CN111316060B - 用于光学地测量管道的外螺纹轮廓的装置 - Google Patents

Abstract

在用于光学地测量管道（1）的外螺纹轮廓（3）的装置中，包括用于待测量的管道（1）的支承件（5）和带有至少一个测量装置（7、8）的光学的测量单元（4），所述测量装置包括光源（19、19'、21、21'）和布置在所述光源（19、19'、21、21'）的光路（23、24）中的相机（20、20'、22、22'）用于拍摄所述外螺纹轮廓（3）的阴影图像，其中，所述光学的测量单元（4）尤其刚性地布置在承载元件（6）上，所述承载元件围绕三个空间轴线能够摆动地得到保持，所述光学的测量单元（4）具有至少两个测量装置（7、8），所述测量装置的光路（23、24）彼此交叉。

Description

用于光学地测量管道的外螺纹轮廓的装置

技术领域

本发明涉及一种用于光学地测量管道的外螺纹轮廓的装置，包括用于待测量的管道的支承件和带有至少一个测量装置的光学的测量单元，所述测量装置包括光源和布置在光源的光路中的相机用于拍摄外螺纹轮廓的阴影图像，其中，光学的测量单元尤其刚性地布置在承载元件上，所述承载元件围绕三个空间轴线能够摆动地得到保持。

此外，本发明涉及一种用于借助于这样的装置光学地测量管道的外螺纹轮廓的方法。

背景技术

当旋紧部的密封性是重要的时候，对于管道区段的旋紧设定高的要求。这例如在用于运输位于压力之下的液体、例如气体或油的管道线路的情况下或在用于油和气体输送的上升管道的情况下是这种情况。在此，管道的设有外螺纹的管道端部旋紧到随后的管道的设有相应的内螺纹的管道端部中。为了确保密封性，带有所设置的螺纹几何结构的螺纹的高精度的制造是必要的。在制造这样的管道时，因此常见的是，在质量控制的范围内测量螺纹几何结构。

从EP 2767799 Al中已知用于在螺纹制造的连续的过程中自动化地测量管道端部螺纹的方法，其中，在螺纹制造之后进行清洁过程，随后执行干燥过程和此后在干净的环境下执行管道螺纹的测量。

从EP 2135030 B1中得出利用用于光学地测量在管道端部处的外螺纹轮廓的装置的方法，所述方法同样在生产线中调时地被应用。螺纹轮廓利用由相机和配对光源构成的测量单元借助于对螺纹轮廓的相切的阴影图像的探测来求得并且将所述螺纹轮廓的经评估的光学的信号与理论预设相比较。管道端部关于测量单元的位置持续地借助于激光三角测量法来探测，其中，通过在管道与测量单元之间的、通过旋转和平移来执行的相对运动来进行螺纹轮廓的扫描。

用于利用相机和光源的在管道端部处的螺纹测量的测量结构也是CN 105716528的内容，以用于求得阴影图像。在此，测量机构由两个带有两个配属的光源的相机构成，从而能够进行上面的和下面的螺纹成像。

相同类型的测量结构能够从EP 2392896 Al得知，其中，测量传感装置固定在测量头处，所述测量头能够旋转地并且平移地在测量装置的范围内运动。测量装置由计算机控制的激光传感器构成，所述激光传感器借助于计算机控制的机械的运动系统进行螺纹的扫描。

在外螺纹轮廓的借助于阴影图像的光学的测量的情况下存在有如下问题，即光源的光路或光源的光学的轴线相对于待测量的管道的管道轴线必须以直角进行取向，以便能够获得测量结果，从而在测量之前必须进行校整。备选地，能够求得测量单元相对于管道的相对位置并且能够取决于相对位置值地来修正测量结果。为此，在EP 2135030 B1的主题中激光三角测量法是必要的，与此相关联的是附加的有关设备的耗费。

