CN115435713B - 一种扩管直度激光测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种扩管直度激光测量系统及测量方法，涉及计算机测量技术领域，采用3d激光结构扫描技术，获取扩管目标区域表面的点云数据，生成一个分布均匀、特征保持的完整点云模拟三维图，用经过扩管轴线的平面截取一个扩管目标区域点云断面，进行扩管目标区域断面边线重构，根据重构出的扩管目标区域断面边线剔除扩管目标区域断面点云的离散点值，得到扩管目标区域断面精确边线轮廓点云的三维坐标，分别计算扩管目标区域断面两边线轮廓的直度。在计算直度的过程中，使用节距法，对被测扩管进行分段测量，选取阈值分段点用于直度计算，并在得出直度数据之后，对所述直度数据进行评定，从而判断扩管目标区域的形状误差是否在控制范围内。
Description
技术领域
本发明涉及计算机测量技术领域，具体涉及一种扩管直度激光测量系统及测量方法。
背景技术
随着装备大型化、高效化发展的需要，市场对流体输送、石油化工、压力容器、锅炉及结构等领域用大直径无缝钢管的需求量正在不断增加。但对于直径与壁厚之比特别大的大直径薄壁热扩钢管， 由于受到轧管机所能轧制的产品外径和壁厚的限制 而难以生产。热扩钢管就是热扩管，密度比较低但是收缩很强。热扩是钢管的一种加工方式，是把小口径钢管加工成大口径钢管。热扩钢管是通过扩大管材直径的一种钢管成型工序、通常采用斜轧热扩管工艺，即将经加热至适当温度的轧件以热扩管工艺所产生的钢管。
热扩钢管规格型号随意性比较大，一般是根据客户的需要而制作，采用相应的热扩管机。例如中国专利号CN102179450A公开的一种无缝钢管热扩工艺及热扩管机，提供了能够连续自动化生产、显著提供生产效率和产品质量的工艺，及包括机架、升降辊道、后台小车装置、锁定夹紧装置等的热扩管机。由于钢厂无缝钢管规格有限，不能满足终端消费者对大口径钢管的供给需要，但是由于钢管外径大，壁厚薄，生产难度极大。
目前大口径无缝管的应用越来越广泛。外径355~720mm、壁厚7.1~28mm的无缝钢管一般由热扩工艺完成。热扩工艺主要是采用局部中频感应加热扩管或者毛管在加热炉内整体加热然后挤压热扩，而壁厚小于12.7mm的大口径无缝管大多采用局部中频感应加热扩管工艺。 热扩的钢种几乎集中于亚共析钢，热扩管成品的长度可达到12.5m，中频加热是快速加热而且几乎是零保温时间，对亚共析钢来说，珠光体向奥氏体转变的临界温度AC1、AC3略有提高。而局部感应加热热扩管时温度一般在700到760℃，随后空冷。无缝钢管经过这样工艺热扩后，其综合机械性能得不到改善，特别是低温冲击性能较差，这样的热扩成品管只有靠后续的加热炉进行正火处理才能改善，并且有些钢种在其相应的标准中对其热成型温度有明确规定，实际上就是要正火态交货。而对于大口径薄壁的热扩管，如508*9.53等，在炉内加温到900℃以上，并且保温一段时间，极易造成钢管椭圆、变形，无法再到下道工序进行矫直，将造成废品。
但现有技术中直度测量方式存在以下两个问题：第一，离散点云值的剔除方式依赖残差，计算过程复杂，第二，为了加快计算过程，对点云进行均匀抽稀后再进行圆柱面重构，精度较低，第三，最终结果的计算精度极度依赖椭圆重构步骤的精度，导致最终结果的精度不稳定。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种扩管直度激光测量方法，包括如下步骤：
S1、采用3d激光结构扫描技术，获取扩管目标区域表面的点云数据；
S2、对由步骤S1获得的扩管目标区域表面的点云数据进行预处理，得到点云数据中的预处理点云数据；
S3、对步骤S2获得的预处理点云数据进行重采样处理，获得扩管目标区域的校正三维坐标数据；
S4、基于步骤S3获得的扩管目标区域的校正三维坐标数据，用经过扩管轴线的平面截取一个扩管目标区域点云断面；
S5、基于截取的扩管目标区域断面点云进行扩管目标区域断面边线重构，根据重构出的扩管目标区域断面边线剔除扩管目标区域断面点云的离散点值；
S6、基于扩管目标区域断面精确边线轮廓点云的三维坐标，分别计算扩管目标区域断面两边线轮廓的直度。
