CN115682980A - 一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统及测量方法，于所述测量系统内，以被测钢管的轴线为基准线并沿此基准线分别布设反射棱镜、激光传感器及角度传感器；且三者呈定长距离固设于设置的旋转臂上；所述反射棱镜被驱动至钢管管内的设置位置、并将接受的经由激光传感器发出的激光反射至管内壁，经此形成测量光路，并通过设置的模型计算单元控制完成自动测量与计算。本发明的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统及测量方法，可实现小管径钢管的管端内壁的不圆度的自动测量，并通过设置的光学结构克服了小管径无法进行激光传感器测量的问题，将测量的限制进一步打破。
Description
技术领域
本发明属于钢管生产过程测量技术领域，具体涉及一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统及测量方法。
背景技术
钢管的不圆度是指钢管横截面上最大管径与最小管径的差与管径的百分比，反应了钢管的圆度情况，是钢管生产中极为重要的控制参数之一，也是钢管生产厂家首要控制并给予用户保证的重要指标，国内外对管端不圆度均有明确的技术要求。随着管道现场焊接施工技术的不断进步，对钢管的质量要求也不断提高，特别是对管端不圆度尺寸的要求极为严格。当两管在野外或海洋中进行配管焊接施工时，如果钢管的管端不圆度符合要求，焊接能顺利地完成；反之，会造成两管对焊困难，即使能勉强对焊在一起，也会产生很大的残余应力，致使焊缝处的机械性能下降，降低管道的安全性。由于生产工艺的限制，管端不圆度尺寸不合格的钢管依然存在，为了筛选出合格的钢管，同时严格监控钢管的生产质量，对管端不圆度指标的检测工作已成为钢管生产工艺流程中重要的一环。
钢管管端是指距钢管两端端头规定长度范围内的部分钢管或管段；不同标准对管段的长度有不同的规定，如美国石油学会(API)对管线钢的标准，管端是指钢管每个端头100mm(4.0in)长度范围内的钢管。管端不圆度的测量，实际上是对管端直径的测量，通过测量出管端最大和最小直径，就可以根据公式计算出不圆度。在测量钢管直径方面，目前的激光传感器测量，对于钢管规格大小有一定要求(只能测量内径大于110mm的钢管)，对于小管径钢管内径无法测量。目前，在实际生产中，主要依赖人工测量的方法来进行管端不圆度的检测，一般采用千分尺或专用测量工具手工测量，这种方法受生产环境、量具精确度和操作人员因素的影响较大，测量精度低、速度慢、效率低，工人劳动强度大，而且每个截面测量数据点有限，无法充分反映管端不圆度的真实情况。
申请号为：CN201110264819.5的发明申请，公开了“一种钢管不圆度测量方法及其测量尺”，具体为：，测量钢管管端一周内最大内径值与最小内径值的差值即为钢管不圆度，测量尺在钢管内壁上设有三点支撑，保证测量尺垂直经过钢管轴心，其具体操作步骤如下：1)将测量尺伸入管端内径处，底座和探头与钢管内壁形成三点支撑；2)读取标尺杆上刻度窗的探头尾端所在刻度；3)将测量尺沿钢管内壁旋转一周，旋转过程中观察刻度窗内探头尾端所在刻度的变化，最大读数与最小读数差值即为钢管的不圆度。
申请号为：CN201610604434.1的发明申请，公开了“一种能自动对准定位的电力铁塔钢管椭圆度检测装置”，包括检测平台、滑移基准平板、转轴、电磁铁、间歇电机、碰撞传感器、高度传感器、距离传感器和控制器。两根转轴均能伸入放置于弧形基准槽上的铁塔钢管内孔内；每根转轴各连接一个间歇电机，两个间歇电机能同步旋转；每根转轴内均嵌套有电磁铁；位于转轴外侧的滑移基准平板上设置有碰撞传感器；顶板的左端与滑移基准平板固定连接，顶板底部设置有水平基准平面；高度传感器能在直线电机的驱动下沿水平基准平面左右滑移，高度传感器的左侧设置有距离传感器。
申请号为：202010033062.8的发明申请，公开了“一种海洋石油工程结构钢管椭圆度全过程检测记录仪”，包括：固定架、检测组件、记录组件，固定架穿过钢管轴心并通过固定组件设在钢管内，检测组件包括径向转动机构、轴向伸缩机构和轨迹笔，径向转动机构转动连接在固定架上，且两者同轴心设置，轴向伸缩机构的一端与径向转动机构连接，轴向伸缩机构的轴线与径向转动机构的轴线间隔开并平行设置，轴向伸缩机构的另一端连接有轨迹笔；记录组件的一端与径向转动机构连接，另一端与轨迹笔抵接，以在径向转动机构转动过程中，将轨迹笔的检测轨迹记录在记录组件中。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统及测量方法，其技术方案具体如下：
