大口径钢管测量系统软件及精度分析

2021-08-31曾庆兴

电子测试 2021年17期

曾庆兴

（帕博检测技术服务有限公司，广东珠海，519000）

0 引言

石化工业领域发展速度加快进行着，目前我国的发展中，管道输送应用较多，成为长距离油气输送的主要模式，渐渐的取消了传统铁路运输形式，这种环境下，促使国内管线钢板生产也在进步，不断提升制管技术水平。为了顺应激烈的市场竞争环境，满足恶劣的工业现场状态中的钢管对接和装配的需求，就要不断的严格的规范钢管的质量要求，采取先进的大口径钢管测量精度的测量模式，已经成为研究热点，在钢管检测领域属于重难点。最近几年的发展中，采取先进化的无缝管与焊管的加工工艺设备已经逐渐推广,但是不足的情况就是，大口径钢管直径、椭圆度等钢管外形的几何尺寸在线测量设备应用有待提升。当前比较关键的研究内容就是，怎样让大口径钢管运用各在线测量设备标定,大口径钢管高质量的测量，提升结果的准确度。

1 大口径钢管轮廓测量方案研究

1.1 测量系统技术性能要求

在技术条件方面上，大口径钢管测量系统技术参数要求标准就是：钢管外径为Φ508mm-Φ1422mm；钢管直度为管端弯曲度在4mm/m之内；钢管长度是8.0m-12.5m；全管弯曲度不足30mm；管体弯曲度在3mm/m之内；椭圆度测量精度是±0.1mm；测量速度每圈在2分钟以内；采用密度是每圈720个采样点。在设备工作性能方面，连续工作的时间在8小时以上。设备工作环境要求就是工作电压为220V，工作的温度和湿度分别是10-40℃、20-60%。测量系统的基本要求就是，自动化程度较高，进行误差计算分析，降低人为操作失误情况，软件界面简洁明了，灵活选取检测方法，减少制造成本、维护的成本等。按照测量系统的技术性能要求，设计出建立在激光三角法测量基础上的检测系统，通过激光漫反射，展开迅速的、非接触性以及高精度测量被测管状工件。

1.2 激光位移传感器测量原理

激光位移传感器能够对于被测物体的很多内容改变情况进行准确的测量，包括部位和位移等等，展开测量检测物体的直径、厚度、位移、距离以及振动等。遵循标准化的测量原理，激光位移传感器中可以采取的测量模式为两种，一种是激光三角测量法，另一种就是激光回波分析法。其中，在非接触测量和校准领域，也就是位移精度较高、灵敏度较高以及同轴度的情况，通常就是应用激光三角法更多，主要是予以微小零件的尺寸进行测量。在激光位移传感器的测距原理和应用项目方面，这种举措能够达到测量大口径钢管的标准需求。激光位移传感器中光三角法的应用，激光光束的发射中，需要依靠激光器半导体实现，发射的途径就是光学系统，在被测物体表面0点（测量点），相应的会汇聚光束由此形成一个散射光斑点。激光反射以后，进入漫反射光线，产生光斑后，于CCD点部位进行集中。如图1。

图1 激光三角测距原理图

1.3 内外径遍历测量法

建立在光三角法基础上的非接触检测方法，在V型架上面进行严密的固定好钢管，同时于在转轴带动的旋转机构固定好激光位移传感器，随着旋转机构进行旋转，旋转机构转到相应角度以后，激光位移传感器至钢管表面的距离就会通过激光位移传感器进行一次测量，激光位移传感器绕钢管转动一周，得到相应的几何参数，即钢管管端内外径轮廓、钢管椭圆度等。例如，固定钢管，激光位移传感器入射光垂直射向钢管端面，这种情况下，绕钢管端面的激光位移传感器，会产生旋转的效果，每转相关角度以后，针对性的就会采集一次距离数据，转到一周的时候就完成钢管的圆周遍历测量。

1.4 大口径钢管管端端面垂直度测量

把待测钢管水平放置于平台上，通过全站仪对两端端面进行若干个点的数据进行采集，借助CAD的绘图功能，根据坐标轴Z的计算，得出Z的最大值，即为管端的最大垂直度，具体实现方法如下：