进一步地，步骤S5中，将扩管目标区域断面边线点云上的点记为P，采用重构法初步重构出扩管目标区域断面重构边线轮廓；将经过扩管轴线的平面内的扩管轴线作为断面重构边线点云中轴线，设该点云中轴线的法向量为
，R,S,T为法向量
的坐标表示；
基于中轴线的法向量和一个给定的中轴线上的点G(x0,y0,z0)，则经过扩管轴线的平面方程为：
R(x-x0)+S(y-y0)+T(z-z0)＝0；
其中，(x,y,z)是经过扩管轴线的平面内的任意一个点的坐标；
将扩管目标区域断面边线点云P中与断面重构边线轮廓的距离超过预设距离阈值的点定义成离散点值，剔除所有离散点值，将剔除离散点值后的扩管目标区域断面精确边线轮廓点云记为Q。
进一步地，步骤S6包括如下步骤：
S61、使用节距法，对被测扩管进行分段，设被测扩管全长为Ln，节距为L，分段数n=Ln/L，n取整数；
S62、进行分段测量，以初始点为基准，在坐标上记为(0, 0)，以经过初始点的水平线为X轴，与水平线X轴垂直方向为Y轴，每一节距对应的临时轴线相对于水平方向的角度变化量，用
表示(i=1,2,…，n)；
S63、将每一段节距以节距L表示为：
xi=i×L；
相对于水平基准每一节段后一点相对于前一点的高度差用△yi(i=1,2,…，n)表示：
各个分段点相对于起始点的位置关系为:
选取阈值分段点（xt ，yt），找出所有大于yt的分段点的纵坐标yi，设共有m个，则直度M用下式表示：
进一步地，步骤S2中，所述预处理为重构平行处理，使目标扩管的中轴线与三维坐标数据所在的空间直角坐标系的X轴平行。
进一步地，步骤S3中，首先进行三角面片化处理和平滑处理，得到所述预处理操作点云数据图对应的模拟几何图；其次对模拟几何图进行对齐处理和异常波动处理，得到对齐几何图；最后对齐几何图重构中轴线和裁剪处理得到对应的一段扩管目标区域的模拟三维图。
进一步地，还包括步骤S7,在得出直度数据之后，对所述直度数据进行评定，从而判断扩管目标区域的形状误差是否在控制范围内。
本发明还提出了一种扩管直度激光测量系统，用于实现扩管直度激光测量方法，包括：
数据获取单元，用于采用3d激光结构扫描技术，获取扩管目标区域表面的点云数据；
数据预处理单元，对由数据获取单元获得的扩管目标区域表面的点云数据进行预处理，得到点云数据中的预处理点云数据；
模拟三维图形成单元，对数据预处理单元获得的预处理点云数据进行重采样处理，获得扩管目标区域的校正三维坐标数据；
断面提取单元，用于基于模拟三维图形成单元获得的扩管目标区域的模拟三维图，用经过扩管轴线的平面截取一个扩管目标区域点云断面；
剔除离散点值单元，用于基于断面提取单元截取的扩管目标区域点云断面进行扩管目标区域断面边线重构，根据重构出的扩管目标区域断面边线剔除扩管目标区域断面点云的离散点值，获得扩管目标区域断面精确边线轮廓；
断面轮廓直度分析单元，用于基于剔除离散点值单元获取的扩管目标区域断面精确边线轮廓点云的三维坐标，分别计算扩管目标区域断面两条精确边线轮廓的直度。
进一步地，还包括评定单元，用于在得出直度数据之后，对所述直度数据进行评定，从而判断扩管目标区域的形状误差是否在控制范围内。
相比于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：
采用3d激光结构扫描技术，获取扩管目标区域表面的点云数据，生成一个分布均匀、特征保持的完整点云模拟三维图，用经过扩管轴线的平面截取一个扩管目标区域点云断面，进行扩管目标区域断面边线重构，根据重构出的扩管目标区域断面边线剔除扩管目标区域断面点云的离散点值，得到扩管目标区域断面精确边线轮廓点云的三维坐标，在此基础上，分别计算扩管目标区域断面两边线轮廓的直度。在计算直度的过程中，使用节距法，对被测扩管进行分段测量，选取阈值分段点用于直度计算，并在得出直度数据之后，对所述直度数据进行评定，从而判断扩管目标区域的形状误差是否在控制范围内。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为本发明的扩管直度激光测量方法流程示意图；
图2为本发明的扩管目标区域点云数据图；
图3为本发明的使用节距法进行直度测量的分段示意图；
图4为本发明的分段测量过程中坐标轴的设定示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。
