱棒材轴心方向移动一个位移，使传感器绕圆环形轨道旋转，或者同时在圆柱棒材轴心方向固定的间距并列放置两套传感器，使两套传感器绕圆环形轨道旋转，两种方式都可以获得圆柱棒材轴心方向不同位置上两个截面圆外轮廓的数据点集合，得到P1_i、P2_i(i＝0-360°)，且因为两个截面圆在圆柱棒材轴心方向的间距固定并已知，两个截面圆的轮廓数据也存在空间位置对应关系；

4)对获得的间距固定的两个截面圆轮廓数据，拟合计算圆心并将圆心连线，计算圆柱棒材直径和圆度；

建立三维空间坐标系，定义沿过圆心的圆形旋转轨迹法线方向为X轴，与之垂直的水平线为Y轴，竖直方向线为Z轴；

在该坐标系内进行几何数据解析：

分别对步骤3)获得的两个轮廓数据在YOZ平面进行数据分析，由于圆柱轴心与旋转轨迹圆的轴心并不一定一致，所以YOZ平面内获得圆柱截面轮廓可能是个椭圆，因此计算该轮廓点中距离最远的两个点，两个点的连线方向为椭圆长轴方向，中心点定义为C；与两点连线之垂直且过C点的直线方向为短轴方向；根据上述方法分别定位两个截面上轮廓圆形的圆心位置C1和C2；

5)连接圆心C1C2，定义为圆柱轴心方向，将YOZ平面的圆形轮廓P1_i、P2_i(i＝0-360°)向垂直于C1C2的平面Y′OZ′投影，得到P1′_i、P2′_i(i＝0-360°)，然后在Y′OZ′平面内计算投影轮廓的圆度和半径；

计算圆柱平均半径R：

针对两个截面分别计算得到R1、R2；

在一个截面圆轮廓中，首先计算各个方向上的半径R_i(i＝0-360°)：

R_i-|P_i-C|

然后计算圆柱棒材的圆度，计算轮廓圆上最大半径和最小半径的差：

ΔR＝maxR_i-minR_i(i＝0-360°)

6)计算圆柱直线度

沿着圆柱棒材长度方向多次旋转并记录传感器获得的计量值，获得在不同的位置测量轮廓圆的半径和圆心位置C_i(i＝0-N)，即一个三维坐标空间坐标系中沿X轴方向不同位置上的N个圆形；在一个基准下以多个外圆柱外轮廓为已知数据计算圆柱的直线度；

针对空间点集C_i(x，y，z)(i＝0-N)采用最小二乘法计算圆心的拟合直线：

(x-x0)/a＝(y-y0)/b＝(z-z0)/c

然后计算每个点到拟合直线的距离，简化计算为圆心到C_i(x，y，z)点C′_i的距离，其中C′_i定义为拟合直线与过C_i点且与YOZ平面平行平面的交点，C′_i点坐标计算为：

C′_i.x＝C_i·x

C′_i.y＝b((C_i·x-x0)/a)+y0

C′_i·z＝c((C_i·x-x0)/a)+z0

由于C_i与C′_i点都位于过C_i点且与YOZ平面平行的平面内，所以点到直线距离计算为C_i点到C′_i点的距离：

用最大的点到直线间距离表征圆柱直线度表示为：

Δe＝max(d_i)(i＝0-N)。