大口徑鋼管截面形狀尺寸測量系統及測量方法

2023-05-23 00:46:01 4

專利名稱：大口徑鋼管截面形狀尺寸測量系統及測量方法
技術領域：
本發明屬於幾何量測量技術領域，特別涉及大口徑鋼管截面形狀尺寸測量系統及測量方法。
背景技術：
大口徑鋼管指直徑在0.5米至3米的鋼管，可以是螺旋縫鋼管，也可以是直縫鋼管，大口徑鋼管大多用於石油或天然氣的輸送工程。大口徑鋼管的截面幾何形狀和尺寸是鋼管產品質量中的一個重要檢驗參數，主要包括最大最小直徑、圓度誤差等。上述參數對於管道鋪設過程中管端對焊施工及鋼管服役過程中受力狀態都有重要影響。
目前的鋼管生產廠中大多用捲尺人工測量鋼管的截面外周長，進而計算直徑，通過測量截面外周長估計鋼管的截面尺寸。或者通過卡尺測量鋼管截面的直徑。這些測量方法主要存在的不足是以周長計算直徑的方法是在默認鋼管截面為圓形的情況下進行的，不能反映截面的圓度誤差或橢圓度等參數；捲尺測量不易保證實際的測量截面與鋼管母線垂直，捲尺未拉緊會造成測量結果偏大；當鋼管表面存在凹處時，捲尺對周長的測量又會偏小；卡尺僅能測得鋼管截面的一段弦長，而不能測到真實的直徑，以直徑計算周長的方法受到鋼管截面形狀的影響；人工測量易受人的主觀性影響大，測量穩定性和客觀性差。
已有的一種鋼管直徑/橢圓度檢驗系統，如1997年10月14申請的申請號為97180656.X的中國發明專利「螺旋管檢驗系統」在鋼管外側90度間隔安裝4個位移傳感能夠實現對螺旋管截面最大/最小直徑和橢圓度的自動測量。但該系統具有明顯的不足之處該系統的測量原理認為鋼管截面為圓形或橢圓形，而真實的鋼管截面並不是理想的圓形或橢圓形；鋼管生產過程中旋轉困難，使得系統僅對鋼管表面的幾個點進行測量，不能完全反映整個截面的尺寸和形狀。

發明內容
本發明的目的是提供一種大口徑鋼管截面形狀尺寸測量系統及測量方法，
所述大口徑鋼管截面形狀尺寸測量系統包括運動模塊、測量模塊、信息處理模塊、輸入輸出模塊、數據存儲模塊和數據分析模塊，其特徵在於基準圓形軌道3和運動小車11組成系統的運動模塊；測量模塊9位於運動小車11上，信息處理模塊10也與運動小車11固結在一起，輸入輸出模塊6與信息處理模塊10間通過串口連接，實現指令和數據的傳送，測量結果在輸出模塊上進行顯示；同時，測量和計算結果存入數據存儲模塊7中；輸入輸出模塊6和數據存儲模塊7連接在一起組成操作盒；數據存儲模塊7通過串口與數據分析模塊8連接，數據存儲模塊7存儲的測量數據通過數據分析模塊8進行分析；電源12分別和運動模塊、信息處理模塊10、測量模塊9、輸入輸出模塊6和數據存儲模塊7連接。
所說的運動模塊包括基準圓形軌道3、運動小車11及由電機16和傳動機構組成的小車驅動裝置；其中基準圓形軌道為運動小車提供高精度的圓周運動軌跡，小車驅動裝置安裝在基準圓形軌道上。
所說的測量模塊9主要用於測量運動小車11在基準圓形軌道3上的相角位置以及鋼管表面點到基準圓形軌道的徑向距離，包括用於測量鋼管表面點到基準圓形軌道距離的位移傳感器，記錄基準圓形軌道相角零點位置的位置開關，記錄小車和基準圓形軌道零點間相對位置的相對角度編碼器，以及各個傳感器的驅動電路、數據採集電路和數據處理電路。
所說的信息處理模塊包括通訊埠、微處理器和軟體；該信息處理模塊用於接收輸入輸出模塊6的控制指令，對運動模塊進行控制；對測量模塊9的測量結果進行計算獲得需要的鋼管截面形狀尺寸參數；將測量結果向輸入輸出模塊6進行傳送。
