CN109798859B - 一种钢管自动测量系统及钢管测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢管自动测量系统及方法，所述钢管自动测量系统包括机械臂、旋转装置、检测装置、控制器、钢管安装座；钢管安装座的顶部设置有平放钢管的V形槽；机械臂设置于钢管安装座的一端处；检测装置包括旋转架、内壁测距机构、外壁测距机构；旋转架通过旋转装置连接与机械臂处；内壁测距机构、外壁测距机构相对设置于旋转架处，且测量方向相对设置，分别用于测量与钢管内壁的间距、与钢管外壁的间距；控制器与机械臂、旋转装置、检测装置连接，用于控制旋转装置及机械臂运动，以及根据检测装置所测数据计算钢管参数。本发明具有机械化快速高精度测量钢管参数的优点。

Description

一种钢管自动测量系统及钢管测量方法

技术领域

本发明涉及钢管参数测量技术领域，尤其涉及一种钢管自动测量系统及钢管测量方法。

背景技术

扩径工序，是一种依靠材料的拉伸，将直径较小的空心零件或管毛坯，在半径方向上向外扩张的加工方法。扩径是冶金术语之一，是一种利用液压或机械方式从钢管内壁加力使钢管沿着径向向外扩张成型的压力加工工艺，有热扩径和冷扩径两种方式。

在扩径前后均需要测量钢管参数，目前钢管参数在检验工位一般靠人工进行测量和记录，但这种测量效率低，测量精度的随机性较大。

发明内容

为此，需要提供一种钢管自动测量系统及钢管测量方法,以解决现有技术中的依靠人工测量钢管参数效率低、精度低的问题。

为实现上述目的，发明人提供了一种钢管自动测量系统，包括机械臂、旋转装置、检测装置、控制器、钢管安装座；

所述钢管安装座的顶部设置有平放钢管的V形槽；

所述机械臂设置于钢管安装座的一端处；所述检测装置包括旋转架、内壁测距机构、外壁测距机构；所述旋转架通过旋转装置连接与机械臂处；内壁测距机构、外壁测距机构相对设置于旋转架处，且测量方向相对设置，分别用于测量与钢管内壁的间距、与钢管外壁的间距；

所述控制器与机械臂、旋转装置、检测装置连接，用于控制旋转装置及机械臂运动，以及根据检测装置所测数据计算钢管参数。

进一步地，还包括驱动机构和两个支撑杆；所述旋转架设置有导轨，两个支撑杆均可沿着导轨移动地设置于导轨处；所述驱动机构与两个支撑杆传动连接，用于驱动两个支撑杆相对靠近或远离；所述内壁测距机构、外壁测距机构分别设置于两个支撑杆处，且相对设置；所述控制器还与驱动机构连接，还用于控制驱动机构。

进一步地，所述机械臂为六轴机械臂。

进一步地，所述内壁测距机构、外壁测距机构为超声波测距传感器、激光测距传感器或红外线测距传感器。

进一步地，所述控制器包括工控机、屏显系统及操作系统，所述屏显系统与工控机连接，用于显示机械臂、旋转装置、检测装置的工作状态，以及用于显示钢管参数；所述操作系统与工控机连接，用于向工控机输入信息；所述工控机与机械臂、检测装置、旋转装置连接，用于控制机械臂、检测装置、旋转装置。

