CN109211169B - 一种测量管道尺寸参数的检测系统及其检测方法 - Google Patents

一种测量管道尺寸参数的检测系统及其检测方法 Download PDF

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Abstract

一种测量管道尺寸参数的检测系统及其检测方法，包括：检测装置、检测平台以及计算机，检测装置至少为1个，且安装于检测平台之上，检测装置采集到的数据传输至计算机，计算机通过分析计算得出管道尺寸参数，并显示结果。本发明的有益效果是：本发明检测系统简化了人工检测流程，减少了检测作业强度，减少人为误差，提高了检测精度及效率；本发明检测范围广，能够检验直管、S型弯管、U型弯管、Y型三通管道；本发明检测系统采用自动化检测，大大提升了检测效率；本发明检测系统所检测管道的技术参数多，包含了所有管道安装相关技术参数。

Description

一种测量管道尺寸参数的检测系统及其检测方法
所属技术领域
本发明涉及一种测量管道尺寸参数的检测系统及其检测方法。
背景技术
管道在机械设备及管道系统中应用广泛，当管道用于输油、输气、输液、输样等领域管道工程中，现场施工对于管道组装涉及的尺寸要求非常严格。因此管道壁厚、管道内外粗糙度、管道内外圆度、管道端面与管道中心轴线的角度、管道前后安装端端面圆心之间距离及安装端轴线之间角度等技术参数显得十分重要，所以必须检验管道安装尺寸是否符合要求。
目前测量检验管道尺寸，可采用人工检测法：利用游标卡尺、椭圆仪、粗糙度测量仪等简单的检测工具对管道尺寸进行测量。这种方法比较耗时耗力，不适用于大批量管道检测，同时检测精度无法保证。另外检测管道也可采用三维立体成像的方法对管道进行扫描成像，虽然可以检测管道外形尺寸，但是还是需要人为在三维图像中寻找基准进行后期分析，效率低下；并且对于小口径管道安装端的内部是无法扫描成像的，还是需要依靠人工检测，无法保证在同一基准下检测，测量误差大。
发明内容
为了克服现有技术问题，本发明提供一种测量管道尺寸参数的检测系统及其检测方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种测量管道尺寸参数的检测系统及其检测方法，一种测量管道尺寸参数的检测系统包括：检测装置、检测平台以及计算机，检测装置至少为1个，且安装于检测平台之上，检测装置采集到的数据传输至计算机，计算机通过分析计算得出管道尺寸参数，并显示结果；
检测装置由检测模块和三轴模块组成，三轴模块由X轴滚珠丝杆、Y轴滚珠丝杆、Z轴滚珠丝杆组装而成，用于调节检测模块沿着X轴、Y轴、Z轴的运动；
检测模块由外径检测探头、内径检测探头、环形伸缩套、圆柱伸缩杆、水平旋转机构、竖直旋转机构、轴向旋转机构及固定机构组成；固定机构与Z轴滚珠丝杆固定连接，水平旋转机构与固定机构铰接后在水平方向旋转，竖直旋转机构与水平旋转机构铰接后在竖直方向旋转，轴向旋转机构与竖直旋转机构铰接后进行轴向旋转；环形伸缩套为环状，且与轴向旋转机构固定连接，圆柱伸缩杆位于环形伸缩套的中心并与轴向旋转机构固定连接；环形伸缩套的末端固定连接外径检测探头，外径检测探头至少为两个且为偶数，并且圆周方向对称分布；圆柱伸缩杆末端固定连接内径检测探头；外径检测探头及内径检测探头位于同在一个径向平面上，外径检测探头和内径检测探头采用高精度激光测距传感器，实现对距离的检测；
外径检测探头及内径检测探头与水平旋转机构、竖直旋转机构、轴向旋转机构同步转动，且跟随三轴模块的X轴滚珠丝杆、Y轴滚珠丝杆、Z轴滚珠丝杆同步移动；
环形伸缩套以及圆柱伸缩杆轴向伸缩，带动外径检测探头及内径检测探头轴向位移；
检测平台上设有位置基准点O(0、0、0)，检测装置在以该位置基准点为零点的坐标系中建立位置关系，检测模块的中心点为竖直旋转机构的中心A，检测模块的中心A的坐标为(Lx，Ly，Lz)；
一种测量管道尺寸参数的检测系统的检测方法包括以下步骤：
第一步，将被测管道固定在检测平台上，被测管道有两个管道安装端，在检测平台上靠近被测管道的安装端位置各安装一套检测装置，检测装置包括了检测模块以及三轴模块，两个检测模块都在以检测平台基准点O为零点的坐标系中建立位置关系；