一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统，其特征在于：
于所述测量系统内，以被测钢管的轴线为基准线并沿此基准线分别布设反射棱镜(1)、激光传感器(2)及角度传感器(3)；
所述反射棱镜(1)、激光传感器(2)及角度传感器(3)呈定长距离固设于设置的旋转臂(4)上；
所述旋转臂(4)可被驱动分别进行旋转动作、水平移动动作与升降动作；
所述反射棱镜(1)被驱动至钢管管内的设置位置、并将接受的经由激光传感器(2)发出的激光反射至管内壁，形成测量光路。
根据本发明的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统，其特征在于：
所述激光传感器(2)发出的激光线平行于被测钢管的轴线，激光线经过反射棱镜(1)成90度反射至管内壁。
根据本发明的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统，其特征在于：
所述激光传感器(2)为沿钢管径向对称分布的一对；
所述反射棱镜(1)的用于接受经由激光传感器(2)发出的激光并反射至管内壁的反射面设置有两个，每一个反射面各自分别对应一个激光传感器。
根据本发明的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统，其特征在于：
所述反射棱镜(1)用于接受经由激光传感器(2)发出的激光并反射至管内壁的接受面为全反射面。
根据本发明的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统，其特征在于：
所述旋转臂(4)的旋转速度根据钢管的规格及检测标准设定；
所述旋转臂(4)的旋转角度根据测量要求及检测标准设定；
所述激光传感器(2)旋转中心轴线的垂直高度根据钢管规格设定。
根据本发明的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统，其特征在于：
所述反射棱镜(1)的尺寸根据被测钢管管径的测量范围确定。
根据本发明的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统，其特征在于：
于所述测量系统内还设有模型计算单元；
所述模型计算单元用于接收各实时测量数据并根据接收完成不圆度计算、亦用于下发驱动旋转臂动作的各动作执行指令。
根据本发明的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统，其特征在于：
于旋转臂的臂端设有防撞检测器(5)；用于检测旋转臂在由外部进入钢管管内的动作过程中及在钢管管内动作时的碰撞事件。
一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量方法，其特征在于：
所述测量方法基于设置的测量系统自动完成；
于所述测量系统内设有模型计算单元、数据测量单元及动作执行单元；
所述数据测量单元固设于动作执行单元上，
所述模型计算单元用于下发驱动动作执行单元完成各动作的执行指令、亦用于接收数据测量单元测得的各实时测量数据并根据接收完成不圆度的计算。
根据本发明的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量方法，其特征在于：
所述动作执行单元可被驱动分别进行旋转动作、水平移动动作与升降动作。
根据本发明的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量方法，其特征在于：
于所述数据测量单元设有反射棱镜(1)、激光传感器(2)及角度传感器(3)；
于所述动作执行单元设有旋转臂(4)；
所述反射棱镜(1)、激光传感器(2)及角度传感器(3)以被测钢管的轴线为基准线、呈定长距离固设于设置的旋转臂(4)上；
所述反射棱镜(1)被驱动至钢管管内的设置位置、并将接受的经由激光传感器(2)发出的激光反射至管内壁，经此形成测量光路。
根据本发明的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量方法，其特征在于：
于所述测量系统内还设有到位信号检测器(6)；
