CN1734233A - 大口径钢管截面形状尺寸测量系统及测量方法 - Google Patents

大口径钢管截面形状尺寸测量系统及测量方法 Download PDF

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张勇
陈强
都东
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Abstract

本发明公开了属于几何量测量技术领域的一种大口径钢管截面形状尺寸测量系统及测量方法。测量系统的信息处理模块、测量模块位于运动小车上，并随运动小车在基准圆形轨道上运动；输入输出模块与信息处理模块间通过串口连接。测量方法是通过测量钢管表面一系列点到某一半径已知的基准圆形轨道的径向距离来获得钢管截面轮廓点的坐标，当采样点数目足够多时，可准确的获得钢管截面轮廓；通过信息处理模块计算出钢管截面的形状和尺寸参数。克服现有技术的不足，实现大口径钢管在生产时成形、焊接、胀型、出厂检验等工艺过程中钢管截面周长、直径、圆度等参数的自动测量和结果显示，问题结果报警，实时存贮、数据分析、处理和生产管理。

Description

大口径钢管截面形状尺寸测量系统及测量方法
技术领域
本发明属于几何量测量技术领域，特别涉及大口径钢管截面形状尺寸测量系统及测量方法。
背景技术
大口径钢管指直径在0.5米至3米的钢管，可以是螺旋缝钢管，也可以是直缝钢管，大口径钢管大多用于石油或天然气的输送工程。大口径钢管的截面几何形状和尺寸是钢管产品质量中的一个重要检验参数，主要包括最大最小直径、圆度误差等。上述参数对于管道铺设过程中管端对焊施工及钢管服役过程中受力状态都有重要影响。
目前的钢管生产厂中大多用卷尺人工测量钢管的截面外周长，进而计算直径，通过测量截面外周长估计钢管的截面尺寸。或者通过卡尺测量钢管截面的直径。这些测量方法主要存在的不足是：以周长计算直径的方法是在默认钢管截面为圆形的情况下进行的，不能反映截面的圆度误差或椭圆度等参数；卷尺测量不易保证实际的测量截面与钢管母线垂直，卷尺未拉紧会造成测量结果偏大；当钢管表面存在凹处时，卷尺对周长的测量又会偏小；卡尺仅能测得钢管截面的一段弦长，而不能测到真实的直径，以直径计算周长的方法受到钢管截面形状的影响；人工测量易受人的主观性影响大，测量稳定性和客观性差。
已有的一种钢管直径/椭圆度检验系统，如1997年10月14申请的申请号为97180656.X的中国发明专利“螺旋管检验系统”在钢管外侧90度间隔安装4个位移传感能够实现对螺旋管截面最大/最小直径和椭圆度的自动测量。但该系统具有明显的不足之处：该系统的测量原理认为钢管截面为圆形或椭圆形，而真实的钢管截面并不是理想的圆形或椭圆形；钢管生产过程中旋转困难，使得系统仅对钢管表面的几个点进行测量，不能完全反映整个截面的尺寸和形状。
发明内容
本发明的目的是提供一种大口径钢管截面形状尺寸测量系统及测量方法，
所述大口径钢管截面形状尺寸测量系统包括运动模块、测量模块、信息处理模块、输入输出模块、数据存储模块和数据分析模块，其特征在于：基准圆形轨道3和运动小车11组成系统的运动模块；测量模块9位于运动小车11上，信息处理模块10也与运动小车11固结在一起，输入输出模块6与信息处理模块10间通过串口连接，实现指令和数据的传送，测量结果在输出模块上进行显示；同时，测量和计算结果存入数据存储模块7中；输入输出模块6和数据存储模块7连接在一起组成操作盒；数据存储模块7通过串口与数据分析模块8连接，数据存储模块7存储的测量数据通过数据分析模块8进行分析；电源12分别和运动模块、信息处理模块10、测量模块9、输入输出模块6和数据存储模块7连接。
所说的运动模块包括基准圆形轨道3、运动小车11及由电机16和传动机构组成的小车驱动装置；其中基准圆形轨道为运动小车提供高精度的圆周运动轨迹，小车驱动装置安装在基准圆形轨道上。
所说的测量模块9主要用于测量运动小车11在基准圆形轨道3上的相角位置以及钢管表面点到基准圆形轨道的径向距离，包括用于测量钢管表面点到基准圆形轨道距离的位移传感器，记录基准圆形轨道相角零点位置的位置开关，记录小车和基准圆形轨道零点间相对位置的相对角度编码器，以及各个传感器的驱动电路、数据采集电路和数据处理电路。
