基于激光测距的大口径管道在线测径装置的制作方法

1.本实用新型属于管道测量技术领域，具体是一种基于激光测距的大口径管道在线测径装置，尤其适用于螺旋焊管的管径测量。


背景技术：

2.管径和圆度是影响大口径管道性能和质量的主要因素，尤其对于以螺旋焊管为代表的焊接钢管，其直径波动与圆度偏差直接影响产品的性能与质量，因此在制备过程中对大口径管道的直径与圆度进行实时测量是需要解决的技术问题。
3.目前，普遍采用卡尺、千分尺、卷尺、周径尺等量具对扩径管道直径进行手工测量，但是上述传统的测量方法受生产环境、量具精确度和操作人员测量是否规范的影响较大，因此存在测量精度低、测量速度慢、测量效率低、工人劳动强度大等缺点，无法充分反映生产过程中整个大口径管道的外径情况。除了上述传统的测量方法外，还可以采用大直径测径仪对大口径管道的直径进行测量，大直径测径仪可以适应不同直径范围的管道，并且检测精度较高，但是大直径测径仪的体积庞大，检测时不能存在遮挡物，大直径测径仪成本高昂，维护费用昂贵，而且对生产环境有较高要求，不能适用于生产过程中的实时测量。
4.申请号为202020531259.x的专利公开了一种扩径管道直径及圆度在线监测装置，该装置包括底座、机架、计算机、管道直径测量组件及管道圆度测量组件；针对扩径管道的直径测量，该专利提出使用软尺、软尺收紧装置、拍照相机、激光发生器来完成扩径管道的周长数据采集，过程可简要概括为收紧软尺贴紧管道表面，激光发生器标定软尺数据，拍照相机拍摄软尺图片并把得到的数据发给计算机，计算机通过对数据进行求差处理得到周长，根据周长公式l＝2πr处理得到扩经管道直径并显示到计算机交互界面上；针对圆度则使用四只激光测距装置进行四个方向上平行于扩经管道横截面的扫描，将扫描的数据发给计算机，计算机通过数据拟合得到扩经管道圆度并显示在计算机交互界面上。该装置存在的缺点为：1)该装置只能在管道生产完毕后进行检测，许多工厂可能需要在管道生产的过程中就进行检测，因此适用范围有限。2)该装置的直径测量方式十分繁琐，当测量一个管道时，便需要复位软尺电机，放入管道，开启软尺电机收紧软尺使其紧贴管道表面，然后开启测量，测量完成后复位软尺电机，其过程过于繁琐。3)该装置的直径测量方式精确度不高，该装置使用软尺这一测量工具，其测量精度受仪器限制不可能达到很高的程度，且当管道表面并不平整或者管道出现局部变形时将极大影响测得的直径数据的真实性。
5.申请号为202021193397.8的专利公开了一种可移动式多规格管道直径及圆度在线快速检测装置，包括行走机构、检测机构以及轨道机构。该装置主要特点有两点：一是为管道检测装置增加了移动的能力，使其可以自动对管道的全部横截面做检测并得到数据；二是使用角度传感器结合传动机构实现对不同直径的管道做直径和圆度的测量。该装置存在的缺点为：1)管道测量装置移动测量会给测量过程带来许多误差，而该专利未叙述这部分误差的类型与解决方案。2)该装置无法保证管道直径和圆度是否被精确测量，该装置并未提到如何保证管道和专利提到的管道测量装置的同轴问题，如果无法保证管道在检测过
程中与管道测量装置同轴，那么其测量的数据将全部不能使用。
6.因此，针对大口径管道管径及圆度测量的实际需求，亟待一种高精度、无接触、在线监测装置生产过程中进行直径和圆度的实时测量。