本發明的測量方法是所說的大口徑鋼管截面形狀尺寸測量方法是通過測量鋼管表面一系列點到某一半徑己知的基準圓形軌道的徑向距離來獲得鋼管截面輪廓點的坐標，當採樣點數目足夠多時，可準確的獲得鋼管截面輪廓；通過信息處理模塊計算出鋼管截面的形狀和尺寸參數；具體操作如下將被測鋼管5置於基準圓形軌道3中間，調整鋼管母線與軌道平面垂直，通過輸入輸出模塊6使系統開始工作，信息處理模塊10控制運動小車11在基準圓形軌道3上運動，運動小車11上的測量模塊9分別記錄基準圓形軌道3與鋼管5表面點的距離和運動小車在圓形軌道3上的相位角，並將測量數據傳入信息處理模塊10，通過信息處理模塊10計算出鋼管5的截面的形狀和尺寸參數，通過通訊埠將測量和計算數據傳送到輸入輸出模塊6的輸出模塊及數據存儲模塊7進行存儲，經數據分析模塊8對存儲的數據進行離線處理和分析，最後得到鋼管5的截面的形狀和尺寸參數。
所說的微處理器可以是數位訊號處理器DSP、單片計算機MCU、可編程控制器PLC中的一種或一種以上；本發明的有益效果是所述的鋼管截面形狀尺寸測量系統與現有技術相比具有如下優點和顯著性效果第一、本發明對鋼管截面輪廓進行坐標測量，將鋼管截面形狀作為鋼管檢驗的一個幾何測量參數，較僅僅依靠截面周長或弦長進行鋼管直徑的計算更能真實地反映鋼管截面的幾何特徵；第二、本發明採用傳感器運動的方式代替鋼管轉動，克服了生產過程中鋼管不易旋轉的困難，使測量的採樣點數目增加，提高測量精度；第三、本發明實現鋼管截面形狀尺寸的自動測量，使得測量結果穩定可靠、客觀性強，當採樣點數目足夠多時系統的精度高、測量結果準確；第四、本發明便於實現整個生產過程中的自動化，測量結果顯示明顯，易於記錄和保存，是實現整個製造過程數位化和信息化的重要基礎。


圖1是本發明一個實施例的測量原理圖；圖2是本發明一個實施例的系統組成圖；圖3是本發明一個實施例的運動小車圖；圖4是本發明一個實施例的測量模塊構成圖；圖5是本發明一個實施例的信息處理模塊結構圖；圖6是本發明一個實施例的輸入輸出模塊和數據存儲模塊結構框圖；圖7是本發明一個實施例的數據處理軟體功能框圖。
具體實施例方式
本發明提供一種大口徑鋼管截面形狀尺寸測量系統及測量方法。所述大口徑鋼管截面形狀尺寸測量系統包括運動模塊、測量模塊、信息處理模塊、輸入輸出模塊、數據存儲模塊和數據分析模塊。下面結合附圖及實施例進一步詳細說明本發明具體測量原理、系統組成及實現、測量方法。
如圖1所示為本發明的一個鋼管截面形狀尺寸測量系統實施例的測量原理圖，位移傳感器2和角度傳感器1在一個基準圓形軌道3上運動。那麼，位移傳感器的位移零點的運動軌跡4也為一個標準圓周。假設該圓的半徑R已知。鋼管5輪廓表面的某一點pi到位移傳感器2的零點距離為li，對應的角度傳感器1輸出的相位角為θi，那麼，以基準圓形軌道的圓心為坐標原點，角度傳感器的零度方向為x軸正方向建立平面直角坐標系，則點pi在該坐標系內的坐標為xi=(R-li)cosiyi=(R-li)sini]]>當獲得鋼管某一截面的表面多個點的坐標後，各點的連線即為鋼管的在該截面處的表面輪廓。當測量點足夠密集時，可逼近鋼管的真實輪廓並可求得截面的周長、圓度、最大最小半徑等參數。
本發明的一個實施例的系統組成如圖2所示；基準圓形軌道3和運動小車11組成系統的運動模塊；測量模塊9位於運動小車上，並隨運動小車11在基準圓形軌道3上運動；信息處理模塊10也與運動小車11固結在一起並沿基準圓形軌道3運動；輸入輸出模塊6與信息處理模塊10間通過串口連接，實現指令和數據的傳送，測量結果在輸入輸出模塊6的輸出模塊上進行顯示；同時，測量和計算結果存入數據存儲模塊7中；輸入輸出模塊6和數據存儲模塊7連接在一起組成操作盒；對於數據存儲模塊7中存儲的測量數據可以通過數據分析模塊8進行分析；整個系統中的運動模塊、信息處理模塊、測量模塊、輸入輸出模塊和數據存儲模塊都通過電源12供電。
本發明的一個實施例的運動小車如圖3所示。電機16的軸帶動小齒輪17轉動，小齒輪再帶動兩個中齒輪15在大齒輪18上轉動；基準圓形軌道3與大齒輪18固結，電機16與基準圓形軌道3上的滑塊14固結，這樣整個小車1在電機的帶動下在基準圓形軌道上運動；圖中為與運動小車11與雷射位移傳感器19、旋轉編碼器13固結。圖4為本發明的一個實施例的運動機構圖。大齒輪固定在支架20上，基準圓形軌道3固定在大齒輪18上，運動小車11通過滑塊14在基準圓形軌道3上運動。