所说的信息处理模块包括通讯端口、微处理器和软件；该信息处理模块用于接收输入输出模块6的控制指令，对运动模块进行控制；对测量模块9的测量结果进行计算获得需要的钢管截面形状尺寸参数；将测量结果向输入输出模块6进行传送。
本发明的测量方法是：所说的大口径钢管截面形状尺寸测量方法是通过测量钢管表面一系列点到某一半径己知的基准圆形轨道的径向距离来获得钢管截面轮廓点的坐标，当采样点数目足够多时，可准确的获得钢管截面轮廓；通过信息处理模块计算出钢管截面的形状和尺寸参数；具体操作如下：将被测钢管5置于基准圆形轨道3中间，调整钢管母线与轨道平面垂直，通过输入输出模块6使系统开始工作，信息处理模块10控制运动小车11在基准圆形轨道3上运动，运动小车11上的测量模块9分别记录基准圆形轨道3与钢管5表面点的距离和运动小车在圆形轨道3上的相位角，并将测量数据传入信息处理模块10，通过信息处理模块10计算出钢管5的截面的形状和尺寸参数，通过通讯端口将测量和计算数据传送到输入输出模块6的输出模块及数据存储模块7进行存储，经数据分析模块8对存储的数据进行离线处理和分析，最后得到钢管5的截面的形状和尺寸参数。
所说的微处理器可以是数字信号处理器DSP、单片计算机MCU、可编程控制器PLC中的一种或一种以上；
本发明的有益效果是所述的钢管截面形状尺寸测量系统与现有技术相比具有如下优点和显著性效果：
第一、本发明对钢管截面轮廓进行坐标测量，将钢管截面形状作为钢管检验的一个几何测量参数，较仅仅依靠截面周长或弦长进行钢管直径的计算更能真实地反映钢管截面的几何特征；
第二、本发明采用传感器运动的方式代替钢管转动，克服了生产过程中钢管不易旋转的困难，使测量的采样点数目增加，提高测量精度；
第三、本发明实现钢管截面形状尺寸的自动测量，使得测量结果稳定可靠、客观性强，当采样点数目足够多时系统的精度高、测量结果准确；
第四、本发明便于实现整个生产过程中的自动化，测量结果显示明显，易于记录和保存，是实现整个制造过程数字化和信息化的重要基础。
附图说明
图1是本发明一个实施例的测量原理图；
图2是本发明一个实施例的系统组成图；
图3是本发明一个实施例的运动小车图；
图4是本发明一个实施例的测量模块构成图；
图5是本发明一个实施例的信息处理模块结构图；
图6是本发明一个实施例的输入输出模块和数据存储模块结构框图；
图7是本发明一个实施例的数据处理软件功能框图。
具体实施方式
本发明提供一种大口径钢管截面形状尺寸测量系统及测量方法。所述大口径钢管截面形状尺寸测量系统包括运动模块、测量模块、信息处理模块、输入输出模块、数据存储模块和数据分析模块。下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明具体测量原理、系统组成及实现、测量方法。
如图1所示为本发明的一个钢管截面形状尺寸测量系统实施例的测量原理图，位移传感器2和角度传感器1在一个基准圆形轨道3上运动。那么，位移传感器的位移零点的运动轨迹4也为一个标准圆周。假设该圆的半径R已知。钢管5轮廓表面的某一点pi到位移传感器2的零点距离为li，对应的角度传感器1输出的相位角为θi，那么，以基准圆形轨道的圆心为坐标原点，角度传感器的零度方向为x轴正方向建立平面直角坐标系，则点pi在该坐标系内的坐标为：
x i = ( R - l i ) cos θ i y i = ( R - l i ) sin θ i
当获得钢管某一截面的表面多个点的坐标后，各点的连线即为钢管的在该截面处的表面轮廓。当测量点足够密集时，可逼近钢管的真实轮廓并可求得截面的周长、圆度、最大最小半径等参数。
本发明的一个实施例的系统组成如图2所示；基准圆形轨道3和运动小车11组成系统的运动模块；测量模块9位于运动小车上，并随运动小车11在基准圆形轨道3上运动；信息处理模块10也与运动小车11固结在一起并沿基准圆形轨道3运动；输入输出模块6与信息处理模块10间通过串口连接，实现指令和数据的传送，测量结果在输入输出模块6的输出模块上进行显示；同时，测量和计算结果存入数据存储模块7中；输入输出模块6和数据存储模块7连接在一起组成操作盒；对于数据存储模块7中存储的测量数据可以通过数据分析模块8进行分析；整个系统中的运动模块、信息处理模块、测量模块、输入输出模块和数据存储模块都通过电源12供电。