第二步，根据被测管道的技术参数在计算机中设置管道壁厚、管道圆度、管道安装端端面与管道中心轴线的角度、管道安装端内外粗糙度、管道前后安装端端面圆心之间距离及安装端轴线之间角度等参数及对应可接受偏差；
第三步，根据被测管道的管道端面的位置粗略调节检测装置各自由度运动，使检测模块的检测端面对准被测管道的管道端面；
记录检测模块中心点A相对于检测平台基准点的坐标(Lx、Ly、Lz)；同时计算机记录检测模块相对基准坐标位置O的水平偏转角δ、竖直偏转角θ，换算得到检测模块的检测截面圆心A1距离检测模块中心点的伸缩移动距离L；即检测模块检测截面圆心A1的坐标位置(X、Y、Z)＝(Lx+LA1cosθcosδ，Ly+LA1sinθ，Lz+LA1cosθsinδ)，同时可以换算得到检测模块轴线方向在三维坐标系中的单位向量[m1，m2，m3]＝[cosθ1cosδ1、sinθ1、cosθ1sinδ1]；
第四步，基准检测位置定位：检测模块围绕被测管道进行轴向旋转检测，同时慢慢伸入被测管道扩大检测范围，当检测模块所有探头都能采集到数据时，计算机记录检测模块采集到的外径检测探头距离管道外壁的数据(A1、A2、A3…An)、内径检测探头距离管道内壁的数据(B1、B2、B3…Bn)。计算机对两组数据进行分析计算得出被测管道1管道一端轴线单位向量为[m4，m5，m6]。控制检测模块中轴向旋转机构、竖直旋转机构、水平旋转机构运动，使得检测模块轴线方向单位向量与被测管道的管道一端轴线单位向量保持一致，即也为[m4，m5，m6]，此时检测模块轴线与被测管道的管道一端的两个轴线重合。同时计算此时检测模块中外径检测探头和内径检测探头的检测截面圆心A1的坐标位置(X1、Y1、Z1)即可完成检测模块基准检测位置的定位，也就是检测模块的检测截面圆心A1的坐标位置(X1、Y1、Z1)，检测模块轴线方向单位向量为[m4，m5，m6]；
第五步，被测管道外径及内径的计算：基准检测位置定位完成后，检测模块退回被测管道端口，检测模块按照单位向量[m4，m5，m6]的方向旋转前进采集数据。检测模块的外径检测探头采集数据为(a1、a2、a3…an)、内径检测探头采集数据为b1、b2、b3…bn)，外径检测探头距离检测截面圆心A1距离为a，内径检测探头距离检测截面圆心A1距离为b；利用数据a减去外径检测探头采集数据(a1、a2、a3…an)，得到被测管道外径参数(Q1、Q2、Q3…Qn)；利用数据b加上外径检测探头采集数据(b1、b2、b3…bn)，得到被测管道内径参数(P1、P2、P3…Pn)；
第六步，被测管道壁厚计算：由于检测模块外径检测探头及内径检测探头同在一个径向平面上，所以根据被测管道外径参数(Q1、Q2、Q3…Qn)、被测管道内径参数(P1、P2、P3…Pn)，两组数据相减得到被测管道壁厚数据(D1、D2、D3…Dn)，通过计算壁厚数据算术平均值则得到被测管道壁厚D，即有
Figure GDA0002530545810000031
第七步，被测管道内外粗糙度计算：根据被测管道外径参数(Q1、Q2、Q3…Qn)、被测管道内径参数(P1、P2、P3…Pn)两组数据，计算得到被测管道外径参数(Q1、Q2、Q3…Qn)数据的平均值Q、被测管道内径参数(P1、P2、P3…Pn)数据的平均值P；计算被测管道外径参数(Q1、Q2、Q3…Qn)数据与管道外径参数平均值Q之间的差值得到数据(ΔQ1、ΔQ2、ΔQ3…ΔQn)，计算被测管道内径参数(P1、P2、P3…Pn)数据与管道内径参数平均值P之间的差值得到数据(ΔP1、ΔP2、ΔP3…ΔPn)；分别求取(ΔQ1、ΔQ2、ΔQ3…ΔQn)、(ΔP1、ΔP2、ΔP3…ΔPn)两组数据绝对值的算术平均值即为被测管道外表面粗糙度Ra1及被测管道内表面粗糙度Ra2，即有
Figure GDA0002530545810000041
第八步，被测管道内外圆度计算：根据被测管道外径参数(Q1、Q2、Q3…Qn)、被测管道内径参数(P1、P2、P3…Pn)两组数据；计算得到被测管道外径参数平均值Q、被测管道内径参数平均值P。选取被测管道外径参数(Q1、Q2、Q3…Qn)、被测管道内径参数(P1、P2、P3…Pn)数据中外径最大值Qx、外径最小值Qy、最大内径Px、最小内径Py。被测管道最大外径Qx减去最小外径Qy的差值除以被测管道外径参数平均值Q的运算结果即为被测管道外圆度O1；被测管道最大内径Px减去最小内径Py的差值除以被测管道内径平均值P的运算结果即为被测管道内圆度O2，即有