发明内容

因此本发明的目的在于，相对于已知的装置和借助于阴影图像的测量方法实现测量方法和测量装置的结构的简化。同时，应该保证高精度的测量，其中避免光学地失真的阴影图像。

为了解决所述任务，本发明在开头所提及的类型的装置的情况下基本上设置成，光学的测量单元具有至少两个测量装置，所述测量装置的光路彼此交叉。通过设置有两个分别包括光源和相机的测量装置，能够沿两个彼此交叉的方向拍摄阴影图像，其中，如此获得的阴影图像不仅能够考虑用于检查测量单元关于管道轴线的正确的取向而且能够考虑用于外螺纹轮廓的实际的测量。因为在此应用沿两个彼此交叉的方向拍摄的阴影图像，所以测量单元与正确的相对于转动轴线的取向的偏差能够沿两个观察方向来确定。在此，测量单元的校整基于：确定光源的光路与相对于待测量的管道的管道轴线的直角的偏差和必要时通过测量单元的承载元件的摆动来修正出现的偏差。

根据优选的构造方案，两个测量装置的光路彼此以90°的角度交叉。由此，能够沿两个正交的空间方向修正测量单元的误差取向，从而测量单元的测量平面实际上能够在垂直于管道轴线的位置中被校整，所述测量平面由彼此交叉的光路的方向矢量撑开或处于平行于所述方向矢量。优选地，两个测量装置的光路处于相同的平面中，所述平面呈现测量平面。

污染、尤其积聚在螺纹中的流体能够歪曲剪影图像并且导致错误的测量结果。因此，测量装置优选地能够如下地布置，使得至少一个测量装置的光路与垂直线包围10-80°、优选地25-65°、尤其35-55°的角度。由此，在如下螺纹区域处剪切乳剂（Schneidemulsionen）的可能的剩余物能够流出并且由此不对剪影螺纹成像产生影响，从而不必事先进行耗费的清洁，从所述螺纹区域拍摄阴影图像。

在评估中此外能够从管道的外螺纹轮廓的阴影图像求得如下的螺纹参数，所述管道除了螺纹之外如有可能还包括密封面：

- 螺纹直径

- 螺纹锥度

- 螺距

- 螺纹高度

- 密封座直径

- 密封座角度

因为测量单元的每一种机械的调节都能够导致定位不准确性和由此测量误差，所以测量单元优选地位置固定地布置在承载元件上。

为了能够借助于测量装置在外螺纹轮廓的大量的周缘区域处进行阴影图像，优选地设置成，所述承载元件围绕相对于测量单元的测量平面处于直角中的转动轴线能够转动地得到支承。在于测量单元的第一转动位置处拍摄阴影图像之后，所述测量单元能够以确定的角度围绕转动轴线继续转动，以便能够在新的转动位置处拍摄另外的阴影图像。

补充地或备选地，为了加速测量过程，至少一个另外的具有光源和相机的测量装置能够布置在承载元件处。

在结构方面，就此而言，优选的实施方案设置成，设置有围绕转动轴线能够转动地支承的转动平台，所述转动平台承载所述承载元件。通过转动平台围绕转动轴线的转动，能够实现测量单元围绕第一空间轴线的转动。围绕空间的笛卡尔坐标系的两个另外的空间轴线的摆动优选地通过如下构造方案来进行，在所述构造方案的情况下，在转动平台与承载元件之间设置有用于承载元件相对于转动平台围绕两个彼此交叉的、平行于测量平面的转动轴线的至少两轴线的能够摆动性的装置、尤其六足机构（Hexapod）。

备选地，六足机构能够布置在位置固定的壳体处并且转动平台能够布置在六足机构与承载元件之间。

另外的优选的构造方案设置成，至少两个测量装置具有远心的（telezentrischen）光路。通过在光源处使用远心的物镜，能够保证测量准确性，而不必已知在待测量的外螺纹与相机之间的间距，因为在为几毫米的间距范围之内测量不因透视的投影而改变。远心的照明产生平行的光的射束，从而在螺纹处的反射最小化到尽可能的程度上。

