CN116499372B - 一种金属波纹管膨胀节几何尺寸测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种金属波纹管膨胀节几何尺寸测量系统及测量方法，涉及金属波纹管膨胀节几何尺寸测量领域，该系统包括：转台用于放置待测金属波纹管膨胀节；运动机构用于带动光栅尺和激光传感器产生竖直方向的位移和水平方向的位移；可编程控制器用于接收上位主机发送的测量信号并根据测量信号控制运动机构按照预设方式运转以及带动转台按照预设规则进行转动，并控制光栅尺发出高频脉冲信号，以及接收高频脉冲信号，并将高频脉冲信号发送至上位主机；上位主机用于向激光传感器发送测量信号，并接收激光传感器返回的测量数据，以及根据测量数据和高频脉冲信号计算待测金属波纹管膨胀节的几何尺寸。本发明能够提高金属波纹管膨胀节几何尺寸的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及金属波纹管膨胀节几何尺寸测量领域，特别是涉及一种金属波纹管膨胀节几何尺寸测量系统及测量方法。
背景技术
金属波纹管膨胀节广泛的应用于供暖、供热、石油、电力、天然气输送等领域，它可以对管道的热胀冷缩和移动变形进行补偿，提高管道的可靠性与安全性，也可以应用在航天航空领域，在我国航天事业快速发展的今天，波纹管膨胀节已经作为航天发射的重要组成部件之一，其外形尺寸，如：波纹的高度、宽度、总长度等参数，一直作为出厂检验的重要标准来衡量产品的性能与合格性。
但目前，国内生产商在测量这些参数时，还处于手工测量阶段，测量效率低、精度有待提高、劳动强度大，自动化程度不高，一定程度上限制了金属波纹管膨胀节的生产、检验、标定、实验等。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属波纹管膨胀节几何尺寸测量系统及测量方法，能够提高金属波纹管膨胀节几何尺寸的测量精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种金属波纹管膨胀节几何尺寸测量系统，所述测量系统包括上位主机、可编程控制器、运动机构、光栅尺、激光传感器和转台；
所述转台用于放置待测金属波纹管膨胀节；
所述运动机构分别与所述光栅尺和所述激光传感器固定连接；所述运动机构用于带动所述光栅尺和所述激光传感器产生竖直方向的位移和水平方向的位移；其中，所述水平方向为所述激光传感器的激光发射方向；
所述可编程控制器分别与所述转台、所述运动机构、所述上位主机和所述光栅尺连接；所述可编程控制器用于接收所述上位主机发送的测量信号，并根据所述测量信号，控制所述运动机构按照预设方式运转以及带动所述转台按照预设规则进行转动，并控制所述光栅尺发出高频脉冲信号，以及接收高频脉冲信号，并将所述高频脉冲信号发送至所述上位主机；
所述上位主机与所述激光传感器连接；所述上位主机用于向所述激光传感器发送测量信号，并接收所述激光传感器返回的测量数据，以及根据所述测量数据和所述高频脉冲信号计算所述待测金属波纹管膨胀节的几何尺寸；所述几何尺寸包括高度、宽度和总长度。
可选地，所述上位主机通过网线通讯端口分别与所述可编程控制器及所述激光传感器相连接。
可选地，所述转台上表面的圆心与所述待测金属波纹管膨胀节的横截面的圆心同轴。
可选地，所述运动机构包括支架、直线滑轨及伺服电机；
所述支架设于所述直线滑轨上并随所述直线滑轨做往复直线运动；所述支架的两端分别与所述光栅尺及所述激光传感器固定连接；所述伺服电机用于带动所述直线滑轨做往复直线运动。
可选地，所述测量系统还包括框架；
所述直线滑轨设置在所述框架上；
所述框架垂直固定在地面上。
可选地，所述直线滑轨包括竖直直线滑轨、水平直线滑轨和滑动杆；
所述水平直线滑轨包括第一水平直线滑轨和第二水平直线滑轨；所述第一水平直线滑轨和第二水平直线滑轨相对固定在所述框架上；
所述滑动杆的一端与所述第一水平直线滑轨滑动连接；所述滑动杆的另一端与所述第二水平直线滑轨滑动连接；所述滑动杆用于在伺服电机的带动下做水平方向上的往复运动；
所述竖直直线滑轨与所述滑动杆垂直相交固定；所述竖直直线滑轨与所述水平直线滑轨垂直；所述竖直直线滑轨用于在伺服电机的带动下做竖直方向上的往复运动。
可选地，所述竖直直线滑轨的高度大于等于所述待测金属波纹管膨胀节的高度。
