CN109186487A

CN109186487A - 一种管道椭圆度自动检测设备及其检测方法

Info

Publication number: CN109186487A
Application number: CN201810938820.3A
Authority: CN
Inventors: 邓启超; 郭俊; 王陈; 李艳军; 许德章
Original assignee: Anhui Polytechnic University; Wuhu Anpu Robot Industry Technology Research Institute Co Ltd
Current assignee: Anhui Polytechnic University; Wuhu Anpu Robot Industry Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2018-08-17
Filing date: 2018-08-17
Publication date: 2019-01-11

Abstract

本发明涉及一种管道椭圆度自动检测设备及其检测方法，该检测设备包括工业机器人、用于固定管道的V型装置，工业机器人通讯连接有的工控机，工业机器人的末端连接有激光测距装置，工控机控制工业机器人动作并通讯接收激光测距装置采集的数据；该检测方法，包括一：工业机器人自动调整姿态，可使激光测距装置进入管道且方向垂直管道所测面；二：工业机器人末端将激光测距装置伸入管道内旋转一周，测量周向多个点的坐标值，并在工控机内保存和计算；三：经工控机计算拟合出椭圆曲线，得出该椭圆曲线的长轴和短轴的长度数据。本发明以测量管道内部多个坐标点的形式，拟合出椭圆方程并求取椭圆度，测量精度和效率更高、操作更简单。

Description

一种管道椭圆度自动检测设备及其检测方法

技术领域

本发明涉及大口径管道检测技术领域，具体的说是一种管道椭圆度自动检测设备及其检测方法。

背景技术

众所周知，管道是用管子、管子联接件和阀门等连接成的用于输送气体、液体等流体的装置。管道的用途广泛，大型管道也是管道类产品的重要组成部分，椭圆度作为大型管道管端部重要的参数指标，对保证管道施工进度和质量方面具有重要意义。

随着管道现场施工技术的不断进步，对大型管道管径的要求也不断提高，特别是对管端，其椭圆度要求极为严格，因为当两管道在野外或海洋中进行配管焊接施工时，如果大型管道的管端椭圆度符合要求，焊接能顺利地完成；反之，会造成两管对焊困难，即使能勉强对焊在一起，也会产生很大的残余应力，致使焊缝处的机械性能下降，降低管道的安全性。因此，对大型管道进行测量是必不可少的一项措施。

目前，传统卡尺、千分尺等手工测量量具，受生产环境、量具精确度和操作人员因素的影响较大，测量精度低、速度慢、效率低，工人劳动强度大，无法准确反映管道椭圆度情况，中国专利号为CN102650516B的发明专利公开了一种钢管管端外径和椭圆度在线测量方法及装置，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；其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。

但是，上述的检测装置只用来检测管道外径，无法适用于管道内径或管道内具备台阶的检测，同时其通过找准管道轴心位置移动测量，轴心找准的精度也就关系着测量的精度，而上述检测方法中轴心位置是通过找到两中垂线交叉方式得到，准确度低、效率低，且采用传感器直接测量管道外径最大值和最小值求取椭圆度的方式，测量的精度低，准确性差，操作繁琐，耗时长。

发明内容

为了避免和解决上述技术问题，本发明提出了一种管道椭圆度自动检测设备及其检测方法。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种管道椭圆度自动检测设备，包括工业机器人、用于固定管道的V型装置，所述工业机器人通讯连接有的工控机，所述工业机器人的末端连接有激光测距装置，所述工控机控制工业机器人动作并通讯接收激光测距装置采集的数据。

