專利名稱：鋼管管端內(nèi)外徑雙臂四探頭測量裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于幾何量測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鋼管管端截面內(nèi)外徑參數(shù)的測量裝置及其測量方法。
背景技術(shù)：
隨著管道現(xiàn)場焊接施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，半自動、全自動焊接技術(shù)的不斷應(yīng)用，使得對鋼管管徑的要求越來越嚴(yán)格，特別是對管端，不僅對其外徑有要求，同時對其管端橢圓度的要求也極為嚴(yán)格。其目的就在于當(dāng)兩管在野外或海洋中進(jìn)行配管焊接施工時，使其能順利的完成焊接。反之，如果鋼管的管端直徑和橢圓度超標(biāo)，就會造成兩管對焊的困難，即使能勉強(qiáng)對焊在一起，也會產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致焊縫處的機(jī)械性能下降，降低了管道在使用過程中的安全性。油氣輸送管道輸送大量易燃易爆介質(zhì)，承受幾十甚至上百個大氣壓的內(nèi)壓，焊縫處如果機(jī)械性能不好的話，極易發(fā)生泄漏、爆炸事故，會造成很大損失。而由于生產(chǎn)工藝的限制，產(chǎn)品中內(nèi)外徑不合格的鋼管依然占據(jù)一定的比例。為了篩選出合格的鋼管，同時對大口徑鋼管生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)密地監(jiān)控，對大口徑鋼管的內(nèi)徑、外徑及橢圓度進(jìn)行檢測是非常有必要的。目前鋼管行業(yè)中個軋管廠在測量管端內(nèi)外徑時，主要依靠卡尺和千分尺等手工量具進(jìn)行檢測，受生產(chǎn)環(huán)境、量具精確度和操作人員的主觀因素影響較大，同時測量速度和測量的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)均不可能達(dá)到較高的水平。為了降低成本，提高檢測速度，消除人的主觀因素影響，提高測量精度，急需開發(fā)一種快速高精度自動化的管端內(nèi)外徑測量系統(tǒng)來提高鋼管生產(chǎn)過程的自動化程度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種鋼管管端內(nèi)外徑雙臂四探頭測量裝置及測量方法。本發(fā)明是利用旋轉(zhuǎn)測量裝置測量距離鋼管管端一定距離處的截面的內(nèi)徑和外徑，此裝置的主要誤差來源在于旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動的中軸線和和鋼管的中軸線不能完全重合，兩條中軸線之間有一定的夾角，測距探頭旋轉(zhuǎn)時圍繞的中軸線不同于待測鋼管的中軸線，所以會導(dǎo)致測量的內(nèi)外徑不準(zhǔn)確。本發(fā)明的目的在于提出一種在兩個固定臂上分別固定兩個測距探頭，共使用四個測距探頭來同時測量鋼管的兩個橫截面的內(nèi)外徑，并利用算法來消除兩條中軸線不重合帶來的誤差。本發(fā)明的鋼管管端內(nèi)外徑雙臂四探頭測量裝置包括旋轉(zhuǎn)臺(I)、轉(zhuǎn)臺固定平面
(2)、2個固定臂(3和4)、4個激光測距探頭(al、bl、a2、b2)。其特征在于旋轉(zhuǎn)臺帶動轉(zhuǎn)動固定平面圍繞旋轉(zhuǎn)臺中軸線M-Μ’轉(zhuǎn)動，固定臂垂直固定在轉(zhuǎn)動固定平面上，每個固定壁上安裝兩個激光測距探頭。探頭al、bl為一組，固定在一個垂直于中軸線M-M’的平面上； 探頭a2、b2為一組，固定在另一個垂直于中軸線M-M’的平面上。探頭al、a2指向中軸線 M-M’方向，探頭bl、b2背向中軸線M-M’方向。本發(fā)明的測量方法包括如下步驟(I)測量探頭al、bl、a2、b2距離鋼管管壁的距離結(jié)果分別為Al、BI、A2、B2。