本发明的一个实施例的运动小车如图3所示。电机16的轴带动小齿轮17转动，小齿轮再带动两个中齿轮15在大齿轮18上转动；基准圆形轨道3与大齿轮18固结，电机16与基准圆形轨道3上的滑块14固结，这样整个小车1在电机的带动下在基准圆形轨道上运动；图中为与运动小车11与激光位移传感器19、旋转编码器13固结。图4为本发明的一个实施例的运动机构图。大齿轮固定在支架20上，基准圆形轨道3固定在大齿轮18上，运动小车11通过滑块14在基准圆形轨道3上运动。
本发明的一个实施例的测量模块的构成如图4所示，测量模块的核心是可编程控制器PLC及其扩展的数模转换A/D模块，PLC通过一个输入输出节点I/O控制激光位移传感器19，并将其输出信号通过A/D模块采样进入PLC，PLC通过一个I/O节点采集位置开关的输出信号，确定运动小车在圆周轨道上的零点，角度编码器产生脉冲通过PLC的高速计数器HSC采集进入PLC，记录运动小车相对于圆周轨道零点的相角位置，从而获得运动小车在圆周轨道上的相位角θ。
本发明的一个实施例的信息处理模块的结构图如图5所示，信息处理模块的核心是PLC，PLC通过A/D采集激光位移传感器测得的钢管表面点到基准圆形轨道的距离，采集位置开关和旋转编码器的输出信号，记录钢管表面点在基准圆形轨道的相角位置；钢管表面点到基准圆形轨道的距离和相位角θ输入在PLC数据处理的算法软件进行钢管截面参数的计算；钢管截面计算结果通过PLC的串口传送到输出模块进行显示；PLC通过脉宽调制PWM端口对运动模块进行运动速度和运动方向的控制。所说到软件算法可以是最小二乘圆法(LSC)、最小外接圆法(MCC)、最大内接圆法(MIC)、最小区域圆法(MZC)等方法中的一种或几种。
本发明的一个实施例的输入输出模块和数据存储模块的结构框图如图6所示，输入输出模块的核心是一具有两个串口的单片机，其中一个串口经过RS232接口电路与信息处理模块进行指令和数据的传输，另一个串口向数据存储模块中写入钢管截面测量和计算数据；单片机通过按键支持芯片接收由指令按键发出的对整个系统的控制指令；通过LED驱动芯片对若干个LED八段管的显示进行控制，显示信息处理模块钢管截面测量和计算的数据。数据存储模块通过串口从单片机接收数据，通过一个USB驱动模块向USB盘中写入数据，存储的数据包括钢管表面各点的坐标以及实时计算结果，包括钢管截面周长、截面圆度、最大半径、最小半径等参数。
本发明的一个实施例的数据分析模块包括一台PI1266的PC机及相应的数据处理软件，数据处理软件的功能框图如图7所示，主要包括打开、关闭、查找文件功能，绘制周长、半径、直径、圆度变化曲线功能，异常点报警功能，任意截面形状绘制功能，形成报表输出文档等功能。所说的数据分析模块主要实现对测量数据的分析与处理，主要包括计算机(如PC机)及用于数据处理的软件系统；数据分析模块可以与系统分开，可在诸如办公室环境的非工业现场工作。
本发明的测量方法是：所说的大口径钢管截面形状尺寸测量方法是通过测量钢管表面一系列点到某一半径己知的基准圆形轨道的径向距离来获得钢管截面轮廓点的坐标，当采样点数目足够多时，可准确的获得钢管截面轮廓；通过信息处理模块计算出钢管截面的形状和尺寸参数；具体操作如下：将被测钢管5置于基准圆形轨道3中间，调整钢管母线与轨道平面垂直，通过输入输出模块6使系统开始工作，信息处理模块10控制运动小车11在基准圆形轨道3上运动，运动小车11上的测量模块9分别记录基准圆形轨道3与钢管5表面点的距离和运动小车在圆形轨道3上的相位角，并将测量数据传入信息处理模块10，通过信息处理模块10计算出钢管5的截面的形状和尺寸参数，通过通讯端口将测量和计算数据传送到输入输出模块6的输出模块及数据存储模块7进行存储，经数据分析模块8对存储的数据进行离线处理和分析，最后得到钢管5的截面的形状和尺寸参数。
所说的微处理器可以是数字信号处理器DSP、单片计算机MCU、可编程控制器PLC中的一种或一种以上。

