CN113446965B - 钢管管端直线度误差的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢管管端直线度误差的测量方法，包括：钢管（2）到达测量工位，直线度误差计算单元（8）获得钢管参数并计算旋转速度；旋转控制器（6）旋转钢管；角度传感器（5）采集当前角度值并发送至直线度误差计算单元；激光器（3）向钢管投射激光，工业相机（4）采集光带曲线并发送至直线度误差计算单元；直线度误差计算单元在光带曲线上取若干测量点并计算单次直线度误差值；重复上述步骤至完成全周测量，所有单次直线度误差值中最大值为直线度误差值。本发明通过激光照射于钢管表面形成的光带曲线提取曲线参数用于计算钢管管端直线度误差，并结合360°全周精确测量，提高管端直线度误差的测量效率和精度，有利于钢管质量监控。

Description

钢管管端直线度误差的测量方法

技术领域

本发明涉及一种钢管质量检测方法，尤其涉及一种非接触式的钢管管端直线度误差的测量方法。

背景技术

钢管是钢铁企业的重要产品之一，在化工、冶金、机械等各个工业领域中都有着广泛的应用。对于钢管产品来说，直线度是衡量钢管质量的重要指标。生产、加工、自重以及传送过程中的碰撞、温度变化等原因都会造成钢管塑性变形，导致直线度误差增大，无法满足对于钢管产品精密度不断提高的要求。

在实际生产中，钢管直线度大多采用人工测量的方法，利用人工目测直观判断弯曲程度，同时结合离线抽检的方式进行人工拉线法、三坐标测量法等接触式测量。人工测量，存在很多问题，比如随意性和误差大、测量时间长等。因此，一些钢铁企业开始采用机械式的钢管直线度检测装置，如中国实用新型专利ZL201721361612.9公开了一种钢管直线度检测和校直装置，该装置在钢管外圆上布置转轮，在钢管传输时，钢管的变形部位会引起转轮的上下运动，通过转动带动检测杆摆动的幅度计算得到钢管的直线度情况及其误差情况。由于转轮是沿钢管的径向布置的，转轮的布置量受到钢管管径的限制，导致测量点较少，且钢管始终处于轴向传输状态，数据采集周期受到钢管传输速度的影响较大，导致测量精度较低。

通常管端是钢管加工、连接的常用部位，也是弯曲最厉害的部分，根据美国石油学会（API）对套管和油管标准，要求在每端1.5m（5.0ft）长度范围内的偏离距离应不超过3.18mm（1/8in）。由于受到测量手段及工具的限制，现有的测量方法是将管端端部最外处作为最大偏差的位置，简单地将管端作为单向弯曲处理，测量时取距离管端1.8米和1.5米处的两个位置的连线作为基准线，并将基准线与管端0米处的位置偏差作为直线度误差。该测量放方法存在两个问题：一是将距离管端1.5米即钢管中间区域作为完全平直的，而生产实际中该区域也会存在一定弯曲度，从而导致测量结果与真实情况有所偏差；二是将管端最外处作为最大偏差的位置。在实际测量中钢管端部可能存在非单向弯曲的情况，如C型、S型弯曲等，因此管端0米处并不是最大弯曲位置，因此，现有技术的钢管端部直线度的测量方法不能体现真实直线度，也无法满足现代钢管生产的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢管管端直线度误差的测量方法，基于带状激光投射于钢管上形成的光带曲线计算钢管的直线度误差，并通过全周转动提高测量精度，从而准确的测量出钢管管端的真实直线度误差。

本发明是这样实现的：

一种钢管管端直线度误差的测量方法，其特征是：该方法采用由支撑旋转装置、激光器、工业相机、角度传感器、旋转控制器、工艺信号采集接口单元和直线度误差计算单元构成的测量装置进行测量；该测量方法包括以下步骤：

