圆环器件的管径测量系统及其测量方法与流程
【技术领域】
本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种圆环器件的管径测量系统及其测量方法。
背景技术：
目前，钢管作为一种多功能的经济断面钢材，在国民经济各部分中的应用愈来愈广泛。随着管道现场焊接施工技术的不断进步，对钢管管径的要求也不断提高，特别是对管端，其内外径和管端不圆度的要求极为严格。因为当两管在野外或海洋中进行配管焊接施工时，如果钢管的管端直径和不圆度符合要求，焊接能顺利地完成；反之，会造成两管对焊困难，即使能勉强对焊在一起，也会产生很大的残余应力，致使焊缝处的机械性能下降，降低管道的安全性，特别是对于输送大量易燃易爆物质的油气输送管道。由于油气输送管道要承受几十甚至上百个大气压的内压，如果焊缝的机械性能不好，极易发生泄漏、爆炸事故。尤其是深海管线管，管道受洋流、潮汐、海浪的影响，对焊接效果要求更高，而且一旦断裂会导致原油泄漏，发生海洋污染事件，产生巨大的生态污染，造成严重的经济损失。因此，在钢管生产中，钢管的内外径、壁厚及不圆度在保证管道施工进度和质量方面具有重要意义。
由于生产工艺的限制，内外径不合格的钢管依然存在。为了筛选出合格的钢管，同时严格监控大口径钢管的生产质量，有必要对钢管管端的内径、外径及不圆度进行检测。然而，现有技术中管端内外径的测量主要依靠卡尺和千分尺等手工量具，这种测量方式受生产环境、量具精确度和操作人员因素的影响较大，不仅测量精度低、速度慢、效率低，工人劳动强度大，而且每个截面最多测量四组数据，无法充分反映管端不圆度情况。此外，对于工业管材生产线上的应用，其劳动力成本太高，也无法实现智能化和自动化的生产流水线。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种可提高检测效率和精度，减少人为检测误差的圆环器件的管径测量系统及其测量方法。
本发明的技术方案如下：
一种圆环器件的管径测量系统包括图像处理模块、驱动装置、控制模块、测量装置及计算模块，其中，
所述图像处理模块用于采集圆环器件的图像以获取圆环器件的姿态数据，并将所述姿态数据转换为所述驱动装置的坐标数据；
所述控制模块用于根据所述坐标数据控制所述驱动装置；
所述驱动装置用于驱动所述测量装置运动至测量位置；
所述测量装置用于采集其与圆环器件管壁间的间距数据；
所述计算模块用于根据所述间距数据计算得到圆环器件的管径值。
优选的，所述测量装置可绕一测量中心线旋转，所述测量中心线与圆环器件的中心轴线平行，所述间距数据为所述测量装置旋转至不同位置所获取的其与圆环器件管壁间的多个间距数据，根据所述多个间距数据可获得多个管径测量值，所述计算模块根据所述多个管径测量值计算得到圆环器件的管径值。
优选的，所述计算模块的数据处理算法为：设所述测量装置每次旋转的角度为θ，则旋转一周的次数为n＝2π/θ，每次的管径测量值为ri，在极坐标下：xi(θ)＝ri(θ)*cosθ；yi(θ)＝ri(θ)*sinθ，设圆环器件管径实际的圆心为(x0，y0)，则根据公式
优选的，所述测量装置包括管径测距探头、与所述管径测距探头连接的探头支撑臂及受所述驱动装置驱动的运动组件，所述运动组件用于驱动所述探头支撑臂带动所述管径测距探头绕所述测量中心线旋转，以使所述管径测距探头在旋转至不同位置时采集其与圆环器件管壁间的间距数据。
优选的，所述管径测距探头为内径测距探头，用于测量其与圆环器件内壁的间距数据，其中，ri＝所述内径测距探头与圆环器件内壁的间距+所述内径测距探头与所述测量中心线之间的间距。
