基于点云数据的管道内径偏差矫圆方法及系统与流程

本发明涉及管道加工及智能控制，具体涉及基于点云数据的管道内径偏差矫圆方法及系统。

背景技术：

1、管道在制造、焊接、热处理、运输及安装等过程中，受材料性能波动、残余应力、局部受力以及加工误差等因素影响，其截面容易产生椭圆、局部凹凸或其他形式的内径偏差。对于内径尺寸及圆度要求较高的管道，需要通过矫圆设备对超差位置施加径向作用，使管道在卸载后形成满足设计要求的空间残余响应。

2、现有管道矫圆过程中，通常根据卡尺、内径测量装置、截面轮廓检测装置或者三维检测装置获得管道的尺寸或轮廓信息，并根据检测结果确定矫圆位置及矫圆作用量。其中，采用三维点云数据能够获得管道内表面多个空间位置的几何信息，相较于少量截面的离散尺寸测量，有利于表征管道变形在轴向和周向上的空间分布。

3、然而，管道矫圆属于加载、塑性变形及卸载回弹相互耦合的过程。即使矫圆前检测得到相同或相近的几何偏差，由于不同管道以及同一管道不同位置的壁厚、材料性能、残余应力和既有变形状态存在差异，相同矫圆作用所形成的卸载后空间残余响应也可能不同。因此，仅根据矫圆前几何偏差按照固定经验参数确定矫圆作用量，或者仅依据预先建立且在后续矫圆过程中保持不变的理论响应关系确定矫圆参数，容易使预测结果与管道实际卸载回弹后的空间残余响应产生偏差，从而出现欠矫或过矫。

4、此外，当同一管道存在多个待矫圆区域时，一个位置的矫圆作用还可能引起相邻位置甚至原已满足允许偏差区域的变形变化，各矫圆作用之间具有一定的空间耦合关系。前一次矫圆产生的实际空间残余响应又会改变后一次矫圆的初始变形状态。如果后续矫圆仍采用矫圆前的原始状态或者未经实际矫圆结果修正的响应关系进行参数确定，预测误差可能随多轮矫圆过程累积。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于点云数据的管道内径偏差矫圆方法及系统，解决现有矫圆过程中按照固定经验参数或者固定理论响应关系确定矫圆参数时，难以反映管道不同位置实际刚度、塑性变形及卸载回弹差异，以及多轮矫圆过程中前次矫圆产生的实际空间残余响应未被充分反馈至后续矫圆决策，从而容易产生过矫、欠矫及累积预测偏差的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、基于点云数据的管道内径偏差矫圆系统，所述系统包括：

4、点云采集模块，用于获取待矫圆管道矫圆前的第一点云数据以及至少一次矫圆作用完成并卸载稳定后的第二点云数据；

5、变形场构建模块，用于根据所述第一点云数据和第二点云数据分别构建当前实际变形场和更新实际变形场；

6、响应预测模块，用于基于所述当前实际变形场、候选矫圆执行参数以及当前矫圆响应关系，获得所述候选矫圆执行参数对应的矫圆作用实施并卸载稳定后对管道多个空间位置产生的预测空间残余响应；

7、参数反求模块，用于根据所述当前实际变形场、预设目标管道形态以及所述预测空间残余响应确定目标矫圆执行参数；

8、矫圆执行模块，用于按照所述目标矫圆执行参数实施矫圆；

9、响应修正模块，用于根据所述当前实际变形场与更新实际变形场获得实际空间残余响应，并根据所述实际空间残余响应与预测空间残余响应之间的差异修正所述当前矫圆响应关系；

10、迭代决策模块，用于在所述更新实际变形场仍存在超差区域时，以所述更新实际变形场作为新的当前实际变形场，并基于修正后的矫圆响应关系重新预测后续候选矫圆执行参数对应的空间残余响应，并据此重新确定后续目标矫圆执行参数。

11、作为本发明进一步的方案：所述变形场构建模块被配置为：对所述点云数据进行滤波、配准和坐标统一，确定管道中心轴线，以沿所述中心轴线的轴向位置和绕所述中心轴线的周向位置作为空间索引，确定管道内表面不同空间位置相对于预设目标管道形态的径向偏差，根据所述径向偏差构建所述当前实际变形场或更新实际变形场，并将径向偏差超过预设允许范围的区域确定为待矫圆区域。

12、作为本发明进一步的方案：所述系统还包括坐标映射模块，用于建立点云检测坐标系、管道坐标系与矫圆执行机构执行坐标系之间的空间对应关系，并根据所述空间对应关系将所述实际变形场中的待矫圆区域转换为所述矫圆执行机构对应的作用位置和运动位置，以使由点云数据确定的待矫圆区域与矫圆执行机构的实际作用位置建立空间对应关系。

13、作为本发明进一步的方案：所述矫圆响应关系用于表征候选矫圆执行参数与管道在对应矫圆作用实施并卸载稳定后多个空间位置产生的空间残余响应之间的对应关系；所述候选矫圆执行参数至少包括矫圆作用位置以及顶推位移、顶推压力和保压时间中的至少一种；所述矫圆响应关系与管道当前实际变形状态相关，使同一候选矫圆执行参数在不同当前实际变形状态下对应不同的预测空间残余响应。

14、作为本发明进一步的方案：所述响应预测模块被配置为针对一个或多个候选矫圆作用位置，确定各候选矫圆作用对其作用区域以及作用区域之外多个空间位置产生的预测空间残余响应，以表征一个候选矫圆作用对其他待矫圆区域和/或已满足允许偏差区域产生的空间耦合影响；所述参数反求模块根据所述空间耦合影响，以矫圆后管道整体内径偏差和/或圆度误差满足预设要求为目标，在矫圆执行机构允许压力、允许位移和管道允许变形范围中的至少一种约束下，联合确定一个或多个矫圆作用位置以及相应的顶推位移、顶推压力和保压时间中的至少一种。