热扩钢管就是常说的热扩管，热扩是钢管的一种加工方式，是把小口径钢管加工成大口径钢管。热扩钢管密度比较低但是收缩很强，无缝化钢管都可以简称为热扩管。在热扩管过程中金属体积不会改变，扩管区分为已扩管区、扩管区和待扩管区。扩管区和对芯棒的作用力都集中在扩管区，已扩管区的钢管处于自由前行状态，与芯棒间无力的相互作用。本实施例则选取已扩管区作为扩管目标区域。
对任一加工过程中的扩管，都需要使用测量装备对扩管目标区域进行准确的测量，得出测量数据之后需要对其评定，本发明的评定内容主要为直度，只有得出直度之后才能得出形状误差是否在误差所控制的范围内。若不在控制范围内，则需要及时调整加工工艺，控制直度误差在可接受范围。
从这个角度来说，测量数据的评定和测量的准确性，能够作为扩管质量的依据，同时，测量数据的评定和测量的准确性还能够用来找出产生直度误差的原因，反过来对扩管的装配精度和加工精度起到一定的提高作用。
因此，本发明提出了一种扩管直度激光测量系统及测量方法，如图1所示，为本发明的一种扩管直度激光测量方法流程示意图，该直度激光测量方法包括如下步骤：
步骤S1，采用3d激光结构扫描技术，获取扩管目标区域表面的点云数据。
其中，点云数据包括多个采样点的三维坐标数据。在本申请实施例中，3d激光结构扫描技术是指采用专业的3d激光结构扫描仪对扩管目标区域表面进行扫描操作，进而获取扩管目标区域表面的点云数据。其中，扩管目标区域的表面可以是扩管目标区域的外表面或者内表面。
如图2所示，为本发明中获取到的扩管目标区域的表面的点云数据图。点云数据图中每个采样点都具有空间直角坐标系下的三维坐标数据，此外，点云数据图中的采样点密集排布。
步骤S2，对由步骤S1获得的扩管目标区域表面的点云数据进行预处理，得到点云数据中的预处理点云数据。
预处理操作包括：采样处理、重构平行处理等，预处理操作点云数据图中的采样点更加均匀。
其中，对齐平行处理是使得目标扩管的中轴线与三维坐标数据所在的空间直角坐标系的X轴平行。在3d激光结构扫描过程中，扫描数据对象的重构平行方式是至关重要的，不同的重构平行方式会产生不同的扫描结果数据。重构平行方法的选择需要根据零件基准特征、加工定位方式以及质量异常原因等来确定。只有重构平行方法合理才能得到科学的扫描结果数据。
步骤S3，对步骤S2获得的预处理点云数据进行重采样处理，具体包括：首先进行三角面片化处理和平滑处理，可以得到所述预处理操作点云数据图对应的模拟几何图；其次对模拟几何图进行对齐处理和异常波动处理，得到对齐几何图；最后对齐几何图重构中轴线和裁剪处理可以得到对应的一段扩管目标区域的模拟三维图。模拟三维图对应多个采样点，每个采样点具有对应的校正三维坐标数据。
由于被测物体的材质、与被测物体间的距离和角度、空气中的杂质等影响，3d激光结构扫描仪获取的原始点云数据往往包含空洞、噪声以及密度分布不均匀，点云重采样通过三角面片化处理、平滑处理、对齐处理、异常波动处理和重构中轴线、裁剪处理等工作，生成一个分布均匀、特征保持的完整点云模拟三维图，有利于点云的后续计算处理。
步骤S4，基于步骤S3获得的扩管目标区域的校正三维坐标数据，用经过扩管轴线的平面截取一个扩管目标区域点云断面。
步骤S5，基于截取的扩管目标区域断面点云进行扩管目标区域断面边线重构，根据重构出的扩管目标区域断面边线剔除扩管目标区域断面点云的离散点值。
具体地，法矢量能够很好描述三维点云的局部特征，是点云处理中重要的参考信号, 由于扫描设备采集的点云数据不包含法向量信息，只能根据采样点及其邻域点估算法向量，区域分割算法以采样点间的法向量偏差评估局部相似性，作为区域增长的判定依据。
将扩管目标区域断面边线点云上的点记为P，采用重构法初步重构出扩管目标区域断面重构边线轮廓；将经过扩管轴线的平面内的扩管轴线作为断面重构边线点云中轴线，设该点云中轴线的法向量为
，R,S,T为法向量
的坐标表示。
基于中轴线的法向量和一个给定的中轴线上的点G(x0,y0,z0)，则经过扩管轴线的平面方程为：
R(x-x0)+S(y-y0)+T(z-z0)＝0；
其中，(x,y,z)是经过扩管轴线的平面内的任意一个点的坐标。
