CN110375700A - 一种大型螺旋钢管质量检测设备及方法 - Google Patents

一种大型螺旋钢管质量检测设备及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于钢管质量检测相关领域，针对钢管在出厂时或回收时可能会存在的质量问题，公开了一种大型螺旋钢管质量检测的方法，包括：针对作为检测对象的大型螺旋钢管，设计可承载、为钢管提供转动的检测平台；通过机械手搭载配备视觉单元和检测探头的末端执行部分，对钢管进行扫描检测，并传送到后台主机模块的数据中心处理；采用配备视觉探头的焊缝检测单元追踪焊缝，补偿机械手末端执行部分位姿；针对钢管表面障碍物，设计可自动识别避障、多瓣式损伤探头，增大检测区域；设计了钢管同轴度的检测方法。本发明还公开了相应的螺旋钢管质量检测设备。通过本发明，可对大型螺旋钢管同步进行多项检测，缩短钢管质量检测时间，增大检测范围，提升检测的效率，因而尤其适用于需要对大型螺旋钢管质量检测的场合。

Description

一种大型螺旋钢管质量检测设备及方法
技术领域
本发明属于钢管质量检测领域，更具体地，涉及一种大型螺旋钢管质量检测设备及方法。
背景技术
大型螺旋钢管在回收时常常存在以下质量问题：大量搭接的辅助钢材；大量对接焊拼接的钢管；焊瘤、焊渣及贝壳等异物；锈蚀导致壁厚减薄；受载导致的变形明显。在检测的过程中，这些工况可能会对探头造成损伤，进而对钢管的检测结果造成误判，影响检测的效率和质量。
目前对于大型螺旋钢管质量检测的设备检测项目单一，基本靠半人工半自动化设备进行，存在检测效率低下，精度不足，常常存在漏检的问题。为满足检测要求，相关单位常常需配置在线数字超声波探伤仪、X射线实时成像仪等物理检测设备，存在检测环节多，钢管上下料不方便，大大降低检测效率的问题。相应的，本领域亟需对此技术问题做出进一步的解决，以便更好地符合螺旋钢管相关应用领域的需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种大型螺旋钢管质量检测设备及方法，其目的在于，通过紧密结合大型螺旋钢管的结构特点和质量检测需求，针对性对检测方法和设备进行设计，通过合成运动、多项目检测并行手段，实现对大型螺旋钢管同步进行多项检测，缩短钢管质量检测时间，增大检测范围，提升检测的效率，因而尤其适用于需要对大型螺旋钢管质量检测的场合。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种大型螺旋钢管质量检测设备，用于大型螺旋钢管的质量检测，包括：螺旋钢管检测平台、机械手、末端执行器和计算机；
螺旋钢管检测平台包括同轴度检测探头、对滚轮和直线导轨；机械手的底座与直线导轨滑动配合，机械手的末端搭载末端执行器；
末端执行器包括焊缝检测及追踪模块和自动避障损伤检测探头；
使用时，两个对滚轮支撑大型螺旋钢管，以使大型螺旋钢管的轴线平行于直线导轨，且大型螺旋钢管在对滚轮支撑下可绕自身轴线旋转；机械手用于带动末端执行器沿直线导轨做直线运动；
所述焊缝检测及追踪模块放置在末端执行部分的边缘，用于在检测焊缝的同时，由焊缝追踪模块中的摄像单元对焊缝实时拍照，并将所得图像实时输送至计算机计算出焊缝的路径，通过运动学的逆运算实时地补偿到机械手的末端运动姿态，以将末端执行器的直线运动与大型螺旋钢管绕自身轴线的旋转运动叠加，形成与焊缝路径一致的螺旋运动，实现对焊缝的检测与跟踪，使末端执行器始终沿焊缝、在焊缝螺距内运动；
所述自动避障损伤检测探头包括视觉单元、动力单元和损伤检测探头；其中，损伤检测探头用于检测大型螺旋钢管的损伤；视觉单元用于实时拍摄损伤检测探头即将扫描的位置，如遇凸起损伤工况，则由动力单元控制损伤检测探头抬起进行避让。
进一步地，还包括静态探头；使用时，在大型螺旋钢管两端远离压瘪变形的位置安装静态探头，以检测钢管的圆周运动，静态探头采集的大型螺旋钢管两端的圆周运动数据作为同轴度检测的标准。
进一步地，所述摄像单元及视觉单元中的至少一个为深度摄像头。