一种金属波纹管膨胀节几何尺寸测量方法，应用于上述的金属波纹管膨胀节几何尺寸测量系统，所述测量方法包括：
获取测量数据和高频脉冲信号；
根据所述测量数据和对应的获取时刻，得到平面直角坐标系下的第一曲线；
根据所述高频脉冲信号和对应的获取时刻，得到平面直角坐标系下的第二曲线；
根据所述第一曲线和所述第二曲线，得到平面直角坐标系下的由所述测量数据和所述高频脉冲信号构成的几何尺寸曲线；
以所述几何尺寸曲线的起始端点的幅值对应的坐标与终点的幅值对应的坐标相等为依据，对所述平面直角坐标系进行调整，得到调整后的直角坐标系；
在所述调整后的直角坐标系下，根据几何尺寸曲线，计算所述待测金属波纹管膨胀节的几何尺寸；所述几何尺寸包括波距和波高。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种金属波纹管膨胀节几何尺寸测量系统及测量方法，以高精度激光传感器和光栅尺作为核心测量器件，配合高精度运动控制技术以及传感器数据融合技术，确定金属波纹管膨胀节的几何尺寸，提高金属波纹管膨胀节几何尺寸的测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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为本发明一种金属波纹管膨胀节几何尺寸测量系统结构示意图；
图2为本发明一种金属波纹管膨胀节几何尺寸测量系统运动结构示意图；
图3为本发明一种金属波纹管膨胀节几何尺寸测量系统转台与固定框架示意图；
图4为本发明激光传感器测量金属波纹管膨胀节长度、波高、波距的示意图；
图5为本发明测试流程图；
图6为以几何尺寸曲线的起始端点的幅值对应的坐标与终点的幅值对应的坐标相等为依据计算曲线倾斜角度示意图；
图7为对所述平面直角坐标系进行调整得到调整后的直角坐标系示意图；
图8为几何尺寸曲线的各个拐点示意图；
图9为根据拐点计算膨胀节的波高跟波距示意图；
图10为本发明测量金属波纹管膨胀节测量数据采集过程示意图；
图11为本发明一种金属波纹管膨胀节几何尺寸测量方法流程图。
附图标记说明：4、光栅尺；5、激光传感器；6、待测金属波纹管膨胀节；7、支架；8、直线滑轨；9、伺服电机；10、转台；11、框架；12、激光传感器竖直方向的扫描行程。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种金属波纹管膨胀节几何尺寸测量系统及测量方法，能够提高金属波纹管膨胀节几何尺寸的测量精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1、图2、图3和图4所示，本发明提供的一种金属波纹管膨胀节几何尺寸测量系统，所述测量系统包括上位主机、可编程控制器、运动机构、光栅尺4、激光传感器5和转台10。
所述转台10用于放置待测金属波纹管膨胀节6。
所述运动机构分别与所述光栅尺4和所述激光传感器5固定连接；所述运动机构用于带动所述光栅尺4和所述激光传感器5产生竖直方向的位移和水平方向的位移；其中，所述水平方向为所述激光传感器5的激光发射方向。
所述可编程控制器分别与所述转台10、所述运动机构、所述上位主机和所述光栅尺4连接；所述可编程控制器用于接收所述上位主机发送的测量信号，并根据所述测量信号，控制所述运动机构按照预设方式运转以及带动所述转台10按照预设规则进行转动，并控制所述光栅尺4发出高频脉冲信号，以及接收高频脉冲信号，并将所述高频脉冲信号发送至所述上位主机。
所述上位主机与所述激光传感器5连接；所述上位主机用于向所述激光传感器5发送测量信号，并接收所述激光传感器5返回的测量数据，以及根据所述测量数据和所述高频脉冲信号计算所述待测金属波纹管膨胀节6的几何尺寸；所述几何尺寸包括高度、宽度和总长度。
具体地，所述上位主机通过网线通讯端口分别与所述可编程控制器及所述激光传感器5相连接。
作为一种具体地实施方式，所述转台10上表面的圆心与所述待测金属波纹管膨胀节6的横截面的圆心同轴。
具体地，所述运动机构包括支架7、直线滑轨8及伺服电机9。
所述支架7设于所述直线滑轨8上并随所述直线滑轨8做往复直线运动；所述支架7的两端分别与所述光栅尺4及所述激光传感器5固定连接；所述伺服电机9用于带动所述直线滑轨8做往复直线运动。
