CN107084675A - 一种螺旋焊管管径在线自动测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋焊管管径在线自动测量装置及方法，包括：点激光传感器(1)，传感器安装座(2)，旋转轴(3)，电滑环(4)，承力支座(5)，联轴器(6)，直流电机(7)，电动位移台(8)，位移台滑块(9)，位移台驱动电机(10)，悬臂(11)。测量时，点激光传感器(1)伸入螺旋焊管内，通过直流电机(7)驱动旋转轴(3)旋转，带动点激光传感器(1)连续旋转，完成对螺旋焊管管径内径的在线自动测量。通过对点激光传感器(1)采集数据的处理，得到螺旋焊管的内径和椭圆度，即，通过坐标转化，将点激光传感器的测量数据转化到直角坐标下，并利用最小二乘算法对圆方程进行拟合，从而得到圆的直径，同时，通过求取数据点和圆心的连线与圆的交点，并求两个交点之间的距离，得到螺旋焊管的椭圆度。

Description

一种螺旋焊管管径在线自动测量装置及方法

技术领域

本发明属于螺旋焊管管径测量技术领域，涉及一种螺旋焊管管径在线自动测量装置及方法。

背景技术

螺旋焊管的生产中，钢管的管径需要进行实时测量，以保证产品质量。目前，常用的测量方式是依靠人工使用钢卷尺，利用周长法测量。此种测量方式虽符合标准要求，但一方面，人工测量受测量人员个人因素影响，测量误差较大；另一方面，由于人工测量存在一定的滞后性，对管径发展的趋势无法及时掌握，通常在管径发生明显变化后才能通过测量发现，导致调整滞后，极易造成钢管因管径超标而废弃或降级，而最重要的是管径无法在线测量，不能实时监测焊管的质量情况。

随着管线建设的发展，实际作业中对钢管管径的要求越来越严格，传统的测量方式因测量频次少、人为误差大等原因，逐渐无法满足实际控制的要求。因此，急需开发一套自动在线管径测量***，实现高精度的稳定测量。

发明内容

本发明目的在于提供一种螺旋焊管管径在线自动测量装置。测量时，点激光传感器(1)伸入螺旋焊管内，通过控制直流电机(7)驱动旋转轴(3)旋转，带动点激光传感器(1)连续旋转，完成对螺旋焊管管径内径的在线自动测量。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

所述的一种螺旋焊管管径在线自动测量装置，包括：点激光传感器(1)，传感器安装座(2)，旋转轴(3)，电滑环(4)，承力支座(5)，联轴器(6)，直流电机(7)，电动位移台(8)，位移台滑块(9)，位移台驱动电机(10)，悬臂(11)。其中，点激光传感器(1)安装在传感器安装座(2)上，传感器安装座(2)与旋转轴(3)连接，旋转轴(3)穿过承力支座(5)内的轴承与联轴器(6)连接，联轴器(6)的另一端与直流电机(7)输出轴连接；承力支座(5)与悬臂(11)连接，悬臂(11)与位移台滑块(9)连接，位移台滑块(9)安装在电动位移台(8)上。

进一步地，电滑环(4)为空心环状结构，套在旋转轴(3)上，动子部分与旋转轴(3)连接，定子部分与承力支座(5)连接。点激光传感器(1)的信号线和供电线分别接在电滑环(2)动子部分的接线口上，信号输出线与外部供电线分别接在电滑环(2)定子部分的接线口上。点激光传感器(1)的信号输出和电力输入通过滑环(2)来转接，以便在连续旋转时不造成线缆缠绕。

进一步地，联轴器(6)直接将直流电机(7)的输出轴和旋转轴(3)连接，实现了直流电机(7)直接驱动旋转轴(3)以及安装在旋转轴(3)上的点激光传感器(1)，保证了动力机构的紧凑性和轻量化，减小了悬臂(11)的负载。

进一步地，位移台滑块(9)在位移台驱动电机(10)的作用下可上下移动，带动悬臂(11)以及与(11)连接的其他部件的上下移动，从而调整点激光传感器(1)的上下位置，使得对于不同大小的螺旋焊管，点激光传感器(1)可以始终大致位于焊管的圆心位置处。

优选地，位移台滑块(9)通过丝杠带动，丝杠由位移台驱动电机(10)直接驱动。

本发明目的还在于提供一种螺旋焊管管径在线自动测量方法。步骤包括：

(1)手动控制电动位移台(8)，调整点激光传感器(1)的上下位置，并通过人眼观测，使点激光传感器(1)大致位于螺旋焊管中心，以便保证待测螺旋焊管在点激光传感器(1)的有效测量范围内；

(2)开启自动测量程序，直流电机(7)驱动旋转轴(3)旋转，带动点激光传感器(1)旋转360度；

(3)处理点激光传感器(1)的测量数据，得到螺旋焊管的直径和椭圆度。

进一步地，所述步骤(3)处理测量数据的具体操作步骤为：

①以点激光传感器(1)的测量中心为原点，建立极坐标系，并将点激光传感器(1)的测量数据对(u_i,v_i,w_i)表示成极坐标形式(ρ_i,θ_i)，其中θ_i＝i·[2π/(t·f)]，f为点激光传感器(1)的测量频率，t为测量时间，i取值范围为1到t·f；

