CN114577137A - 一种大口径钢管管端椭圆度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种大口径钢管管端椭圆度测量装置及方法，所述测量装置包括：基座、机架、行走机构、升降机构、测量机构、喷印头及控制器。本发明可以实现多规格、可调式、高精度、高效连续的大口径钢管管端椭圆度数据测量，可测量钢管规格范围为Φ610mm～Φ1422mm，可测量钢管端部距离范围为0～300mm可调，椭圆度测量精度0.1mm，测量周期小于2min/根。测量装置除测量钢管两端椭圆度外，还能根据设定，对椭圆度超差的钢管进行喷印标记。

Description

一种大口径钢管管端椭圆度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及钢管外表尺寸测量领域，特别涉及一种大口径钢管管端椭圆度测量装置及方法。

背景技术

随着材料科学和冶金技术的进步，管线工业正在朝着高输送压力和大输送流量的方向发展。管线钢管的强度要求越来越高，管壁越来越厚，直径越来越大，成品钢管的制造精度越来越高，这都极大地促进了管线钢管制造技术的发展。作为成品大口径直缝焊接钢管的重要终检数据之一，管端椭圆度数据将会直接影响钢管在管线工程现场铺设施工的质量和效率。各大管线工程对椭圆度的控制标准也愈加严格。

通常陆地管线的椭圆度要求是不大于外径的0.6％。而为提高管线的安全性，海底管线管对管端、管体椭圆度提出了更高的要求，管端和管体均不大于外径的0.5％。随着管线管产品规格的拓展，以及高钢级、大直径/壁厚比产品和海洋管的陆续投产，对管端椭圆度精度的要求也会越来越高。

现有椭圆度测量主要通过内径千分尺和游标卡尺，对管端内径及外径进行测量并计算，以获得相关椭圆度数据。

公式说明(以外内径椭圆度测量为例)：外径长短轴之差除以外径长短轴之和，再乘以2，获得的数据就是外径椭圆度测量数据。该测量值与外径标称值进行比较，在范围内的为合格数据。

由于大口径直缝焊管的最大直径可达1422mm，显然手工测量方式的效率及其低下，并且测量结果受测量选点的影响也非常大。增加选点则意味着测量时间会加倍延长，因此通常人工测量做不到根根测量，只能有选择地进行抽查。

随着高精度激光测量技术的发展，利用高精度激光传感器加定位、旋转机构，可以实现一种全自动高精度激光测量装置，用于描绘管端一定范围内的内径尺寸轮廓，同时测量并计算管端某一截面内的长、短轴，计算内径椭圆度。由于大口径直缝焊管本身是从热轧钢板或厚板卷曲成形而来，其壁厚均匀性相当好，因此结合壁厚数据，理论计算出管端的外径椭圆度数据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大口径钢管管端椭圆度测量装置及方法，可以实现多规格、可调式、高精度、高效连续的大口径钢管管端椭圆度数据测量，可测量钢管规格范围为Φ610mm～Φ1422mm，可测量钢管端部距离范围为0～300mm可调，椭圆度测量精度0.1mm，测量周期小于2min/根。测量装置除测量钢管两端椭圆度外，还能根据设定，对椭圆度超差的钢管进行喷印标记。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种大口径钢管管端椭圆度测量装置，其包括：基座，其顶面两侧沿长度方向分别设置一导轨及其上滑块；机架，竖直设置于一底板的中央，底板两侧设置于所述基座顶面两侧导轨上的滑块上；行走机构，包括：行走齿条，平行设置于所述导轨内侧；行走伺服电机及减速机，安装于所述底板的一侧，其输出轴端部穿过所述底板，该端部设与所述行走齿条啮合的行走齿轮；升降机构，包括：滚珠丝杆，其两端通过轴承座设置于所述机架一侧面的上下端；安装座，其中央设一通孔，通孔内设与所述滚珠丝杆配合的传动螺母；升降伺服电机及减速机，设置于所述机架顶部，其输出轴端部联接所述滚珠丝杆端部；测量机构，包括：固定套，固定于一转盘；所述安装座为一壳体，其顶面中央设一与所述转盘匹配的通孔，所述转盘设置于该通孔处；旋转电机及减速机，减速机设置于所述安装座内，其输出轴端部连接所述转盘；测量杆，其下部穿设于所述固定套内，并由锁定螺丝锁定；测距传感器，设置于所述测量杆上端部；喷印头，设置于所述测量杆上端部一侧，并连接于喷印管道，喷印管道上设控制阀；控制器，所述行走伺服电机、升降伺服电机、旋转电机、测距传感器及控制阀电性连接该控制器。