将扩管目标区域断面边线点云P中与断面重构边线轮廓的距离超过预设距离阈值的点定义成离散点值，剔除所有离散点值，将剔除离散点值后的扩管目标区域断面精确边线轮廓点云记为Q。
步骤S6，基于扩管目标区域断面精确边线轮廓点云Q的三维坐标，分别计算扩管目标区域断面两边线轮廓的直度。
具体地，在给定经过扩管轴线的平面内，首先，进行对扩管单个边线轮廓的合理分段，本实施例中，由于直度测量使用节距法，因此需要对被测扩管的测量段数进行合理划分。具体如图3所示，若被测扩管全长为Ln，节距为L，则分段数n=Ln/L取整数。
其次，进行分段测量。测量过程中，如图4所示，以初始点为基准，在坐标上记为(0,0)，以经过初始点的水平线为X轴，与水平线X轴垂直方向为Y轴。
每一节距对应的临时轴线相对于水平方向的角度变化量，用
表示(i=1,2,…，n)。
由于每一节距实际轴线与水平轴线的夹角较小，x方向的变化微乎其微，对直线度误差评定影响较小，故每一段节距以节距L表示，则有：
xi=i×L；
根据相对于水平基准每一节段后一点相对于前一点的高度差，其值用△yi(i=1,2,…，n)表示。则有：
综上可得，各个分段点相对于起始点的位置关系为:
选取阈值分段点xt，yt，找出所有yi大于yt的分段点，设共有m个，则扩管单个边线轮廓的直度M用下式表示：
同理，计算扩管另一个边线轮廓的直度。
还包括步骤S7,在得出直度数据之后，对所述直度数据进行评定，从而判断扩管目标区域的形状误差是否在控制范围内。
本发明还提出了用于实现上述扩管直度激光测量方法的扩管直度激光测量系统，具体地，该扩管直度激光测量系统包括：
数据获取单元，用于采用3d激光结构扫描技术，获取扩管目标区域表面的点云数据。
数据预处理单元，对由数据获取单元获得的扩管目标区域表面的点云数据进行预处理，得到点云数据中的预处理点云数据。其中，预处理操作包括：采样处理、重构平行处理等，预处理操作点云数据图中的采样点更加均匀。
模拟三维图形成单元，对数据预处理单元获得的预处理点云数据进行重采样处理，获得扩管目标区域的校正三维坐标数据。具体包括：首先进行三角面片化处理和平滑处理，可以得到所述预处理操作点云数据图对应的模拟几何图；其次对模拟几何图进行对齐处理和异常波动处理，得到对齐几何图；最后对齐几何图重构中轴线和裁剪处理可以得到对应的一段扩管目标区域的模拟三维图。
断面提取单元，用于基于模拟三维图形成单元获得的扩管目标区域的模拟三维图，用经过扩管轴线的平面截取一个扩管目标区域点云断面。
剔除离散点值单元，用于基于断面提取单元截取的扩管目标区域点云断面进行扩管目标区域断面边线重构，根据重构出的扩管目标区域断面边线剔除扩管目标区域断面点云的离散点值，获得扩管目标区域断面精确边线轮廓。
断面轮廓直度分析单元，用于基于剔除离散点值单元获取的扩管目标区域断面精确边线轮廓点云的三维坐标，分别计算扩管目标区域断面两条精确边线轮廓的直度。
在优选实施例中，该扩管直度激光测量系统还包括评定单元，在得出测量数据之后，评定单元需要对其进行评定，本发明的评定内容主要为直度，只有得出直度之后才能得出形状误差是否在误差所控制的范围内。若不在控制范围内，则需要及时调整加工工艺，控制形状误差在可接受范围，包括：加强管坯质量控制、加强扩管区中的管坯温度控制。扩管区中的管坯温度及温度的均匀性是影响中频感应加热顶推式热扩管变形和产品质量的重要因素。必须保证扩管区中的管坯温度满足工艺规定并使温度均匀一致。可通过温度检测装置，实现扩管区中管坯加热温度和推制速度的闭环控制。
控制直度误差还可以选择合适的变形参数。中频感应加热顶推式热扩管时，除加热温度这一关键因素外，扩管率和推制速度也是影响产品质量的重要因素。变形参数的确定必须与扩管区中的管坯加热温度协调一致，以避免管坯的加热温度不合理或温度不均匀， 导致推制扩管过程不能顺利进行，或产生扩管裂纹。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，SSD))等。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种扩管直度激光测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、采用3d激光结构扫描技术，获取扩管目标区域表面的点云数据；