所述到位信号检测器(6)用于检测是否有钢管进入检测工位，并将检测结果作为是否触发测量系统动作进行测量与计算的触发信号。
根据本发明的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量方法，其特征在于：
于所述的测量系统内还设有工艺信号接收单元，
所述工艺信号接收单元以可与模型计算单元通讯的方式建立对工艺数据的录入。
根据本发明的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量方法，其特征在于：
所述激光传感器(2)发出的激光线平行于被测钢管的轴线，激光线经过反射棱镜(1)成90度反射至管内壁。
根据本发明的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量方法，其特征在于：
所述激光传感器(2)为沿钢管径向对称分布的一对；
所述反射棱镜(1)的用于接受经由激光传感器(2)发出的激光并反射至管内壁的反射面设置有两个，每一个反射面各自分别对应一个激光传感器的发射端。
根据本发明的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量方法，其特征在于：
所述反射棱镜(1)用于接受经由激光传感器(2)发出的激光并反射至管内壁的接受面为全反射面。
根据本发明的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量方法，其特征在于：
所述旋转臂(4)的旋转速度根据钢管的规格及检测标准设定；
所述旋转臂(4)的旋转角度根据测量要求及检测标准设定；
所述激光传感器(2)旋转中心轴线的垂直高度根据钢管规格设定。
根据本发明的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量方法，其特征在于：
所述反射棱镜(1)的尺寸根据被测钢管管径的测量范围确定。
根据本发明的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量方法，其特征在于：
于旋转臂的臂端设有防撞检测器(5)；用于检测旋转臂在由外部进入钢管管内的动作过程中及在钢管管内动作时的碰撞事件。
本发明的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统及测量方法，可实现小管径钢管的管端内壁的不圆度的自动测量，实现了测量的自动化及精确化，并通过设置的光学结构克服了小管径无法进行激光传感器测量的问题，将测量的限制进一步打破，突破了测量对象必须要位于传感器同一直线方向的限制，解决了激光传感器尺寸大于被测钢管内径的难题，极大拓展了管径的动态测量范围，使得小管径测量变为可能。
附图说明
图1为本发明的测量系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中的数据测量单元在测量时的结构示意图；
图3为根据图2所述的数据测量单元完成的测量示意简图；
图4为本发明实施例中的测量步序示意图。
图中，
1-反射棱镜；
2-激光传感器；
3-角度传感器；
4-旋转臂；
5-防撞检测器；
6-到位信号检测器。
具体实施方式
下面，根据说明书附图和具体实施方式对本发明的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统及测量方法作进一步具体说明。
一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统，
于所述测量系统内，以被测钢管的轴线为基准线并沿此基准线分别布设反射棱镜(1)、激光传感器(2)及角度传感器(3)；
所述反射棱镜(1)、激光传感器(2)及角度传感器(3)呈定长距离固设于设置的旋转臂(4)上；
所述旋转臂(4)可被驱动分别进行旋转动作、水平移动动作与升降动作；
所述反射棱镜(1)被驱动至钢管管内的设置位置、并将接受的经由激光传感器(2)发出的激光反射至管内壁，形成测量光路。
其中，
所述激光传感器(2)发出的激光线平行于被测钢管的轴线，激光线经过反射棱镜(1)成90度反射至管内壁。
其中，
所述激光传感器(2)为沿钢管径向对称分布的一对；
所述反射棱镜(1)的用于接受经由激光传感器(2)发出的激光并反射至管内壁的反射面设置有两个，每一个反射面各自分别对应一个激光传感器。
其中，
