CN102650516A - 大口径钢管管端外径和椭圆度在线测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢管外径和椭圆度测量领域，尤其涉及一种钢管管端外径和椭圆度在线测量方法及装置。一种大口径钢管管端外径和椭圆度在线测量方法，先得到待测钢管的标称数据，然后测定轴心位置；再设定外径激光位移传感器的间距，传感器的探头对准轴心，开始测量，得到待测钢管的直径D，并旋转180度得到全圆周方向的外径，通过计算得到待测钢管的平均直径和椭圆度。一种大口径钢管管端外径和椭圆度在线测量装置，其特征是：包括工业机器人、外径测量装置和轴心检测装置。本发明采用标准工业机器人携带测量装置环绕待测钢管管端，测量时采用的是非接触测量技术，精度高、速度快，具有良好的推广应用前景。

Description

大口径钢管管端外径和椭圆度在线测量方法及装置

技术领域

本发明涉及钢管外径和椭圆度测量领域，尤其涉及一种钢管管端外径和椭圆度在线测量方法及装置。

背景技术

大口径直缝焊管端部的尺寸和形状误差，是检验其质量的重要指标之一，关系到钢管是否能顺利完成配管焊接，对管道施工进度和质量，具有重要意义。而随着管道现场焊接施工技术的不断进步，半自动、全自动焊接技术的不断应用，对钢管管端的外径和圆度都提出了越来越严格的要求。如西气东输管道工程钢管技术规范中，要求距管端100mm范围内的管端外径公差在-0.5mm到2.0mm的范围内，椭圆度（即最大外径与最小外径之差与名义外径的比值）不大于0.6%。海底管道用钢管对钢管外径的要求则更为严格。

在钢管生产过程中，由于原料和制造工艺等各种原因，管端外径和椭圆度超标现象不可避免，严重的甚至批量超标，给企业带来了巨大的损失。因此，开发一种切实有效的钢管管端外径和椭圆度检测手段，为后续精整和修正工艺提供依据，对于加强产品质量管理、提高产品收得率，显得尤为必要。

由于生产现场环境恶劣，受震动、灰尘、潮湿、有害气体及电磁干扰等诸多因素的影响，尺寸和形状误差的在线测量技术发展的相当缓慢。目前大多数工厂普遍缺乏相应的在线测量技术设备，大多采用周长尺测量钢管外径，用卡尺测量钢管的椭圆度（主要测量焊缝及其垂直90°方向外径，以其差的一半作为椭圆度误差），判断该钢管外径和椭圆度是否超标，并手工将数据录入管理***。这种基于人工与量具的测量工艺方法，操作方便，设备简单，但存在人为因素误差，测量精度和效率低，不能实现现场在线100%检测等缺点。而圆度仪和三坐标测量仪等测量精度较高的仪器，价格昂贵，对操作环境和条件的要求极为严格，通常只限于计量室中用于对中小型精密零件的测量，不能用于生产现场。

近年来，随着光电检测技术的发展，一些厂家和研究人员提出了基于激光扫描传感器或CCD摄像头的大直径在线测量***，如日本专利JP9229653A,JP2002283729A。测量原理如图1所示，在钢管测量点两侧的上下各设置一对激光扫描传感器。第一激光扫描传感器发射器20a和第二激光扫描传感器发射器21a发射激光束扫描被测物的上下部边缘，可以获知接收器上感应到的未被遮蔽的光束长度H1和H2，因此，当两对激光扫描传感器相对位置固定为H时，减去未被遮蔽的光束长度H1和H2，即可得到钢管径向直径。基于此原理，旋转辊带动待测钢管4转动，可以对钢管圆周面多个方向进行外径测量。

激光投影的方法测量精度和自动化程度都较高，缺点是装置复杂，占地较大，对应不同规格的钢管要重新调整并标定两组激光传感器之间的距离，操作要求高。而且，钢管旋转过程中可能存在的振动、摇摆、偏心等因素，都会造成实际测量误差，且不易克服。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种大口径钢管管端外径和椭圆度在线测量方法及装置，该方法测量时钢管相对静止，从而避免了辅助旋转机构带来的测量误差。