优选的，所述V型装置为顶部设置V形槽的固定座。

优选的，所述激光测距装置为激光测距传感器

优选的，所述工控机带有模拟量采集卡。

优选的，所述工控机连接有用于呈现数据的显示器。

一种使用管道椭圆度自动检测设备的检测方法，包括以下步骤：

步骤一：工业机器人自动调整姿态，可使激光测距装置进入管道且方向垂直管道所测面。

步骤二：工业机器人末端将激光测距装置伸入管道内旋转一周，测量周向多个点的坐标值，并在工控机内保存和计算。

步骤三：经工控机计算拟合出椭圆曲线，得出该椭圆曲线的长轴和短轴的长度数据。

优选的，所述步骤一中的工业机器人自动调整姿态包括：

1)在工业机器人末端初始位置建立空间坐标系O1。

2)激光测距装置的激光发射端面向坐标系O1的Z轴方向，沿坐标系O1的X1方向伸入管道测量第一个突变量，取得点A，坐标为(xa，0，za)。

3)工业机器人回到初始位置，其末端旋转120°后，再次伸入管道测量第二个突变量，取得点B，坐标(xb，yb，zb)。

4)工业机器人回到初始位置，其末端旋转120°后，再次伸入管道测量第二个突变量，取得点C，坐标(xc，yc，zc)。

5)工控机处理A、B、C三点后，找到三点所在圆的圆心坐标和法向量，调整工业机器人末端的姿态。

优选的，所述步骤二中工业机器人旋转时，按每隔规定的角度采集点。

优选的，所述点采集为N个，且采集的个数越多，测量的精度越高。

优选的，所述步骤三中长轴与短轴之差即为该检测过程中管道的椭圆度。

本发明的有益效果是：本发明采用三角形确定外接圆的方式，找到管道所侧面圆心，准确度高，同时以测量管道内部多个坐标点的形式，拟合出椭圆方程并求取椭圆度，测量精度和效率更高、操作更简单、自动化程度高，大大方便了管道的测量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中工业机器人自动调整姿态的示意图；

图3是本发明中工业机器人采集管道面点数据示意图；

图4是本发明通过所测各点坐标拟合出椭圆示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。

如图1至图4所示，一种管道椭圆度自动检测设备，包括工业机器人、用于固定管道的V型装置，所述工业机器人通讯连接有的工控机，所述工业机器人的末端连接有激光测距装置，所述工控机控制工业机器人动作并通讯接收激光测距装置采集的数据。

所述V型装置为顶部设置V形槽的固定座。

所述激光测距装置为激光测距传感器。

所述工控机带有模拟量采集卡，所述工控机连接有用于呈现数据的显示器。在本实施例中，所述工控机可以优选如，研华原装工业控制计算机，IPC-610L机箱，AIMB-710主板，I3处理器，8G内存，并具备研华采集卡，数据采集卡，PCIE-1812-AE(同步卡)。

该检测设备在使用时，首先将管道放置在固定作的V形槽上，从而将管道的位置固定，防止其滚动，然后将激光测距装置安装在工业机器人的末端，其中所述工业机器人为六自由端机器人，工业机器人将激光测距装置伸入管道内部旋转一周，采集数据后实现检测。

本发明在进行检测前，工业机器人可自动调整姿态找准位置，其中工业机器人的自动调整姿态过程为：

步骤一：工业机器人可自动调整姿态，校正激光测距装置的伸入位置，然后恢复至工业机器人末端的初始点，再以管道的端面或管道内部台阶所在平面为基准面，使激光测距装置进入管道且方向垂直管道所测面。

步骤二：工业机器人末端将激光测距装置伸入管道内后，工业机器人的末端旋转一周，测量周向多个点的坐标值，并在工控机内保存和计算。

在测量过程中点采集的个数越多，测量的精度越高；因此，在该实施例中，优选取12个点测量，并将测得的第一个点记为S1，在工业机器人的末端旋转一周时，每隔规定的角度，采集一个点的数据，最终测得点S1、S2、S3……S12，记录点并换算呈设定坐标系中的坐标值。

步骤三：将采集到的点的坐标，经工控机内的软件算法计算拟合出椭圆曲线，得出该椭圆曲线的长轴和短轴的长度数据，长轴与短轴之差即为该检测过程中管道的椭圆度。

上述检测方法中，所述工业机器人自动调整姿态包括：

1)首先，工业机器人垂直端面姿态调整，记工业机器人初始点为O1(0,0,0)，建立空间坐标系O1。

2)将激光测距装置的激光发射端面向坐标系O1的Z轴方向，工业机器人的末端沿坐标系O1的X1方向伸入管道，在进入过程中激光测距装置进行扫描测量，在进入管道的过程中，所测数据会在管道边沿或者管道内台阶处会有突变数据，通过数据处理，取第一次数据突变的点作为A点，坐标为(xa，0，za)。

3)工业机器人再返回初始位置，其末端旋转120°后，按照取A点的步骤A，取得B点，坐标为(xb，yb，zb)。

4)接着，工业机器人再返回初始位置，其末端旋转120°后，同样的步骤，取得C点，坐标为(xc，yc，zc)。

其中，取得的A、B、C三点组成的一个三角形，设三角形ABC外接圆O2的圆心坐标为O2(x，y，z)，因O2A＝O2B＝O2C，所以通过换算可求得点O2点坐标，设xa^2-xb^2+ya^2-yb^2+za^2-zb^2＝A1；