所述反射棱镜(1)用于接受经由激光传感器(2)发出的激光并反射至管内壁的接受面为全反射面。
其中，
所述旋转臂(4)的旋转速度根据钢管的规格及检测标准设定；
所述旋转臂(4)的旋转角度根据测量要求及检测标准设定；
所述激光传感器(2)旋转中心轴线的垂直高度根据钢管规格设定。
其中，
所述反射棱镜(1)的尺寸根据被测钢管管径的测量范围确定。
其中，
于所述测量系统内还设有模型计算单元；
所述模型计算单元用于接收各实时测量数据并根据接收完成不圆度计算、亦用于下发驱动旋转臂动作的各动作执行指令。
其中，
于旋转臂的臂端设有防撞检测器(5)；用于检测旋转臂在由外部进入钢管管内的动作过程中及在钢管管内动作时的碰撞事件。
一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量方法，
所述测量方法基于设置的测量系统自动完成；
于所述测量系统内设有模型计算单元、数据测量单元及动作执行单元；
所述数据测量单元固设于动作执行单元上，
所述模型计算单元用于下发驱动动作执行单元完成各动作的执行指令、亦用于接收数据测量单元测得的各实时测量数据并根据接收完成不圆度的计算。
其中，
所述动作执行单元可被驱动分别进行旋转动作、水平移动动作与升降动作。
其中，
于所述数据测量单元设有反射棱镜(1)、激光传感器(2)及角度传感器(3)；
于所述动作执行单元设有旋转臂(4)；
所述反射棱镜(1)、激光传感器(2)及角度传感器(3)以被测钢管的轴线为基准线、呈定长距离固设于设置的旋转臂(4)上；
所述反射棱镜(1)被驱动至钢管管内的设置位置、并将接受的经由激光传感器(2)发出的激光反射至管内壁，经此形成测量光路。
其中，
于所述测量系统内还设有到位信号检测器(6)；
所述到位信号检测器(6)用于检测是否有钢管进入检测工位，并将检测结果作为是否触发测量系统动作进行测量与计算的触发信号。
其中，
于所述的测量系统内还设有工艺信号接收单元，
所述工艺信号接收单元以可与模型计算单元通讯的方式建立对工艺数据的录入。
其中，
所述激光传感器(2)发出的激光线平行于被测钢管的轴线，激光线经过反射棱镜(1)成90度反射至管内壁。
其中，
所述激光传感器(2)为沿钢管径向对称分布的一对；
所述反射棱镜(1)的用于接受经由激光传感器(2)发出的激光并反射至管内壁的反射面设置有两个，每一个反射面各自分别对应一个激光传感器的发射端。
其中，
所述反射棱镜(1)用于接受经由激光传感器(2)发出的激光并反射至管内壁的接受面为全反射面。
其中，
所述旋转臂(4)的旋转速度根据钢管的规格及检测标准设定；
所述旋转臂(4)的旋转角度根据测量要求及检测标准设定；
所述激光传感器(2)旋转中心轴线的垂直高度根据钢管规格设定。
其中，
所述反射棱镜(1)的尺寸根据被测钢管管径的测量范围确定。
其中，
于旋转臂的臂端设有防撞检测器(5)；用于检测旋转臂在由外部进入钢管管内的动作过程中及在钢管管内动作时的碰撞事件。
工作原理及过程
如图1所示，(注：上述中所述的反射棱镜，在工作原理及实施例中均具体设置为三棱镜)待检测的钢管水平放置于一个测量工位上，在正对检测工位并离开钢管端面一定距离的位置安装有测量装置。控制测量装置调节激光传感器的高度，驱动水平移动机构使传感器匀速朝端部靠近。水平移动机构在前进过程中，旋转臂端部的防撞检测器会实时检测防撞信号，判断是否发生撞击，如发生撞击则停止前进，返回原点结束本次测量。当传感器进入端部内壁一定距离后，停止水平移动机构，并启动旋转装置使传感器绕轴线匀速旋转。在旋转过程中，通过一组背对背的激光传感器，可以测量得到不同角度位置的钢管端面的内径值。在旋转180度后，获得全周内径数据，并寻找测得内径的最大值和最小值，再根据不圆度计算公式就可以得到钢管管端内壁的不圆度。
钢管管端内壁不圆度的测量方法，包括如下步骤：
(1)检测到测量工位有待测钢管时，采集当前钢管规格大小和检测标准数据；
(2)根据钢管规格大小，控制测量装置调节旋转控制机构上下位置，使旋转控制机构中心线与当前被测钢管轴线处于同一高度；
(3)控制测量装置驱动水平移动机构使激光传感器向钢管方向运动，在此过程中实时检测防撞信号。如发生撞击则停止前进，返回原点结束本次测量。否则继续前进。
(4)当传感器运行到管端内部一定位置，停止水平移动机构并以该位置为测量起始点；
(5)控制测量装置驱动旋转控制机构使激光传感器绕钢管轴线以恒定的角速度旋转；
(6)旋转过程中，对激光传感器和角度传感器的数据进行同步采集，得到不同角度位置的钢管管端内径数据；