已知探頭al、bl、a2、b2距離旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動中軸線的距離分別是C1、D1、C2、D2，可以計(jì)算出探頭 al、bl所探測的截面的鋼管內(nèi)徑為A1+C1，外徑為Dl-Bl ;探頭a2、b2所探測的截面的鋼管內(nèi)徑為A2+C2，外徑為D2-B2 ；(2)在旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)至不同角度時分別測量內(nèi)外徑的數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)一周之后就可以得到鋼管兩個截面的形狀尺寸參數(shù)；(3)利用兩個截面的三維數(shù)據(jù)擬合空間圓,確定空間圓的中心；(4)連接兩個中心得到鋼管的虛擬中心軸線；(5)過鋼管的虛擬中心軸線上任意一點(diǎn)作虛擬空間垂面，即構(gòu)建空間截面的虛擬投影基準(zhǔn)面；(6)將鋼管的兩個截面分別向虛擬投影基準(zhǔn)面做投影，即可得到修正后的鋼管截面形狀尺寸參數(shù)，確定鋼管管端兩個截面處的內(nèi)徑和外徑。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明在消除旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動的中軸線和和鋼管的中軸線不重合偏差，提高測量精度的同時，還可以同時測量距離鋼管管端兩個不同距離的截面的內(nèi)外徑數(shù)據(jù)，可以減少旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動圈數(shù)，將測量速度提高一倍。在實(shí)際生產(chǎn)過程之中，一般只需要2個截面的內(nèi)外徑大小數(shù)據(jù)，所以只需要轉(zhuǎn)動一圈就可以達(dá)到測量目的，本發(fā)明提供的方法具有很強(qiáng)的實(shí)用性。


圖I是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是軸心誤差消除方法不例圖。圖3是投影過程示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖說一下具體的實(shí)施方式如圖I所示，本發(fā)明的鋼管管端內(nèi)外徑雙臂四探頭測量裝置包括旋轉(zhuǎn)臺(I)、轉(zhuǎn)臺固定平面(2)、2個固定臂(3和4)、4個激光測距探頭(al、bl、a2、b2)。其特征在于旋轉(zhuǎn)臺帶動轉(zhuǎn)動固定平面圍繞旋轉(zhuǎn)臺中軸線M-Μ’旋轉(zhuǎn)，固定臂垂直固定在轉(zhuǎn)動固定平面上， 每個固定壁上安裝兩個激光測距探頭。探頭al、bl為一組，固定在一個垂直于中軸線M-M’ 的平面上；探頭a2、b2為一組，固定在另一個垂直于中軸線M-M’的平面上，兩個平面之間的距離為L。探頭al、a2指向中軸線M-M’方向，探頭bl、b2背向中軸線M-M’方向。圖中的 5為待測的鋼管。本發(fā)明的測量方法的具體實(shí)施方式
是測量探頭al、bl、a2、b2距離鋼管管壁的距離結(jié)果分別為Al、Bl、A2、B2。已知探頭al、bl、a2、b2距離旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動中軸線的距離分別是C1、D1、C2、D2，可以計(jì)算出探頭al、 bl所探測的截面的鋼管內(nèi)徑為A1+C1，外徑為Dl-Bl ;探頭a2、b2所探測的截面的鋼管內(nèi)徑為A2+C2，外徑為D2-B2 ;在旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)至不同角度時分別測量內(nèi)外徑的數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)一周之后就可以得到鋼管兩個截面的形狀尺寸參數(shù)；本發(fā)明裝置的主要誤差來源在于旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動的中軸線和和鋼管的中軸線不能完全重合，兩條中軸線之間有一定的夾角，測距探頭旋轉(zhuǎn)時圍繞的中軸線不同于待測鋼管的中軸線，所以會導(dǎo)致測量的內(nèi)外徑不準(zhǔn)確，需要利用算法來消除兩條中軸線不重合帶來的誤差。如圖2所示，圓Rl為探頭bl探測的鋼管外徑圓周，圓R2為探頭b2探測的鋼管外徑圓周，由于鋼管的形狀不規(guī)則，所以圓Rl和R2為近似的圓形。利用軟件的方法(如最小二乘法)擬合出圓Rl的圓心01，圓R2的圓心02。01和02的連線就可以認(rèn)為是鋼管的虛擬中心軸線。然后將探頭al、bl、a2、b2測量出來的內(nèi)徑外徑向過直線01-02任意一點(diǎn)且垂直于直線01-02的平面做投影就可以得到修正后的該截面的鋼管內(nèi)外徑。以探頭bl探測的鋼管外徑圓周Rl為例介紹一下做投影的方法，如圖2所示建立空間直角坐標(biāo)系O-XYZ，Z軸與旋轉(zhuǎn)臺中軸線M-M’重合，零點(diǎn)在轉(zhuǎn)臺固定平面上。