Claims (6)

1.一种大口径钢管截面形状尺寸测量系统，所述大口径钢管截面形状尺寸测量系统包括运动模块、测量模块、信息处理模块、输入输出模块、数据存储模块和数据分析模块；其特征在于：基准圆形轨道(3)和运动小车(11)组成系统的运动模块；测量模块(9)位于运动小车(11)上，信息处理模块(10)也与运动小车(11)固结在一起，输入输出模块(6)与信息处理模块(10)间通过串口连接，实现指令和数据的传送，测量结果在输出模块上进行显示；同时，测量和计算结果存入数据存储模块(7)中；输入输出模块(6)和数据存储模块(7)连接在一起组成操作盒；数据存储模块(7)通过串口与数据分析模块(8)连接，数据存储模块(7)存储的测量数据通过数据分析模块(8)进行分析；电源(12)分别和运动模块、信息处理模块(10)、测量模块(9)、输入输出模块(6)和数据存储模块(7)连接。
2.根据权利要求1所述大口径钢管截面形状尺寸测量系统，其特征在于：所说的运动模块包括基准圆形轨道(3)、运动小车(11)及由电机(16)和传动机构组成的小车驱动装置；其中基准圆形轨道为运动小车提供高精度的圆周运动轨迹，小车驱动装置安装在运动小车上。
3.根据权利要求1所述大口径钢管截面形状尺寸测量系统，其特征在于：所说的测量模块(9)主要用于测量运动小车(11)在基准圆形轨道(3)上的相位角以及钢管表面点到基准圆形轨道的径向距离，包括用于测量钢管表面点到基准圆形轨道距离的位移传感器，记录基准圆形轨道相角零点位置的位置开关，记录小车和基准圆形轨道零点间相对位置的相对角度编码器，以及各个传感器的驱动电路、数据采集电路和数据处理电路。
4.根据权利要求1所述大口径钢管截面形状尺寸测量系统，其特征在于：所说的信息处理模块包括通讯端口、微处理器和软件；该信息处理模块用于接收输入输出模块(6)的控制指令，对运动模块进行控制；对测量模块(9)的测量结果进行计算获得需要的钢管截面形状尺寸参数；将测量结果向输入输出模块(6)进行传送。
5.根据权利要求1所述大口径钢管截面形状尺寸测量系统，其特征在于：所说的微处理器可以是数字信号处理器DSP、单片计算机MCU、可编程控制器PLC中的一种或一种以上。
6.一种权利要求1所述大口径钢管截面形状尺寸测量方法，其特征在于：所说的大口径钢管截面形状尺寸测量方法是通过测量钢管表面一系列点到某一半径已知的基准圆形轨道的径向距离来获得钢管截面轮廓点的坐标，当采样点数目足够多时，可准确的获得钢管截面轮廓；通过信息处理模块计算出钢管截面的形状和尺寸参数；具体操作如下：将被测钢管(5)置于基准圆形轨道(3)中间，调整钢管母线与轨道平面垂直，通过输入输出模块(6)使系统开始工作，信息处理模块(10)控制运动小车(11)在基准圆形轨道(3)上运动，运动小车(11)上的测量模块(9)分别记录基准圆形轨道(3)与钢管(5)表面点的距离和运动小车(11)在圆形轨道(3)上的相位角，并将测量数据传入信息处理模块(10)，通过信息处理模块(10)计算出钢管(5)的截面的形状和尺寸参数，通过通讯端口将测量和计算数据传送到输入输出模块(6)的输出模块及数据存储模块(7)进行存储，经数据分析模块(8)对存储的数据进行离线处理和分析，最后得到钢管(5)的截面的形状和尺寸参数。
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