(7)在旋转全周后可以得到各个角度对应的内径值，停止旋转控制机构，并驱动水平移动机构使传感器退回原始位置；
(8)利用获得的钢管管端内径值，计算出最大和最小值，并根据钢管内壁不圆度计算公式获得当前被测钢管的管端内壁不圆度。
钢管管端内壁不圆度计算方法叙述如下：如图2所示，虚线OP为被测钢管中心轴线，同时也是激光传感器的旋转中心轴线，上面的激光传感器测量得到的值为钢管内壁经过三棱镜后到传感器之间的距离值，即CB+BA，由于激光传感器到三棱镜之间的距离值BA固定为L，所以可以根据上面的激光传感器的测量值计算出钢管内壁C点到三棱镜之间的距离CB值为H1，同理，可以计算出钢管内壁F点到三棱镜之间的距离FE值为H2，由于三棱镜BE值固定为H，所以再得到钢管内壁C点、F点到三棱镜的距离值后，可以计算出C点到F点的距离CF＝H1+H2+H，该值即为钢管内壁在此处的直径值。在测量过程中，激光传感器以固定角速度绕轴线旋转，对于某一采样时刻，可以得到当前时刻旋转过的角度θ，以及对应的内径值。在传感器旋转半周的过程中，可以得到覆盖整周的钢管端部内壁直径数据，根据这些数据，可以求得内壁的最大直径Dmax和最小直径Dmin，然后代入以下不圆度计算公式，就能得到内壁不圆度值。
通过以上各步骤，就能在线测量出钢管管端的内壁不圆度值。
图1所示的测量系统，它主要由工艺信号接口单元、到位信号检测器、水平移动机构、上下升降机构、旋转控制机构、角度传感器、激光传感器、三棱镜、防撞检测器、模型计算单元等组成。其中，所述的工艺信号接口单元是一种数据信号通讯装置，用于接受当前待测钢管的规格数据和检测标准；到位信号检测器用于测量待测钢管的到位信号；水平移动机构、上下升降机构、旋转控制机构，安装在正对着钢管检测工位，离开被测钢管端面一定距离的位置，旋转控制机构安装在上下升降机构上，上下控制机构安装在水平移动机构上，可以控制水平移动，上下升降移动，以及旋转运动；角度传感器安装在旋转控制机构上，用于旋转角度值；激光传感器安装在旋转机构上，用于测量到钢管内壁的距离；三棱镜安装在旋转机构的前端，用于改变激光传感器测量光路；防撞检测器安装在旋转机构上，用于检测防撞信号；不圆度计算单元是整个装置的核心部分，主要完成距离和角度信号数据采集、处理，内径及内壁不圆度模型计算，以及水平、上下、旋转机构控制等工作。
上述原理的具体过程如下：
如图1所示，水平移动机构安装在正对着钢管检测工位并离开被测钢管端面一定距离的位置，是一种运动控制装置，其接收模型计算单元输出的控制信号带动上下升降机构实现水平运动控制；上下升降机构安装在水平移动机构上，是一种运动控制装置，其接收模型计算单元输出的控制信号带动旋转控制机构实现上下运动控制；旋转控制机构安装在上下升降机构上，是一种运动控制装置，其接收模型计算单元输出的控制信号带动激光传感器和三棱镜一起实现旋转运动控制；角度传感器安装在旋转控制机构上，是一种测量角度的传感器，用于测量激光传感器旋转的角度值，并将结果实时传输到模型计算单元；激光传感器安装在旋转控制机构上，是一种测量距离的传感器，用于测量到钢管管端内壁的距离值，并将结果实时传输到模型计算单元；三棱镜安装在旋转控制机构前端的旋转臂上，是一种反射镜面，用于改变激光传感器发射的测量光路；防撞检测器安装在旋转机构上，是一种压力测量装置，当碰到正前方物体时压力值会增加，并将结果输出到模型计算单元；到位信号检测器是一种测量钢管是否到达测量工位的装置，当有钢管到位时，会输出信号到模型计算单元；工艺信号接口单元是一种数据信号通讯装置，其接收当前待测钢管的规格数据和检测标准要求，并将这些数据信息输出给模型计算单元；模型计算单元是一种具有数据采集、处理、内径及不圆度模型计算，以及水平、上下、旋转运动控制功能的计算机设备，其接受由角度传感器、激光传感器、防撞检测器、到位信号检测器、工艺信号接口单元传来的相关角度、距离、防撞信号、到位信号、钢管规格和检测标准等数据，通过不圆度模型计算分析，获得钢管管端内壁不圆度。
其中，三棱镜和旋转臂尺寸可以做的很小，这样能能伸入小管径钢管内部实现测量，突破尺寸限制的极限。
如图2所示是不圆度测量原理示意图。内壁不圆度是指钢管内表面横截面上最大管径与最小管径的差与管径的百分比，如图3图所示，钢管内壁最大直径在A、B两点位置值为Dmax，最小直径在C、D两点位置值为Dmin，则不圆度计算公式为：