优选的，本发明所述测量装置还包括伸缩防尘罩，沿所述基座长度方向设置，用于保护导轨和滑块不受周边灰尘影响。

本发明所述大口径钢管管端椭圆度测量装置安装在存放钢管的V型鞍座外侧。

基座上集成了沿钢管长度方向前后移动的移动装置，机架上集成了上下移动的调整测量高度的升降机构。

前后移动的钢管长度方向行走机构主要作用是带动整套测量机构根据不同来料长度的钢管前后移动，寻找管端。

测量高度方向上的升降机构作用是带动测量机构根据不同管径的钢管上下移动，寻找钢管中心。

测量头旋转机构通过转盘带动测量杆及其上的测距传感器在钢管内表面进行非接触式圆周运动，实时测量内径数据。

当检测计算发现钢管管端某个部位出现椭圆度异常时，在对应位置喷印色标进行标记。

本发明所述的大口径钢管管端椭圆度测量装置的测量方法，其包括如下步骤：

1)测量杆的旋转中心的垂直位置进行标定，测量杆的角度位置进行标定，确保水平位置为0度角度，垂直位置为90度角度；测量杆的长度标定，以标定测距传感器到测量杆旋转中心的半径值；机架即工作前必须位于导轨上的原始位置即零位；

2)钢管通过横移小车放置到测量工位鞍座上，钢管进入测量工位后，根据钢管外径和测量杆的旋转中心的垂直位置标定值，上下移动测量杆，使得测量杆的旋转中心尽量靠近钢管圆心位置；

3)机架离开原始位置向钢管方向移动，测量杆进入钢管；当管端识别传感器检测到管端后开始慢速移动，并计算移动距离，按要求深入钢管内100～300mm后停止；

4)测量杆旋转，带动测量杆上测距传感器在钢管内旋转，获取测距传感器在钢管内壁运动轨迹的数据，并按照“旋转角度值-测距传感器到管壁的距离值”进行数据的成对记录；

5)对记录的“旋转角度值-测距传感器到管壁的距离值”进行处理，绘制钢管内壁轮廓线；

6)绘制钢管内壁轮廓线后，利用数据拟合的方法，计算出钢管内壁轮廓线上的长轴和短轴，同时还计算出钢管平均直径即内径、最大内切圆和最小内切圆、周长数据，用于后续的椭圆度算法中；

7)钢管椭圆度计算，当钢管椭圆度计算值超过设定的钢管椭圆度标准时，启动喷印装置，对该根钢管进行标记，表示为椭圆度不合格钢管。

进一步，如果用户需要二次测量，重复步骤3)～步骤7)。

优选的，步骤6)中，所述的数据拟合方法包括最小二乘拟合法。

钢管通过输送辊道到椭圆度测量仪所在的区域内，横移小车运送钢管到到椭圆度测量仪所在的鞍座上，两端的椭圆度测量仪装置在整体机架上，通过钢管长度方向移动装置，相向向钢管管端移动并进入钢管(测量装置的高度根据钢管的规格已调整好)，当感应装置感应到钢管后，测量旋转装置带动连接杆、测距传感器在钢管内表面非接触圆周运动，进行采样实时搜集数据。旋转大约一个圆周后停止旋转。

测量完一圈椭圆度数据后，行走机构带动测量机构再整体向钢管内部移动100～150mm，进行第二次测量。由测量机构测距传感器在钢管内表面进行非接触反向圆周运动，进行采样实时搜集数据，反向旋转约整个圆周后停止旋转，回到原来位置。

完成管端两次椭圆度测量动作后，测量装置在机架上退回到初始位置，被测量钢管通过横移小车运送到下一个鞍座上，下一根钢管再被横移小车移送到椭圆度测量仪所在的鞍座上进行椭圆度测量。

根据预设管径等参数，当钢管被横移小车放置到测量鞍座上后。钢管长度方向小车快速向管端移动，管径识别传感器检测到管端后，横移小车慢速继续向管端移动100-300mm停止；然后测量旋转机构带动高精度测距传感器检测钢管内壁轨迹，并将数据传输至控制***，***会绘制内壁轨迹，并计算出长轴和短轴。

采集的测量数据实际为以高精度距离传感器转轴中心为圆心，旋转一周获取的半径数据，需要通过坐标转换描绘在测量图形上；同时通过数据处理，找出直径的最大内径和最小内径，并通过壁厚数据，计算出最大外径和最小外径。也可以通过数据拟合，计算周长和内径。

获得钢管内壁轮廓线后，可以进一步计算出通过测量杆旋转中心的长轴与短轴数据，以及平均内径、内周长等数据；再利用图像处理算法，求取最小外切圆和最大内切圆，后续可以根据用户需求选用不同的椭圆度计算方法，例如：