S2、对由步骤S1获得的扩管目标区域表面的点云数据进行预处理，得到点云数据中的预处理点云数据；
S3、对步骤S2获得的预处理点云数据进行重采样处理，获得扩管目标区域的校正三维坐标数据；
S4、基于步骤S3获得的扩管目标区域的校正三维坐标数据，用经过扩管轴线的平面截取一个扩管目标区域点云断面；
S5、基于截取的扩管目标区域断面点云进行扩管目标区域断面边线重构，根据重构出的扩管目标区域断面边线剔除扩管目标区域断面点云的离散点值；
将扩管目标区域断面边线点云上的点记为P，采用重构法初步重构出扩管目标区域断面边线轮廓；将经过扩管轴线的平面内的扩管轴线作为断面重构边线点云中轴线，设该点云中轴线的法向量为
，R,S,T为法向量
的坐标表示；
基于中轴线的法向量和一个给定的中轴线上的点G(x0,y0,z0)，则经过扩管轴线的平面方程为：
R(x-x0)+S(y-y0)+T(z-z0)＝0；
其中，(x,y,z)是经过扩管轴线的平面内的任意一个点的坐标；
将扩管目标区域断面边线点云P中与断面重构边线轮廓的距离超过预设距离阈值的点定义成离散点值，剔除所有离散点值，将剔除离散点值后的扩管目标区域断面精确边线轮廓点云记为Q；
S6、基于扩管目标区域断面精确边线轮廓点云的三维坐标，分别计算扩管目标区域断面两边线轮廓的直度。
2.根据权利要求1所述的扩管直度激光测量方法，其特征在于，步骤S6包括如下步骤：
S61、使用节距法，对被测扩管进行分段，设被测扩管全长为Ln，节距为L，分段数n=Ln/L，n取整数；
S62、进行分段测量，以初始点为基准，在坐标上记为(0, 0)，以经过初始点的水平线为X轴，与水平线X轴垂直方向为Y轴，每一节距对应的临时轴线相对于水平方向的角度变化量，用
表示(i=1,2,…，n)；
S63、将每一段节距以节距L表示为：
xi=i×L；
相对于水平基准每一节段后一点相对于前一点的高度差用△yi(i=1,2,…，n)表示：
△yi=L×sin
；
各个分段点相对于起始点的位置关系为:
选取阈值分段点（xt ，yt），找出所有大于yt的分段点的纵坐标yi，设共有m个，则直度M用下式表示：
3.根据权利要求1所述的扩管直度激光测量方法，其特征在于，步骤S2中，所述预处理为重构平行处理，使目标扩管的中轴线与三维坐标数据所在的空间直角坐标系的X轴平行。
4.根据权利要求1所述的扩管直度激光测量方法，其特征在于，步骤S3中，首先进行三角面片化处理和平滑处理，得到所述预处理操作点云数据图对应的模拟几何图；其次对模拟几何图进行对齐处理和异常波动处理，得到对齐几何图；最后对齐几何图重构中轴线和裁剪处理得到对应的一段扩管目标区域的模拟三维图。
5.根据权利要求1所述的扩管直度激光测量方法，其特征在于，还包括步骤S7,在得出直度数据之后，对所述直度数据进行评定，从而判断扩管目标区域的形状误差是否在控制范围内。
6.一种扩管直度激光测量系统，其特征在于，用于实现权利要求1-5任意一项所述的扩管直度激光测量方法，包括：
数据获取单元，用于采用3d激光结构扫描技术，获取扩管目标区域表面的点云数据；
数据预处理单元，对由数据获取单元获得的扩管目标区域表面的点云数据进行预处理，得到点云数据中的预处理点云数据；
模拟三维图形成单元，对数据预处理单元获得的预处理点云数据进行重采样处理，获得扩管目标区域的校正三维坐标数据；
断面提取单元，用于基于模拟三维图形成单元获得的扩管目标区域的模拟三维图，用经过扩管轴线的平面截取一个扩管目标区域点云断面；
剔除离散点值单元，用于基于断面提取单元截取的扩管目标区域点云断面进行扩管目标区域断面边线重构，根据重构出的扩管目标区域断面边线剔除扩管目标区域断面点云的离散点值，获得扩管目标区域断面精确边线轮廓；
断面轮廓直度分析单元，用于基于剔除离散点值单元获取的扩管目标区域断面精确边线轮廓点云的三维坐标，分别计算扩管目标区域断面两条精确边线轮廓的直度。
7.根据权利要求6所述的扩管直度激光测量系统，其特征在于，还包括评定单元，用于在得出直度数据之后，对所述直度数据进行评定，从而判断扩管目标区域的形状误差是否在控制范围内。
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