对于较小的管道直径，由各测量装置的光源和相机构成的对是足够的，因为阴影图像已经探测到两个相对于管道轴线相反地对置的螺纹区域，即密封面和端面。在较大的管道直径的情况下，管道螺纹的这两个相对于管道轴线相反地对置的区域（密封面和端面）借助于两个测量装置分别被求得。为了这个目的，优选地采取如下构造方案，即相应地配属于至少两个测量装置的是构造有平行于此地伸延的光路的另外的测量装置。

为了消除来自周围环境的干扰，转动平台优选地固定在位置固定的机器支架上，所述机器支架锚固在无振动地支承的基座中。

为了最小化环境影响、例如灰尘、乳剂烟雾（Emulsionsnebel）、外部光、气流和冷凝物形成，优选地设置成所述装置布置在保护壳体中。

为了校准测量单元，优选地设置有校准机构，所述校准机构包括能够移动到测量单元的图像区域中并且能够从所述图像区域移动出来的校准靶（Kalibiertarget）。

根据第二方面，本发明涉及一种用于借助于根据本发明的装置光学地测量管道的外螺纹轮廓的方法，包括如下步骤：

a）将待测量的管道布置在支承件上，从而管道轴线横向于测量单元的测量平面伸延并且外螺纹轮廓在光路中布置在光源与所配属的相机之间，

b）使测量单元如下地取向，使得测量平面与管道轴线包围直角，

c）借助于至少一个测量装置的相机拍摄外螺纹轮廓的阴影图像以及评估阴影图像。

根据步骤b）的测量单元的取向优选地包括如下步骤：

- 沿光路的两个不同的、处于测量平面中的方向拍摄管道的端面的阴影图像，以便获得第一和第二阴影图像，

- 单或两轴线地摆动测量单元直至端面的第一和第二阴影图像相应于直线。

备选地，根据步骤b）的测量单元的取向包括如下步骤：

- 从两个关于管道轴线相反地对置的部位沿光路的第一、处于测量平面中的方向拍摄外螺纹轮廓的阴影图像，以便获得外螺纹轮廓的第一和第二阴影图像，

- 根据外螺纹轮廓的第一和第二阴影图像求得外螺纹轮廓的对称轴线，

- 求得对称轴线与处于垂直于测量平面的轴线的角度偏差，

- 单轴线地摆动测量单元直至角度偏差为0°，

- 重复所述步骤，其中，从外螺纹轮廓的两个关于管道轴线相反地对置的部位沿光路的第二、处于测量平面中的方向拍摄阴影图像，其中，第一和第二方向横向于彼此、尤其以90°的角度伸延。

阴影图像在步骤c）中能够沿光路的至少两个不同的、处于测量平面中的方向被拍摄。优选地，沿光路的不同的方向拍摄大量的阴影图像，以便尽可能地关于其整个周缘来测量外螺纹轮廓。

当步骤c）包括有借助于至少两个测量装置的相机来尤其同时地拍摄阴影图像时，测量能够特别有效地进行。由此，同时获得的阴影图像的数量至少能够加倍。

优选地，阴影图像的拍摄在步骤c）中首先在测量单元的第一转动位置中进行，接着测量单元以预先确定的角度围绕垂直于测量平面伸延的转动轴线转动并且此后在测量单元的第二转动位置中进行阴影图像的拍摄。