进一步地，所述自动避障损伤检测探头选择多瓣式探头，每一瓣探头对应一个动力单元；当视觉单元检测到前方有障碍需要主动避让时，只需相应的动力单元控制相应的探头抬起，跨过障碍后再放下，以提高检测的覆盖率。
进一步地，所述动力单元为微型气缸。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种对大型螺旋钢管进行质量检测的方法，包括下列步骤：
S1.检测开始前，两个对滚轮支撑大型螺旋钢管，以使大型螺旋钢管的轴线平行于直线导轨；机械手带动末端执行器移动到螺旋钢管的焊缝螺距内，沿焊缝的法线对齐；
S2.检测开始，通过焊缝检测模块检测并追踪焊缝，通过机械手带动末端执行器沿直线导轨做直线运动，大型螺旋钢管在对滚轮支撑下绕自身轴线进行旋转运动，两个运动叠加形成与焊缝路径一致的螺旋运动；
S3.检测过程中，损伤检测探头沿焊缝的螺距法线摆放在螺距内，损伤检测模块检测损伤，并自动避障。
进一步地，所述损伤检测探头为多瓣式探头，在遇到障碍时根据障碍的位置将相应的一瓣或多瓣探头抬起，越过障碍后放下。
进一步地，还包括如下同轴度检测方法：在大型螺旋钢管两端远离压瘪变形的位置安装垂直于大型螺旋钢管轴线的静态探头；步骤S2中，在大型螺旋钢管绕轴旋转时由静态探头检测数据作为同轴度检测基准，在预定位置布置垂直于大型螺旋钢管轴线的同轴度检测探头进行同轴度动态检测。
进一步地，所述损伤检测采用漏磁原理，损伤检测探头包括永磁体和电磁刺激器；由永磁体将磁能量导入到待检大型螺旋钢管，在待检大型螺旋钢管上的缺陷处产生磁场畸变，通过布置在电磁刺激器中间的磁敏器件捕获这一畸变磁场信息并转换为电压信号，作为缺陷存在的检测评判依据。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)将多种检测项目结合起来，配合钢管与机械手的结合运动，能够跟随焊缝路径，同步检测焊缝、损伤等各项质量信息，缩短检测流程，提高检测的效率。
(2)通过配备有摄像单元的焊缝追踪模块，基于图像分析技术，对机械手的末端位姿实时地补偿，提高了整体检测位置的准确性。
(3)多瓣式自动避障损伤检测探头可根据障碍物位置和深度信息，自动提起相应的探头进行避障，在保证探头安全的同时，尽可能扩大了检测覆盖范围，提高检测的精度。
(4)将静态探头的检测结果作为同轴度检测基准，通过垂直放置在预定位置的同轴度检测探头进行同轴度检测，各自输出与轴距相关的信号，合成最终直观的轴心轨迹。
附图说明
图1为本发明优选实施例的一种大型螺旋钢管质量检测设备。
图2为本发明优选实施例的焊缝追踪及检测模块，包括图像采集模块、计算机、控制模块和驱动模块。
图3本发明优选实施例的磁扰动同轴度检测探头布置方式。
图4为本发明优选实施例的同轴度检测中X和Y方向布置的传感器采集的数据及轴心轨迹图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-静态探头，2-末端执行器，3-大型螺旋钢管，4-对滚轮，5-机械手，6-直线导轨。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明优选实施例的一种大型螺旋钢管质量检测设备包括：螺旋钢管检测平台、机械手5、末端执行器2和计算机；
螺旋钢管检测平台包括同轴度检测探头、对滚轮4和直线导轨6；机械手5的底座与直线导轨6滑动配合，机械手5的末端搭载末端执行器2；
末端执行器2包括焊缝检测及追踪模块和自动避障损伤检测探头；
使用时，两个对滚轮4支撑大型螺旋钢管3，以使大型螺旋钢管3的轴线平行于直线导轨6，且大型螺旋钢管3在对滚轮4支撑下可绕自身轴线旋转；机械手5用于带动末端执行器2沿直线导轨6做直线运动；
所述焊缝检测及追踪模块放置在末端执行部分的边缘，用于在检测焊缝的同时，由焊缝追踪模块中的摄像单元对焊缝实时拍照，并将所得图像实时输送至计算机计算出焊缝的路径，通过运动学的逆运算实时地补偿到机械手5的末端运动姿态，以将末端执行器2的直线运动与大型螺旋钢管3绕自身轴线的旋转运动叠加，形成与焊缝路径一致的螺旋运动，实现对焊缝的检测与跟踪，使末端执行器2始终沿焊缝、在焊缝螺距内运动；