本發明的一個實施例的測量模塊的構成如圖4所示，測量模塊的核心是可編程控制器PLC及其擴展的數模轉換A/D模塊，PLC通過一個輸入輸出節點I/O控制雷射位移傳感器19，並將其輸出信號通過A/D模塊採樣進入PLC，PLC通過一個I/O節點採集位置開關的輸出信號，確定運動小車在圓周軌道上的零點，角度編碼器產生脈衝通過PLC的高速計數器HSC採集進入PLC，記錄運動小車相對於圓周軌道零點的相角位置，從而獲得運動小車在圓周軌道上的相位角θ。
本發明的一個實施例的信息處理模塊的結構圖如圖5所示，信息處理模塊的核心是PLC，PLC通過A/D採集雷射位移傳感器測得的鋼管表面點到基準圓形軌道的距離，採集位置開關和旋轉編碼器的輸出信號，記錄鋼管表面點在基準圓形軌道的相角位置；鋼管表面點到基準圓形軌道的距離和相位角θ輸入在PLC數據處理的算法軟體進行鋼管截面參數的計算；鋼管截面計算結果通過PLC的串口傳送到輸出模塊進行顯示；PLC通過脈寬調製PWM埠對運動模塊進行運動速度和運動方向的控制。所說到軟體算法可以是最小二乘圓法(LSC)、最小外接圓法(MCC)、最大內接圓法(MIC)、最小區域圓法(MZC)等方法中的一種或幾種。
本發明的一個實施例的輸入輸出模塊和數據存儲模塊的結構框圖如圖6所示，輸入輸出模塊的核心是一具有兩個串口的單片機，其中一個串口經過RS232接口電路與信息處理模塊進行指令和數據的傳輸，另一個串口向數據存儲模塊中寫入鋼管截面測量和計算數據；單片機通過按鍵支持晶片接收由指令按鍵發出的對整個系統的控制指令；通過LED驅動晶片對若干個LED八段管的顯示進行控制，顯示信息處理模塊鋼管截面測量和計算的數據。數據存儲模塊通過串口從單片機接收數據，通過一個USB驅動模塊向USB盤中寫入數據，存儲的數據包括鋼管表面各點的坐標以及實時計算結果，包括鋼管截面周長、截面圓度、最大半徑、最小半徑等參數。
本發明的一個實施例的數據分析模塊包括一臺PI1266的PC機及相應的數據處理軟體，數據處理軟體的功能框圖如圖7所示，主要包括打開、關閉、查找文件功能，繪製周長、半徑、直徑、圓度變化曲線功能，異常點報警功能，任意截面形狀繪製功能，形成報表輸出文檔等功能。所說的數據分析模塊主要實現對測量數據的分析與處理，主要包括計算機(如PC機)及用於數據處理的軟體系統；數據分析模塊可以與系統分開，可在諸如辦公室環境的非工業現場工作。
本發明的測量方法是所說的大口徑鋼管截面形狀尺寸測量方法是通過測量鋼管表面一系列點到某一半徑己知的基準圓形軌道的徑向距離來獲得鋼管截面輪廓點的坐標，當採樣點數目足夠多時，可準確的獲得鋼管截面輪廓；通過信息處理模塊計算出鋼管截面的形狀和尺寸參數；具體操作如下將被測鋼管5置於基準圓形軌道3中間，調整鋼管母線與軌道平面垂直，通過輸入輸出模塊6使系統開始工作，信息處理模塊10控制運動小車11在基準圓形軌道3上運動，運動小車11上的測量模塊9分別記錄基準圓形軌道3與鋼管5表面點的距離和運動小車在圓形軌道3上的相位角，並將測量數據傳入信息處理模塊10，通過信息處理模塊10計算出鋼管5的截面的形狀和尺寸參數，通過通訊埠將測量和計算數據傳送到輸入輸出模塊6的輸出模塊及數據存儲模塊7進行存儲，經數據分析模塊8對存儲的數據進行離線處理和分析，最後得到鋼管5的截面的形狀和尺寸參數。
所說的微處理器可以是數位訊號處理器DSP、單片計算機MCU、可編程控制器PLC中的一種或一種以上。
權利要求