附图说明

随后,根据在附图中示意性地示出的实施例更详细地阐释本发明。在所述附图中，

图1示出根据本发明的装置的侧视图；

图2示出根据图1的箭头II的视图；

图3示出了管道的外螺纹轮廓的阴影图像；

图4示出了管道的外螺纹轮廓的另一阴影图像；

图5示出了管道的外螺纹轮廓的另一阴影图像。

具体实施方式

在图1中，待测量的管道以1来标记。管道（其管道轴线以2来标记）在其端部处具有外螺纹，所述外螺纹的轮廓借助于测量单元4来光学地测量。管道1安放在具有滚道（Rollengang）的支承件5上，其中，管道1相对于测量单元4的取向应该如下地进行，使得管道轴线2相对于测量单元4的测量平面18以直角进行取向。为了实现这样的取向，测量单元4具有尤其以平台为形式的承载元件6，测量单元4的测量装置7和8承载所述平台。承载元件6通过包括六个线性驱动器10的六足机构9保持在转动平台11处，从而承载元件6能够多轴线地相对于转动平台11被调节、尤其能够摆动。转动平台11围绕转动轴线12相对于位置固定的壳体13能够转动地被支承，从而由此测量单元4围绕转动轴线12的转动能够进行。转动平台配属有未更详细地示出的转动驱动器，以便取决于控制装置的调整信号地驱动转动平台。控制装置按照信号的方式还与六足机构9的线性驱动器10连接，从而控制装置能够取决于调整信号地多轴线地调节测量单元4，以便使测量单元4以其测量平面18相对于管道轴线2以直角进行取向。

此外，在图1中可看出位置固定的载体14，所述载体具有前推机构用于校准板或校准靶15，以便使所述前推机构沿双箭头16的方向移动到测量装置7和8的探测区域中并且从所述探测区域移动出来。

根据本发明的测量装置由保护壳体17环绕，以便消除环境影响、例如灰尘、乳剂烟雾、外部光、气流和冷凝物形成。

在图2中示出测量单元4的结构。测量单元4包括至少两个测量装置7和8，所述测量装置相应地具有光源和布置在光源的光路中的相机用于拍摄外螺纹轮廓3的阴影图像。在此，测量装置7包括带有光路24的光源21以及在光路24中布置在管道1的对置的侧上的相机22。可选地，测量装置7包括平行于此地布置的、由光源21'和相机22'构成的另外的系统。测量装置8包括带有光路23的光源19以及在光路23中布置在管道1的对置的侧上的相机20。可选地，测量装置8包括平行于此地布置的、由光源19'和相机20'构成的另外的系统。测量装置7和8刚性地固定在承载元件6上，其中，光路23和24相对于彼此以直角进行取向。

在带有较小的直径的管道1的情况下，由各测量装置的光源和相机构成的唯一的系统足以在外螺纹轮廓的两个关于管道轴线2相反地对置的部位处获得外螺纹轮廓3的阴影图像。在带有较大的直径的管道1的情况下，使用两个由各测量装置的光源和相机构成的系统，其中，一个系统在一个周缘部位处产生或拍摄阴影图像并且另一个系统在相反地对置的周缘部位处产生或拍摄阴影图像。

现在，根据如下的实施例更详细地阐释测量的流程。

管道1以其螺纹端部借助于布置在滚道的端部处的装置引入给测量单元4，其中，仅仅进行纵向和高度定位的粗略的取向。用于测量单元4相对于管道轴线2的精确的取向的精细调准能够借助于如下两个变型方案来进行：

变型方案A：

对此，管道端面25的两个图片被探测为两个以90°在承载元件6处偏置地进行布置的测量装置7和8的阴影图像并且再调准借助于六足机构9如此久地来进行直至管道端面25的阴影图像不再被成像为椭圆形（图3），而是被成像为直的线棱边（图4）。在后者的情况下确保由光路23和24撑开的平面（测量平面18）位于垂直于管道轴线2。

变型方案B：

利用测量装置7、8中的一个从管道端部拍摄两个图像26、27（螺纹2的左侧和右侧）并且沿着螺纹锥度相应地确定直线28（图5）。通过锥度计算管道轴线29。所述管道轴线29在左边和右边相对于螺纹锥度相应地具有相同的间距。在管道轴线29与传感器坐标系30之间的倾斜角度ß能够直接地由六足机构9再调准。相同的过程通过这两个测量装置7、8中的另一个以90°偏置的测量装置来执行。在此，承载元件6的倾斜角度也借助于六足机构9来修正。在所描述的承载元件9的倾斜角度在两个垂直于彼此的平面中的修正之后，测量单元4如此地朝着管道端部进行取向，使得测量平面18位于垂直于管道轴线2。