所述自动避障损伤检测探头包括视觉单元、动力单元和损伤检测探头；其中，损伤检测探头用于检测大型螺旋钢管3的损伤；视觉单元用于实时拍摄损伤检测探头即将扫描的位置，如遇凸起损伤工况，则由动力单元控制损伤检测探头抬起进行避让。
优选地，还包括静态探头1；使用时，在大型螺旋钢管3两端远离压瘪变形的位置安装静态探头1，以检测钢管的圆周运动，静态探头1采集的大型螺旋钢管3两端的圆周运动数据作为同轴度检测的标准。
优选地，所述摄像单元及视觉单元中的至少一个为深度摄像头。
优选地，所述自动避障损伤检测探头选择多瓣式探头，每一瓣探头对应一个动力单元；当视觉单元检测到前方有障碍需要主动避让时，只需相应的动力单元控制相应的探头抬起，跨过障碍后再放下，以提高检测的覆盖率。
如图2所示，所述焊缝检测及追踪模块放置在末端执行部分的边缘，在检测焊缝的同时，由焊缝追踪模块中的摄像单元对焊缝实时拍照，并将所得图像实时输送至计算机，通过图像处理模块快速分析比对，有控制模块计算出焊缝的路径，根据运动学的逆运算通过驱动模块实时地补偿到机械手末端姿态。
如图3所示，将垂直于待检测大型螺旋钢管3的轴线的两个永磁扰动传感器1和永磁扰动传感器2(即同轴度检测探头由两个永磁扰动传感器组成)分别在水平、垂直方向上以一定的提离高度通过传感器支架安装在机械手臂上。在同轴度检测时，只有钢管做圆周运动；当开始旋转运行时，由于钢管弯曲、磨损故障等原因会引起轴心轨迹发生变化。根据该运动的位移矢量分解，可以分解为水平方向和垂直方向，因此轨迹的变化可以分别被分布在相应位置的轴心轨迹永磁扰动传感器1和永磁扰动传感器2捕获到。
如图4所示，由于磁扰动轴心轨迹传感器体积小且无需额外的电源激励，其轴心轨迹监测信号的后期处理方法如图4所示，2个相互垂直布置的永磁扰动轴心轨迹传感器在钢管旋转运行时各自输出与轴距离相关的信号Sx和Sy(如图4的(a)和(b))，为了更加直观地展示钢管的回转运行状态形成的轴心轨迹，将该Sx和Sy信号进行正弦调制形成如图4的(c)和(d)所示的调制波，然后对调制波进行合成，最终形成直观的轴心轨迹图，如图4的(e)所示。
下面将具体解释实现上述工艺的主要操作步骤。
首先，是螺旋钢管的上料和夹紧步骤。
针对作为检测对象的螺旋钢管，由起吊机将钢管从上向下放置在检测平台的对滚轮上，并调整好位置。通过检测平台上的卡盘加紧钢管端侧，使钢管能够绕轴线周转动。
接着是机械手末端执行部分移动到启动位置步骤。
机械手沿平行于钢管轴线的地面导轨移动到钢管端侧，调整机械手末端的初始位姿，使焊缝检测探头正对于焊缝起始端，并保持适当的高度。
接下来是钢管和机械手配合运动及各项检测同步进行步骤。
由于钢管为螺旋焊缝钢管，可以将扫查方式确定为螺旋检测模式，即检测探头沿平行于钢管轴线方向的地面导轨做直线运动，而钢管在对滚轮的作用下做旋转运动。两个运动叠加形成与焊缝路径一致的螺旋运动，使得钢管损伤检测与焊缝检测能同步进行。
自动避障损伤检测探头选择多瓣式探头，当视觉单元检测到前方有障碍需要主动避让时，只需相应的动力单元控制相应的探头抬起，跨过障碍后再放下，以提高检测的覆盖率。在缺陷信号采集方面，采用磁敏感元件阵列分布在探头磁路中间，多个磁敏感元件串联形成一路信号，单瓣探头中由多路信号合并在一起。在检测钢管腐蚀或者磨损导致的壁厚减薄类缺陷时，探靴中布置一定量的霍尔元件。
最后是机械手的归位及螺旋钢管的下料步骤。
检测完成后，机械手抬起并回到原点，螺旋钢管从检测平台上下料。检测信息经计算传到后台主模块中进行整理。模块进入下一循环。
综上，本发明通过结合物联网技术，结合周转材料的管理需求，针对性地设计发明了一种建筑周转材料的身份识别技术，为每一件器材配备了唯一的身份标签，可在周转材料出入库量大的情况下，高效准确的识别标签并登记。同时，还建立了数据中心，便于工作人员抽检，便于施工人员的设计和选型为工程设计和安全生产提供了保障。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种大型螺旋钢管质量检测设备，用于大型螺旋钢管(3)的质量检测，其特征在于，包括：螺旋钢管检测平台、机械手(5)、末端执行器(2)和计算机；
