CN101852582A - 弯管内壁几何参数测量装置及测量方法 - Google Patents

弯管内壁几何参数测量装置及测量方法 Download PDF

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张进
孟宪举
李少峰
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Abstract

一种弯管内壁几何参数测量装置及测量方法，属于测试仪器仪表领域。其测量装置具有三个移动自由度和一个转动自由度，测针安装在测量悬伸的测量臂末端，可绕测量臂轴心旋转，并可手动调整摆角。弯管几何参数测量方法利用测量装置对弯管内径和弯曲半径进行测量，按测量先后顺序包括确定弯管中心线平面、测量弯曲半径和测量弯管内径过程。本发明该测量方法解决了弯管内腔几何参数测量问题，测量过程无需另增定位面，适用管径范围大，尤其适用于对弯管几何参数测量精度要求较高的场合。

Description

弯管内壁几何参数测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于测试仪器仪表领域，特别涉及一种弯管内壁几何参数测量装置和测量方法，用于对弯管弯曲半径和内径的测量。
背景技术
弯管流量计是一种新型的差压式流量计，它利用管道上直角拐弯处的弯管的内外侧压力差值和弯管内壁几何参数计算管内流体流量。弯管内壁中心线的旋转曲率半径R与弯管内壁直径D的比值称为弯径比K。弯径比是影响弯管流量计流量特征的最重要的几何参数。因此，如何准确测量弯管内壁的弯曲半径和内径是研制高精度弯管流量计的关键技术之一。
从几何角度看，弯管内壁相当于一个直径为D的圆沿半径为R的圆弧线上运动，并保持圆与弧线垂直形成的表面。其中圆的直径D为弯管内径，圆弧中心O为旋转中心，圆弧半径R为旋转曲率半径，圆弧为弯管的中心线。因此，过旋转中心并与中心线垂直的平面与弯管的截面为圆，任何一个与中心线所在平面平行的平面与弯管的截面为圆心在旋转中心的圆弧线。
由于弯管外壁几何参数对管内流体速度和压力没有影响，通常只需对管内壁进行加工和测量，弯管各处的壁厚并不均匀，手工方法难以确定弯管旋转中心和中心线，用千分表、游标卡尺等通用量具无法对弯管内径和弯曲半径准确测量。这严重影响着弯管流量计的测试精度。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，一是提供一种用于测量弯管内壁几何参数的测量装置；二是提供一种测量弯管内径和弯曲半径的测量方法。
实现上述发明目的采用以下技术方案：一种弯管内壁几何参数测量装置，包括：机座、测量转台、横向导轨、纵向导轨、立柱、测量臂、测座和测针、伺服电机，被测弯管放置在测量转台上，所述的纵向导轨与横向导轨相互垂直固定安装在基座上，该横向导轨上安装有沿横向导轨左右移动的测量转台，横向导轨伺服电机与横向导轨固接；纵向导轨上安装有沿纵向导轨前后移动的立柱，立柱上固定安装有垂直导轨，垂直导轨上安装有沿垂直导轨上下移动的滑座，垂直导轨伺服电机与垂直导轨固接；所述的测量臂的一端与滑座固定连接，另一端安装有绕测量臂旋转的腕部，腕部固定安装有测座，测座内部固定安装有力传感器，该力传感器外接测针，测针末端固定安装有球头；所述滑座的另一端与测量臂伺服电机固接。
一种用弯管内壁几何参数测量装置测量弯管内径和弯曲半径的方法，按测量先后顺序包括：确定弯管中心线平面、测量弯曲半径和测量弯管内径过程，其方法是：
a、确定弯管中心线平面过程：首先将待测弯管平放在测量转台上并固定，移动、旋转测量平台，并调整测针与弯管相对位置，使得测针球头伸入弯管内部，然后保持测量转台不动，控制测针球头移动测量弯管内壁点，寻找到球头球心坐标值的最高点和最低点；计算最高点和最低点球头球心坐标的平均值，该点为弯管中心线上一点；移动、转动测量转台，改变弯管与测针球头的左右相对位置，然后保持测量转台不动，重复上述测量过程，取得弯管中心线上另一点；如此重复测量，得到弯管中心线上三点以上的空间坐标后，采用平面拟合算法计算出中心线所在平面即中心平面。