技术实现要素：

7.针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提出一种基于激光测距的大口径管道在线测径装置。
8.为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
9.一种基于激光测距的大口径管道在线测径装置，其特征在于，该装置包括基架、升降驱动机组和第一激光测距阵列；所述基架的中部具有凹槽，使基架呈倒凹字型，待测量管道位于凹槽内；第一激光测距阵列包含至少三个等间距的激光测距传感器，第一激光测距阵列位于基架的一侧，每个激光测距传感器的测量点均位于待测量管道的水平中轴面上；基架的四个端角均设有升降驱动机组。
10.该装置还包括丝杠架、丝杠、滑块、第一伺服电机、第二伺服电机和支撑轴；丝杠架安装在基架上，丝杠和支撑轴均安装在丝杠架上，第一伺服电机和第二伺服电机位于丝杠架的两端，两个伺服电机的输出轴分别与丝杠的两端连接；丝杠上等距安装有至少三个滑块，每个滑块上均安装有激光测距传感器。
11.每个升降驱动机组均包括工业减速电机和第一丝杠升降机；工业减速电机的输出轴与第一丝杠升降机的水平旋转轴的一端连接，第一丝杠升降机的竖直旋转轴的上端与基架固连。
12.所述升降驱动机组还包括连接轴和第二丝杠升降机；连接轴的一端与第一丝杠升降机的水平旋转轴的另一端连接，连接轴的另一端与第二丝杠升降机的水平旋转轴连接，两个丝杠升降机构成联动型升降机。
13.该装置还包括第二激光测距阵列，第二激光测距阵列与第一激光测距阵列对称安装在基架的两侧，第二激光测距阵列的各个激光测距传感器与第一激光测距阵列的各个激光测距传感器一一对应。
14.与现有技术相比，本实用新型的优点和产生的积极效果是：
15.1.本实用新型提供的基于激光测距的大口径管道在线测径装置，通过测量待测量管道外表面到激光测距传感器之间的距离，得到待测量管道的管径，用于管道生产过程中对管径的实时测量，能够同时满足管道直径、圆度的在线测量和实时显示。
16.2.通过四个升降驱动机组为整体装置提供足够的支撑力，还能够完成基架的整体升降，以帮助激光测距阵列定位，以适应不同大小的管道。
17.3.使用双电机驱动丝杠转动，在不增加电机体积和电机扭矩的前提下，克服单电机驱动丝杆而导致的扭矩不足，保证滑块丝杠上的精确定位。
18.4.装置相比于传统的工人手工测量，不仅提高了测量精度，实现了检测自动化、极大地节约了时间成本，同时还为工厂节约了劳动力，提高了工厂的整体经济效益；所述装置相比于现代的大口径测量仪，极大地降低了工厂成本，且能够满足大口径管道直径和圆度的检测精度需求。
附图说明
19.图1为本实用新型在一个角度下的整体结构示意图；
20.图2为本实用新型在另一个角度下的整体结构示意图；
21.图3为本实用新型的升降驱动机组的结构示意图；
22.图4为本实用新型的激光测距阵列的结构示意图；
23.图5为本实用新型的原理图；
24.图中，1—工业减速电机；2—第一丝杆升降机；3—第二丝杠升降机；4—连接轴；5—基架；6—待测量管道；7—第一伺服电机；8—滑块；9—丝杠架；10—激光测距传感器；11—第二伺服电机；12—丝杠；501—凹槽。
具体实施方式
25.下面结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明，但并不以此限定本技术的保护范围。
26.本实用新型为一种基于激光测距的大口径管道在线测径装置(简称装置，参见图1-5)，包括基架5、升降驱动机组和第一激光测距阵列；所述基架5的中部具有凹槽501，使基架5呈倒凹字型，待测量管道6位于凹槽501内，待测量管道6轴向与凹槽501长度方向平行，凹槽501的大小能够容纳待测量管道6，保证凹槽501不影响待测量管道6的行进运动；第一激光测距阵列由至少三个等间距的激光测距传感器10构成，本实施例为六个；第一激光测距阵列安装在基架5的一侧，每个激光测距传感器10的测量点均位于待测量管道6的水平中轴面上；基架5的四个端角均设有升降驱动机组，用于驱动基架5升降，保证测量不同管径的管道时激光测距传感器10的测量点均位于待测量管道6的水平中轴面上。
27.每个升降驱动机组均包括工业减速电机1和第一丝杠升降机2；工业减速电机1通过法兰固定地面或者操作台上，工业减速电机1的输出轴通过联轴器与第一丝杠升降机2的水平旋转轴的一端连接，第一丝杠升降机2的竖直旋转轴的上端通过法兰与基架5固连，法兰能够在第一丝杠升降机2的竖直旋转轴上滑动，第一丝杠升降机2的竖直旋转轴的下端固定在地面或操作台上，第一丝杠升降机2将工业减速电机1的动力转换为推动基架5升降的竖直推力。