发明人还提供了一种钢管测量方法，包括：

确定钢管圆心位置；

内壁测量机构以钢管圆心为定点绕钢管内壁一周，并采集其与若干个样点的间距；

外壁测量机构以钢管圆心为定点绕钢管外壁一周，并采集其与若干个样点的间距；

计算出钢管的各个样点的内径值、外径值、壁厚值。

进一步地，步骤“确定钢管圆心位置”具体包括以下步骤：

将钢管平放于V型辊上；

测量出V型辊夹角值a、V型辊中心点高度值h1及钢管外径值r；

根据三角函数计算出钢管圆心所处的高度值h2＝r/sin(a/2)+h1。

进一步地，采集的样点数为1000个至3600个。

进一步地，步骤“确定钢管圆心位置”后，还包括以下步骤：

内壁测量机构以钢管圆心为定点绕钢管内壁一周，并采集其与若干个样点的间距；

计算出钢管的各个样点的外径值，并比对偏差是否超过预设值；

若是，根据偏差值重新确定钢管圆心位置；

若否，则进入下一步骤。

区别于现有技术，上述技术方案所述的钢管自动测量系统，包括机械臂、旋转装置、检测装置、控制器、钢管安装座；所述钢管安装座的顶部设置有平放钢管的V形槽；所述机械臂设置于钢管安装座的一端处；所述检测装置包括旋转架、内壁测距机构、外壁测距机构；所述旋转架通过旋转装置连接与机械臂处；内壁测距机构、外壁测距机构相对设置于旋转架处，且测量方向相对设置，分别用于测量与钢管内壁的间距、与钢管外壁的间距；所述控制器与机械臂、旋转装置、检测装置连接，用于控制旋转装置及机械臂运动，以及根据检测装置所测数据计算钢管参数。通过机械臂带动检测装置绕钢管壁移动，使得检测装置可以采集若干个样点的数据，进而为控制器计算钢管参数提供数据，可以实现机械化快速高精度测量钢管参数。

附图说明

图1为本发明一实施例涉及的钢管自动测量系统的工作状态图；

图2为本发明一实施例涉及的钢管自动测量系统的结构图；

图3为本发明一实施例涉及的钢管自动测量系统的局部结构图；

图4为本发明一实施例涉及的内壁测距机构、外壁测距机构采集样点时的位置示意图；

图5为本发明一实施例涉及的钢管测量方法的流程图。

附图标记说明：

1、机械臂；

10、底座；

11、第一活动臂；

12、第二活动臂；

13、旋转装置；

2、检测装置；

20、旋转架；

21、支撑杆；

22、内壁测距机构；

23、外壁测距机构；

3、控制器；

4、钢管。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1至图4，本发明提供了一种钢管自动测量系统，用于测量钢管4参数，如椭圆度、周长、管端直径最大值、管端直径最小值、管端平均直径、壁厚等等，可以实现机械化快速高精度测量。

在具体的实施例中，所述钢管自动测量系统包括机械臂1、检测装置2、控制器3、旋转装置13、钢管安装座。所述机械臂1用于带动检测装置2移动，由于钢管4通过钢管安装座固定位置，钢管4的规格也已知并输入控制器3内，因此，机械臂1的功能具体包括带动检测装置2按照预设的定位轨迹移动至测试轨迹的初始点(即预设位置)处，所述旋转装置13用于在带动检测装置2移动至初始点后，带动检测装置2旋转，使得检测装置2可以沿着预设的检测轨迹移动。所述检测装置2用于在机械臂1和旋转装置13的带动下检测钢管4，并将检测结果传送给控制器3。所述控制器3用于控制机械臂1根据预设轨迹移动，以及用于根据检测装置2所测数据计算钢管参数，以及用于确定检测装置2的所处位置，起到定位的作用。其中预设轨迹包括预设的定位轨迹和预设的检测轨迹。

为了便于得到钢管圆心所处高度值以及适应不同直径的钢管，在优选的实施例中，所述钢管安装座的顶部设置有平放钢管的V形槽。无论钢管直径为何值，只要将钢管平放于钢管安装座的V形槽内，钢管的圆心始终位于V形槽的竖向中线处。

所述检测装置2包括旋转架20、内壁测距机构22、外壁测距机构23；内壁测距机构22、外壁测距机构23分别相对设置于旋转架20处，且测量方向相对设置，内壁测距机构22用于测量其与钢管4内壁的间距，外币测量机构用于测量其与钢管4外壁的间距；所述旋转架20与机械臂1连接。请参阅图4，在机械臂1在控制器3的控制之下，按照定位轨迹带着检测装置2移动至检测轨迹的初始点处，使得两个内壁测距机构22、外壁测距机构23分别位于钢管4内和钢管4外，且旋转装置13位于钢管的圆心处，此时旋转装置13则可以带着旋转架20旋转，使得两个内壁测距机构22、外壁测距机构23分别沿着钢管4的内壁和钢管4的外壁移动一周。在移动的过程中，内壁测距机构22、外壁测距机构23同步采集样点数据，采集的样点的个数可以通过控制器3设置，如1000点/周，采集的样点个数最多可达3600点/周。因此，钢管直径则为采集样点的平均直径，以及整个圆周的直径。钢管周长测量则根据整个圆周的多角度细分直径测量值，等分拟合计算出周长，测量细分点数量大，周长精度高。管端椭圆度则可根据需要显示和标记最大直径位置和最小直径位置，椭圆度用最大直径和最小直径的差值表示。

