一种检测装置及风电塔架法兰平面度检测方法

本发明涉及智能检测，具体地，涉及一种检测装置及风电塔架法兰平面度检测方法。

背景技术：

1、现有法兰平面度检测多采用激光测平仪、激光跟踪仪等设备获取离散测点。此类方法测量原理明确，但结果容易受到测点数量和空间分布的影响，稀疏采样可能遗漏局部形貌异常；同时，对于制造现场立式放置的5 m级法兰，逐点测量还存在辅助机构搭设复杂、人工参与度高和检测效率较低等问题。结构光及线激光扫描具有非接触、采样密度高和数据获取速度快等特点。将线激光传感器安装于旋转臂末端，可通过周向扫描完成大型环形端面的点云重建，但旋转轴偏心、坐标系不对准及扫描系统误差仍会影响重建精度。

2、对于制造现场使用的移动式长悬臂扫描装置，除上述误差外，还需考虑多规格法兰适应及设备运行状态变化。一方面，不同直径法兰要求旋转臂测量半径可调，并在伸缩后保持足够的结构稳定性；另一方面，液压升降平台可能产生俯仰和横滚，旋转轴与旋转臂之间也可能因装配偏差、机械振动和风载扰动产生z向相对位移。这些误差会随旋转角度传递至相机测量点，并与法兰真实形貌共同反映在点云坐标中。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种检测装置及风电塔架法兰平面度检测方法，其用于解决上述技术问题。

2、一种检测装置，用于对法兰端面的平面度进行测量，包括：

3、升降平台，其用于调节整机高度和水平位置；

4、点云采集模块，其包括旋转机构和测量单元，旋转机构包括驱动组件和可伸缩旋转臂组件，驱动组件设于升降平台，可伸缩旋转臂组件与驱动组件连接，测量单元安装于可伸缩旋转臂组件，旋转机构用于带动测量单元绕待检测法兰的端面旋转，以连续采集待检测法兰端面的条带状三维点云；

5、旋转中心对准单元，其用于辅助升降平台完成旋转机构的旋转中心与法兰中心的初步对齐，旋转中心对准单元包括红光一字标线激光器和测高激光位移传感器，其中红光一字标线激光器用于辅助判断旋转中心与法兰中心在水平横向上的对齐状态，测高激光位移传感器用于测量旋转机构基准高度，从而辅助完成旋转中心与法兰中心在高度方向上和左右方向上的对齐；

6、误差补偿系统，用于实时采集升降平台的平台姿态和旋转机构相对位移数据，误差补偿系统包括双轴倾角传感器和安装于旋转机构附近的z轴激光位移传感器，平台姿态包括升降平台俯仰和横滚姿态，双轴倾角传感器用于实时获取升降平台俯仰和横滚姿态，旋转机构相对位移数据为旋转机构z向机械位移误差，z轴激光位移传感器用于检测旋转机构z向机械位移误差；

7、电机位置记录模块，其用于反馈驱动组件的输出轴的实际旋转角度；

8、pc测控系统，其用于负责运动控制、点云采集模块、误差补偿系统和电机位置记录模块的数据采集、点云补偿、圆环重建和平面度计算；

9、其中，各采集单元采用同一启动信号触发，以测量单元采集的点云轮廓序号为索引，将同一条轮廓对应的点云数据、旋转角度、平台姿态及旋转机构相对位移数据逐行关联。

10、一种风电塔架法兰平面度检测方法，采用上述的检测装置，包括以下步骤：

11、s1：测前准备：调整检测装置姿态与位置，确保测量单元的扫描轨迹覆盖法兰端面，并完成旋转机构的旋转中心与法兰中心的初步对齐；

12、s2：数据采集：点云采集与误差补偿系统数据同步采集：

13、s21：将可伸缩旋转臂组件置于初始位置，对误差补偿系统进行零点设置；

14、s22：pc测控系统控制旋转机构带动测量单元周向连续扫描，采集法兰端面的条带状三维点云；

15、s23：误差补偿系统同步实时采集升降平台的平台姿态和旋转机构相对位移数据；

16、s24：电机位置记录模块同步记录每条轮廓对应的驱动组件的输出轴的实际旋转角度；

17、s3：点云误差补偿：

18、s31：利用步骤s23获取的平台姿态数据和旋转机构相对位移数据，并结合步骤s24获取的实际旋转角度，建立点云坐标补偿模型；

19、s32：将步骤s2中同步后的各传感器实时数据代入步骤s31建立的补偿模型，计算每条点云轮廓对应的瞬时x向和z向位移误差；

20、s33：利用步骤s32计算得到的瞬时x向和z向位移误差，对步骤s22中获得的每条扫描轮廓逐行修正坐标，获得补偿后的有序点云；

21、s4：点云数据处理：对补偿后的有序点云进行坐标重建和特征提取，得到外圈有效端面点云；

22、s5：平面度计算与评定：基于外圈有效端面点云拟合参考平面并计算平面度。

23、根据本发明的一实施方式，步骤s1具体包括：

24、s11：可伸缩旋转臂组件长度调节：根据待测法兰外径及端面宽度，调整可伸缩旋转臂组件的长度，使测量单元的有效测量区域覆盖法兰端面待测环带；

25、s12：确认可伸缩旋转臂组件的状态，更新当前可伸缩旋转臂组件的伸缩长度对应的补偿参数；

26、s13：左右方向中心对准：红光一字标线激光器用于辅助判断旋转中心与法兰中心在水平横向上的对齐状态，从而实现左右方向旋转中心与法兰中心的快速对齐；

27、s14：高度方向中心对准：测高激光位移传感器测量旋转中心相对于法兰中心高度基准的距离，从而辅助完成旋转中心与法兰中心在高度方向上的对齐，确保旋转轴中心高度与法兰中心高度一致。