如图2所示，虚线OP为被测钢管中心轴线,同时也是激光传感器的旋转中心轴线，激光传感器测量得到的值为钢管内壁经过三棱镜反射后到传感器之间的距离值，即CB+BA，由于传感器到三棱镜之间的距离值BA固定为L，所以可以根据传感器71的测量值计算出钢管内壁C点到三棱镜之间的距离CB值为H1，同理，可以计算出钢管内壁F点到三棱镜之间的距离FE值为H2，由于三棱镜BE值固定为H，所以再得到钢管内壁C点、F点到三棱镜的距离值后，可以计算出C点到F点的距离CF＝H1+H2+H，该值即为钢管内壁在此处的直径值(优选设置为入射光线与钢管轴线平行，而反射光线与入射光线垂直；而实际中也可根据工艺要求将反射光线设定为以垂直入射光线为基准的左右一定范围内的变动，相应地计算距离时就需要进行一个三角关系转换)。在测量过程中，传感器以固定角速度绕轴线旋转，对于某一采样时刻，可以得到当前时刻旋转过的角度θ，以及对应的内径值。在传感器旋转半周的过程中，可以得到覆盖钢管端部内壁的直径数据，根据这些数据，计算求得内壁的最大直径Dmax和最小直径Dmin，然后代入不圆度计算公式，就能得到内壁不圆度值。需要说明的是，钢管管端某一截面测量点的数量由间隔角度θ决定，需要根据具体测量要求和标准来确定，θ值取的越小则测量点数越多，测量精度越高。
其测量流程参见图4，包括如下步骤：
第一步，模型计算单元通过到位信号检测器，测量检测工位钢管的到位信号，判断是否有钢管进入到检测工位，如有则进入第二步，否则继续等待；
第二步，通过工艺信号接口单元，读取当前钢管规格和检测标准数据，并将数据传送到模型计算单元；
第三步，模型计算单元根据获得的钢管规格，计算出传感器旋转中心轴线的垂直高度位置，并控制上下升降机构调节上下高度位置；
第四步，上下高度位置调整到位后，模型计算单元控制水平移动机构使传感器向钢管方向运动；
第五步，水平移动机构在前进过程中，模型计算单元通过防撞检测器检测防撞信号，判断是否发生撞击，如发生撞击则结束测量，否则进入下一步流程；
第六步，前进到检测位置后，模型计算单元根据获得的钢管规格、检测标准，计算出对应的旋转速度，并控制旋转控制机构驱动传感器旋转。
第七步，通过激光传感器、角度传感器，实时采集测量传感器到内壁的距离和角度数据，并将数据传送到模型计算单元；
第八步，重复第七步，直到角度传感器旋转180度完成测量，当测量完成后进入第九步。
第九步，模型计算单元控制旋转控制机构停止传感器旋转，并控制水平移动机构使传感器退回到原始位置；
第十步，模型计算单元对管端内壁全周直径数据进行处理分析，并根据钢管内壁不圆度计算方法计算出不圆度值；
第十一步，判断是否测量结束，如没有则返回第一步，继续等待新的钢管的测量。
实施例
待检测的钢管水平放置于一个测量工位上，到位信号检测器检测到钢管到达工位，测量启动。模型计算单元通过工艺信号接口单元采集当前待测工位上的钢管规格和检测标准等数据。
模型计算单元根据所测钢管的规格大小信息控制上下升降机构上下升降，调节旋转臂的高度，使旋转控制机构中心线与当前被测钢管轴线处于同一高度。待上下位置调节完成后，模型计算单元控制水平移动机构带动上下升降机构和旋转控制机构向钢管的管端移动，使三棱镜完全进入钢管的端部区域，保证两个激光传感器测得的距离值为正对钢管端部的某一截面。钢管管端内壁不圆度是指距离钢管端部一定范围内的内壁直径的变化量，如管线管，按照标准要求在管端100mm长度范围内的不圆度应满足一定要求。所以，必须要使三棱镜的位置位于管端100mm长度范围内，比如，三棱镜定位到距离钢管端部50mm处，则测量的不圆度为距钢管管端50mm处的不圆度值。
模型计算单元根据所测钢管的规格大小和检测标准计算出对应的旋转角速度ω，并控制旋转控制机构运行，使旋转臂带动一对激光传感器和三棱镜一起以旋转速度ω在钢管的管端端部做匀速圆周运动。由于不同规格、种类的钢管的检测标准和要求不同，为了保证测量精度和一致性，需要使钢管在径向上的各测量点均匀分布，即两个测量点之间的间隔角度Δθ相等，同时要有足够数量的测量点。在激光传感器采样频率一定的情况下，该角度Δθ由旋转速度ω决定，可根据钢管的规格、检测标准和要求等参数信息来确定所需测量点的数量和相邻测量点之间的间隔角度Δθ，从而确定旋转速度ω。检测标准和要求越高，钢管的规格越大，需要的测量点数量就越多，测量点之间的间隔角度Δθ就越小，旋转角速度越小。本例中取Δθ＝0.5°，这样径向一周共有720个测量点。