X軸與Y 軸的方向與Z軸垂直，對其方向不做要求。以探頭bl探測的鋼管外徑圓周Rl位于垂直于Z 軸的平面上，以探頭b2探測的鋼管外徑圓周R2也位于垂直于Z軸的平面上。利用軟件的方法(如最小二乘法)擬合出圓Rl的圓心01點(diǎn)的坐標(biāo)(xl，yl，zl)，圓R2的圓心02點(diǎn)的坐標(biāo)(x2，y2, z2)。這兩個點(diǎn)的坐標(biāo)均是已知的。如圖3所示，將Rl向與過點(diǎn)01且與直線0102垂直的平面N_N’做投影，得到修正后的外徑圓周R1’。對于Rl上任意一點(diǎn)P(x3，y3，z3)，求其在R1’上的對應(yīng)點(diǎn)P’ (x4, y4, z4)的計(jì)算過程如下向量fp與向量碩平行，所以,此處λ為不等于零的實(shí)數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種鋼管管端內(nèi)外徑測量裝置，其特征在于所述的鋼管管端內(nèi)外徑測量裝置包括旋轉(zhuǎn)臺(I)、轉(zhuǎn)臺固定平面(2)、2個固定臂(3和4)、4個激光測距探頭(al、bl、a2、b2);旋轉(zhuǎn)臺帶動轉(zhuǎn)動固定平面圍繞旋轉(zhuǎn)臺中軸線M-Μ’旋轉(zhuǎn)，固定臂垂直固定在轉(zhuǎn)動固定平面上， 每個固定臂上安裝兩個激光測距探頭；探頭al、bl為一組，固定在一個垂直于中軸線M-M’ 的平面上；探頭a2、b2為一組，固定在另一個垂直于中軸線M-M’的平面上；探頭al、a2指向中軸線M-M’方向，探頭bl、b2背向中軸線M-M’方向。
2.—種權(quán)利要求I所述裝置的測量方法，其特征在于，包括如下步驟(1)測量探頭al、bl、a2、b2距離鋼管管壁的距離結(jié)果分別為Al、BI、A2、B2，已知探頭 &1、131、3232距離旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動中軸線的距離分別是(1、01、02、02，可以計(jì)算出探頭al、bl 所探測的截面的鋼管內(nèi)徑為A1+C1，外徑為Dl-Bl ;探頭a2、b2所探測的截面的鋼管內(nèi)徑為 A2+C2，外徑為 D2-B2 ；(2)在旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)至不同角度時分別測量內(nèi)外徑的數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)一周之后就可以得到鋼管兩個截面的形狀尺寸參數(shù)；(3)利用兩個截面的三維數(shù)據(jù)擬合空間圓，確定空間圓的中心；(4)連接兩個中心得到鋼管的虛擬中心軸線；(5)過鋼管的虛擬中心軸線上任意一點(diǎn)作虛擬空間垂面，即構(gòu)建空間截面的虛擬投影基準(zhǔn)面；(6)將鋼管的兩個截面分別向虛擬投影基準(zhǔn)面做投影，即可得到修正后的鋼管截面形狀尺寸參數(shù)，確定鋼管管端兩個截面處的內(nèi)徑和外徑。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于幾何量測量技術(shù)領(lǐng)域的一種鋼管管端內(nèi)外徑雙臂四探頭測量裝置及其測量方法。測量裝置包括旋轉(zhuǎn)臺(1)、轉(zhuǎn)臺固定平面(2)、2個固定臂(3和4)和4個激光測距探頭(a1、a2、b1、b2)。測量方法采用利用四個探頭圍繞旋轉(zhuǎn)臺中軸線M-M’轉(zhuǎn)動，同時測量鋼管兩個截面內(nèi)外徑，然后擬合出鋼管的虛擬中心軸線和虛擬空間垂面，將測得的鋼管截面數(shù)據(jù)向虛擬空間垂面做投影的方式來消除旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動的中軸線和和鋼管的中軸線不重合偏差，提高測量精度，同時能減少旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動圈數(shù)，提高測量速度。本裝置和方法能實(shí)現(xiàn)鋼管管端內(nèi)外徑的快速非接觸自動化測量，可以消除人的主觀因素影響，提高鋼管生產(chǎn)過程的自動化程度。
文檔編號G01B11/12GK102607438SQ20121004247
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月24日
發(fā)明者葉青, 梅劍春, 田建國 申請人:南開大學(xué)