进一步地，所述测量系统还包括框架11；所述直线滑轨8设置在所述框架11上；所述框架11垂直固定在地面上。
优选地，所述直线滑轨8包括竖直直线滑轨、水平直线滑轨和滑动杆；所述水平直线滑轨包括第一水平直线滑轨和第二水平直线滑轨；所述第一水平直线滑轨和第二水平直线滑轨相对固定在所述框架11上；所述滑动杆的一端与所述第一水平直线滑轨滑动连接；所述滑动杆的另一端与所述第二水平直线滑轨滑动连接；所述滑动杆用于在伺服电机9的带动下做水平方向上的往复运动；所述竖直直线滑轨与所述滑动杆垂直相交固定；所述竖直直线滑轨与所述水平直线滑轨垂直；所述竖直直线滑轨用于在伺服电机9的带动下做竖直方向上的往复运动。
作为一个具体地实施方式，所述竖直直线滑轨的高度大于等于所述待测金属波纹管膨胀节6的高度。
在实际应用中，所述待测金属波纹管膨胀节6在测量时，其轴向方向为垂直方向，且置于高精度激光传感器5测量范围之内。所述转台10用于放置待测金属波纹管膨胀节6，并且与其圆心同轴，可带动待测金属波纹管膨胀节6旋转至360度之内的任意角度。所述可编程控制器信号输入端与光栅尺4信号输出端相连接，其信号输出端与运动机构信号输入端相连接；所述运动机构分别与光栅尺4及高精度激光传感器5固定相接，并安装在固定框架上，且可在垂直水平方向发生位移；所述光栅尺4的位移测量方向与运动机构的位移方向相同；激光发射方向与运动机构位移方向垂直；固定框架由螺钉固定于地面上，起到稳定作用。在本发明中，固定框架即为框架11。
本发明提供一种金属波纹管膨胀节几何尺寸测量方法具有下述优势：
金属波纹管膨胀节几何尺寸高精度测试系统可实现对大口径金属波纹管膨胀节波高、波距、总长度等形状尺寸的高精度、自动化测量，测量精度可达到0.05mm。
本发明以高精度激光传感器5和光栅尺4作为核心测量器件，配合高精度运动控制技术、传感器数据融合技术、数字信号处理技术，以1个/1ms的采样频率，测量频率达到1000Hz，从而保证了金属波纹管膨胀节几何尺寸的测量精度。
实施例二
为了执行上述实施例一对应的系统，以实现相应的功能和技术效果，下面提供一种金属波纹管膨胀节几何尺寸测量方法，如图5至图11所示，所述测量方法包括：
步骤S1：获取测量数据和高频脉冲信号。
步骤S2：根据所述测量数据和对应的获取时刻，得到平面直角坐标系下的第一曲线。
步骤S3：根据所述高频脉冲信号和对应的获取时刻，得到平面直角坐标系下的第二曲线。
步骤S4：根据所述第一曲线和所述第二曲线，得到平面直角坐标系下的由所述测量数据和所述高频脉冲信号构成的几何尺寸曲线。
步骤S5：以所述几何尺寸曲线的起始端点的幅值对应的坐标与终点的幅值对应的坐标相等为依据，对所述平面直角坐标系进行调整，得到调整后的直角坐标系。
步骤S6：在所述调整后的直角坐标系下，根据几何尺寸曲线，计算所述待测金属波纹管膨胀节的几何尺寸；所述几何尺寸包括波距和波高。
在实际应用中，本发明提供的一种金属波纹管膨胀节几何尺寸测量方法的测量过程为：在开始测试后，调整测量起始点位，输入扫描行程h，开始测量扫描，然后进行数据计算，存储显示，判断是否继续测试，如果继续测试的话，重新调整策略起始点位，然后按照上述步骤继续测试，如果不继续测试的话，则测试结束。具体的测试过程如下所述：
（1）由上位主机发送测量指令给可编程控制器，可编程控制器得到指令后，控制运动机构以0.01m/s的速度在垂直方向发生位移，并带动光栅尺4和高精度激光传感器5做相同方向位移；光栅尺4发生位移后发出高频脉冲信号，由可编程控制器检测和计算后,每1ms记录一次数据并存储至寄存器内，累加至250个数据后，将数据打包通过UDP通讯方式发送到上位主机，直到测量结束。
（2）高精度激光传感器5发生位移后，将测量结果每1ms记录一次并存储至寄存器内，累加至250个数据后，将数据打包通过UDP通讯方式发送到上位主机，直到测量结束；上位主机将可编程控制器和高精度激光传感器5发来的数据包进行解析、处理，对齐时间截后，作为待测金属波纹管膨胀节6几何尺寸的曲线坐标集。上位主机将曲线坐标集绘制成坐标曲线，并根据首尾两段相对平整的非波纹数据，计算出图像倾斜角度；修正倾斜角度，旋转坐标曲线至水平；根据曲线图形，寻找前500点和后500点最大或最小值，作为曲线拐点，并计算金属波纹管膨胀节的平均波高、平均波宽和总长度，作为当前测量角度的测量数据保存。