Figure GDA0002530545810000042
第九步，管道端面与被测管道中心轴线的角度
Figure GDA0002530545810000046
计算及管道端面圆心A2的确立：检测模块按照基准检测位置的单位向量[m4，m5，m6]的方向旋转前进采集数据，当第一个外径检测探头进入被测管道，并采集到第一个数据时，记录当前位置距离检测模块中心点A的伸缩移动距离L1；当最后一个外径检测探头进入被测管道，并采集到第一个数据时，记录当前位置距离检测模块中心点A的伸缩移动距离L2；管道端面与道被测管道轴线所成的角度为
Figure GDA0002530545810000043
即有
Figure GDA0002530545810000044
Q为被测管道外径平均值；管道端面圆心A2处的伸缩移动距离LA2为两次上述两次伸缩移动距离的平均值，即
Figure GDA0002530545810000045
管道端面圆心A2坐标为(Lx+LA2cosθcosδ，Ly+LA2sinθ，Lz+LA2cosθsinδ)；
第十步，为了区分左、右两个管道端面的圆心，将以上步骤中管道端面圆心A2，分为左端面圆心N，右端面圆心V，为了区分左、右两个检测模块的模块中心点，将以上步骤中模块中心点A，分为左模块中心点M，右模块中心点W；
道被测管道有左右两个管道端面，道被测管道左端的检测模块在基准检测位置时，相对水平位置的偏转角δ1、相对竖直位置的偏转角θ1，被测管道左端面圆心点N距离检测模块中心点M的检测伸缩移动距离为Ln，即有左模块中心点M的坐标位置(Lx1，Ly1，Lz1)、N点坐标(Lx1+Ln cosθ1cosδ1，Ly1+Ln sin θ1，Lz1+Ln cosθ1sinδ1)、MN轴线方向单位向量为
Figure GDA0002530545810000051
道被测管道右端的检测模块在基准检测位置时，相对原本水平位置的偏转角δ2、相对原本竖直位置的偏转角θ2，被测管道左端面圆心V距离右模块中心点W的检测伸缩移动距离为Lv，即有右模块中心点W的坐标位(Lx2，Ly2，Lz2)、V点坐标(Lx2+Lv cosθ2cosδ2，Ly2+Lv sinθ2，Lz2+Lv cosθ2sinδ2)、WV轴线方向单位向量为
Figure GDA0002530545810000052
运算数据后在计算机中建立两组向量的坐标关系，被测管道左、右端面圆心距离LNV即为左端面圆心N点、右端面圆心V点之间的距离，设Lx＝Lx1+Ln cosθ1cosδ1-Lx2-Lvcosθ2cosδ2；、Ly＝Ly1+Ln sinθ1-Ly2-Lv sinθ2、Lz＝Lz1+Ln cosθ1sinδ1-Lz2-Lv cosθ2sinδ2；则
Figure GDA0002530545810000053
采用单位向量法得出被测管道左右端轴线之间的角度Φ，则有
Figure GDA0002530545810000054
第十一步，计算机对计算得到的被测管道的管道壁厚D、管道外粗糙度Ra1、管道内粗糙度Ra2、管道外圆度O1、管道内圆度O2、管道端面与管道中心轴线的角度
Figure GDA0002530545810000055
管道前后安装端端面圆心距离离LNV及安装端轴线角度Φ等技术参数进行记录，并与提前输入的合格参数中数据进行比较，判断是否在偏差范围内，是否满足工程现场的装配要求，同时显示检测结果。
本发明的有益效果是：
1、本发明检测系统简化了人工检测流程，减少了检测作业强度，减少人为误差，提高了检测精度及效率。
2、本发明检测范围广，能够检验直管、S型弯管、U型弯管、Y型三通管道。
3、本发明检测系统采用自动化检测，大大提升了检测效率。
4、本发明检测系统所检测管道的技术参数多，包含了所有管道安装相关技术参数。
附图说明
图1是实施例的结构示意图；
图2书图1中检测装置111的结构图；
图3是图2中检测模块100的结构图；
图4是图3的A-A的剖视图；
图5是图1中检测装置111各自由度运动参数示意图；
图6是计算机模拟的三维坐标系中管道轴线示意图。