步骤1：钢管输送到支撑旋转装置上，直线度误差计算单元检测钢管是否到达测量工位，若是，则执行步骤2，若否，则继续检测；

步骤2：直线度误差计算单元通过工艺信号采集接口单元获得钢管的参数，并计算钢管的旋转速度；

步骤3：直线度误差计算单元通过旋转控制器控制支撑旋转装置带动钢管旋转；角度传感器采集钢管的当前角度值并发送至直线度误差计算单元；

步骤4：激光器向钢管投射激光并形成光带曲线，工业相机采集光带曲线的轮廓图像并发送至直线度误差计算单元；

步骤5：直线度误差计算单元在光带曲线上取若干个测量点，并计算钢管管端的单次直线度误差值；

步骤6：重复步骤3至步骤5；

步骤7：直线度误差计算单元判断是否完成钢管的360°全周测量，若是，则执行步骤8，若否，则返回步骤3；

步骤8：直线度误差计算单元取所有单次直线度误差值中的最大值作为钢管管端的直线度误差值；

步骤9：直线度误差计算单元判断是否测量结束，若是，则结束测量，若否，则返回步骤1。

所述的步骤5还包括以下分步骤：

步骤5.1：在光带曲线中，取距离钢管管端L长度范围作为检测区；

步骤5.2：在检测区中取若干个测量点作为曲线数据点；

步骤5.3：计算该光带曲线的单次直线度误差值。

在所述的步骤5中，单次直线度误差值的计算方法包括端点连线法、最小二乘法或最小区域法。

所述的若干个测量点等间距布置，且首测量点和末测量点分别位于检测区的两端。

在所述的步骤3中，支撑旋转装置每一次带动钢管旋转的角速度均相同。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明通过带状激光照射于钢管表面形成光带曲线并通过工业相机进行曲线轮廓的采集，利用曲线直度误差计算方法实现钢管管端轴线方向的最大偏移量，从而准确测量出钢管管端的真实直线度误差。

2、本发明通过驱动钢管360°全周转动并设定每次转动的角度，提高直线度误差数据采集量，实现了非接触式全周在线测量，且提高了测量精度，以满足钢管生产检测需要。

综上所述，本发明通过激光照射于钢管表面形成的光带曲线提取曲线参数用于计算钢管管端直线度误差，并结合360°全周精确测量，有效提高了钢管直线度误差的测量效率和精度，有利于钢管产品质量的监控。

附图说明

图1是本发明钢管管端直线度误差的测量方法的流程图；

图2是本发明钢管管端直线度误差的测量方法的原理图；

图3是直线度误差计算中端点连线法的计算原理图；

图4是直线度误差计算中最小二乘法的计算原理图；

图5是直线度误差计算中最小区域法的计算原理图；

图6是本发明钢管管端直线度误差的测量方法采用的测量装置的主视图。

图中，1支撑旋转装置，2钢管，3激光器，4工业相机，5角度传感器，6旋转控制器，7工艺信号接口单元，8直线度误差计算单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

请参见附图6，一种钢管管端直线度误差的测量装置，包括支撑旋转装置1、钢管2、激光器3、工业相机4、角度传感器5、旋转控制器6、工艺信号采集接口单元7和直线度误差计算单元8；钢管2水平置于支撑旋转装置1上，支撑旋转装置1带动钢管2转动；激光器3安装在钢管2的正上方并向钢管2投射激光，且激光为沿钢管2的轴向延伸的一字型带状激光并在钢管表面形成光带曲线；工业相机4设置在钢管2的一侧并采集光带曲线的轮廓图像；角度传感器5的输入端与支撑旋转装置1的输出端连接，旋转控制器6的输出端与支撑旋转装置1的输入端连接，工业相机4的输出端、角度传感器5的输出端、旋转控制器6的输入端和工艺信号采集接口单元7的输出端分别连接至直线度误差计算单元8。直线度误差计算单元8可采用具有图像和数据采集处理、图像轮廓提取、数据识别处理、计算等功能的计算机设备。

请参见附图1，一种钢管管端直线度误差的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：钢管2输送到支撑旋转装置1上，直线度误差计算单元8检测钢管2是否到达测量工位，若是，则执行步骤2，若否，则继续检测。