28、根据本发明的一实施方式，s23中，误差补偿系统同步实时采集升降平台的平台姿态和旋转机构相对位移数据包括：

29、s231：双轴倾角传感器记录升降平台俯仰角和横滚角；

30、s232：z轴激光位移传感器记录旋转机构相对于初始位置的z向相对位移。

31、根据本发明的一实施方式，步骤s4中，点云数据处理具体包括以下步骤：

32、s41：点云预处理：针对补偿后的有序点云，进行离群点剔除、连通域分析，提取法兰主体点云；

33、s42：极坐标重建：将条带状的主体点云展开成圆环，由笛卡尔坐标转换为极坐标圆环；

34、s43：通过旋转臂变形补偿，修正可伸缩旋转臂组件弹性变形带来的位置误差。

35、根据本发明的一实施方式，步骤s5中，平面度计算与评定具体包括以下步骤：

36、s51：法兰特征提取：通过投影、二值化及孔洞识别，找到螺栓孔位置，以此划分外圈有效端面；

37、s52：区域划分：以各螺栓孔为周向边界，将外圈分成若干扇区；

38、s53：参考平面拟合：计算每个扇区的质心，用所有质心做正交总最小二乘拟合，得到参考平面；

39、s54：平面度计算与评定：计算各扇区质心到参考平面的有符号距离，取最大与最小之差作为平面度值。

40、根据本发明的一实施方式，步骤s31中，建立点云坐标补偿模型包括以下步骤：

41、s311：建立平台俯仰与横滚姿态补偿模型：

42、s3111：定义坐标系及各角度方向，获取双轴倾角传感器输出的俯仰角和横滚角，扣除基准姿态下的零点读数后作为有效姿态角； s3112：在平台未倾斜、伸缩臂长度固定的基准状态下，建立测量单元测量点相对于俯仰中心和横滚轴参考点的旋转轨迹模型，将测量单元坐标表示为旋转臂转角的常数项、余弦项和正弦项之和； s3113：选取多个旋转角度位置，测量单元测量点的带符号坐标，采用最小二乘法拟合求解旋转轨迹模型中的各项待定系数； s3114：根据拟合得到的俯仰基准轨迹系数，建立由俯仰角计算测量单元测量点z向位移误差的数学关系； s3115：根据拟合得到的横滚基准轨迹系数，建立由横滚角计算测量单元测量点x向位移误差的数学关系；

43、s312：建立旋转机构相对z向位移补偿模型：

44、s3121：检测开始前，使旋转臂处于初始角度和静止状态，对安装在旋转轴附近的z轴激光位移传感器执行置零操作，获取扫描过程中旋转臂相对于初始位置的z向相对位移；置零后传感器直接输出相对位移，初始位置的恒定偏置被定义为零基准，其整体平移不影响平面度评定结果；

45、s3122：获取激光位移传感器测量点到旋转臂与旋转轴连接中心的距离，以及相机实际测量点到该连接中心的距离，计算两者之间的位移放大系数；

46、s3123：根据激光位移传感器的z向相对位移读数与位移放大系数之间的关系，建立由传感器读数换算为相机测量点z向机械位移误差的数学关系；

47、s3124：当旋转臂伸缩长度改变时，根据实际相机测量点到连接中心的距离更新位移放大系数，使补偿模型适应不同规格法兰的测量工况。

48、根据本发明的一实施方式，步骤s32中，计算每条点云轮廓对应的瞬时x向和z向位移误差包括以下步骤：

49、s321：以点云轮廓序号为索引，将步骤s22采集的每条点云轮廓与步骤s23采集的对应时刻平台姿态数据、旋转机构相对位移数据和步骤s24采集的对应时刻旋转角度数据逐行关联，实现多源数据的同步对应；

50、s322：对于第i条点云轮廓，根据同步后获取的该轮廓对应的俯仰角、横滚角和z向相对位移，分别代入步骤s31建立点云坐标补偿模型，计算该轮廓对应的俯仰z向位移误差、横滚x向位移误差和机械位移z向位移误差。

51、根据本发明的一实施方式，步骤s33中，利用步骤s32计算得到的瞬时x向和z向位移误差，对步骤s22中获得的每条扫描轮廓逐行修正坐标，获得补偿后的有序点云包括以下步骤：

52、s331：将步骤s322计算得到的俯仰z向位移误差与机械位移z向位移误差叠加，作为该轮廓的总z向误差，将横滚x向位移误差作为该轮廓的总x向误差；

53、s332：对第i条轮廓内的所有点，分别从原始x坐标和z坐标中扣除对应的总x向误差和总z向误差，同一轮廓内的所有点施加相同的补偿量；

54、s333：遍历全部点云轮廓，逐行完成坐标修正，获得补偿后的有序点云。

55、根据本发明的一实施方式，步骤s43中，旋转臂变形补偿具体包括以下步骤：

56、s431：获取当前可伸缩旋转臂组件伸出长度对应的变形补偿参数；

57、s432：根据当前扫描轮廓对应的旋转角度，将可伸缩旋转臂组件末端变形量表示为旋转角度的正弦函数；

58、s433：将计算得到的变形补偿量叠加至极角坐标中，完成可伸缩旋转臂组件变形补偿。

59、与现有技术相比，本发明的风电塔架法兰平面度检测方法具有以下优点：

60、本发明的风电塔架法兰平面度检测方法，将每条线激光轮廓与对应时刻的旋转臂转角、平台俯仰角、平台横滚角和激光位移传感器读数建立关联，分别利用平台姿态补偿模型和旋转机构z向机械位移补偿模型计算测量单元测量点的坐标偏差，并将各误差分量统一映射至原始点云坐标，最终完成法兰整体平面度评定，测量结果更精准。