图中：001.被测管道；002.检测端面；003.管道端面；111.检测装置；222.检测平台；333.计算机；100.检测模块；200.三轴模块；201.X轴滚珠丝杆；202.Y轴滚珠丝杆；203.Z轴滚珠丝杆；101.外径检测探头；102.内径检测探头；103.环形伸缩套；104.圆柱伸缩杆；105.轴向旋转机构；106.竖直旋转机构；107.水平旋转机构；108.固定机构。
具体实施方式
如图1所示，一种测量管道尺寸参数的检测系统，包括：检测装置111、检测平台222以及计算机333，检测装置111至少为1个，图1的实施例中为2个，分别设置在被测管道001的两端，检测装置111安装于检测平台222之上，检测装置111采集到的数据传输至计算机333，计算机333通过分析计算得出管道尺寸参数，并显示结果；
如图2所示，检测装置111由检测模块100和三轴模块200组成，三轴模块200由X轴滚珠丝杆201、Y轴滚珠丝杆202、Z轴滚珠丝杆203组装而成，用于调节检测模块100沿着X轴、Y轴、Z轴的运动；
如图3、4所示，检测模块由外径检测探头101、内径检测探头102、环形伸缩套103、圆柱伸缩杆104、水平旋转机构107、竖直旋转机构106、轴向旋转机构105及固定机构108组成；固定机构108与Z轴滚珠丝杆203固定连接，水平旋转机构107与固定机构108铰接后在水平方向旋转，竖直旋转机构106与水平旋转机构107铰接后在竖直方向旋转，轴向旋转机构105与竖直旋转机构106铰接后进行轴向旋转；环形伸缩套103为环状，且与轴向旋转机构105固定连接，圆柱伸缩杆104位于环形伸缩套103的中心并与轴向旋转机构105固定连接；环形伸缩套103的末端固定连接外径检测探头101，外径检测探头101至少为两个且为偶数，并且圆周方向对称分布；圆柱伸缩杆104末端固定连接内径检测探头102；外径检测探头101及内径检测探头102位于同在一个径向平面上，外径检测探头101和内径检测探头102采用高精度激光测距传感器，实现对距离的检测；
外径检测探头101及内径检测探头102与水平旋转机构107、竖直旋转机构106、轴向旋转机构105同步转动，且跟随三轴模块200的X轴滚珠丝杆201、Y轴滚珠丝杆202、Z轴滚珠丝杆203同步移动；
环形伸缩套103以及圆柱伸缩杆104轴向伸缩，带动外径检测探头及内径检测探头轴向位移；
如图1所示，检测平台222上设有位置基准点O(0、0、0)，检测装置111在以该位置基准点为零点的坐标系中建立位置关系，如图5所示，检测模块100的中心点为竖直旋转机构106的中心A，检测模块100的中心A的坐标为(Lx、Ly、Lz)。
检测步骤如下：
第一步，将被测管道001固定在检测平台222上，被测管道001有两个管道安装端，在检测平台222上靠近被测管道001的安装端位置各安装一套检测装置111，检测装置111包括了检测模块100以及三轴模块200，两个检测模块100都在以检测平台222基准点O为零点的坐标系中建立位置关系；
第二步，根据被测管道001的技术参数在计算机333中设置管道壁厚、管道圆度、管道安装端端面与管道中心轴线的角度、管道安装端内外粗糙度、管道前后安装端端面圆心之间距离及安装端轴线之间角度等参数及对应可接受偏差；
第三步，根据被测管道001的管道端面003的位置粗略调节检测装置111各自由度运动，使检测模块100的检测端面002对准被测管道001的管道端面003；
记录检测模块100模块中心点A相对于检测平台222基准点的坐标(Lx、Ly、Lz)；同时计算机333记录检测模块100相对基准坐标位置O的水平偏转角δ、竖直偏转角θ，换算得到检测模块100的检测截面圆心A1距离检测模块100模块中心点的伸缩移动距离L；即检测模块100检测截面圆心A1的坐标位置(X、Y、Z)＝(Lx+L cosθcosδ、Ly+L sinθ、，Lz+L cosθsinδ)，同时可以换算得到检测模块100轴线方向在三维坐标系中的单位向量[m1，m2，m3]＝[cosθ1cosδ1、sinθ1、cosθ1sinδ1]；