步骤2：直线度误差计算单元8通过工艺信号采集接口单元7获得钢管2的参数，并根据钢管2的参数计算钢管2的旋转速度。

所述的钢管2的参数包括钢管外径、测量要求等数据。

步骤3：直线度误差计算单元8通过旋转控制器6控制支撑旋转装置1带动钢管2旋转；角度传感器5采集钢管2的当前角度值并发送至直线度误差计算单元8。

优选的，所述的支撑旋转装置1每一次带动钢管2旋转的角速度均相同，即钢管2在测量过程中始终以恒定的角速度旋转。旋转的角度即全周测量的间隔角度，可根据具体测量要求和标准来确定，角度值越小，则测量间隔角度值越小，全周测量的直线度数据越多，测量精度越高，计算结果也越接近实际管端直线度值。

步骤4：激光器3沿钢管2的轴向向钢管2的表面投射一字型带状激光并形成钢管2表面轮廓完全相同的光带曲线，工业相机4采集光带曲线的轮廓图像并发送至直线度误差计算单元8。

步骤5：直线度误差计算单元8在光带曲线上取若干个测量点，并计算钢管2管端的单次直线度误差值。

请参见附图2，步骤5.1：在光带曲线中，取距离钢管2管端L长度范围作为检测区。检测区的长度范围L可以根据行业检测标准或用户检测要求设定，如对于套管和油管等无缝钢管，可根据其检测标准将检测区按照L=1.5米计算。

步骤5.2：钢管表面轮廓曲线可以理解为由无穷多的点组成的数据序列，为了方便计算以及提高计算速度，在检测区中取若干个测量点a1、a2、a3、…、an作为曲线数据点。

所述的若干个测量点a1、a2、a3、…、an等间距布置，且首测量点a1和末测量点an分别位于检测区的两端。测量点的布置间距可根据测量精度、计算速度等要求调整和确定。

步骤5.3：计算曲线数据点的单次直线度误差值，单次直线度误差值可采用现有技术的端点连线法、最小二乘法或最小区域法进行计算。

请参见附图3，端点连线法的计算方法是：把光带曲线首末两个端点即a1和an的连线（基准线）作为评定直线度误差的基准，计算光带曲线上其余曲线数据点到基准线之间的偏离值，在基准线上面的曲线数据点aj的偏离值取正值，在基准线下面的曲线数据点ai的偏离值取负值，取最大偏离值和最小偏离值之差作为该光带曲线的单次直线度误差值，就是当前位置钢管2的单次直线度误差值。

请参见附图4，最小二乘法的计算方法是：以光带曲线的最小二乘直线作为评定基准，最小二乘直线是一条穿过光带曲线的理想直线，它所处的位置使光带曲线上各曲线数据点到它的距离的平方之和为最小。计算各曲线数据点到最小二乘直线之间的偏离值，在最小二乘线上面的曲线数据点aj的偏离值取正值，在最小二乘线下面的曲线数据点ai的偏离值取负值，取最大偏离值和最小偏离值之差作为该光带曲线的单次直线度误差值，就是当前位置钢管2的单次直线度误差值。

请参见附图5，最小区域法的计算方法是：找出包容被测光带曲线的许多对两两平行的直线中距离最小的一对包容线，两条包容线之间的距离就是当前位置钢管2的单次直线度误差值。

步骤6：重复步骤3至步骤5。

步骤7：直线度误差计算单元8判断是否完成钢管2的360°全周测量，若是，则执行步骤8，若否，则返回步骤3。

优选的，根据测量精度和采集数据量的实际要求，直线度误差计算单元8可控制钢管2转动任意角度，可小于360°或大于360°。

步骤8：直线度误差计算单元8取所有单次直线度误差值中的最大值作为钢管2管端的直线度误差值

步骤9：直线度误差计算单元8判断是否测量结束，若是，则结束测量，若否，则返回步骤1。

实施例1：

待检测的钢管2水平放置于一个测量工位上，直线度误差计算单元8检测到钢管2到达工位，直线度误差计算单元8通过工艺信号接口单元7接收钢管到位信号，系统启动。直线度误差计算单元8通过工艺信号接口单元7采集当前待测工位上的钢管规格数据，获得外径尺寸、测量要求等数据，并根据钢管2的数据计算出对应的旋转速度，从而可以使旋转控制器6控制支撑旋转装置1驱动钢管2以恒定的角速度w旋转。由于不同规格的钢管2外径不同，为了保证测量精确性和一致性，需要保证在圆周方向上的测量点分布均匀，即两个测量点之间的夹角θ相等，同时可配合角度传感器5实时测量钢管2的旋转角度，并将转动角度数据传送到直线度误差计算单元8。在测量频率一定的情况下，该夹角由钢管2的旋转角速度w决定，因此需根据不同规格钢管2的外径来计算不同的旋转线速度，从而确保角速度相同。