28.升降驱动机组还包括连接轴4和第二丝杠升降机3；连接轴4的一端通过联轴器与第一丝杠升降机2的水平旋转轴的另一端连接，连接轴4的另一端通过联轴器与第二丝杠升降机3的水平旋转轴连接；两个丝杠升降机构成联动型升降机，在起到提供基架5上、下自由度的同时，也起到了支撑整个装置的作用。
29.该装置还包括丝杠架9、丝杠12、滑块8、第一伺服电机7、第二伺服电机11和支撑轴(图中未画出)；丝杠架9固定在基架5上，丝杠12和两个支撑轴均安装在丝杠架9上，两个支撑轴位于丝杠12的两侧；第一伺服电机7和第二伺服电机11固定在丝杠架9的两端，两个伺服电机的输出轴分别通过联轴器与丝杠12的两端连接；通过两个伺服电机驱动丝杠12转动，在不增大单个伺服电机的扭矩和体积的前提下，保证驱动丝杠12的扭矩足够大，同时还避免整体装置重量分布不均匀，保证装置的稳定性；丝杠12上等距安装有至少三个滑块8，每个滑块8上均固定有激光测距传感器10，激光测距传感器10的测量点位于待测量管道6的水平中轴面上。
30.该装置还包括第二激光测距阵列，第二激光测距阵列与第一激光测距阵列对称安装在基架5的两侧，第二激光测距阵列的各个激光测距传感器与第一激光测距阵列的各个激光测距传感器10一一对应，通过第二激光测距阵列消除待测量管道6偏移产生的误差。
31.本实用新型的工作原理和工作流程是：
32.如图5所示，以每个激光测距阵列包含六个激光测距传感器为例进行说明，六个激光测距传感器对应的测量点为a～f；在待测量管道任意截面圆周上取等分点1～6，点1与点a重合；待测量管道旋转一周后该截面圆的等分点为1’～6’，设待测量管道旋转一周的时间为t，在待测管道旋转一周的过程中，激光传感器1～6分别在0、t/6、t/3、t/2、2t/3、5t/6时刻于点a、b、c、d、e、f处测得点1、2、3、4、5、6处的距离数据，并经过计算得到点1～6处的直径。
33.设待测量管道6的标准直径l，周向旋转速度v1，轴向行进速度v2，待测量管道6旋转一周的时间为t，t时间内待测量管道6行进的距离为x，相邻两个激光测距传感器10的间距为x1，相邻两个滑块8的间距为x2，则有t＝[2π*(l/2)]/v1＝πl/v1；t时间内待测量管道6行进的距离为x＝v2*t＝πlv2/v1，因此相邻两个激光测距传感器10的间距x1＝x/6＝πlv2/(6v1)；
[0034]
根据滑块8与激光测距传感器10的安装位置以及间距x1，得到基架5同一侧相邻两个滑块8的间距x2，根据间距x2手动调整丝杠12上相邻两个滑块8的位置；计算机根据待测量管道6的标准直径l与对地高度得出激光测距传感器10所需要处于的高度h，控制四个工业减速电机1转动，以调整基架5的高度，保证所有激光测距传感器10的测量点与待测量管道6的水平中轴面共面，且所有激光测距传感器10测量点所在的平面与地面平行。计算机控制第一伺服电机7和第二伺服电机11驱动丝杆12转动，带动滑块8和激光传感器10到达指定位置，并保证第一激光测距阵列的上激光测距传感器10与第二激光测距阵列上的激光测距传感器的位置严格对称。
[0035]
根据点a处相对的两个激光测距传感器10安装距离以及测得的距离数据得到管道直径的测量值，对待测量管道进行管径测量；同理可以得到b～f点待测量管道的六个管道直径测量值；a～f点处的管道测量值实质上是1～6点处的管道测量值；将这六个测量值分别代入圆的一般方程中即可得到一个拟合的截面圆，此截面圆实时显示在计算机的显示屏上，方便工作人员观察。激光测距传感器以一定的采样频率测距，测量的数据实时传输至计算机中，计算机接收到数据后按照此过程得到待测量管道的管径以及圆度，圆度为最大半径与最小半径之差；同时拟合的截面圆也将显示到屏幕上，并且原始数据和处理后的数据都将被储存，以便后续查看和使用。
[0036]
若待测量管道6上存在凹陷等缺陷时，计算机在处理这部分数据后得知此时正在扫描问题处，会立即控制激光测距传感器提高功耗，加大采样频率，并实时把采得的问题处的数据发送到计算机，计算机会存储数据并对数据进行分析，根据缺陷识别程序给出问题类型及相关问题参数，例如最大凹陷深度等。当扫描过问题处后，计算机控制激光测距传感器的采样频率降低，降低功耗。如果待测量管道没有凹陷，则激光测距传感器一直保持正常采样频率工作，整根待测量管道检测完后未发现缺陷则说明管径及圆度符合标准，待测量管道无暗伤。当激光测距传感器的采用频率足够高或者增加激光测距传感器的数量，即可拟合出整个待测量管道。
[0037]
该装置用于管道生产过程中的管径测量，尤其是针对螺旋焊管，其在被生产时是旋转行进的；该装置会在螺旋焊管已经卷制焊接好的部分进行检测，不仅能给及时发现螺旋焊管是否达标，还能在发现问题时，及时根据结果反馈判断是管道生产出现的正常误差，还是因为生产机器出现了问题等其他因素使得管道生产出现了较大误差。
[0038]
本实用新型未述及之处适用于现有技术。