15、作为本发明进一步的方案：所述响应修正模块被配置为：在一次或一组矫圆作用完成并达到卸载稳定状态后，将对应矫圆作用前后的点云数据配准至统一空间坐标基准，根据相对应空间位置在矫圆前后的径向偏差变化，确定所述矫圆作用对管道多个空间位置产生的卸载后实际空间残余响应，并将所述卸载后实际空间残余响应与针对该矫圆作用获得的预测空间残余响应进行比较，以获得空间响应预测偏差。

16、作为本发明进一步的方案：所述响应修正模块还被配置为根据所述空间响应预测偏差，对与本次矫圆作用的位置、作用方向及作用量区间相对应的局部残余响应参数进行修正，所述局部残余响应参数包括表征管道局部刚度、卸载回弹特性以及矫圆执行作用与空间残余响应之间对应关系的参数中的至少一种，并基于修正后的局部残余响应参数形成适用于管道当前实际变形状态的矫圆响应关系。

17、作为本发明进一步的方案：所述系统还包括执行数据采集模块，用于采集矫圆执行过程中所述矫圆执行机构的实际顶推压力、实际顶推位移、作用时间和加载顺序中的至少一种执行数据，并建立本次矫圆作用的执行数据、矫圆前实际变形场以及卸载稳定后的实际空间残余响应之间的对应关系；所述响应修正模块根据所述执行数据和所述实际空间残余响应对本次矫圆作用对应的局部残余响应参数进行修正。

18、作为本发明进一步的方案：所述迭代决策模块被配置为：每完成一次或一组矫圆作用后，根据卸载稳定后的第二点云数据重新确定管道当前实际变形状态以及剩余待矫圆区域，以前一次矫圆作用后重新确定的当前实际变形状态作为下一次矫圆响应预测的初始状态，而非继续采用前一次矫圆作用之前确定的实际变形状态，并基于所述当前实际变形状态以及修正后的矫圆响应关系重新获得后续候选矫圆作用对应的预测空间残余响应，根据重新获得的预测空间残余响应确定后续矫圆作用位置、作用顺序及矫圆执行参数，直至管道内径偏差以及圆度误差中的至少一项满足预设允许范围。

19、基于点云数据的管道内径偏差矫圆方法，所述方法包括以下步骤：

20、s1：实际变形场构建：获取待矫圆管道矫圆前的第一点云数据，根据所述第一点云数据构建管道的当前实际变形场；

21、s2：空间残余响应预测：根据所述当前实际变形场、候选矫圆执行参数以及当前矫圆响应关系，获得所述候选矫圆执行参数对应的矫圆作用实施并卸载稳定后对管道多个空间位置产生的预测空间残余响应；

22、s3：目标矫圆执行参数反求及矫圆：根据所述当前实际变形场、预设目标管道形态以及所述预测空间残余响应反向确定目标矫圆执行参数，并按照所述目标矫圆执行参数对管道实施矫圆；

23、s4：更新实际变形场构建：在所述矫圆作用完成并达到卸载稳定状态后获取第二点云数据，根据所述第二点云数据构建更新实际变形场；

24、s5：实际空间残余响应确定及矫圆响应关系修正：将所述第一点云数据和第二点云数据配准至相同空间坐标基准，根据配准后的数据分别构建当前实际变形场和更新实际变形场，并根据所述当前实际变形场与更新实际变形场中相对应空间位置的径向偏差变化，获得本次矫圆作用在卸载稳定后对管道多个空间位置产生的实际空间残余响应；将所述实际空间残余响应与所述预测空间残余响应进行比较，并根据二者之间的差异修正与本次矫圆作用对应的矫圆响应关系；

25、s6：状态递推迭代矫圆：当所述更新实际变形场仍存在超差区域时，将所述更新实际变形场作为下一轮矫圆响应预测的新的初始状态，基于所述新的初始状态以及修正后的矫圆响应关系重新获得后续候选矫圆执行参数对应的预测空间残余响应，并重新确定后续目标矫圆执行参数，重复执行s3-s5，直至管道内径偏差以及圆度误差中的至少一项满足预设允许范围。

26、本发明的有益效果：

27、（1）本发明利用点云数据构建管道内表面的空间实际变形场，使矫圆参数的确定不仅基于局部直径测量结果，而且能够考虑内径偏差沿管道轴向和周向的空间分布。

28、（2）本发明在矫圆作用完成并卸载稳定后，根据矫圆前后实际变形场的变化获得实际空间残余响应，并利用实际空间残余响应与预测空间残余响应之间的差异修正矫圆响应关系，使后续空间残余响应预测能够适应当前管道及其局部区域所表现出的实际矫圆响应特性。

29、（3）本发明在每轮矫圆完成后，以更新后的实际变形场作为下一轮矫圆响应预测的初始状态，并重新确定剩余待矫圆区域和后续矫圆执行参数，使多轮矫圆决策能够反映前次矫圆实际产生的塑性变形及卸载回弹结果，降低连续采用原始状态预测所产生的累积误差。

30、（4）本发明在确定目标矫圆执行参数时考虑矫圆作用对作用区域之外空间位置产生的空间残余响应影响，有利于降低局部矫圆造成其他待矫圆区域或者原已满足允许偏差区域再次超差的可能性。