再由换算公式：

2*(xa-xb)＝B1,

2*(ya-yb)＝C1,

2*(za-zb)＝D1,

xb^2-xc^2+yb^2-yc^2+zb^2-zc^2＝A2,

2*(xb-xc)＝B2,

2*(yb-yc)＝C2,

2*(zb-zc)＝D2,

xc^2-xa^2+yc^2-ya^2+zc^2-za^2＝A3,

2*(xc-xa)＝B3,

2*(yc-ya)＝C3,

2*(zc-za)＝D3,

X＝A1/B1-{C1*[(B1*A2-A1*B2)*(B1*D3-B3*D1)-(B1*D2-B2*D1)*(B1*A3-A1*B3)]}/{B1*[(B1*D2-B2*D1)*(B3*C1-B1*C3)-(B2*C1-B1*C2)*(B1*D3-B3*D1)]}-{D1*[(A1*B2-B1*A2)*(B2*C1-B1*C3)-(A1*B3-B1*A3)*(B2*C1-B1*C2)]}/{B1*[(B1*D3-B3*D1)*(B2*C1-B1*C2)-(B1*D2-B2*D1)*(B3*C1-B1*C3)]}；

Y＝[(B1*A2-A1*B2)*(B1*D3-B3*D1)-(B1*D2-B2*D1)*(B1*A3-A1*B3)]/[(B1*D2-B2*D1)*(B3*C1-B1*C3)-(B2*C1-B1*C2)*(B1*D3-B3*D1)]；

Z＝[(A1*B2-B1*A2)*(B2*C1-B1*C3)-(A1*B3-B1*A3)*(B2*C1-B1*C2)]}/[(B1*D3-B3*D1)*(B2*C1-B1*C2)-(B1*D2-B2*D1)*(B3*C1-B1*C3)]

上述计算过程中，设法向量为n(xn，yn，zn)，因此n*AB＝0,n*AC＝0，其中各换算公式中的*为“乘”号，从而为求出其法线向量n，通过工程机换算。将数据换算成工业机器人的姿态坐标，工业机器人根据换算后的姿态坐标调整姿态，使工业机器人末端进管道端面的方向接近于垂直管道所测面。

综上所述，本发明采用三角形确定外接圆的方式，找到管道所侧面圆心，准确度高、效率高，同时以测量管道内部多个坐标点的形式，拟合出椭圆方程并求取椭圆度，测量精度更高、操作更简单、自动化程度高，

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种管道椭圆度自动检测设备，其特征在于：包括工业机器人、用于固定管道的V型装置，所述工业机器人通讯连接有的工控机，所述工业机器人的末端连接有激光测距装置，所述工控机控制工业机器人动作并通讯接收激光测距装置采集的数据。

2.根据权利要求1所述的一种管道椭圆度自动检测设备，其特征在于：所述V型装置为顶部设置V形槽的固定座。

3.根据权利要求1所述的一种管道椭圆度自动检测设备，其特征在于：所述激光测距装置为激光测距传感器。

4.根据权利要求1所述的一种管道椭圆度自动检测设备，其特征在于：所述工控机内带有模拟量采集卡。

5.根据权利要求1所述的一种管道椭圆度自动检测设备，其特征在于：所述工控机连接有用于呈现数据的显示器。

6.一种使用权利要求1至5中任一项所述的管道椭圆度自动检测设备的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：工业机器人自动调整姿态，使激光测距装置进入管道且方向垂直于管道所测面；

步骤二：工业机器人末端将激光测距装置伸入管道内旋转一周，测量周向多个点的坐标值，并在工控机内保存和计算；

7.根据权利要求6所述的一种使用管道椭圆度自动检测设备的检测方法，其特征在于：所述步骤一中的工业机器人自动调整姿态包括：

1)在工业机器人末端初始位置建立空间坐标系O1；

2)激光测距装置的激光发射端面向坐标系O1的Z轴方向，沿坐标系O1的X1方向伸入管道测量第一个突变量，取得点A，坐标为(xa，0，za)；

3)工业机器人回到初始位置，其末端旋转120°后，再次伸入管道测量第二个突变量，取得点B，坐标为(xb，yb，zb)；

4)工业机器人回到初始位置，其末端旋转120°后，再次伸入管道测量第二个突变量，取得点C，坐标为(xc，yc，zc)；

8.根据权利要求6所述的一种使用管道椭圆度自动检测设备的检测方法，其特征在于：所述步骤二中工业机器人旋转时，按每隔规定的角度采集点。

9.根据权利要求6所述的一种使用管道椭圆度自动检测设备的检测方法，其特征在于：所述点采集为N个，且采集的个数越多，测量的精度越高。

10.根据权利要求6所述的一种使用管道椭圆度自动检测设备的检测方法，其特征在于：所述步骤三中长轴与短轴之差即为该检测过程中管道的椭圆度。