b、测量弯曲半径过程：调整测针与弯管的相对位置，使得测针球头球心初始位置位于弯管内部且在步骤a中确定的中心平面内，控制测针向弯管内壁的内侧运动并保持测针球头球心在中心平面内，当球头与内壁接触时，计算球头球心的空间坐标并记录；改变测针球头初始位置，重复上述过程，取得球头在中心平面内与弯管内壁内侧接触时球心的3个以上不同点空间坐标，用圆弧拟合算法计算出这些点所在的圆弧，得到内侧圆弧半径R1和圆心；按照上述操作过程取得球头在中心平面内与弯管内壁外侧接触时球心所在的圆弧，得到外侧圆弧半径R2和圆心。计算内侧圆弧与外侧圆弧的半径均值为弯管中心线的半径R，即弯管旋转半径，计算内侧圆弧与外侧圆弧的圆心坐标均值为弯管旋转中心的空间坐标值；
c、测量弯管内径过程：调整测针与弯管的相对位置，使得测针球头球心初始位置位于弯管内部，保持测针球头球心在过弯管旋转中心并与中心平面垂直的测量平面内，向弯管内壁运动，当球头与内壁接触时，计算球头球心的空间坐标并记录；重复上述过程，取得球头在上述测量平面内与弯管内壁接触时球心的3个以上不同点空间坐标，用圆拟合算法计算出这些点所在的圆，该圆的直径与测针球头直径之和为弯管在该测量平面内的内径；改变球头球心初始点位置和测量平面，重复上述测量过程，得到多个测量平面内弯管内径；计算这些内径的均值得到的结果即为弯管内径。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的弯管几何参数测量装置，具有三个移动自由度和一个转动自由度，结构科学，测量精确度高。利用本发明提供的弯管几何参数测量装置测量，实现了弯管弯曲半径和内径测量。该测量方法解决了弯管内腔几何参数测量问题，测量过程无需另增定位面，适用管径范围大。该测量方法和过程用计算机编程控制后容易实现自动测量，尤其适用于对弯管几何参数测量精度要求较高的场合。
附图说明
图1是本发明弯管几何参数测量装置的结构示意图。
图2是本发明测量弯管中心线过程弯管剖面图。
图3是本发明测量弯管弯曲半径过程弯管剖面图。
图4是本发明测量弯管内径过程弯管剖面图。
图中，垂直导轨伺服电机1，垂直丝杠2，立柱3，测量臂伺服电机4，滑座5，垂直导轨6，纵向丝杠7，纵向导轨8，纵向导轨伺服电机9，测量臂10，腕部11，转轴12，测座13，测针14，测针球头15，弯管16，横向导轨伺服电机17，横向丝杠18，横向导轨19，测量转台20，机座21，中心点测量面22，中心平面23，定位平面24，中心线25，最高点26，中心面与弯管内壁交线27，最低点28，中心点29，内侧圆弧30，外侧圆弧31，弯管旋转中心32，管内径测量平面33，管内径测量平面与弯管内壁交线34。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的描述。
本发明由机座21、测量转台20、横向导轨19、纵向导轨8、垂直导轨6、立柱3、测量臂10、测座13和测针14等组成。具体实施例如下：
参见附图1，为了方便说明，本实施例将横向导轨19方向设为X向，纵向导轨19方向设为Y向，垂直导轨6方向设为Z向，三者相互垂直构成一直角坐标系，测量臂10平行于X向。
纵向导轨8与横向导轨19相互垂直并固定安装在基座21上。纵向导轨8上安装有立柱3，立柱3可沿纵向导轨8前后移动，纵向导轨伺服电机9与纵向导轨8固接，其输出轴与丝杠7同轴连接，纵向丝杠7与固定在立柱3内部的螺母配合，当伺服电机9正反向旋转时通过纵向丝杠7带动立柱3前后移动。垂直导轨6固定安装在立柱3上，立柱3上安装有滑座5，该滑座5可沿垂直导轨6上下移动。垂直导轨伺服电机1与垂直导轨6固接，其输出轴与立柱丝杠2同轴连接，立柱丝杠2与固定在滑座5内部的螺母配合，当伺服电机1正反向旋转时通过垂直丝杠2带动滑座5上下移动。测量臂10和测量臂伺服电机4固接在滑座5上，测量臂10为水平安装的悬臂，一端与固定在立柱3上的滑座5固定连接，另一端悬伸端连接腕部11，腕部在测量臂伺服电机4驱动下可绕测量臂10中心轴旋转；测量臂10为中空圆柱结构，内部有传动轴，传动轴一端与测量臂伺服电机4输出轴连接，另一端与腕部11连接，测量臂伺服电机4通过该传动轴带动腕部11绕测量臂10中心轴线旋转。腕部11固定安装有测座13，测座13内部固定安装有力传感器，力传感器与位于测量装置外的计算机信号连接。该力传感器外接测针14，测针14末端固定安装有测针球头15。腕部11还设有一个与测量臂10中心轴线垂直的转轴12，转轴12由锁紧机构固定，当锁紧机构松开时，可以手动调整转轴12的旋转角度，即调整测针14相对测量臂10中心轴的摆角，测量过程中锁紧机构缩紧转轴12，转轴12不可转动，测针14的摆角不变。横向导轨19上安装有测量转台20，测量转台20可沿横向导轨19左右移动，横向导轨伺服电机17与横向导轨19固接，其输出轴与横向丝杠18同轴连接，横向丝杠18与固定在测量平台20内部的螺母配合，当横向导轨伺服电机17正反向旋转时通过横向丝杠18带动测量转台20左右移动；测量转台20内部还设置一伺服电机，该伺服电机带动测量转台20转动。