优选的，所述管径测距探头为外径测距探头，用于测量其与圆环器件外壁的间距数据，其中，ri＝外径测距探头与所述测量中心线之间的间距-所述外径测距探头与圆环器件外壁的间距。
优选的，所述运动组件包括驱动本体、与所述驱动本体连接的横向驱动部以及与所述探头支撑臂连接的旋转驱动部，所述驱动本体和所述横向驱动部的其中一方与所述旋转驱动部连接，另一方与所述驱动装置连接，其中，所述横向驱动部用于驱动所述旋转驱动部沿所述测量中心线的延伸方向伸缩，所述驱动本体用于驱动所述旋转驱动部以带动所述管径测距探头绕所述驱动本体的轴线旋转，所述驱动本体的轴线为所述测量中心线。
优选的，所述旋转驱动部可沿与所述测量中心线垂直的方向自由伸缩，并通过所述探头支撑臂带动所述管径测距探头沿与所述测量中心线垂直的方向自由伸缩。
优选的，所述图像处理模块包括图像采集单元及分别与所述图像采集单元和所述控制模块连接的图像处理单元，所述图像采集单元包括至少两个相互垂直设置以采集圆环器件图像的取像装置，所述图像处理单元用于处理圆环器件的图像以得到圆环器件的姿态数据，并将所述姿态数据转换为所述驱动装置的坐标数据，所述姿态数据包括俯仰角和方位角。
优选的，所述驱动装置包括方位角旋转部及与所述方位角旋转部连接的俯仰角旋转部，所述方位角旋转部和所述俯仰角旋转部的其中一方与所述运动组件连接，其中，所述方位角旋转部驱动所述运动组件沿方位角旋转，所述俯仰角旋转部驱动所述运动组件沿俯仰角旋转，所述方位旋转角度范围为360度，所述俯仰旋转角度范围为-15～15度。
本发明还提供一种上述中任一项所述的圆环器件的管径测量系统的测量方法，所述测量方法包括以下步骤：
图像处理模块采集圆环器件的图像以获取圆环器件的姿态数据，并将所述姿态数据转换为驱动装置的坐标数据；
控制模块用于根据所述坐标数据控制所述驱动装置以驱动测量装置运动至测量位置；
所述测量装置采集其与圆环器件管壁间的间距数据；
计算模块根据所述间距数据计算得到圆环器件的管径值。
与相关技术相比，本发明提供的圆环器件的管径测量系统及其测量方法的有益效果在于：通过所述图像处理模块采集所述圆环器件的图像以获取所述圆环器件的姿态数据，并将所述姿态数据转换为所述驱动装置的坐标数据，所述控制模块根据所述坐标数据控制所述驱动装置以驱动所述测量装置运动至测量位置，不论待检测的所述圆环器件方位角和俯仰角如何，都可以将所述内径测距探头伸入所述圆环器件的端口内，并使所述测量装置的所述测量中心线与所述圆环器件的中心轴线保持平行，不仅能保证准确测量，而且能实现内外径自动化的测量。同时，还通过算法消除所述测量中心线与所述圆环器件的中心轴线不重合带来的误差以提高整套系统的精度和适用性。
【附图说明】
图1为本发明提供的圆环器件的管径测量系统的结构框图；
图2为本发明提供的圆环器件的管径测量系统的结构示意图；
图3为计算模块的数据处理算法示意图；
图4为本发明提供的测量方法的步骤流程图。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部份实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请结合参阅图1和图2，其中，图1为本发明提供的圆环器件的管径测量系统的结构框图，图2为本发明提供的圆环器件的管径测量系统的结构示意图。其中，管径可为圆环器件的内径或/和外径，为方便说明，以下的描述中，均以内外径同时测量的技术方案作为具体实施方式进行说明，当然，本发明的测量系统及方法也可只用于圆环器件内径的测量或仅用于圆环器件的外径测量。所述圆环器件的管径测量系统100包括图像处理模块1、驱动装置2、控制模块3、测量装置4及计算模块5。