在所描述的取向之后，在实际的测量的范围内，在评估中此外能够从管道1的端部区段的阴影图像中求得如下的螺纹参数，所述管道除了螺纹3之外还包括密封面：

- 螺纹直径

- 螺纹锥度

- 螺距

- 螺纹高度

- 密封座直径

- 密封座角度

因为测量单元4的每一种机械的调节都能够导致定位不准确性和由此测量误差，所以测量装置7、8位置固定地布置在承载元件6上。

污染、尤其积聚在螺纹2中的流体能够歪曲剪影图像并且能够导致错误的测量结果。因此有利地，测量单元4不以水平的或竖直的布置，而是以相对于水平线倾向的光路放置在承载元件6上（参见图2），从而剪切乳剂的可能的剩余物能够流出并且由此不对剪影螺纹成像产生影响并且不必事先进行耗费的清洁。

此外，测量设备包括如下装置，所述装置将校准靶15自动地带入到测量单元的图像区域中。

测量结构：

通过在光源19和21中或在相机20和22中使用远心的物镜，能够保证测量准确性，而不必已知在螺纹2与相机20或22之间的间距，因为在为大约正/负几毫米的间距范围之内所述测量不因透视的投影而改变。远心的照明产生平行的光的射束，从而在螺纹2处的反射最小化到尽可能的程度上。设备的控制通过评估计算机或通过测量软件本身进行并且能够借助于控制器嵌入到界定的流程中。对于测量，固定与六足机构9的坐标系相协调的坐标系。这意味着，通过转动平台的旋转,测量头和还有测量坐标系一同转动。

测量流程：

测量循环由在管道1处的多个旋转位置处的螺纹参数的测量构成。对于所述旋转位置中的每个，实施粗略取向和随后的精细取向。在粗略取向的情况下，借助于在滚道的端部处的装置执行测量单元4朝着管道端部的快速的取向。在此，执行沿所有的空间方向的修正和第一粗略的倾斜修正。如果管道1机械地已经足够准确地定位在测量设备中，则在需要时能够省略所述步骤。

此后，拍摄测量图像并且评估螺纹参数。

Claims (21)

1.用于光学地测量管道（1）的外螺纹轮廓（3）的装置，包括用于待测量的管道（1）的支承件（5）、带有至少一个测量装置（7、8）的光学的测量单元（4）和承载元件（6），所述测量装置包括光源（19、19'、21、21'）和布置在所述光源（19、19'、21、21'）的光路（23、24）中的相机（20、20'、22、22'）用于拍摄所述外螺纹轮廓（3）的阴影图像，其中，所述光学的测量单元（4）布置在所述承载元件（6）上，所述承载元件围绕三个空间轴线能够摆动地得到保持，其特征在于，所述光学的测量单元（4）具有至少两个测量装置（7、8），所述测量装置的光路（23、24）彼此交叉，其中：

- 借助于所述相机（20、20'、22、22'）从所述外螺纹轮廓（3）的两个关于管道轴线（2）相反地对置的部位沿所述光路（23、24）的处于测量平面（18）中的第一方向拍摄阴影图像，以便获得所述外螺纹轮廓（3）的第一和第二阴影图像，

- 根据所述外螺纹轮廓（3）的第一和第二阴影图像求得所述外螺纹轮廓（3）的对称轴线，

- 求得所述对称轴线与处于垂直于所述测量平面（18）的轴线的角度偏差，

- 单轴线地摆动所述测量单元（4）直至所述角度偏差为0°，

- 重复这些步骤，其中，从所述外螺纹轮廓（3）的两个关于所述管道轴线（2）相反地对置的部位沿所述光路（23、24）的处于所述测量平面（18）中的第二方向拍摄所述阴影图像，其中，所述第一和第二方向横向于彼此伸延。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，两个测量装置（7、8）的光路（23、24）彼此以90°的角度交叉。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述测量装置（7、8）能够如下地进行布置，使得至少一个测量装置（7、8）的光路（23、24）与垂直线包围10-80°的角度。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，彼此交叉的光路（23、24）的方向矢量撑开测量平面（18）或处于平行于测量平面（18），其中，所述承载元件（6）围绕相对于所述测量平面（18）处于直角中的转动轴线（12）能够转动地得到支承。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，设置有围绕所述转动轴线（12）能够转动地支承的转动平台（11），所述转动平台承载所述承载元件（6）。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，在所述转动平台（11）与所述承载元件（6）之间设置有用于所述承载元件（6）相对于所述转动平台（11）围绕两个彼此交叉的、平行于所述测量平面（18）的转动轴线（12）的至少两轴线的能够摆动性的装置。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述至少两个测量装置（7、8）具有远心的光路。