(1)从全站仪将测量点位图导出，并保存为*.DXF格式；(2)使用AUTOCAD将图打开；(3)在测量点（点号为1000）做沿XY轴做线，用以文件复查的测量参考；(4)为方便测量我们将整个图纸以测量点（点号为1000）为基准放大了1000倍，由原图的米为单位调整到毫米为单位；(5)将视口调整到方便显示一个管端的位置，为寻找第一个面做准备；(6)以命令在点中建立面，并使用紫色线来标注所选择的点位，绘制的紫色线保留以备查验。核对其他点相对于这个面的距离，如其他点距离此面距离误差较大，则另外选择3点建立面，直至找到一个理想的面；(7)在步骤6寻找到的面上以每个点为圆心，绘制相同直径的圆；(8)在接近中心处寻找一个近似的圆心位置。并绘制一个圆，其圆心用于下一步的测量；(9)标注步骤8绘制的圆心到各个点位的距离，用于对比对应点位（如0º点与180º点，或90º点与270º点）到圆心的距离。如偏差较多，则调整圆的位置及标注点位置，直至所有相对点的距离接近（现用误差为1mm）；(10)重复5～ 9步骤完成另一面的绘制，并将两个圆的圆心用线连接起来；(11)使用命令沿步骤10绘制的轴线建立一个立方体，目的为建立一个垂直于步骤10绘制的轴线的面；(12)以立方体的端面为基准面，并逐点点选TOP面的点，右方的Z轴坐标值即为每个点到面的距离。将数值抄下并填制入《尺寸检验报告》；(13)根据完成的工程文件，出具《尺寸检验报告》。

2 测量系统结构与软件分析

2.1 测量系统结构

进行钢管端面测量期间，激光位移传感器一共展开两次遍历钢管端面，即正向遍历圆周、反向遍历，首次正向遍历圆周，产生的作用就是进行数据资料的收集整理，钢管内外表面轮廓的指标，通过激光位移传感器圆周遍历采集，然后获得到钢管几何参数（端面内外径直径值、角度部位、周长等），第二次反向遍历属于进行喷标标记测量最大（小）直径部位。大口径钢管测量系统定标包括两层含义，标定被测钢管圆心的同时标定测杆上激光传感器所处部位。采取辅助测量臂展开相应的辅助测量工作，运用定制的高精度辅助测量臂，测量不同直径的钢管过程中，采取不同的量块展开标定，就能达到测量要求。所设计椭圆度测量仪配置18个标准量块，钢管直径为508mm-1422mm，明确被测钢管直径，选定有关标定量块，将激光传感器夹持装置锁紧手柄松开，放入标定块并挤紧，再锁紧手柄并取出量块即可。

2.2 测量系统软件

本测量系统软件部分的开发，前提基础就是Delphi平台。Delphi属于一种集成开发环境，具备特点就是可视化，运用windows平台，其中包括开发工具 RAD，涉及到了Microsoft Windows图形用户界面，设计理念是比较灵活且先进化的。面向对象的程序语言，采取弹性的完整面，将开发环境视为图形用户界面，并且跟数据库的功能之间进行密切的连接，最终构建起新型的应用程序开发工具，这一工具面向对象程序设计。采取Delphi具备多样化的优势特征，其中比较典型的就是图形界面比较直观，能够跨平台操作等等。Delphi软件平台建设了更具备人性化以及直观自然的上位机编程环境，运行程序过程中，可以供给用户灵活的控制，人机交互功能显著。此系统的软件设计实施功能模块化的设计举措，让各模块编程以Delphi完成，满足工业现场要求的功能，测量比较稳定。大口径钢管测量系统软件总流程如图2。

图2 软件总流程图

3 测量结果分析

本工业现场实验中，涉及到的内容就是大口径钢管测量系统检测实验、测量系统标定实验以及喷标实验。针对工业现场进行生产的大口径钢管管端进行测量，工控机中，将测量结果的遍历测量点（720个）数据传至并处理，处理的举措就是最小二乘法拟合，能够得到数据指标包括拟合圆圆心以及半径等。被测钢管直径、周长分别记作是813mm、2554.4mm，有5.4mm的最大最小直径差计算结果，圆心坐标结果是（-0.3,2.6）。予以钢管管端轮廓实施测量的次数是11次，每一次的测量结果得到了基本相同的椭圆度、周长，具备可靠的重复性。工业现场1420mm钢管机器测量的钢管最大、最小直径跟人工测量的偏差大概是7.2mm左右，两种方法所测得结果是相近的。