在进一步的实施例中，所述内壁测距机构22、外壁测距机构23可以为超声波测距传感器、激光测距传感器或红外线测距传感器，可以采用基恩士或松下高精度传感器，这样则可以实现较高的精度测量。

因此，本钢管自动测量系统使钢管的多项综合参数，可以在一个工序中一次性完成，整道工序的占用时间短。高速的传感器和高速伺服运动系统，加上机械臂1的高速空间运动特性，不但使测量过程速度极大提高，而且迅速高效，极大地提高了工厂的生产效率。

在进一步的实施例中，所述检测装置2还包括驱动机构和两个支撑杆21；所述旋转架20设置有导轨，两个支撑杆21均可沿着导轨移动地设置于导轨处；所述驱动机构与两个支撑杆21连接，用于驱动两个支撑杆21相对靠近或远离；所述内壁测距机构22、外壁测距机构23分别设置于两个支撑杆处，且相对设置；所述控制器3还与驱动机构连接，还用于控制驱动机构。这样的设置则可以根据不同型号的钢管4调节内壁测距机构22、外壁测距机构23的间距，以及可以调节内壁测距机构22、外壁测距机构23相对旋转架的位置，使得内壁测距机构22、外壁测距机构23依旧可以沿着预设的检测轨迹移动，也不会受到待测钢管4的阻碍，使得本钢管自动测量系统的适用范围广。

在进一步的实施例中，所述驱动机构为气缸、油缸或直线电机。所述驱动机构可以设置有两个，两个驱动机构分别驱动两个支撑杆21移动，以分别带动两个支撑杆21沿着导轨移动；所述驱动机构也可以设置一个，一个驱动机构设置于两个支撑杆21之间，以带动一个支撑杆21相对另一支撑杆21移动。

在进一步的实施例中，所述机械臂1为六轴机械臂，具体地可以为进口川崎的高精度6轴机器人，可以采用型号RS系列。首先，六轴机械臂作为钢管自动测量系统的运动载体，本身具有快速运动特性，运动线速度可达2米/秒以上，这使得钢管自动测量系统的运动过程所需时间非常短，与传统地面轨道的运动速度相比可快5倍以上。其次，六轴机械臂具有灵活的空间快速运动能力，可灵活带动检测装置2到需要的测量位置，无需在地上安装运动轨道，从而结构紧凑、易维护、占空间小。另外，六轴机械臂的防护等级高，本身具有IP65的防护等级，与常规机械运动结构相比，更能适应复杂的工厂环境，即使在带金属粉尘的环境中也能长期稳定工作。最后，六轴机械臂具有完善的防碰撞检测和安全防护，保证了设备的安全生产和操作的安全性。

在进一步的实施例中，所述机械臂1包括底座10、第一活动臂11及第二活动臂12；所述第一活动臂11的一端铰接于底座10上，第一活动臂11的另一端与第二活动臂12的一端铰接，旋转装置13设置于第二活动臂12的另一端处，所述旋转架20与旋转装置13连接。

在进一步的实施例中，所述旋转装置13包括定子、转子及旋转电机，所述定子和第二活动臂12连接，所述转子通过旋转电机与定子连接，所述旋转架20与转子连接。在需要驱动旋转架20旋转时，只需要启动旋转电机，旋转电机则可以带动转子相对定子旋转，旋转的转子则可以带动旋转架20旋转。

在进一步的实施例中，所述控制器3包括工控机、屏显系统及操作系统，所述屏显系统与工控机连接，用于显示机械臂1、检测装置2的工作状态，以及用于显示钢管参数；所述操作系统与工控机连接，用于向工控机输入信息；所述工控机与机械臂1、检测装置2连接，用于控制机械臂1和检测装置2。