在钢管2轴线正上方放置一激光器3，激光器3照射出的高线性一字型高亮激光带投射到钢管2表面，形成一条和钢管2上边缘完全重合的光带曲线，该光带曲线即为钢管2在该位置的表面轮廓线，可根据不同的检测条件选择具有不同波长（不同颜色）的激光器3。通过设置在钢管2水平侧的高分辨率的工业相机4采集到这条光带曲线的图像发送至直线度误差计算单元8，工业相机4的分辨率可根据测量精度调整，直线度误差计算单元8获得光带曲线上的轮廓曲线数据。

钢管管端直线度误差是指距离管端一定范围内的弯曲度，由于钢管生产工艺和加工过程的影响，钢管中间区域的直线度容易实现和保证，而管端容易发生弯曲，同时由于管端往往是用户进行加工、连接的部位，对于管端的直线度误差有明确的要求，以美国石油学会（API）对套管和油管标准为例，要求在每端1.5m（5.0ft）长度范围内的偏离距离应不超过3.18mm（1/8in）。因此，本实施例取距离钢管2管端长度范围L=1.5m作为检测区，检测区内以间距l=50mm选取31个测量点a1、a2、a3、…、a31作为曲线数据点，通过端点连线法计算曲线数据点的单次直线度误差值，将端点a1和a31的连线作为基准线，计算其余各点a2、a3、…、a30到该基准线的距离，位于该基准线上方的点到基准线的距离为正值，位于该基准线下方的点到基准线的距离为负值，找到正值最大的点如a29到该基准线的距离为0.6mm和负值最大的点a10到该基准线的距离为-1.3mm，则该次直线度误差值为0.6+1.3=1.9mm。

支撑旋转装置1驱动钢管2以恒定的角速度w旋转，重新获取该测试点位的光带曲线，直线度误差计算单元8获得光带曲线上的轮廓曲线数据，并通过端点连线法计算出该角度位置处钢管2管端的单次直线度误差值。重复上述步骤，计算钢管2在不同角度位置处的多个单次直线度误差值，直到钢管2完成360°全周转动测量，取所有单次直线度误差值的最大值作为钢管2管端的直线度误差值，完成检测。

实施例2：

待检测的钢管2水平放置于一个测量工位上，检测到钢管2到达工位，直线度误差计算单元8通过工艺信号接口单元7接收钢管到位信号，系统启动。直线度误差计算单元8通过工艺信号接口单元7采集当前待测工位上的钢管规格数据，获得外径尺寸、测量要求等数据，并根据钢管2的数据计算出对应的旋转速度，从而可以使旋转控制器6控制支撑旋转装置1驱动钢管2以恒定的角速度w旋转。由于不同规格的钢管2外径不同，为了保证测量精确性和一致性，需要保证在圆周方向上的测量点分布均匀，即两个测量点之间的夹角θ相等，同时可配合角度传感器5实时测量钢管2的旋转角度，并将转动角度数据传送到直线度误差计算单元8。在测量频率一定的情况下，该夹角由钢管2的旋转角速度w决定，因此需根据不同规格钢管2的外径来计算不同的旋转线速度，从而确保角速度相同。

在钢管2轴线正上方放置一激光器3，激光器3照射出的高线性一字型高亮激光带投射到钢管2表面，形成一条和钢管2上边缘完全重合的光带曲线，该光带曲线即为钢管2在该位置的表面轮廓线，可根据不同的检测条件选择具有不同波长（不同颜色）的激光器3。通过设置在钢管2水平侧的高分辨率的工业相机4采集到这条光带曲线的图像发送至直线度误差计算单元8，工业相机4的分辨率可根据测量精度调整，直线度误差计算单元8获得光带曲线上的轮廓曲线数据。