测量过程中，被测弯管16放置在测量转台20上，当测针14末端测针球头15与弯管16表面被测点接触受外力后，测座13内的力传感器感知外力，并向外部计算机发出信号，外部计算机根据各导轨位置、关节角度、测量臂和测针长度计算出测针球头中心坐标位置。
本发明的弯管几何参数测量方法：
弯管内径和弯曲半径测量方法按先后测量顺序包括如下三个步骤：确定弯管中心线平面过程、测量弯曲半径过程和测量弯管内径过程。
步骤1：确定弯管中心线平面过程。参照附图1、附图2，附图2为弯管16被与Y-Z平行的平面剖分后的示意图。首先将待测弯管16平放在测量转台20上并固定夹紧，确定定位平面24，通过控制各伺服电机调整测针14与弯管16的相对位置，使得测针14伸入弯管16内；然后保持测量转台20不动移动测针，此时测针球头球心在一个与Y-Z平行的中心点测量平面22内移动，该中心点测量平面22平面与弯管内壁交线27为曲线，测量弯管内壁各点找到球头球心坐标的最高点26和最低点28；计算最高点26和最低点28坐标的平均值，得到弯管中心线上一中心点29；移动、转动测量转台20，改变弯管与测针14的测针球头15的左右相对位置，然后保持测量转台20不动，重复上述测量过程，取得并记录弯管中心线上的另一点坐标值；如此测得弯管中心线上三点以上的空间坐标后，采用平面拟合算法计算出中心线25所在平面即中心平面23。
步骤2：测量弯曲半径过程。参照附图1、附图3，附图3为弯管16被中心平面23剖分后示意图。通过控制各伺服电机调整测针14与弯管16的相对位置，使得测针测针球头15球心初始位置位于弯管16内部且在中心平面23内，控制测针测针球头15向弯管16内壁的内侧运动并保持测针测针球头15球心在中心平面23内，当测针球头15与内壁接触时，计算球心的空间坐标并记录；改变测针测针球头15初始位置，重复上述过程，取得测针球头15在中心平面23内与弯管内壁内侧接触时球心的三个以上不同点空间坐标，用圆弧拟合算法计算出这些点所在的内侧圆弧30，得到内侧圆弧半径R1和圆心。按照上述操作过程取得球头在中心平面内与弯管内壁外侧接触时球心所在的外侧圆弧31，得到外侧圆弧半径R2和圆心。计算内侧圆弧与外侧圆弧的半径均值为弯管中心线的半径，即弯管旋转半径R，计算内侧圆弧与外侧圆弧的圆心坐标均值为弯管旋转中心32的空间坐标值。
步骤3：测量弯管内径过程。参照附图1、附图4，附图4为弯管16被过弯管旋转中心32并与中心平面23垂直的平面剖分后示意图。通过控制各伺服电机调整测针14与弯管16的相对位置，使得测针测针球头15球心初始位置位于弯管内部，保持测针测针球头15球心在过弯管旋转中心并与中心平面垂直的管内径测量平面33内，向弯管内壁运动，当测针球头15与内壁接触时，计算球头球心的空间坐标并记录；重复上述过程，取得球头在上述测量平面内与弯管内壁接触时球心的三个以上不同点空间坐标，用圆拟合算法计算出这些点所在的圆，该圆的直径D1与测针球头直径之和为弯管在该测量平面33内的内径。改变球头球心初始点位置和测量平面，重复上述测量过程，得到多个测量平面内弯管内径。取这些内径的均值得到的结果即为弯管内径D。图4中表示的34是管内径测量平面与弯管内壁的交线。
上述测量过程中取测量点或平测量平面时，为了使测量结果能够反映弯管整体几何参数，需要测针分别从弯管两端进入弯管测量。对于不同内径的弯管，有时需要手动调整测针摆动角度，以保证在机构不发生干涉的情况下测针球头与弯管内壁接触。