在旋转过程中，当角度传感器测量到旋转臂每旋转过0.5°时，对两个激光传感器进行同步数据采集，测量得到不同角度位置传感器到管端内壁的距离数据。并按照内壁不圆度测量原理，计算出该位置钢管的内径值D。模型计算单元根据测量计算到的所有内径数据，从中计算出最大值和最小值。再根据不圆度计算公式计算出不圆度值。
本发明的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统及测量方法，可实现小管径钢管的管端内壁的不圆度的自动测量，实现了测量的自动化及精确化，并通过设置的光学结构克服了小管径无法进行激光传感器测量的问题，将测量的限制进一步打破，突破了测量对象必须要位于传感器同一直线方向的限制，解决了激光传感器尺寸大于被测钢管内径的难题，极大拓展了管径的动态测量范围，使得小管径测量变为可能。
Claims (19)
1.一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统，其特征在于：
于所述测量系统内，以被测钢管的轴线为基准线并沿此基准线分别布设反射棱镜(1)、激光传感器(2)及角度传感器(3)；
所述反射棱镜(1)、激光传感器(2)及角度传感器(3)呈定长距离固设于设置的旋转臂(4)上；
所述旋转臂(4)可被驱动分别进行旋转动作、水平移动动作与升降动作；
所述反射棱镜(1)被驱动至钢管管内的设置位置、并将接受的经由激光传感器(2)发出的激光反射至管内壁，形成测量光路。
2.根据权利要求1所述的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统，其特征在于：
所述激光传感器(2)发出的激光线平行于被测钢管的轴线，激光线经过反射棱镜(1)成90度反射至管内壁。
3.根据权利要求1所述的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统，其特征在于：
所述激光传感器(2)为沿钢管径向对称分布的一对；
所述反射棱镜(1)的用于接受经由激光传感器(2)发出的激光并反射至管内壁的反射面设置有两个，每一个反射面各自分别对应一个激光传感器。
4.根据权利要求1所述的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统，其特征在于：
所述反射棱镜(1)用于接受经由激光传感器(2)发出的激光并反射至管内壁的接受面为全反射面。
5.根据权利要求1所述的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统，其特征在于：
所述旋转臂(4)的旋转速度根据钢管的规格及检测标准设定；
所述旋转臂(4)的旋转角度根据测量要求及检测标准设定；
所述激光传感器(2)旋转中心轴线的垂直高度根据钢管规格设定。
6.根据权利要求1所述的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统，其特征在于：
所述反射棱镜(1)的尺寸根据被测钢管管径的测量范围确定。
7.根据权利要求1所述的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统，其特征在于：
于所述测量系统内还设有模型计算单元；
所述模型计算单元用于接收各实时测量数据并根据接收完成不圆度计算、亦用于下发驱动旋转臂动作的各动作执行指令。
8.根据权利要求1所述的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统，其特征在于：
于旋转臂的臂端设有防撞检测器(5)；用于检测旋转臂在由外部进入钢管管内的动作过程中及在钢管管内动作时的碰撞事件。
9.一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量方法，其特征在于：
所述测量方法基于设置的测量系统自动完成；
于所述测量系统内设有模型计算单元、数据测量单元及动作执行单元；
所述数据测量单元固设于动作执行单元上，
所述模型计算单元用于下发驱动动作执行单元完成各动作的执行指令、亦用于接收数据测量单元测得的各实时测量数据并根据接收完成不圆度的计算。
10.根据权利要求9所述的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量方法，其特征在于：
所述动作执行单元可被驱动分别进行旋转动作、水平移动动作与升降动作。
11.根据权利要求9所述的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量方法，其特征在于：