钢管管端直线度误差是指距离管端一定范围内的弯曲度，由于钢管生产工艺和加工过程的影响，钢管中间区域的直线度容易实现和保证，而管端容易发生弯曲，同时由于管端往往是用户进行加工、连接的部位，对于管端的直线度误差有明确的要求，以国标（GB/T9711—2017）对石油天然气工业管线输送系统用钢管标准为例，要求在每端1.0m（3.0ft）长度范围内的偏离距离应不超过4.0mm（0.156in）。因此，本实施例取距离钢管2管端长度范围L=1.0m作为检测区，检测区内以间距l=100mm选取11个测量点a1、a2、a3、…、a11作为曲线数据点，通过最小区域法计算曲线数据点的单次直线度误差值：找出包容11个数据点a1、a2、a3、…、a11的所有平行直线中距离最小的一对包容线，这两条包容线之间的距离为3.6mm，即当前角度位置钢管2管端的单次直线度误差值为3.6mm。

支撑旋转装置1驱动钢管2以恒定的角速度w旋转，重新获取该测试点位的光带曲线，直线度误差计算单元8获得光带曲线上的轮廓曲线数据，并通过最小区域法计算出该角度位置处钢管2的单次直线度误差值。重复上述步骤，计算钢管2在不同角度位置处的多个单次直线度误差值，直到钢管2完成360°全周转动测量，取所有单次直线度误差值的最大值作为钢管2管端的直线度误差值，完成检测。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种钢管管端直线度误差的测量方法，其特征是：该方法采用由支撑旋转装置（1）、激光器（3）、工业相机（4）、角度传感器（5）、旋转控制器（6）、工艺信号采集接口单元（7）和直线度误差计算单元（8）构成的测量装置进行测量；该测量方法包括以下步骤：

步骤1：钢管（2）输送到支撑旋转装置（1）上，直线度误差计算单元（8）检测钢管（2）是否到达测量工位，若是，则执行步骤2，若否，则继续检测；

步骤2：直线度误差计算单元（8）通过工艺信号采集接口单元（7）获得钢管（2）的参数，并计算钢管（2）的旋转速度；

步骤3：直线度误差计算单元（8）通过旋转控制器（6）控制支撑旋转装置（1）带动钢管（2）旋转；角度传感器（5）采集钢管（2）的当前角度值并发送至直线度误差计算单元（8）；

步骤4：激光器（3）向钢管（2）投射激光并形成光带曲线，工业相机（4）采集光带曲线的轮廓图像并发送至直线度误差计算单元（8）；

步骤5：直线度误差计算单元（8）在光带曲线上取若干个测量点，并计算钢管（2）管端的单次直线度误差值；

步骤6：重复步骤3至步骤5；

步骤7：直线度误差计算单元（8）判断是否完成钢管（2）的360°全周测量，若是，则执行步骤8，若否，则返回步骤3；

步骤8：直线度误差计算单元（8）取所有单次直线度误差值中的最大值作为钢管（2）管端的直线度误差值；

步骤9：直线度误差计算单元（8）判断是否测量结束，若是，则结束测量，若否，则返回步骤1；

所述的步骤5还包括以下分步骤：

步骤5.1：在光带曲线中，取距离钢管（2）管端L长度范围作为检测区；

步骤5.2：在检测区中取若干个测量点作为曲线数据点；

步骤5.3：计算该光带曲线的单次直线度误差值。

2.根据权利要求1所述的钢管管端直线度误差的测量方法，其特征是：在所述的步骤5中，单次直线度误差值的计算方法包括端点连线法、最小二乘法或最小区域法。

3.根据权利要求1所述的钢管管端直线度误差的测量方法，其特征是：所述的若干个测量点等间距布置，且首测量点和末测量点分别位于检测区的两端。

4.根据权利要求1所述的钢管管端直线度误差的测量方法，其特征是：在所述的步骤3中，支撑旋转装置（1）每一次带动钢管（2）旋转的角速度均相同。

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