1)椭圆度＝(长轴－短轴)/名义外径*100％

2)椭圆度误差值＝(最小外切圆半径－平均半径)

3)椭圆度误差值＝(平均半径-最大内切圆半径)

4)椭圆度误差值＝(最小外切圆半径-最小内切圆半径)。

目前管端椭圆度测量主要依靠人工方式进行。通过选取多点进行管端长、短轴测量，再通过计算获得管端椭圆度数据。人工测量存在测量精度低，测量误差大，椭圆度数据受测量选点的影响较大等问题。本发明通过采用高精度测距传感器加上旋转机构，可以对钢管管端椭圆度进行测量和描绘，从而实现全自动高精度的椭圆度测量。

本发明的有益效果：

1)适用外径规格广泛：本装置为大口径、多规格、可调式的钢管管端椭圆度测量装置。可测量钢管外径规格为Φ610mm～Φ1422mm，可测量钢管轴向深度范围300mm可调。

2)测量精度高：本装置测量精度高，精度可达0.1mm，远远满足钢管管端椭圆度检测精度需求。

3)测量周期短：单根钢管管端椭圆度测量周期小于2min/根，检测效率高，可极大减少人工检测强度，提高检测效率。

4)本发明装置除可测量钢管两端椭圆度外，还能对椭圆度超差管喷表标记。

附图说明

图1为本发明所述钢管管端椭圆度测量装置的结构正视图；

图2为图1的侧视图；

图3为图1的俯视图；

图4为本发明所述钢管管端椭圆度测量装置使用状态的平面布置图；

图5为本发明所述钢管椭圆度测量轮廓图。

具体实施方式

参见图1～图3，本发明所述的大口径钢管管端椭圆度测量装置，其包括：

基座1，其顶面两侧沿长度方向分别设置一导轨2、2’及其上滑块21、21’；

机架3，竖直设置于一底板31的中央，底板31两侧设置于所述基座1顶面两侧导轨2、2’上的滑块21、21’上；

行走机构4，包括：

行走齿条41，平行设置于所述导轨2内侧；

行走伺服电机42及减速机，安装于所述底板31的一侧，其输出轴端部穿过所述底板31，该端部设与所述行走齿条41啮合的行走齿轮43；

升降机构5，包括：

滚珠丝杆51，其两端通过轴承座设置于所述机架3一侧面的上下端；

安装座52，其中央设一通孔，通孔内设与所述滚珠丝杆51配合的传动螺母；

升降伺服电机53及减速机，设置于所述机架3顶部，其输出轴端部联接所述滚珠丝杆51端部；

测量机构6，包括：

固定套61，固定于一转盘62；所述安装座52为一壳体，其顶面中央设一与所述转盘62匹配的通孔，所述转盘62设置于该通孔处；

旋转电机63及减速机，减速机设置于所述安装座52内，其输出轴端部连接所述转盘62；

测量杆64，其下部穿设于所述固定套61内，并由锁定螺丝65锁定；

测距传感器66，设置于所述测量杆64上端部；

喷印头67，设置于所述测量杆64上端部一侧，并连接于喷印管道，喷印管道上设控制阀；

控制器(图中未示)，所述行走伺服电机、升降伺服电机、旋转电机、测距传感器及控制阀电性连接该控制器。

参见图1～图5，本发明所述的大口径钢管管端椭圆度测量装置的测量方法，其包括如下步骤：

1)测量装置测量杆的旋转中心的垂直位置进行标定，测量杆的角度位置进行标定，确保水平位置为0度角度，垂直位置为90度角度；测量杆的长度标定，以标定测距传感器到测量杆旋转中心的半径值；

2)机架即工作前必须位于导轨上的原始位置即零位；

3)钢管通过输送辊道100到椭圆度测量装置所在的区域内，钢管通过横移小车200放置到测量鞍座300上，钢管进入测量工位后，根据钢管外径和测量杆的旋转中心的垂直位置标定值，上下移动测量杆，使得测量杆的旋转中心尽量靠近钢管圆心位置；

4)机架离开原始位置向钢管方向移动，测量杆进入钢管；当管端识别传感器检测到管端后开始慢速移动，并计算移动距离，按要求深入钢管内100～300mm后停止；

5)测量杆旋转，带动测量杆上测距传感器在钢管内旋转，获取测距传感器在钢管内壁运动轨迹的数据，并按照“旋转角度值-测距传感器到管壁的距离值”进行数据的成对记录；

6)对记录的“旋转角度值-测距传感器到管壁的距离值”进行处理，绘制钢管内壁轮廓线，如图5所示；

7)绘制钢管内壁轮廓线后，利用数据拟合的方法，计算出钢管内壁轮廓线上的长轴和短轴，同时还计算出钢管平均直径即内径、最大内切圆和最小内切圆、周长数据，用于后续的椭圆度算法中；