以上是根据附图所示的实施方式所做的说明，这些实施方式只是个例说明，并不意味着限制。在本发明技术方案的指导下做出的实施方式，均属本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种弯管内壁几何参数测量装置，包括：机座(21)、测量转台(20)、横向导轨(19)、纵向导轨(8)、立柱(3)、测量臂(10)、测座和测针、伺服电机，被测弯管放置在测量转台(20)上，其特征在于：所述的纵向导轨(8)与横向导轨(19)相互垂直固定安装在基座上，该横向导轨上安装有沿横向导轨(19)左右移动的测量转台(20)，横向导轨伺服电机(17)与横向导轨(19)固接；纵向导轨(8)上安装有沿纵向导轨前后移动的立柱(3)，立柱(3)上固定安装有垂直导轨(6)，垂直导轨(6)上安装有沿垂直导轨(6)上下移动的滑座(5)，垂直导轨伺服电机(1)与垂直导轨(6)固接；所述的测量臂(10)的一端与滑座(5)固定连接，另一端安装有绕测量臂(10)旋转的腕部(11)，腕部(11)固定安装有测座(13)，测座(13)内部固定安装有力传感器，该力传感器外接测针(14)，测针(14)末端固定安装有测针球头(15)；所述滑座(5)的另一端与测量臂伺服电机(4)固接。
2.据权利要求1所述的弯管内壁几何参数测量装置，其特征在于，横向导轨伺服电机(17)的输出轴与丝杠(18)同轴连接，丝杠(18)与测量转台(20)螺母配合。
3.根据权利要求1所述的弯管内壁几何参数测量装置，其特征在于，所述的纵向导轨伺服电机(9)的输出轴与纵向丝杠(7)同轴连接，纵向丝杠(7)与立柱(3)螺母配合。
4.根据权利要求1所述的弯管内壁几何参数测量装置，其特征在于，所述的垂直导轨伺服电机(1)的输出轴与垂直丝杠(2)同轴连接，垂直丝杠(2)与滑座(5)螺母配合。
5.根据权利要求1所述的弯管内壁几何参数测量装置，其特征在于，所述的测量臂(10)为中空圆柱结构，内部设有传动轴，传动轴一端与伺服电机(4)输出轴连接，另一端与腕部(11)连接，伺服电机(4)通过该传动轴带动腕部(11)绕测量臂(10)中心轴线旋转。
6.根据权利要求1所述的弯管内壁几何参数测量装置，其特征在于，所述的腕部设有一个与测量臂中心轴线垂直的转轴，该转轴由锁紧机构固定。
7.一种用权利要求1所述的弯管内壁几何参数测量装置测量弯管内径和弯曲半径的方法，其特征在于：所述的弯管内壁几何参数测量方法按测量先后顺序包括：确定弯管中心线平面、测量弯曲半径和测量弯管内径过程，其方法是：
a、确定弯管中心线平面过程：首先将待测弯管(16)平放在测量转台(20)上并固定，移动、旋转测量转台(20)，并调整测针(14)与弯管(16)相对位置，使得测针球头(15)伸入弯管(16)内部，然后保持测量转台(20)不动，控制测针球头(15)移动测量弯管内壁点，寻找到球头球心坐标值的最高点和最低点；计算最高点和最低点球头球心坐标的平均值，该点为弯管中心线上一点；移动、转动测量转台(20)，改变弯管(16)与测针球头(15)的左右相对位置，然后保持测量转台(20)不动，重复上述测量过程，取得弯管中心线上另一点；如此重复测量，得到弯管中心线上三点以上的空间坐标后，采用平面拟合算法计算出中心线所在平面即中心平面；
b、测量弯曲半径过程：调整测针与弯管的相对位置，使得测针球头(15)球心初始位置位于弯管(16)内部且在步骤a中确定的中心平面内，控制测针(14)向弯管(16)内壁的内侧运动并保持测针球头(15)球心在中心平面内，当测针球头(15)与内壁接触时，计算球头球心的空间坐标并记录；改变测针球头(15)初始位置，重复上述过程，取得测针球头(15)在中心平面内与弯管内壁内侧接触时球心的3个以上不同点空间坐标，用圆弧拟合算法计算出这些点所在的圆弧，得到内侧圆弧半径R1和圆心；按照上述操作过程取得球头在中心平面内与弯管内壁外侧接触时球心所在的圆弧，得到外侧圆弧半径R2和圆心，计算内侧圆弧与外侧圆弧的半径均值为弯管中心线的半径R，即弯管旋转半径，计算内侧圆弧与外侧圆弧的圆心坐标均值为弯管旋转中心的空间坐标值；
c、测量弯管内径过程：调整测针(14)与弯管(16)的相对位置，使得测针球头(15)球心初始位置位于弯管内部，保持测针球头(15)球心在过弯管旋转中心并与中心平面垂直的测量平面内，向弯管内壁运动，当球头(14)与内壁接触时，计算测针球头(15)球心的空间坐标并记录；重复上述过程，取得测针球头(15)在上述测量平面内与弯管内壁接触时球心的3个以上不同点空间坐标，用圆拟合算法计算出这些点所在的圆，该圆的直径与测针球头直径之和为弯管在该测量平面内的内径；改变测针球头(15)球心初始点位置和测量平面，重复上述测量过程，得到多个测量平面内弯管内径；计算这些内径的均值得到的结果即为弯管内径。
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