本发明是这样实现的：一种大口径钢管管端外径和椭圆度在线测量方法，包括以下步骤：

步骤一、接收待测钢管标称数据，确定待测钢管的标称轴线位置；

步骤二、轴心检测，选用一对轴心激光位移传感器，将该两个轴心激光位移传感器的探头对称背向设置，从标称轴线位置伸入待测钢管内，在待测钢管的径向截面上测量任意两条弦线的长度，然后做出该两条弦线的中垂线，两条中垂线的交点即为截面的轴心；

步骤三、选用一对外径激光位移传感器，将该两个外径激光位移传感器的探头对称相对设置，根据待测钢管的标称直径，将两个外径激光位移传感器移动到测量位置，并使两个外径激光位移传感器对准轴心，开始测量，得到待测钢管的直径D；

D=L-l     

L为两个外径激光位移传感器的探头之间的间距，

l为两个外径激光位移传感器的探头到待测钢管外表面轮廓的距离之和，

步骤四、将两个激光位移传感器的探头绕待测钢管旋转180度，得到待测钢管全圆周方向的外径，通过计算得到待测钢管的平均直径和椭圆度。

一种大口径钢管管端外径和椭圆度在线测量装置，包括工业机器人、外径测量装置和轴心检测装置，所述的外径测量装置和轴心检测装置同轴安装在工业机器人上，由工业机器人控制驱动；所述的外径测量装置由连接杆、双向丝杆、丝杆滑块、光栅尺传感器、第一外径激光位移传感器和第二外径激光位移传感器构成，所述第一外径激光位移传感器和第二外径激光位移传感器通过双向丝杆和丝杆滑块对称安装在连接杆的两端，所述的光栅尺传感器设置在连接杆上，第一外径激光位移传感器和第二外径激光位移传感器的探头方向相对；所述的轴心检测装置包括探杆、第一轴心激光位移传感器和第二轴心激光位移传感器，所述的探杆径向安装在连接杆的中点，所述的第一轴心激光位移传感器和第二轴心激光位移传感器对称背向安装在探杆的端部，第一轴心激光位移传感器和第二轴心激光位移传感器的探头方向相反。

所述的探杆的端部还安装有标记装置。

所述的第一外径激光位移传感器和第二外径激光位移传感器为2D激光位移传感器。

所述的第一轴心激光位移传感器和第二轴心激光位移传感器为1D激光位移传感器。

本发明大口径钢管管端外径和椭圆度在线测量方法及装置采用标准工业机器人携带测量装置环绕待测钢管管端，对管端同一外圆周面上不同方向的外径进行检测，得到待测钢管管端的尺寸和形状信息，并对钢管作相应标记；测量时采用的是非接触测量技术，即使传感器测量方向略微偏离实际圆心，测量结果仍不受影响，这大大增强了***测量精度的稳定性。本发明的装置机构灵活，安装方便，不仅测量精度高、速度快，而且可进行实时数据处理、现场分析，从而提高生产效率和产品质量管理水平，具有良好的推广应用前景。 

附图说明

图1为现有的大口径钢管外径在线测量装置结构示意图；

图2为本发明大口径钢管管端外径和椭圆度在线测量方法流程图；

图3为本发明大口径钢管管端外径和椭圆度在线测量装置结构示意图；

图4为本发明外径测量装置和轴心检测装置结构示意图。

图中：1工业机器人、21连接杆、22双向丝杆、23丝杆滑块、24光栅尺传感器、25第一外径激光位移传感器、26第二外径激光位移传感器、31探杆、32第一轴心激光位移传感器、33第二轴心激光位移传感器、34标记装置、4待测钢管、20a第一激光扫描传感器发射器、21a第二激光扫描传感器发射器。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明表述的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