所述图像处理模块1用于采集圆环器件200的图像以获取所述圆环器件200的姿态数据，并将所述姿态数据转换为所述驱动装置2的坐标数据，所述驱动装置2连接并驱动所述测量装置4，所述控制模块3分别与所述图像处理模块1和所述驱动装置2通信连接，并用于根据所述坐标数据控制所述驱动装置2以驱动所述测量装置4运动至测量位置，所述测量装置4用于采集其与所述圆环器件200的内壁和外壁之间的间距数据，所述间距数据为所述测量装置4绕一测量中心线旋转至不同位置所获取的其与所述圆环器件200的内壁和外壁之间的多个间距数据，根据所述多个间距数据可获得多个内径测量值和多个外径测量值，所述计算模块5与所述测量装置4通信连接，并用于根据所述多个内径测量值和所述多个外径测量值计算得到所述圆环器件200的内径值和外径值。其中，所述圆环器件200可以是钢管等圆环器件，其管径范围为：30≤内径＜外径≤200mm，壁厚为0.1mm～50mm。在本实施例中，所述驱动装置2为云台装置，且其定位精度小于0.004度。
请同时参阅图2，所述图像处理模块1包括图像采集单元11及分别与所述图像采集单元11和所述控制模块3连接的图像处理单元13，所述图像采集单元11包括至少两个相互垂直设置以采集所述圆环器件200图像的取像装置(例如，摄像头)，所述图像处理单元13用于处理所述圆环器件200的图像以得到所述圆环器件200的姿态数据，并将所述姿态数据转换为所述驱动装置2的坐标数据发送至所述控制模块3。其中，所述姿态数据包括俯仰角和方位角，即所述测量装置4相对于所述圆环器件200的位置。
所述测量装置4包括与所述计算模块5通信连接的管径测距探头、与所述管径测距探头连接的探头支撑臂以及受所述驱动装置2驱动的运动组件45。
所述管径测距探头的数量为两个，分别为内径测距探头41和外径测距探头43。其中，所述内径测距探头41采集其与所述圆环器件200内壁之间的间距数据，所述外径测距探头43采集其与所述圆环器件200外壁之间的间距数据。在本实施例中，所述内径测距探头41和所述外径测距探头43均为精密位移传感器(例如，激光测距传感器、电涡流位移传感器等)。
所述探头支撑臂的数量为两个，分别为与所述外径测距探头43连接的外径探头支撑臂46以及与所述内径测距探头41连接的内径探头支撑臂47，且所述外径探头支撑臂46和所述内径探头支撑臂47平行并间隔设置。
所述运动组件45用于驱动所述外径探头支撑臂46和所述内径探头支撑臂47带动所述内径测距探头41和所述外径测距探头43绕所述测量中心线旋转，以使所述内径测距探头41和所述外径测距探头43在旋转至不同位置时采集其与所述圆环器件200的内壁和外壁之间的间距数据。
所述运动组件45包括与所述外径探头支撑臂46和所述内径探头支撑臂47连接的旋转驱动部451以及横向驱动部453和与所述横向驱动部453连接的驱动本体455，所述驱动本体455和所述横向驱动部453的其中一方与所述旋转驱动部451连接，另一方与所述驱动装置2连接。在本实施例中，所述驱动本体455与所述驱动装置2连接，所述横向驱动部453与所述旋转驱动部451连接。在其他实施例中，还可以设置成所述横向驱动部453与所述驱动装置2连接，所述驱动本体455与所述旋转驱动部451连接。
其中，所述横向驱动部453用于驱动所述旋转驱动部451沿所述测量中心线的延伸方向伸缩，以使所述内径测距探头41能进入所述圆环器件200的中心端口，同时，所述外径测距探头43能延伸至所述圆环器件200的外部上方。其中，所述外径探头支撑臂46及所述内径探头支撑臂47与所述测量中心线平行。
所述驱动本体455用于驱动所述旋转驱动部451以带动所述内径测距探头41和所述外径测距探头43绕所述驱动本体455的轴线o’-o’旋转，即：所述驱动本体455的轴线o’-o’为所述测量中心线。