第四步，基准检测位置定位：检测模块100围绕被测管道001进行轴向旋转检测，同时慢慢伸入被测管道001扩大检测范围，当检测模块100所有探头都能采集到数据时，计算机333记录检测模块100采集到的外径检测探头101距离管道外壁的数据(A1、A2、A3…An)、内径检测探头102距离管道内壁的数据(B1、B2、B3…Bn)。计算机333对两组数据进行分析计算得出被测管道001管道一端轴线单位向量为[m4，m5，m6]。控制检测模块100中轴向旋转机构105、竖直旋转机构106、水平旋转机构107运动，使得检测模块100轴线方向单位向量与被测管道001管道一端轴线单位向量保持一致，即也为[m4，m5，m6]，此时检测模块100轴线与被测管道001管道一端的两个轴线重合。同时计算此时检测模块100中外径检测探头101和内径检测探头102的检测截面圆心A1的坐标位置(X1、Y1、Z1)即可完成检测模块100基准检测位置的定位，也就是检测模块100的检测截面圆心A1的坐标位置(X1、Y1、Z1)，检测模块100轴线方向单位向量为[m4，m5，m6]；
第五步，被测管道001外径及内径的计算：基准检测位置定位完成后，检测模块100退回被测管道001管道端口，检测模块100按照单位向量[m4，m5，m6]的方向旋转前进采集数据。检测模块100的外径检测探头101采集数据为(a1、a2、a3…an)、内径检测探头102采集数据为b1、b2、b3…bn)，外径检测探头101距离检测截面圆心A1距离为a，内径检测探头102距离检测截面圆心A1距离为b；利用数据a减去外径检测探头101采集数据(a1、a2、a3…an)，得到被测管道001外径参数(Q1、Q2、Q3…Qn)；利用数据b加上外径检测探头102采集数据(b1、b2、b3…bn)，得到被测管道001内径参数(P1、P2、P3…Pn)；
第六步，被测管道001壁厚计算：由于检测模块100外径检测探头101及内径检测探头102同在一个径向平面上，所以根据被测管道001外径参数(Q1、Q2、Q3…Qn)、被测管道001内径参数(P1、P2、P3…Pn)，两组数据相减得到被测管道001壁厚数据(D1、D2、D3…Dn)，通过计算壁厚数据算术平均值则得到被测管道001壁厚D，即有
Figure GDA0002530545810000081
第七步，被测管道001内外粗糙度计算：根据被测管道001外径参数(Q1、Q2、Q3…Qn)、被测管道001内径参数(P1、P2、P3…Pn)两组数据，计算得到被测管道001外径参数(Q1、Q2、Q3…Qn)数据的平均值Q、被测管道管001内径参数(P1、P2、P3…Pn)数据的平均值P；计算被测管道001外径参数(Q1、Q2、Q3…Qn)数据与管道外径参数平均值Q之间的差值得到数据(ΔQ1、ΔQ2、ΔQ3…ΔQn)，计算被测管道001内径参数(P1、P2、P3…Pn)数据与管道内径参数平均值P之间的差值得到数据(ΔP1、ΔP2、ΔP3…ΔPn)；分别求取(ΔQ1、ΔQ2、ΔQ3…ΔQn)、(ΔP1、ΔP2、ΔP3…ΔPn)两组数据绝对值的算术平均值即为被测管道001外表面粗糙度Ra1及被测管道001内表面粗糙度Ra2，即有
Figure GDA0002530545810000091
第八步，被测管道001内外圆度计算：根据被测管道001外径参数(Q1、Q2、Q3…Qn)、被测管道001内径参数(P1、P2、P3…Pn)两组数据；计算得到被测管道001外径参数平均值Q、被测管道001内径参数平均值P。选取被测管道001外径参数(Q1、Q2、Q3…Qn)、被测管道001内径参数(P1、P2、P3…Pn)数据中外径最大值Qx、外径最小值Qy、最大内径Px、最小内径Py。被测管道001最大外径Qx减去最小外径Qy的差值除以被测管道001外径参数平均值Q的运算结果即为被测管道001外圆度O1；被测管道001最大内径Px减去最小内径Py的差值除以被测管道001内径参数平均值P的运算结果即为被测管道001内圆度O2，即
Figure GDA0002530545810000092
第九步，管道端面003与被测管道001中心轴线的角度
Figure GDA0002530545810000096
计算及管道端面圆心A2的确立：检测模块100按照基准检测位置的单位向量[m4，m5，m6]的方向旋转前进采集数据，当第一个外径检测探头101进入被测管道001，并采集到第一个数据时，记录当前位置距离检测模块100模块中心点A的伸缩移动距离L1；当最后一个外径检测探头101进入被测管道001，并采集到第一个数据时，记录当前位置距离检测模块100模块中心点A的伸缩移动距离L2；管道端面003与被测管道001轴线所成的角度为
Figure GDA0002530545810000093