②以极坐标的基轴为X轴，极坐标的原点为原点，建立平面直角坐标系，将数据对(ρ_i,θ_i)投影在X、Y坐标轴上，得到直角坐标数据对(x_i,y_i)，其中x_i＝ρ_i·cosθ_i,y_i＝ρ_i·sinθ_i；

③建立测量圆的方程(x-a)²+(y-b)²＝c²，将直角坐标数据对(x_i,y_i)代入测量圆方程，利用最小二乘法，求出最佳的参数a、b、c，即得到圆的直径c和圆心坐标(a,b)，所得到的直径c即为螺旋焊管的直径；

④计算螺旋焊管的椭圆度γ，首先求点(x_i,y_i)和圆心(a,b)的连线与测量圆的两个交点，将两个交点之间的距离记为d_i，则max(d_i)即为最大直径，min(d_i)即为最小直径，根据椭圆度定义，椭圆度γ＝max(d_i)-min(d_i)。

进一步地，本装置可以在螺旋焊管焊接时正常工作，即可以进行在线测量，同时由于测量过程中无需人员操作，因此可以实现自动测量。

本发明的有益效果在于：

相比于原先人工测量，本发明所述装置和方法可以实现自动测量，提高了测量效率，保证了测量的准确性和一致性；同时，本发明所述装置和方法可以在不改变螺旋焊管原先的生产线的前提下，进行在线测量，实现了实时把控螺旋焊管的直径变化情况，间接保证了生产质量。

本发明所述方法通过坐标转化，将点激光传感器的测量数据转化到直角坐标下，并利用最小二乘算法对圆方程进行了拟合，具有速度快，精度高的特点；同时提出了椭圆度的计算方法，为螺旋焊管的质量提供了另一评价标准。

本发明所述装置通过使用滑环，实现了传感器的整周连续采集数据，即可以连续测量螺旋焊管的直径。

本发明所述装置可以通过控制电动位移台，实现点位移传感器的上下位置移动，从而实现不同管径的螺旋焊管的内径和椭圆度的测量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明，该说明是根据本发明按摩器目前的优选实施例的描述，不代表本发明可以构成或使用的仅有形式。

一种螺旋焊管管径在线自动测量装置和方法，图1是本发明装置的结构图，主要包括：点激光传感器(1)，传感器安装座(2)，旋转轴(3)，电滑环(4)，承力支座(5)，联轴器(6)，直流电机(7)，电动位移台(8)，位移台滑块(9)，位移台驱动电机(10)，悬臂(11)。

参考图1所示，点激光传感器(1)伸入螺旋焊管内，通过直流电机(7)驱动旋转轴(3)旋转，带动点激光传感器(1)连续旋转，完成对螺旋焊管管径内径的在线自动测量。

参考图1所示，点激光传感器(1)安装在传感器安装座(2)上，传感器安装座(2)与旋转轴(3)连接，旋转轴(3)穿过承力支座(5)内的轴承与联轴器(6)连接，联轴器(6)的另一端与直流电机(7)输出轴连接；电滑环(4)为空心环状结构，套在旋转轴(3)上，动子部分与旋转轴(3)连接，定子部分与承力支座(5)连接；承力支座(5)与悬臂(11)连接，悬臂(11)与位移台滑块(9)连接，位移台滑块(9)安装在电动位移台(8)上。

点激光传感器(1)的信号线和供电线通过电滑环(4)进行转接，也即点激光传感器(1)的信号线和供电线分别接在电滑环(2)动子部分的接线口上，信号输出线与外部供电线分别接在电滑环(2)定子部分的接线口上。

参考图1所示，直流电机(7)输出轴通过联轴器(6)直接与旋转轴(3)连接，也即直流电机(7)直接驱动旋转轴(3)以及安装在旋转轴(3)上的点激光传感器(1)。位移台滑块(9)在位移台驱动电机(10)的作用下可上下移动，进而调整点激光传感器(1)的上下位置，以适应不同管径的测量。

本发明所述测量方法的步骤包括：

(1)手动控制电动位移台(8)，调整点激光传感器(1)的上下位置，并通过人眼观测，使点激光传感器(1)大致位于螺旋焊管中心，以便保证待测螺旋焊管在点激光传感器(1)的有效测量范围内；

(2)开启自动测量程序，直流电机(7)驱动旋转轴(3)旋转，带动点激光传感器(1)旋转360度；

(3)处理点激光传感器(1)的测量数据，得到螺旋焊管的直径和椭圆度。

进一步地，所述步骤(3)处理测量数据的具体操作步骤为：

①以点激光传感器(1)的测量中心为原点，建立极坐标系，并将点激光传感器(1)的测量数据对(u_i,v_i,w_i)表示成极坐标形式(ρ_i,θ_i)，其中θ_i＝i·[2π/(t·f)]，f为点激光传感器(1)的测量频率，t为测量时间，i取值范围为1到t·f；