于所述数据测量单元设有反射棱镜(1)、激光传感器(2)及角度传感器(3)；
于所述动作执行单元设有旋转臂(4)；
所述反射棱镜(1)、激光传感器(2)及角度传感器(3)以被测钢管的轴线为基准线、呈定长距离固设于设置的旋转臂(4)上；
所述反射棱镜(1)被驱动至钢管管内的设置位置、并将接受的经由激光传感器(2)发出的激光反射至管内壁，经此形成测量光路。
12.根据权利要求9所述的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量方法，其特征在于：
于所述测量系统内还设有到位信号检测器(6)；
所述到位信号检测器(6)用于检测是否有钢管进入检测工位，并将检测结果作为是否触发测量系统动作进行测量与计算的触发信号。
13.根据权利要求9所述的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量方法，其特征在于：
于所述的测量系统内还设有工艺信号接收单元，
所述工艺信号接收单元以可与模型计算单元通讯的方式建立对工艺数据的录入。
14.根据权利要求11所述的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量方法，其特征在于：
所述激光传感器(2)发出的激光线平行于被测钢管的轴线，激光线经过反射棱镜(1)成90度反射至管内壁。
15.根据权利要求11所述的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量方法，其特征在于：
所述激光传感器(2)为沿钢管径向对称分布的一对；
所述反射棱镜(1)的用于接受经由激光传感器(2)发出的激光并反射至管内壁的反射面设置有两个，每一个反射面各自分别对应一个激光传感器的发射端。
16.根据权利要求11所述的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量方法，其特征在于：
所述反射棱镜(1)用于接受经由激光传感器(2)发出的激光并反射至管内壁的接受面为全反射面。
17.根据权利要求11所述的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量方法，其特征在于：
所述旋转臂(4)的旋转速度根据钢管的规格及检测标准设定；
所述旋转臂(4)的旋转角度根据测量要求及检测标准设定；
所述激光传感器(2)旋转中心轴线的垂直高度根据钢管规格设定。
18.根据权利要求11所述的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量方法，其特征在于：
所述反射棱镜(1)的尺寸根据被测钢管管径的测量范围确定。
19.根据权利要求11所述的一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量方法，其特征在于：
于旋转臂的臂端设有防撞检测器(5)；用于检测旋转臂在由外部进入钢管管内的动作过程中及在钢管管内动作时的碰撞事件。
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|---|---|---|---|
| CN202110874611.9A CN115682980A (zh) | 2021-07-30 | 2021-07-30 | 一种小管径钢管管端内壁不圆度的测量系统及测量方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115854887A (zh) * | 2023-02-20 | 2023-03-28 | 四川思创博睿工业设计有限公司 | 一种距离测量机构及方法 |
| CN117804357A (zh) * | 2024-03-01 | 2024-04-02 | 中北大学 | 基于激光反射的深孔检测装置与检测方法 |
| CN117961393A (zh) * | 2024-04-01 | 2024-05-03 | 江苏威士智能装备有限公司 | 一种自动化焊接装置及工作方法 |
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2021
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