即有
Figure GDA0002530545810000094
Q为被测管道001外径平均值；管道端面003圆心A2处的伸缩移动距离L为两次上述两次伸缩移动距离的平均值，即有
Figure GDA0002530545810000095
第十步，本实施中被测管道001有左、右两个管道端面，两个管道端面圆心的距离及两个管道端轴线之间角度计算：如图6所示，为了区分左、右两个管道端面的圆心，将以上步骤中管道端面003圆心A2，分为左端面圆心N，右端面圆心V，为了区分左、右两个检测模块的模块中心点，将以上步骤中模块中心点A，分为左模块中心点M，右模块中心点W；
被测管道001有左右两个管道端面，被测管道001左端的检测模块100在基准检测位置时，相对水平位置的偏转角δ1、相对竖直位置的偏转角θ1，被测管道001左端面圆心点N距离检测模块100模块中心点M的检测伸缩移动距离为Ln，即有左模块中心点M的坐标位置(Lx1，Ly1，Lz1)、N点坐标(Lx1+Ln cosθ1cosδ1，Ly1+Ln sinθ1，Lz1+Ln cosθ1sinδ1)、MN轴线方向单位向量为
Figure GDA0002530545810000101
被测管道001右端的检测模块100在基准检测位置时，相对原本水平位置的偏转角δ2、相对原本竖直位置的偏转角θ2，被测管道001左端面圆心V距离右模块中心点W的检测伸缩移动距离为Lv，即有右模块中心点W的坐标位(Lx2，Ly2，Lz2)、V点坐标(Lx2+Lv cosθ2cosδ2，Ly2+Lv sinθ2，Lz2+Lv cosθ2sinδ2)、WV轴线方向单位向量为
Figure GDA0002530545810000102
运算数据后在计算机333中建立两组向量的坐标关系，被测管道001左、右端面圆心距离LNV即为左端面圆心N点、右端面圆心V点之间的距离，设Lx＝Lx1+Ln cosθ1cosδ1-Lx2-Lv cosθ2cosδ2、Ly＝Ly1+Ln sinθ1-Ly2-Lv sinθ2、Lz＝Lz1+Ln cosθ1sinδ1-Lz2-Lvcosθ2sinδ2；则
Figure GDA0002530545810000103
采用单位向量法得出被测管道001左右端轴线之间的角度Φ，则有
Figure GDA0002530545810000104
第十一步，计算机333对计算得到的被测管道001的管道壁厚D、管道外粗糙度Ra1、管道内粗糙度Ra2、管道外圆度O1、管道内圆度O2、管道端面与管道中心轴线的角度
Figure GDA0002530545810000105
管道前后安装端端面圆心距离LMW及安装端轴线角度Φ等技术参数进行记录，并与提前输入的合格参数中数据进行比较，判断是否在偏差范围内，是否满足工程现场的装配要求，同时显示检测结果。

Claims (1)

1.一种测量管道尺寸参数的检测方法，其特征在于，包括测量管道尺寸参数的检测系统，检测系统包括：检测装置、检测平台以及计算机，所述检测装置至少为1个，且安装于检测平台之上，所述检测装置采集到的数据传输至计算机，所述计算机通过分析计算得出管道尺寸参数，并显示结果；
所述检测装置由检测模块和三轴模块组成，三轴模块由X轴滚珠丝杆、Y轴滚珠丝杆、Z轴滚珠丝杆组装而成，用于调节检测模块沿着X轴、Y轴、Z轴的运动；
所述检测模块由外径检测探头、内径检测探头、环形伸缩套、圆柱伸缩杆、水平旋转机构、竖直旋转机构、轴向旋转机构及固定机构组成；所述固定机构与Z轴滚珠丝杆固定连接，所述水平旋转机构与所述固定机构铰接后在水平方向旋转，所述竖直旋转机构与所述水平旋转机构铰接后在竖直方向旋转，所述轴向旋转机构与所述竖直旋转机构铰接后进行轴向旋转；所述环形伸缩套为环状，且与所述轴向旋转机构固定连接，所述圆柱伸缩杆位于所述环形伸缩套的中心并与所述轴向旋转机构固定连接；所述环形伸缩套的末端固定连接外径检测探头，所述外径检测探头至少为两个且为偶数，并且圆周方向对称分布；所述圆柱伸缩杆末端固定连接内径检测探头；所述外径检测探头及内径检测探头位于同在一个径向平面上，所述外径检测探头和内径检测探头采用高精度激光测距传感器，实现对距离的检测；
所述外径检测探头及内径检测探头与所述水平旋转机构、竖直旋转机构、轴向旋转机构同步转动，且跟随所述三轴模块的X轴滚珠丝杆、Y轴滚珠丝杆、Z轴滚珠丝杆同步移动；