在进一步的实施例中，所述工控机为PLC可编程控制器或单片机。

在优选的实施例中，所述钢管安装座可以为V型辊。为了满足本钢管自动测量系统对钢管定位精度的要求，可以采用变频调速驱动V型辊运动的电机，并在V型辊处设置钢管4的位置传感器，通过结合钢管4的位置传感器，控制钢管4的多极减速，逐级降低钢管4运动惯量，使停止过冲降低到最小范围。同时辅助采用带抱闸功能的电机，利用其抱闸功能，在钢管4速度降低到设定范围内，电机停止同时启动抱闸功能实现精确的定位停止。抱闸功能作为辅助的，关键需要采用变频逐级减速，因为钢管4惯性非常大，如果非减速直接采用抱闸可能造成抱闸装置过载，或者钢管4与V型辊之间打滑。这样则可以实现V型辊逐级减速，逐级降低惯性，实现钢管4的精确停止。

为了钢管4保持重心的居中平衡，可以采用钢管4居中位置测量技术，钢管4居中位置测量技术采用间隔定位传感器,组合钢管4运动同步编码器实现精确位置测量。间隔位置传感器提供了单位间隔距离的位置信息；同步位置编码器与钢管同步运动，可以精确测量间隔传感器之间的管端具体位置数据，这两种传感器组合实现钢管位置的精确测量。因为编码器的精确测量作用使的间隔传感器的间距设置不需要太短。这两种传感器组合使用也起到了测量的双重互检保护作用。还可以采用另一种居中检测方案，是采用没100mm设置一个间隔传感器来检测位置，这种方式简单有效，但安装的位置传感器数量较多，可以结合现场情况选择。

请参阅图5，本发明还提供了一种钢管测量方法，包括：

步骤S501确定钢管圆心位置；

步骤S502内壁测量机构以钢管圆心为定点绕钢管内壁一周，并采集其与若干个样点的间距；

外壁测量机构以钢管圆心为定点绕钢管外壁一周，并采集其与若干个样点的间距；

步骤S503计算出钢管的各个样点的内径值、外径值、壁厚值。

通过步骤S501则可以为内壁测量机构、外壁测量机构以钢管圆心为定点绕钢管内壁一周提供条件。通过步骤S502则可以采集到数据，通过步骤S503则可以得出所需的钢管参数。

上述的钢管测量方法可以采用上述所述的钢管自动测量系统来实现，在确定钢管圆心位置后，控制器可以控制机械臂带动旋转装置13移动至钢管圆心处，并使得内壁测距机构22、外壁测距机构23分别与钢管内壁、钢管外壁相对；接着控制旋转装置13带动检测装置绕钢管旋转一周，且内壁测距机构22、外壁测距机构23分别采集预设个数的样点的内壁间距值s3、外壁间距值s4，并传输至控制器处，这样则可以完成步骤S502；然后通过控制器计算出钢管的内径值、外径值、壁厚值等等在，这样则可以完成步骤S503。

为了确定出钢管圆心位置，在某实施例中，步骤“确定钢管圆心位置”具体包括以下步骤：

将钢管平放于V型辊上；

测量出V型辊夹角值a、V型辊中心点高度值h1及钢管外径值r；

根据三角函数计算出钢管圆心所处的高度值h2＝r/sin(a/2)+h1。

这样的步骤则可以通过确定的数值确定钢管圆心的具体高度，具体地，所述的V型辊夹角值a、V型辊中心点高度值h1及钢管外径值r可以通过人工测量，然后输入上述所述的钢管自动测量系统中的控制器内，然后通过控制器完成钢管圆心所处高度的计算过程。

为了根据内壁测距机构22、外壁测距机构23采集预设个数的样点的内壁间距值s3、外壁间距值s4，计算出钢管的内径值、外径值及壁厚值，在某一实施例中，通过人工测量内壁测量装置至旋转装置13的距离值s1、内壁测量装置至旋转装置13的距离值s2，并输入值控制器内。在内壁测距机构22、外壁测距机构23采集预设个数的样点的内壁间距值s3、外壁间距值s4后，则可计算出各个样点的内径值＝s1+s3；外径值＝s2-s4；壁厚值＝外径值-内径值。