1.一種大口徑鋼管截面形狀尺寸測量系統，所述大口徑鋼管截面形狀尺寸測量系統包括運動模塊、測量模塊、信息處理模塊、輸入輸出模塊、數據存儲模塊和數據分析模塊；其特徵在於基準圓形軌道(3)和運動小車(11)組成系統的運動模塊；測量模塊(9)位於運動小車(11)上，信息處理模塊(10)也與運動小車(11)固結在一起，輸入輸出模塊(6)與信息處理模塊(10)間通過串口連接，實現指令和數據的傳送，測量結果在輸出模塊上進行顯示；同時，測量和計算結果存入數據存儲模塊(7)中；輸入輸出模塊(6)和數據存儲模塊(7)連接在一起組成操作盒；數據存儲模塊(7)通過串口與數據分析模塊(8)連接，數據存儲模塊(7)存儲的測量數據通過數據分析模塊(8)進行分析；電源(12)分別和運動模塊、信息處理模塊(10)、測量模塊(9)、輸入輸出模塊(6)和數據存儲模塊(7)連接。
2.根據權利要求1所述大口徑鋼管截面形狀尺寸測量系統，其特徵在於所說的運動模塊包括基準圓形軌道(3)、運動小車(11)及由電機(16)和傳動機構組成的小車驅動裝置；其中基準圓形軌道為運動小車提供高精度的圓周運動軌跡，小車驅動裝置安裝在運動小車上。
3.根據權利要求1所述大口徑鋼管截面形狀尺寸測量系統，其特徵在於所說的測量模塊(9)主要用於測量運動小車(11)在基準圓形軌道(3)上的相位角以及鋼管表面點到基準圓形軌道的徑向距離，包括用於測量鋼管表面點到基準圓形軌道距離的位移傳感器，記錄基準圓形軌道相角零點位置的位置開關，記錄小車和基準圓形軌道零點間相對位置的相對角度編碼器，以及各個傳感器的驅動電路、數據採集電路和數據處理電路。
4.根據權利要求1所述大口徑鋼管截面形狀尺寸測量系統，其特徵在於所說的信息處理模塊包括通訊埠、微處理器和軟體；該信息處理模塊用於接收輸入輸出模塊(6)的控制指令，對運動模塊進行控制；對測量模塊(9)的測量結果進行計算獲得需要的鋼管截面形狀尺寸參數；將測量結果向輸入輸出模塊(6)進行傳送。
5.根據權利要求1所述大口徑鋼管截面形狀尺寸測量系統，其特徵在於所說的微處理器可以是數位訊號處理器DSP、單片計算機MCU、可編程控制器PLC中的一種或一種以上。
6.一種權利要求1所述大口徑鋼管截面形狀尺寸測量方法，其特徵在於所說的大口徑鋼管截面形狀尺寸測量方法是通過測量鋼管表面一系列點到某一半徑已知的基準圓形軌道的徑向距離來獲得鋼管截面輪廓點的坐標，當採樣點數目足夠多時，可準確的獲得鋼管截面輪廓；通過信息處理模塊計算出鋼管截面的形狀和尺寸參數；具體操作如下將被測鋼管(5)置於基準圓形軌道(3)中間，調整鋼管母線與軌道平面垂直，通過輸入輸出模塊(6)使系統開始工作，信息處理模塊(10)控制運動小車(11)在基準圓形軌道(3)上運動，運動小車(11)上的測量模塊(9)分別記錄基準圓形軌道(3)與鋼管(5)表面點的距離和運動小車(11)在圓形軌道(3)上的相位角，並將測量數據傳入信息處理模塊(10)，通過信息處理模塊(10)計算出鋼管(5)的截面的形狀和尺寸參數，通過通訊埠將測量和計算數據傳送到輸入輸出模塊(6)的輸出模塊及數據存儲模塊(7)進行存儲，經數據分析模塊(8)對存儲的數據進行離線處理和分析，最後得到鋼管(5)的截面的形狀和尺寸參數。
全文摘要
本發明公開了屬於幾何量測量技術領域的一種大口徑鋼管截面形狀尺寸測量系統及測量方法。測量系統的信息處理模塊、測量模塊位於運動小車上，並隨運動小車在基準圓形軌道上運動；輸入輸出模塊與信息處理模塊間通過串口連接。測量方法是通過測量鋼管表面一系列點到某一半徑已知的基準圓形軌道的徑向距離來獲得鋼管截面輪廓點的坐標，當採樣點數目足夠多時，可準確的獲得鋼管截面輪廓；通過信息處理模塊計算出鋼管截面的形狀和尺寸參數。克服現有技術的不足，實現大口徑鋼管在生產時成形、焊接、脹型、出廠檢驗等工藝過程中鋼管截面周長、直徑、圓度等參數的自動測量和結果顯示，問題結果報警，實時存貯、數據分析、處理和生產管理。
文檔編號G01B21/12GK1734233SQ20051010265
公開日2006年2月15日 申請日期2005年9月13日 優先權日2005年9月13日
發明者張勇, 陳強, 都東, 董培臣 申請人:清華大學