8)钢管椭圆度计算，当钢管椭圆度计算值超过设定的钢管椭圆度标准时，启动喷印装置，对该根钢管进行标记，表示为椭圆度不合格钢管。

进一步，如果用户需要二次测量，重复步骤3)～步骤7)。

优选的，步骤6)中，所述的数据拟合方法包括最小二乘拟合法。

本发明装置为大口径、多规格、可调式、高精度、高效连续的钢管管端椭圆度测量装置。可测量钢管规格为Φ610mm～Φ1422mm，可测量钢管管端轴向深度范围为0mm～300mm可调，椭圆度测量精度0.1mm，测量周期小于2min/根。本发明装置除可测量管体两端椭圆度数据外，还能对椭圆度超差位置进行喷印标记，避免后道工序漏检。本发明装置测量范围大、测得数据准确、测量周期短，可有效降低人工操作劳动强度，减少测量偏差，适用于钢管端部椭圆度的精确测量及记录，在类似中口径或大口径钢管成品企业中有着广泛的应用前景。

Claims (5)

1.一种大口径钢管管端椭圆度测量装置，其特征在于，包括：

基座，其顶面两侧沿长度方向分别设置一导轨及其上滑块；

机架，竖直设置于一底板的中央，底板两侧设置于所述基座顶面两侧导轨上的滑块上；

行走机构，包括：

行走齿条，平行设置于所述导轨内侧；

行走伺服电机及减速机，安装于所述底板的一侧，其输出轴端部穿过所述底板，该端部设与所述行走齿条啮合的行走齿轮；升降机构，包括：

滚珠丝杆，其两端通过轴承座设置于所述机架一侧面的上下端；

安装座，其中央设一通孔，通孔内设与所述滚珠丝杆配合的传动螺母；

升降伺服电机及减速机，设置于所述机架顶部，其输出轴端部联接所述滚珠丝杆端部；测量机构，包括：

固定套，固定于一转盘；所述安装座为一壳体，其顶面中央设一与所述转盘匹配的通孔，所述转盘设置于该通孔处；

旋转电机及减速机，减速机设置于所述安装座内，其输出轴端部连接所述转盘；

测量杆，其下部穿设于所述固定套内，并由锁定螺丝锁定；

测距传感器，设置于所述测量杆上端部；

喷印头，设置于所述测量杆上端部一侧，并连接于喷印管道，喷印管道上设控制阀；

控制器，所述行走伺服电机、升降伺服电机、旋转电机、测距传感器及控制阀电性连接该控制器。

2.如权利要求1所述的大口径钢管管端椭圆度测量装置，其特征在于，还包括伸缩防尘罩，沿所述基座长度方向设置。

3.如权利要求1或2所述的大口径钢管管端椭圆度测量装置的测量方法，其特征是，包括如下步骤：

1)测量杆的旋转中心的垂直位置进行标定，测量杆的角度位置进行标定，确保水平位置为0度角度，垂直位置为90度角度；测量杆的长度标定，以标定测距传感器到测量杆旋转中心的半径值；

机架即工作前必须位于导轨上的原始位置即零位；

2)钢管通过横移小车放置到测量工位鞍座上，钢管进入测量工位后，根据钢管外径和测量杆的旋转中心的垂直位置标定值，上下移动测量杆，使得测量杆的旋转中心尽量靠近钢管圆心位置；

3)机架离开原始位置沿基座导轨向钢管方向移动，测量杆进入钢管；当管端识别传感器检测到管端后开始慢速移动，并计算移动距离，按要求深入钢管内100～300mm后停止；

4)测量杆旋转，带动测量杆上测距传感器在钢管内旋转，获取测距传感器在钢管内壁运动轨迹的数据，并按照“旋转角度值-测距传感器到管壁的距离值”进行数据的成对记录；

5)对记录的“旋转角度值-测距传感器到管壁的距离值”进行处理，绘制钢管内壁轮廓线；

6)绘制钢管内壁轮廓线后，利用数据拟合的方法，计算出钢管内壁轮廓线上的长轴和短轴，同时还计算出钢管平均直径即内径、最大内切圆和最小内切圆、周长数据，用于后续的椭圆度算法中；

7)钢管椭圆度计算，当钢管椭圆度计算值超过设定的钢管椭圆度标准时，启动喷印装置，对该根钢管进行标记，表示为椭圆度不合格钢管。

4.如权利要求3所述的测量方法，其特征是，步骤6)中，所述的数据拟合方法包括最小二乘拟合法。

5.如权利要求3所述的测量方法，其特征是，如果用户需要二次测量，重复步骤3)～步骤7)。

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