为了提高测量的准确性，在某一实施例中，步骤“确定钢管圆心位置”后，还包括以下步骤：

内壁测量机构以钢管圆心为定点绕钢管内壁一周，并采集其与若干个样点的间距；

计算出钢管的各个样点的外径值，并比对偏差是否超过预设值；

若是，根据偏差值重新确定钢管圆心位置；

若否，则进入下一步骤。

本步骤中的“内壁测量机构以钢管圆心为定点绕钢管内壁一周”的旋转速度可以低于步骤S502中的“内壁测量机构以钢管圆心为定点绕钢管内壁一周”的旋转速度，具体地，则可以通过控制器控制旋转装置13的旋转速度即可实现。且本步骤中“采集其与若干个样点的间距”的样点个数可以少于步骤S502中的“采集其与若干个样点的间距”的样点个数，具体地也可以通过控制器控制。

为了测量的准确性，在某一实施例中，采集的样点数为1000个至3600个。

需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种钢管自动测量系统，其特征在于，包括机械臂、旋转装置、检测装置、控制器、钢管安装座；

所述钢管安装座的顶部设置有平放钢管的V形槽；

所述机械臂设置于钢管安装座的一端处；所述检测装置包括旋转架、内壁测距机构、外壁测距机构；所述旋转架通过旋转装置连接与机械臂处；内壁测距机构、外壁测距机构相对设置于旋转架处，且测量方向相对设置，分别用于测量与钢管内壁的间距、与钢管外壁的间距；

所述控制器与机械臂、旋转装置、检测装置连接，用于控制旋转装置及机械臂运动，以及根据检测装置所测数据计算钢管参数，所述钢管参数包括椭圆度、周长、管端直径最大值、管端直径最小值、管端平均直径及壁厚；

所述控制器还用于根据需要测量的钢管的规格带动检测装置按照预设的定位轨迹移动至测试轨迹的初始点，并带动检测装置转动，并使得检测装置沿着预设的检测轨迹移动。

2.根据权利要求1所述的钢管自动测量系统，其特征在于，还包括驱动机构和两个支撑杆；所述旋转架设置有导轨，两个支撑杆均可沿着导轨移动地设置于导轨处；所述驱动机构与两个支撑杆传动连接，用于驱动两个支撑杆相对靠近或远离；所述内壁测距机构、外壁测距机构分别设置于两个支撑杆处，且相对设置；所述控制器还与驱动机构连接，还用于控制驱动机构。

3.根据权利要求1所述的钢管自动测量系统，其特征在于，所述机械臂为六轴机械臂。

4.根据权利要求1所述的钢管自动测量系统，其特征在于，所述内壁测距机构、外壁测距机构为超声波测距传感器、激光测距传感器或红外线测距传感器。

5.根据权利要求1所述的钢管自动测量系统，其特征在于，所述控制器包括工控机、屏显系统及操作系统，所述屏显系统与工控机连接，用于显示机械臂、旋转装置、检测装置的工作状态，以及用于显示钢管参数；所述操作系统与工控机连接，用于向工控机输入信息；所述工控机与机械臂、检测装置、旋转装置连接，用于控制机械臂、检测装置、旋转装置。

6.一种钢管测量方法，其特征在于，所述方法应用权利要求1-5任意一项所述的钢管自动测量系统，包括：

确定钢管圆心位置；

内壁测量机构以钢管圆心为定点绕钢管内壁一周，并采集其与若干个样点的间距；

外壁测量机构以钢管圆心为定点绕钢管外壁一周，并采集其与若干个样点的间距；

计算出钢管的各个样点的内径值、外径值、壁厚值。

7.根据权利要求6所述的钢管测量方法，其特征在于，步骤“确定钢管圆心位置”具体包括以下步骤：

将钢管平放于V型辊上；

测量出V型辊夹角值a、V型辊中心点高度值h1及钢管外径值r；

根据三角函数计算出钢管圆心所处的高度值h2＝r/sin(a/2)+h1。

8.根据权利要求6所述的钢管测量方法，其特征在于，采集的样点数为1000个至3600个。

9.根据权利要求6所述的钢管测量方法，其特征在于，步骤“确定钢管圆心位置”后，还包括以下步骤：

内壁测量机构以钢管圆心为定点绕钢管内壁一周，并采集其与若干个样点的间距；

计算出钢管的各个样点的外径值，并比对偏差是否超过预设值；

若是，根据偏差值重新确定钢管圆心位置；

若否，则进入下一步骤。

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