②以极坐标的基轴为X轴，极坐标的原点为原点，建立平面直角坐标系，将数据对(ρ_i,θ_i)投影在X、Y坐标轴上，得到直角坐标数据对(x_i,y_i)，其中x_i＝ρ_i·cosθ_i,y_i＝ρ_i·sinθ_i；

③建立测量圆的方程(x-a)²+(y-b)²＝c²，将直角坐标数据对(x_i,y_i)代入测量圆方程，利用最小二乘法，求出最佳的参数a、b、c，即得到圆的直径c和圆心坐标(a,b)，所得到的直径c即为螺旋焊管的直径；

④计算螺旋焊管的椭圆度γ，首先利用两点式建立点(x_i,y_i)和圆心(a,b)的连线的直线方程(x-x_i)/(y-y_i)＝(a-x_i)/(b-y_i)，然后求其与测量圆方程(x-a)²+(y-b)²＝c²的两个解，将两个解之间的绝对距离记为d_i，则根据椭圆度定义，椭圆度γ＝max(d_i)-min(d_i)。

本发明不限于上述示范性实例的细节，并且在不背离本发明基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，均应将本发明看作是示范性的。本发明范围由所附权利要求限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化涵盖在本发明内，不应将权利要求中任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。同时，上述具体实施方式仅为清楚起见，本领域技术人员应将说明书视为整体，上述实施方法中的步骤可以适当组合改变，但不偏离本发明基本原理和特征，形成本领域技术人员可理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种螺旋焊管管径在线自动测量装置，包括：点激光传感器(1)，传感器安装座(2)，旋转轴(3)，电滑环(4)，承力支座(5)，联轴器(6)，直流电机(7)，电动位移台(8)，位移台滑块(9)，位移台驱动电机(10)，悬臂(11)。测量时，点激光传感器(1)伸入螺旋焊管内，通过直流电机(7)驱动旋转轴(3)旋转，带动点激光传感器(1)连续旋转，完成对螺旋焊管管径内径的在线自动测量。

2.根据权利要求1所述的一种螺旋焊管管径在线自动测量装置，其特征在于：点激光传感器(1)安装在传感器安装座(2)上，传感器安装座(2)与旋转轴(3)连接，旋转轴(3)穿过承力支座(5)内的轴承与联轴器(6)连接，联轴器(6)的另一端与直流电机(7)输出轴连接；电滑环(4)为空心环状结构，套在旋转轴(3)上，动子部分与旋转轴(3)连接，定子部分与承力支座(5)连接；承力支座(5)与悬臂(11)连接，悬臂(11)与位移台滑块(9)连接，位移台滑块(9)安装在电动位移台(8)上。

3.根据权利要求1所述的一种螺旋焊管管径在线自动测量装置，其特征在于：点激光传感器(1)的信号线和供电线通过电滑环(4)进行转接，以便在连续旋转时不造成线缆缠绕。

4.根据权利要求1所述的一种螺旋焊管管径在线自动测量装置，其特征在于：直流电机(7)输出轴通过联轴器(6)与旋转轴(3)连接，也即直流电机(7)直接驱动旋转轴(3)以及安装在旋转轴(3)上的点激光传感器(1)。

5.根据权利要求1所述的一种螺旋焊管管径在线自动测量装置，其特征在于：位移台滑块(9)在位移台驱动电机(10)的作用下可上下移动，进而调整点激光传感器(1)的上下位置，以适应不同管径的测量。

6.一种螺旋焊管管径在线自动测量方法，步骤包括：

(1)控制电动位移台(8)调整点激光传感器(1)的上下位置，通过人眼观测，使点激光传感器(1)大致位于螺旋焊管中心；

(2)控制直流电机(7)驱动旋转轴(3)旋转，带动点激光传感器(1)旋转360度；

(3)处理点激光传感器(1)的测量数据，得到螺旋焊管的直径和椭圆度。

7.根据权利要求6所述的一种螺旋焊管管径在线自动测量方法，其特征在于：所述步骤(3)的具体操作步骤为：

①将点激光传感器(1)的测量数据对(u_i,v_i,w_i)表示成极坐标形式(ρ_i,θ_i)，其中θ_i＝i·[2π/(t·f)]，f为点激光传感器(1)的测量频率，t为测量时间，i取值范围为1到t·f；

②将数据对(ρ_i,θ_i)投影在直角坐标上，得到直角坐标数据对(x_i,y_i)，其中x_i＝ρ_i·cosθ_i,y_i＝ρ_i·sinθ_i；

③建立测量圆的方程(x-a)²+(y-b)²＝c²，将直角坐标数据对(x_i,y_i)代入测量圆方程，利用最小二乘法，求出最佳的参数a、b、c，即得到圆的直径c和圆心坐标(a,b)，所得到的直径c即为螺旋焊管的直径；

④求点(x_i,y_i)和圆心(a,b)的连线与测量圆的两个交点，将两个交点之间的距离记为d_i，则椭圆度γ＝max(d_i)-min(d_i)。