螺旋钢管检测平台包括同轴度检测探头、对滚轮(4)和直线导轨(6)；机械手(5)的底座与直线导轨(6)滑动配合，机械手(5)的末端搭载末端执行器(2)；
末端执行器(2)包括焊缝检测及追踪模块和自动避障损伤检测探头；
使用时，两个对滚轮(4)支撑大型螺旋钢管(3)，以使大型螺旋钢管(3)的轴线平行于直线导轨(6)，且大型螺旋钢管(3)在对滚轮(4)支撑下可绕自身轴线旋转；机械手(5)用于带动末端执行器(2)沿直线导轨(6)做直线运动；
所述焊缝检测及追踪模块放置在末端执行部分的边缘，用于在检测焊缝的同时，由焊缝追踪模块中的摄像单元对焊缝实时拍照，并将所得图像实时输送至计算机计算出焊缝的路径，通过运动学的逆运算实时地补偿到机械手(5)的末端运动姿态，以将末端执行器(2)的直线运动与大型螺旋钢管(3)绕自身轴线的旋转运动叠加，形成与焊缝路径一致的螺旋运动，实现对焊缝的检测与跟踪，使末端执行器(2)始终沿焊缝、在焊缝螺距内运动；
所述自动避障损伤检测探头包括视觉单元、动力单元和损伤检测探头；其中，损伤检测探头用于检测大型螺旋钢管(3)的损伤；视觉单元用于实时拍摄损伤检测探头即将扫描的位置，如遇凸起损伤工况，则由动力单元控制损伤检测探头抬起进行避让。
2.如权利要求1所述的大型螺旋钢管质量检测设备，其特征在于，还包括静态探头(1)；使用时，在大型螺旋钢管(3)两端远离压瘪变形的位置安装静态探头(1)，以检测钢管的圆周运动，静态探头(4)采集的大型螺旋钢管(3)两端的圆周运动数据作为同轴度检测的标准。
3.如权利要求1所述的大型螺旋钢管质量检测设备，其特征在于，所述摄像单元及视觉单元中的至少一个为深度摄像头。
4.如权利要求1～3任意一项所述的大型螺旋钢管质量检测设备，其特征在于，所述自动避障损伤检测探头选择多瓣式探头，每一瓣探头对应一个动力单元；当视觉单元检测到前方有障碍需要主动避让时，只需相应的动力单元控制相应的探头抬起，跨过障碍后再放下，以提高检测的覆盖率。
5.如权利要求4所述的大型螺旋钢管质量检测设备，其特征在于，所述动力单元为微型气缸。
6.基于权利要求1所述的大型螺旋钢管质量检测设备对大型螺旋钢管进行质量检测的方法，其特征在于，包括下列步骤：
S1.检测开始前，两个对滚轮(4)支撑大型螺旋钢管(3)，以使大型螺旋钢管(3)的轴线平行于直线导轨(6)；机械手(5)带动末端执行器(2)移动到螺旋钢管的焊缝螺距内，沿焊缝的法线对齐；
S2.检测开始，通过焊缝检测模块检测并追踪焊缝，通过机械手(5)带动末端执行器(2)沿直线导轨(6)做直线运动，大型螺旋钢管(3)在对滚轮(4)支撑下绕自身轴线进行旋转运动，两个运动叠加形成与焊缝路径一致的螺旋运动；
S3.检测过程中，损伤检测探头沿焊缝的螺距法线摆放在螺距内，损伤检测模块检测损伤，并自动避障。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述损伤检测探头为多瓣式探头，在遇到障碍时根据障碍的位置将相应的一瓣或多瓣探头抬起，越过障碍后放下。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括如下同轴度检测方法：步骤S1中，在大型螺旋钢管(3)两端远离压瘪变形的位置安装垂直于大型螺旋钢管(3)轴线的静态探头(1)；步骤S2中，在大型螺旋钢管(3)绕轴旋转时由静态探头(1)检测数据作为同轴度检测基准，在预定位置布置垂直于大型螺旋钢管(3)轴线的同轴度检测探头进行同轴度动态检测。
9.如权利要求6～8任意一项所述的方法，其特征在于，所述损伤检测采用漏磁原理，损伤检测探头包括永磁体和电磁刺激器；由永磁体将磁能量导入到待检大型螺旋钢管(3)，在待检大型螺旋钢管(3)上的缺陷处产生磁场畸变，通过布置在电磁刺激器中间的磁敏器件捕获这一畸变磁场信息并转换为电压信号，作为缺陷存在的检测评判依据。
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