所述环形伸缩套以及所述圆柱伸缩杆轴向伸缩，带动所述外径检测探头及内径检测探头轴向位移；
所述检测平台上设有位置基准点O(0、0、0)，所述检测装置在以该位置基准点为零点的坐标系中建立位置关系，所述检测模块的中心点为所述竖直旋转机构的中心A，检测模块的中心A的坐标为(Lx，Ly，Lz)；
检测方法包括以下步骤：
第一步，将被测管道固定在检测平台上，被测管道有两个管道安装端，在检测平台上靠近被测管道的安装端位置各安装一套检测装置，检测装置包括了检测模块以及三轴模块，两个检测模块都在以检测平台基准点O为零点的坐标系中建立位置关系；
第二步，根据被测管道的技术参数在计算机中设置管道壁厚、管道圆度、管道安装端端面与管道中心轴线的角度、管道安装端内外粗糙度、管道前后安装端端面圆心之间距离及安装端轴线之间角度等参数及对应可接受偏差；
第三步，根据被测管道的管道端面的位置粗略调节检测装置各自由度运动，使检测模块的检测端面对准被测管道的管道端面；
记录检测模块中心点A相对于检测平台基准点的坐标(Lx、Ly、Lz)；同时计算机记录检测模块相对基准坐标位置O的水平偏转角δ、竖直偏转角θ，换算得到检测模块的检测截面圆心A1距离检测模块中心点的伸缩移动距离L；即检测模块检测截面圆心A1的坐标位置(X、Y、Z)＝(Lx+Lcosθcosδ，Ly+Lsinθ，Lz+Lcosθsinδ)，同时可以换算得到检测模块轴线方向在三维坐标系中的单位向量[m1，m2，m3]＝[cosθ1cosδ1、sinθ1、cosθ1sinδ1]；
第四步，基准检测位置定位：检测模块围绕被测管道进行轴向旋转检测，同时慢慢伸入被测管道扩大检测范围，当检测模块所有探头都能采集到数据时，计算机记录检测模块采集到的外径检测探头距离管道外壁的数据(A1、A2、A3…An)、内径检测探头距离管道内壁的数据(B1、B2、B3…Bn)。计算机对两组数据进行分析计算得出被测管道一端轴线单位向量为[m4，m5，m6]。控制检测模块中轴向旋转机构、竖直旋转机构、水平旋转机构运动，使得检测模块轴线方向单位向量与被测管道的管道一端轴线单位向量保持一致，即也为[m4，m5，m6]，此时检测模块轴线与被测管道的管道一端的两个轴线重合。同时计算此时检测模块中外径检测探头和内径检测探头的检测截面圆心A1的坐标位置(X1、Y1、Z1)即可完成检测模块基准检测位置的定位，也就是检测模块的检测截面圆心A1的坐标位置(X1、Y1、Z1)，检测模块轴线方向单位向量为[m4，m5，m6]；
第五步，被测管道外径及内径的计算：基准检测位置定位完成后，检测模块退回被测管道端口，检测模块按照单位向量[m4，m5，m6]的方向旋转前进采集数据。检测模块的外径检测探头采集数据为(a1、a2、a3…an)、内径检测探头采集数据为( b1、b2、b3…bn)，外径检测探头距离检测截面圆心A1距离为a，内径检测探头距离检测截面圆心A1距离为b；利用数据a减去外径检测探头采集数据(a1、a2、a3…an)，得到被测管道外径参数(Q1、Q2、Q3…Qn)；利用数据b加上外径检测探头采集数据(b1、b2、b3…bn)，得到被测管道内径参数(P1、P2、P3…Pn)；
第六步，被测管道壁厚计算：由于检测模块外径检测探头及内径检测探头同在一个径向平面上，所以根据被测管道外径参数(Q1、Q2、Q3…Qn)、被测管道内径参数(P1、P2、P3…Pn)，两组数据相减得到被测管道壁厚数据(D1、D2、D3…Dn)，通过计算壁厚数据算术平均值则得到被测管道壁厚D，即有
Figure FDA0002534249720000031
第七步，被测管道内外粗糙度计算：根据被测管道外径参数(Q1、Q2、Q3…Qn)、被测管道内径(P1、P2、P3…Pn)两组数据，计算得到被测管道外径参数(Q1、Q2、Q3…Qn)数据的平均值Q、被测管道内径参数(P1、P2、P3…Pn)数据的平均值P；计算被测管道外径参数(Q1、Q2、Q3…Qn)数据与管道外径参数平均值Q之间的差值得到数据(ΔQ1、ΔQ2、ΔQ3…ΔQn)，计算被测管道内径参数(P1、P2、P3…Pn)数据与管道内径参数平均值P之间的差值得到数据(ΔP1、ΔP2、ΔP3…ΔPn)；分别求取(ΔQ1、ΔQ2、ΔQ3…ΔQn)、(ΔP1、ΔP2、ΔP3…ΔPn)两组数据绝对值的算术平均值即为被测管道外表面粗糙度Ra1及被测管道内表面粗糙度Ra2，即有