（3）上位主机通过可编程控制器旋转转台10，分别旋转至90°角、180°角和270°角，并在90°角、180°角和270°角处分别重复（1）和（2）的步骤，计算待测金属波纹管膨胀节这个三个点位置的平均波高、平均波宽和总长度。其中，平均波高作为金属波纹管膨胀节的高度，平均波宽作为金属波纹管膨胀节的宽度，曲线的总长度作为金属波纹管膨胀节的总长度，也就是金属波纹管的高度，从而得到待测金属波纹管膨胀节的几何尺寸。在图6-图9中，横坐标的单位为微米，纵坐标的单位为毫米。
（4）上位主机将金属波纹管膨胀节0°角、90°角、180°角、270°角的平均波高、平均波宽和总长度输出并保存至数据库、打印。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种金属波纹管膨胀节几何尺寸测量系统，其特征在于，所述测量系统包括上位主机、可编程控制器、运动机构、光栅尺、激光传感器和转台；
所述转台用于放置待测金属波纹管膨胀节；
所述运动机构分别与所述光栅尺和所述激光传感器固定连接；所述运动机构用于带动所述光栅尺和所述激光传感器产生竖直方向的位移和水平方向的位移；其中，所述水平方向为所述激光传感器的激光发射方向；
所述可编程控制器分别与所述转台、所述运动机构、所述上位主机和所述光栅尺连接；所述可编程控制器用于接收所述上位主机发送的测量信号，并根据所述测量信号，控制所述运动机构按照预设方式运转以及带动所述转台按照预设规则进行转动，并控制所述光栅尺发出高频脉冲信号，以及接收高频脉冲信号，并将所述高频脉冲信号发送至所述上位主机；
所述上位主机与所述激光传感器连接；所述上位主机用于向所述激光传感器发送测量信号，并接收所述激光传感器返回的测量数据，以及根据所述测量数据和所述高频脉冲信号计算所述待测金属波纹管膨胀节的几何尺寸；所述几何尺寸包括高度、宽度和总长度；
根据所述测量数据和对应的获取时刻，得到平面直角坐标系下的第一曲线；
根据所述高频脉冲信号和对应的获取时刻，得到平面直角坐标系下的第二曲线；
根据所述第一曲线和所述第二曲线，得到平面直角坐标系下的由所述测量数据和所述高频脉冲信号构成的几何尺寸曲线；
以所述几何尺寸曲线的起始端点的幅值对应的坐标与终点的幅值对应的坐标相等为依据，对所述平面直角坐标系进行调整，得到调整后的直角坐标系；
在所述调整后的直角坐标系下，根据几何尺寸曲线，计算所述待测金属波纹管膨胀节的几何尺寸。
2.根据权利要求1所述的金属波纹管膨胀节几何尺寸测量系统，其特征在于，所述上位主机通过网线通讯端口分别与所述可编程控制器及所述激光传感器相连接。
3.根据权利要求1所述的金属波纹管膨胀节几何尺寸测量系统，其特征在于，所述转台上表面的圆心与所述待测金属波纹管膨胀节的横截面的圆心同轴。
4.根据权利要求1所述的金属波纹管膨胀节几何尺寸测量系统，其特征在于，所述运动机构包括支架、直线滑轨及伺服电机；
所述支架设于所述直线滑轨上并随所述直线滑轨做往复直线运动；所述支架的两端分别与所述光栅尺及所述激光传感器固定连接；所述伺服电机用于带动所述直线滑轨做往复直线运动。
5.根据权利要求4所述的金属波纹管膨胀节几何尺寸测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括框架；
所述直线滑轨设置在所述框架上；
所述框架垂直固定在地面上。
6.根据权利要求5所述的金属波纹管膨胀节几何尺寸测量系统，其特征在于，所述直线滑轨包括竖直直线滑轨、水平直线滑轨和滑动杆；
所述水平直线滑轨包括第一水平直线滑轨和第二水平直线滑轨；所述第一水平直线滑轨和第二水平直线滑轨相对固定在所述框架上；
所述滑动杆的一端与所述第一水平直线滑轨滑动连接；所述滑动杆的另一端与所述第二水平直线滑轨滑动连接；所述滑动杆用于在伺服电机的带动下做水平方向上的往复运动；
所述竖直直线滑轨与所述滑动杆垂直相交固定；所述竖直直线滑轨与所述水平直线滑轨垂直；所述竖直直线滑轨用于在伺服电机的带动下做竖直方向上的往复运动。
7.根据权利要求6所述的金属波纹管膨胀节几何尺寸测量系统，其特征在于，所述竖直直线滑轨的高度大于等于所述待测金属波纹管膨胀节的高度。
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