8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，相应地配属于所述至少两个测量装置（7、8）的是构造有平行于此地伸延的光路（23、24）的另外的测量装置（7、8）。

9.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述转动平台（11）固定在位置固定的机器支架上，所述机器支架锚固在无振动地支承的基座中。

10.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，设置有保护壳体（17），所述装置布置在所述保护壳体中。

11.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，设置有校准机构，所述校准机构包括能够移动到所述测量单元（4）的图像区域中并且能够从所述图像区域中移动出来的校准靶。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学的测量单元（4）刚性地布置在所述承载元件（6）上。

13.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，至少一个测量装置（7、8）的光路（23、24）与垂直线包围25-65°的角度。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，至少一个测量装置（7、8）的光路（23、24）与垂直线包围35-55°的角度。

15.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述用于所述承载元件（6）相对于所述转动平台（11）围绕两个彼此交叉的、平行于所述测量平面（18）的转动轴线（12）的至少两轴线的能够摆动性的装置是六足机构（9）。

16.用于借助于根据权利要求1至15中任一项所述的装置光学地测量管道（1）的外螺纹轮廓（3）的方法，包括如下步骤：

a）将所述待测量的管道（1）布置在所述支承件（5）上，从而所述管道（1）的管道轴线（2）横向于所述测量单元（4）的测量平面（18）伸延并且所述外螺纹轮廓（3）在所述光路（23、24）中布置在所述光源（19、19'、21、21'）与所配属的相机（20、20'、22、22'）之间，

b）使所述测量单元（4）如下地取向，使得所述测量平面（18）与所述管道轴线（2）包围直角，

c）借助于至少一个测量装置（7、8）的相机（20、20'、22、22'）拍摄所述外螺纹轮廓（3）的阴影图像以及评估所述阴影图像，

其中，步骤b）包括如下步骤：

- 从所述外螺纹轮廓（3）的两个关于所述管道轴线（2）相反地对置的部位沿所述光路（23、24）的处于所述测量平面（18）中的第一方向拍摄阴影图像，以便获得所述外螺纹轮廓（3）的第一和第二阴影图像，

- 根据所述外螺纹轮廓（3）的第一和第二阴影图像求得所述外螺纹轮廓（3）的对称轴线，

- 求得所述对称轴线与处于垂直于所述测量平面（18）的轴线的角度偏差，

- 单轴线地摆动所述测量单元（4）直至所述角度偏差为0°，

- 重复这些步骤，其中，从所述外螺纹轮廓（3）的两个关于所述管道轴线（2）相反地对置的部位沿所述光路（23、24）的处于所述测量平面（18）中的第二方向拍摄所述阴影图像，其中，所述第一和第二方向横向于彼此伸延。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，步骤b）包括如下步骤：

- 沿所述光路（23、24）的两个不同的、处于所述测量平面（18）中的方向拍摄所述管道（1）的端面的阴影图像，以便获得第一和第二阴影图像，

- 单或两轴线地摆动所述测量单元（4）直至所述端面的第一和第二阴影图像相应于直线。

18.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，所述阴影图像在步骤c）中沿所述光路（23、24）的至少两个不同的、处于所述测量平面（18）中的方向被拍摄。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，步骤c）包括借助于所述至少两个测量装置（7、8）的相机（20、20'、22、22'）来拍摄阴影图像。

20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，阴影图像的拍摄在步骤c）中首先在所述测量单元（4）的第一转动位置中进行，所述测量单元（4）然后以预先确定的角度围绕垂直于所述测量平面（18）伸延的转动轴线（12）转动并且此后在所述测量单元（4）的第二转动位置中进行阴影图像的拍摄。

21.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第一和第二方向横向于彼此以90°的角度伸延。

Images