Figure FDA0002534249720000032
第八步，被测管道内外圆度计算：根据被测管道外径参数(Q1、Q2、Q3…Qn)、被测管道内径参数(P1、P2、P3…Pn)两组数据；计算得到被测管道外径参数平均值Q、被测管道内径参数平均值P。选取被测管道外径参数(Q1、Q2、Q3…Qn)、被测管道内径参数(P1、P2、P3…Pn)数据中外径最大值Qx、外径最小值Qy、最大内径Px、最小内径Py。被测管道最大外径Qx减去最小外径Qy的差值除以被测管道外径参数平均值Q的运算结果即为被测管道外圆度O1；被测管道最大内径Px减去最小内径Py的差值除以被测管道内径参数平均值P的运算结果即为被测管道内圆度O2，即有
Figure FDA0002534249720000033
第九步，管道端面与被测管道中心轴线的角度
Figure FDA0002534249720000034
计算及管道端面圆心A2的确立：检测模块按照基准检测位置的单位向量[m4，m5，m6]的方向旋转前进采集数据，当第一个外径检测探头进入被测管道，并采集到第一个数据时，记录当前位置距离检测模块中心点A的伸缩移动距离L1；当最后一个外径检测探头进入被测管道，并采集到第一个数据时，记录当前位置距离检测模块中心点A的伸缩移动距离L2；管道端面与道被测管道轴线所成的角度为
Figure FDA0002534249720000035
即有
Figure FDA0002534249720000041
Q为被测管道外径平均值；管道端面圆心A2处的伸缩移动距离LA2为两次上述两次伸缩移动距离的平均值，即
Figure FDA0002534249720000042
管道端面圆心A2坐标为(Lx+LA2cosθcosδ，Ly+LA2sinθ，Lz+LA2cosθsinδ)；
第十步，为了区分左、右两个管道端面的圆心，将以上步骤中管道端面圆心A2，分为左端面圆心N，右端面圆心V，为了区分左、右两个检测模块的模块中心点，将以上步骤中模块中心点A，分为左模块中心点M，右模块中心点W；
道被测管道有左右两个管道端面，道被测管道左端的检测模块在基准检测位置时，相对水平位置的偏转角δ1、相对竖直位置的偏转角θ1，被测管道左端面圆心点N距离检测模块中心点M的检测伸缩移动距离为Ln，即有左模块中心点M的坐标位置(Lx1，Ly1，Lz1)、N点坐标(Lx1+Ln cosθ1cosδ1，Ly1+Ln sinθ1，Lz1+Ln cosθ1sinδ1)、MN轴线方向单位向量为
Figure FDA0002534249720000043
道被测管道右端的检测模块在基准检测位置时，相对原本水平位置的偏转角δ2、相对原本竖直位置的偏转角θ2，被测管道左端面圆心V距离右模块中心点W的检测伸缩移动距离为Lv，即有右模块中心点W的坐标位(Lx2，Ly2，Lz2)、V点坐标(Lx2+Lv cosθ2cosδ2，Ly2+Lvsinθ2，Lz2+Lv cosθ2sinδ2)、WV轴线方向单位向量为
Figure FDA0002534249720000044
运算数据后在计算机中建立两组向量的坐标关系，被测管道左、右端面圆心距离LNV即为左端面圆心N点、右端面圆心V点之间的距离，设Lx＝Lx1+Ln cosθ1cosδ1-Lx2-Lv cosθ2cosδ2、Ly＝Ly1+Ln sinθ1-Ly2-Lv sinθ2、Lz＝Lz1+Ln cosθ1sinδ1-Lz2-Lv cosθ2sinδ2；则
Figure FDA0002534249720000045
采用单位向量法得出被测管道左右端轴线之间的角度Φ，则有
Figure FDA0002534249720000046
第十一步，计算机对计算得到的被测管道的管道壁厚D、管道外粗糙度Ra1、管道内粗糙度Ra2、管道外圆度O1、管道内圆度O2、管道端面与管道中心轴线的角度
Figure FDA0002534249720000047
管道前后安装端端面圆心距离离LNV及安装端轴线角度Φ等技术参数进行记录，并与提前输入的合格参数中数据进行比较，判断是否在偏差范围内，是否满足工程现场的装配要求，同时显示检测结果。
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