如图2所示，一种大口径钢管管端外径和椭圆度在线测量方法，包括以下步骤：

步骤一、接收待测钢管标称数据，确定待测钢管的标称轴线位置；

步骤二、轴心检测，选用一对轴心激光位移传感器，将该两个轴心激光位移传感器的探头对称背向设置，从标称轴线位置伸入待测钢管内，在待测钢管的径向截面上测量任意两条弦线的长度，然后做出该两条弦线的中垂线，两条中垂线的交点即为截面的轴心；

步骤三、选用一对外径激光位移传感器，将该两个外径激光位移传感器的探头对称相对设置，根据待测钢管的标称直径，将两个外径激光位移传感器移动到测量位置，并使两个外径激光位移传感器对准轴心，开始测量，得到待测钢管的直径D；

D=L-l     

L为两个外径激光位移传感器的探头之间的间距，

l为两个外径激光位移传感器的探头到待测钢管外表面轮廓的距离之和，

步骤四、将两个激光位移传感器的探头绕待测钢管旋转180度，得到待测钢管全圆周方向的外径，通过计算得到待测钢管的平均直径和椭圆度。

如图3、4所示，一种大口径钢管管端外径和椭圆度在线测量装置，包括工业机器人1、外径测量装置和轴心检测装置，所述的外径测量装置和轴心检测装置同轴安装在工业机器人1上，由工业机器人1控制驱动；所述的外径测量装置由连接杆21、双向丝杆22、丝杆滑块23、光栅尺传感器24、第一外径激光位移传感器25和第二外径激光位移传感器26构成，所述第一外径激光位移传感器25和第二外径激光位移传感器26通过双向丝杆22和丝杆滑块23对称安装在连接杆21的两端，所述的光栅尺传感器24设置在连接杆21上，第一外径激光位移传感器25和第二外径激光位移传感器26的探头方向相对；所述的轴心检测装置包括探杆31、第一轴心激光位移传感器32和第二轴心激光位移传感器33，所述的探杆31径向安装在连接杆21的中点，所述的第一轴心激光位移传感器32和第二轴心激光位移传感器33对称背向安装在探杆31的端部，第一轴心激光位移传感器32和第二轴心激光位移传感器33的探头方向相反。

本发明大口径钢管管端外径和椭圆度在线测量装置还可以进一步描述为，所述的探杆31的端部还安装有标记装置34，标记装置34可选用伸缩气缸驱动的涂料喷枪，用于在测量完成后根据测量结果进行相应标记，如最小、最大径尺寸的所处位置。

在本实施例中所述的第一外径激光位移传感器25和第二外径激光位移传感器26；如keyence公司的LJ-G200，可以测量200±48mm距离范围内、宽度为73mm的物体表面轮廓尺寸，采样速度达到3.8ms一次，精度达到2μm，完全可以满足大直径测量要求。2D激光位移传感器可以精确检测一定距离内物体表面的轮廓尺寸，测量时只要实际轴心落在传感器的有效测量宽度范围内，即可测出准确的直径，即使传感器测量方向略微偏离实际圆心，测量结果仍不受影响，这大大增强了***测量精度的稳定性。

第一轴心激光位移传感器32和第二轴心激光位移传感器33采用1D的高精度激光位移传感器，如日本欧姆龙公司的ZX-LT001，测量范围达2m，分辨率4μm，可以满足管径范围从Ф508~Ф1422mm的宝钢大口径直缝焊管的测量要求。实际测量时，先接收待测钢管4标称数据，然后通过工业机器人1将探杆31从待测钢管4标称轴线位置伸入待测钢管4内，用第一轴心激光位移传感器32和第二轴心激光位移传感器33对待测钢管4内壁做一次位移测量，接着探杆31绕自身轴线旋转90°对待测钢管4内壁做第二次位移测量，根据两次测量结果将探杆31调整至两个方向的中心位置，即认为是待测钢管4截面的轴心。

