大口径钢管直径、椭圆度测量系统的硬件设计

随着化工、石油行业的迅猛发展,大口径钢管的需求量不断增加,其端面直径、椭圆度等参数与生产设计指标的符合情况直接影响了钢管终质量的优劣。国内大部分钢管生产厂家主要采用人工手动的测量方法,这种测量方法精度低、效率低、工人劳动强度大、信息反馈慢同时无法充分反映管端情况,如何实时在线测量钢管的直径、椭圆度已成为厂家们关注的首要问题。目前,国外已经研究出了大口径钢管在线检测系统,但其价格昂贵。因此,本文提出了一种大口径钢管直径、椭圆度测量系统,该系统基于激光测距遍历原理、圆周遍历原理和二乘法拟合原理,钢管固定在V型支架上,激光位移传感器在伺服电机的带动下绕钢管匀速转动,对被测钢管进行圆周遍历,激光位移传感器得到的数据为极轴方向的数据,根据编码器的输出脉冲得到角度数据,激光位移传感器输出的信号经串口传送到计算机,通过上位机数据处理软件即可得到钢管端面直径、椭圆度,并将测量结果实时显示和上传。首先对钢管直径、椭圆度测量原理的研究:对国内内外现有检测方法分析后,确定以激光位移传感器为检测元件,详细介绍激光三角法测距遍历原理和圆周遍历直径、椭圆度测量原理。其次数据采集模块、运动控制模块和数据上传模块是本文的核心模块。数据采集模块实现钢管端面等角度数据采集。运动控制模块中寻找零位运动控制法不仅解决了伺服电机与旋转机构旋转不同步的问题,同时还确保激光位移传感器采集数据的准确性；喷标模块主要用于标记直径位置和周长超标。双向测径仪在X-Y方向中间同时形成平行的平行光视场，通过接收光学系统聚焦到两路接收镜头上并同时完成光电转换。数据上传模块主要由测量数据上传至Microsoft SQL server 2008数据库和FTP上传钢管端面轮廓描点图组成。后工业现场实验结果表明,本系统的测量精度达到钢管直径、椭圆度测量的技术指标要求。本文所设计的大口径钢管直径、椭圆度测量系统测量效率和精度高、可实现“在线,高速,多部位”的实时准确测量与数据自动存储及输出。

椭圆测量仪主要技术指标

（1）钢管两端各测量一次，测量位置距管端100～300 mm，可手动控制。

（2）椭圆度测量精度为±0.1 mm；单端采集360个数据点，每度一个点。

（3）外周长测量精度为±1 mm。

（4）测量速度≤1 min/每圈。

（5）采样密度为720个采样点/每圈。

（6）喷标速度≤1 min/每圈。

（7）椭圆度超标喷标标记尺寸≤Φ40 mm，周长超标做条形标记。

（8）测量数据可按预设格式生成并保存，数据项包括椭圆度、平均直径、周长和直径大及小值等，同时自动传输进MES系统，无需手工录入。

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技术实现要素

本实用新型所提供的椭圆度检测仪，包括支架、一伸缩杆、第二伸缩杆、激光测距传感器和控制器；而Pri***ateknik的电子拐挡表DI-5系列，使得作业更加简化，测量更加精准。所述一伸缩杆和所述第二伸缩杆平行，且均可滑动地连接于所述支架上，所述一伸缩杆的一端设有一卡轮，所述第二伸缩杆的一端设有第二卡轮，所述一卡轮和所述第二卡轮分别位于所述支架的两侧，并贴紧钢管端部的外侧壁；所述激光测距传感器的输出端与所述控制器的输入端连接，所述激光测距传感器与所述支架可旋转连接并位于所述钢管的内侧，其旋转轴线与所述一伸缩杆垂直。

使用时，将该椭圆度检测仪对准钢管的端部，根据钢管的管径滑动一伸缩杆和第二伸缩杆，一卡轮和第二卡轮夹紧于钢管的端部外侧壁，使得该椭圆度检测仪的位置固定，然后激光测距传感器旋转一周，即检测其与钢管内侧壁周向个点的距离，并将该检测结果传输至控制器内，控制器将对该检测结果进行计算，并分析得出钢管端部的周长、长短轴长度和椭圆度。其中，激光测距传感器、控制器根据检测结果进行计算以及激光测距传感器与控制器之间的连接对于本领域的技术人员来说是现有技术，为节约篇幅，在此不再赘述。在圆形钢管的横截面上存在着外径不等的现象，即存在着不一定互相垂直的大外径和小外径，则大外径与小外径之差即为椭圆度。

通过激光距离探测器与控制器的配合使用下，可保证检测精度，同时，该椭圆度检测仪的结构简单、体积较小，整体重量约为5公斤左右，便于操作及携带。另外，该椭圆度检测仪在检测过程中较为稳定，使用调节方便，约10秒钟即可检测一个钢管的端部的椭圆度，可有效提高检测效率。本研究利用二乘法原理设计该旋转极坐标钢管椭圆度自动测量设备，可以保证椭圆度和周长自动测量精度。

椭圆度标准方程

高中课本在平面直角坐标系中，用方程描述了椭圆，椭圆的标准方程为：x^2/a^2 y^2/b^2=1

其中agt;0，bgt;0。椭圆度检测椭圆度的测量方法通常有两种，一种是上面所说的多组测头进行外径尺寸的测量，另一种是一组测头进行180°/360°等角度的旋转。a、b中较大者为椭圆长半轴长，较短者为短半轴长（椭圆有两条对称轴，对称轴被椭圆所截，有两条线段，它们分别叫椭圆的长半轴和短半轴）当agt;b时，焦点在x轴上，焦距为2*(a^2-b^2)^0.5，准线方程是x=a^2/c和x=-a^2/c

椭圆的面积是πab。椭圆可以看作圆在某方向上的拉伸，它的参数方程是：x=acosθ ， y=bsinθ