專利名稱：鋼管管端內外徑雙臂四探頭測量裝置及其測量方法
技術領域：
本發明屬于幾何量測量技術領域，特別涉及一種鋼管管端截面內外徑參數的測量裝置及其測量方法。
背景技術：
隨著管道現場焊接施工技術的不斷進步，半自動、全自動焊接技術的不斷應用，使得對鋼管管徑的要求越來越嚴格，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格。其目的就在于當兩管在野外或海洋中進行配管焊接施工時，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，就會造成兩管對焊的困難，即使能勉強對焊在一起，也會產生很大的殘余應力，導致焊縫處的機械性能下降，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，承受幾十甚至上百個大氣壓的內壓，焊縫處如果機械性能不好的話，極易發生泄漏、爆炸事故，會造成很大損失。而由于生產工藝的限制，產品中內外徑不合格的鋼管依然占據一定的比例。為了篩選出合格的鋼管，同時對大口徑鋼管生產質量進行嚴密地監控，對大口徑鋼管的內徑、外徑及橢圓度進行檢測是非常有必要的。目前鋼管行業中個軋管廠在測量管端內外徑時，主要依靠卡尺和千分尺等手工量具進行檢測，受生產環境、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據點數均不可能達到較高的水平。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，急需開發一種快速高精度自動化的管端內外徑測量系統來提高鋼管生產過程的自動化程度。
發明內容
本發明的目的是提供一種鋼管管端內外徑雙臂四探頭測量裝置及測量方法。本發明是利用旋轉測量裝置測量距離鋼管管端一定距離處的截面的內徑和外徑，此裝置的主要誤差來源在于旋轉臺轉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，測距探頭旋轉時圍繞的中軸線不同于待測鋼管的中軸線，所以會導致測量的內外徑不準確。本發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。本發明的鋼管管端內外徑雙臂四探頭測量裝置包括旋轉臺(I)、轉臺固定平面
(2)、2個固定臂(3和4)、4個激光測距探頭(al、bl、a2、b2)。其特征在于旋轉臺帶動轉動固定平面圍繞旋轉臺中軸線M-Μ’轉動，固定臂垂直固定在轉動固定平面上，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果分別為Al、BI、A2、B2。已知探頭al、bl、a2、b2距離旋轉臺轉動中軸線的距離分別是C1、D1、C2、D2，可以計算出探頭 al、bl所探測的截面的鋼管內徑為A1+C1，外徑為Dl-Bl ;探頭a2、b2所探測的截面的鋼管內徑為A2+C2，外徑為D2-B2 ；(2)在旋轉臺旋轉至不同角度時分別測量內外徑的數據，旋轉一周之后就可以得到鋼管兩個截面的形狀尺寸參數；(3)利用兩個截面的三維數據擬合空間圓,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作虛擬空間垂面，即構建空間截面的虛擬投影基準面；(6)將鋼管的兩個截面分別向虛擬投影基準面做投影，即可得到修正后的鋼管截面形狀尺寸參數，確定鋼管管端兩個截面處的內徑和外徑。本發明的有益效果是本發明在消除旋轉臺轉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外徑數據，可以減少旋轉臺轉動圈數，將測量速度提高一倍。在實際生產過程之中，一般只需要2個截面的內外徑大小數據，所以只需要轉動一圈就可以達到測量目的，本發明提供的方法具有很強的實用性。
圖I是本發明裝置的結構示意圖。圖2是軸心誤差消除方法不例圖。圖3是投影過程示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖說一下具體的實施方式如圖I所示，本發明的鋼管管端內外徑雙臂四探頭測量裝置包括旋轉臺(I)、轉臺固定平面(2)、2個固定臂(3和4)、4個激光測距探頭(al、bl、a2、b2)。其特征在于旋轉臺帶動轉動固定平面圍繞旋轉臺中軸線M-Μ’旋轉，固定臂垂直固定在轉動固定平面上， 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。本發明的測量方法的具體實施方式
是測量探頭al、bl、a2、b2距離鋼管管壁的距離結果分別為Al、Bl、A2、B2。已知探頭al、bl、a2、b2距離旋轉臺轉動中軸線的距離分別是C1、D1、C2、D2，可以計算出探頭al、 bl所探測的截面的鋼管內徑為A1+C1，外徑為Dl-Bl ;探頭a2、b2所探測的截面的鋼管內徑為A2+C2，外徑為D2-B2 ;在旋轉臺旋轉至不同角度時分別測量內外徑的數據，旋轉一周之后就可以得到鋼管兩個截面的形狀尺寸參數；本發明裝置的主要誤差來源在于旋轉臺轉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，測距探頭旋轉時圍繞的中軸線不同于待測鋼管的中軸線，所以會導致測量的內外徑不準確，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測量出來的內徑外徑向過直線01-02任意一點且垂直于直線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系O-XYZ，Z軸與旋轉臺中軸線M-M’重合，零點在轉臺固定平面上。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點的坐標(xl，yl，zl)，圓R2的圓心02點的坐標(x2，y2, z2)。這兩個點的坐標均是已知的。如圖3所示，將Rl向與過點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P(x3，y3，z3)，求其在R1’上的對應點P’ (x4, y4, z4)的計算過程如下向量fp與向量碩平行，所以,此處λ為不等于零的實數。
權利要求
1.一種鋼管管端內外徑測量裝置，其特征在于所述的鋼管管端內外徑測量裝置包括旋轉臺(I)、轉臺固定平面(2)、2個固定臂(3和4)、4個激光測距探頭(al、bl、a2、b2);旋轉臺帶動轉動固定平面圍繞旋轉臺中軸線M-Μ’旋轉，固定臂垂直固定在轉動固定平面上， 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果分別為Al、BI、A2、B2，已知探頭 &1、131、3232距離旋轉臺轉動中軸線的距離分別是(1、01、02、02，可以計算出探頭al、bl 所探測的截面的鋼管內徑為A1+C1，外徑為Dl-Bl ;探頭a2、b2所探測的截面的鋼管內徑為 A2+C2，外徑為 D2-B2 ；(2)在旋轉臺旋轉至不同角度時分別測量內外徑的數據，旋轉一周之后就可以得到鋼管兩個截面的形狀尺寸參數；(3)利用兩個截面的三維數據擬合空間圓，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作虛擬空間垂面，即構建空間截面的虛擬投影基準面；(6)將鋼管的兩個截面分別向虛擬投影基準面做投影，即可得到修正后的鋼管截面形狀尺寸參數，確定鋼管管端兩個截面處的內徑和外徑。
全文摘要
本發明公開了屬于幾何量測量技術領域的一種鋼管管端內外徑雙臂四探頭測量裝置及其測量方法。測量裝置包括旋轉臺(1)、轉臺固定平面(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臺中軸線M-M’轉動，同時測量鋼管兩個截面內外徑，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據向虛擬空間垂面做投影的方式來消除旋轉臺轉動的中軸線和和鋼管的中軸線不重合偏差，提高測量精度，同時能減少旋轉臺轉動圈數，提高測量速度。本裝置和方法能實現鋼管管端內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 優先權日2012年2月24日
發明者葉青, 梅劍春, 田建國 申請人:南開大學