接着进行待测钢管4外径测量，根据待测钢管4的标称直径，由光栅尺传感器24确定第一外径激光位移传感器25和第二外径激光位移传感器26的探头之间的间距，通过丝杆滑块23调整第一外径激光位移传感器25和第二外径激光位移传感器26的位置；工业机器人1将第一外径激光位移传感器25和第二外径激光位移传感器26送入测量位置，对准轴心，开始采样测量得到待测钢管4的直径D，同时由工业机器人1带动外径测量装置旋转，旋转180°后，完成待测钢管4全圆周方向的外径测量；最后探杆31继续旋转用标记装置34喷涂标记后完成测量。

测量的同时数据传送到计算机，进行计算、处理和保存，得到待测钢管管端的尺寸和形状信息，包括最大径、最小径、平均直径和椭圆度，还可以获知该测量截面的最小径所处位置相对于焊缝位置的角度。工业机器人1手臂缩回， 光位移传感器复位，待测钢管4移走，等待下一次测量。测量数据信息保存于计算机，作为后续精整和修正作业的依据，也可为企业生产管理***的产品质量跟踪和管理提供参考。

Claims (5)

1.一种大口径钢管管端外径和椭圆度在线测量方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一、接收待测钢管标称数据，确定待测钢管的标称轴线位置；

步骤二、轴心检测，选用一对轴心激光位移传感器，将该两个轴心激光位移传感器的探头对称背向设置，从标称轴线位置伸入待测钢管内，在待测钢管的径向截面上测量任意两条弦线的长度，然后做出该两条弦线的中垂线，两条中垂线的交点即为截面的轴心；

步骤三、选用一对外径激光位移传感器，将该两个外径激光位移传感器的探头对称相对设置，根据待测钢管的标称直径，将两个外径激光位移传感器移动到测量位置，并使两个外径激光位移传感器对准轴心，开始测量，得到待测钢管的直径D；

D=L-l     

L为两个外径激光位移传感器的探头之间的间距，

l为两个外径激光位移传感器的探头到待测钢管外表面轮廓的距离之和，

步骤四、将两个激光位移传感器的探头绕待测钢管旋转180度，得到待测钢管全圆周方向的外径，通过计算得到待测钢管的平均直径和椭圆度。

2.一种大口径钢管管端外径和椭圆度在线测量装置，其特征是：包括工业机器人(1)、外径测量装置和轴心检测装置，所述的外径测量装置和轴心检测装置同轴安装在工业机器人(1)上，由工业机器人(1)控制驱动；所述的外径测量装置由连接杆(21)、双向丝杆(22)、丝杆滑块(23)、光栅尺传感器(24)、第一外径激光位移传感器(25)和第二外径激光位移传感器(26)构成，所述第一外径激光位移传感器(25)和第二外径激光位移传感器(26)通过双向丝杆(22)和丝杆滑块(23)对称安装在连接杆(21)的两端，所述的光栅尺传感器(24)设置在连接杆(21)上，第一外径激光位移传感器(25)和第二外径激光位移传感器(26)的探头方向相对；所述的轴心检测装置包括探杆(31)、第一轴心激光位移传感器(32)和第二轴心激光位移传感器(33)，所述的探杆(31)径向安装在连接杆(21)的中点，所述的第一轴心激光位移传感器(32)和第二轴心激光位移传感器(33)对称背向安装在探杆(31)的端部，第一轴心激光位移传感器(32)和第二轴心激光位移传感器(33)的探头方向相反。

3.权利要求2所述的大口径钢管管端外径和椭圆度在线测量装置，其特征是：所述的探杆(31)的端部还安装有标记装置(34)。

4.权利要求2或3所述的大口径钢管管端外径和椭圆度在线测量装置，其特征是：所述的第一外径激光位移传感器(25)和第二外径激光位移传感器(26)为2D激光位移传感器。

5.权利要求2或3所述的大口径钢管管端外径和椭圆度在线测量装置，其特征是：所述的第一轴心激光位移传感器和第二轴心激光位移传感器为1D激光位移传感器。

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