在本实施例中，所述旋转驱动部451可沿与所述测量中心线垂直的方向自由伸缩，并通过所述内径探头支撑臂47和所述外径探头支撑臂46带动所述内径测距探头41和所述外径测距探头43沿与所述测量中心线垂直的方向自由伸缩，从而调节所述内径测距探头41和所述外径测距探头43之间的距离及所述内径测距探头41和所述外径测距探头43分别与所述测量中心线之间的距离，从而可以满足不同型号圆环器件的内外径、壁厚的需要。
所述驱动装置2包括方位角旋转部21及与所述方位角旋转部21连接的俯仰角旋转部23，所述方位角旋转部21和所述俯仰角旋转部23的其中一方与所述运动组件45连接，其中，所述方位角旋转部21驱动所述运动组件45沿方位角旋转，所述俯仰角旋转部23驱动所述运动组件45沿俯仰角旋转，所述方位旋转角度范围为360度，所述俯仰旋转角度范围为-15～15度。在本实施例中，所述俯仰角旋转部23分别与所述方位角旋转部21和所述运动组件45连接。在其他实施例中，还可以设置成所述方位角旋转部213分别与所述俯仰角旋转部23和所述运动组件45连接。
所述控制模块3控制所述方位角旋转部21的方位旋转角度和所述俯仰角旋转部23的俯仰旋转角度以使得所述测量装置4运动至测量位置，即：使所述测量装置4的所述测量中心线与所述圆环器件200的中心轴线o-o平行，且所述内径测距探头41能伸入所述圆环器件200的中心端口的位置。其中，所述坐标数据为所述方位角旋转部21的方位旋转角度和所述俯仰角旋转部23的俯仰旋转角度。由于所述圆环器件200置于检测位置时，有可能会出现水平方向横向倾斜(即所述姿态数据的方位角)或/和垂直方向倾斜(即所述姿态数据的俯仰角)，因此，通过所述图像处理模块1采集所述圆环器件200的图像以获取所述圆环器件200的姿态数据，并将所述姿态数据转换为所述驱动装置2的坐标数据，所述控制模块3根据所述坐标数据控制所述方位角旋转部21的方位旋转角度和所述俯仰角旋转部23的俯仰旋转角度以使得所述测量装置4运动至测量位置，不论待检测的所述圆环器件200方位角和俯仰角如何，都可以将所述内径测距探头41伸入所述圆环器件200的中心端口内，并使所述测量装置4的所述测量中心线与所述圆环器件200的中心轴线o-o保持平行。
请参阅图3，为计算模块5的数据处理算法示意图。其中，虚线十字焦点为所述圆环器件200的实际圆心(即：实际圆心为所述圆环器件200的中心轴线o-o上的一点)，实线十字焦点为实际测量的中心(即：实际测量的中心为所述测量中心线上的一点)。所述计算模块5的数据处理算法为：设所述内径测距探头41和所述外径测距探头43每次旋转的角度为θ,则旋转一周的次数为n＝2π/θ,每次的内径或外径的半径测量值为ri，ri＝所述内径测距探头41与所述圆环器件200内壁的间距+所述内径测距探头41与所述测量中心线的间距或者所述外径测距探头43与所述测量中心线的间距-所述外径测距探头43与所述圆环器件200外壁的间距，所述内径测距探头41和所述外径测距探头43分别与所述测量中心线的间距，即是所述内径探头支撑臂47及所述外径探头支撑臂46分别与所述驱动本体455的轴线o’-o’的间距，这是直接可测的，在极坐标下：xi(θ)＝ri(θ)*cosθ；yi(θ)＝ri(θ)*sinθ，设圆环器件内径实际的圆心为(x0，y0)，则根据公式
在本实施例中，为了提高所述圆环器件的管径测量系统100的适用性。所述圆环器件的管径测量系统100还包括驱动所述驱动装置2做升降运动的升降台6、支撑所述升降台6的底座7及设于所述底座7上的行走装置8。
请参阅图4，为本发明提供的圆环器件管径测量方法的步骤流程图。本发明还提供一种利用所述圆环器件的管径测量系统100的测量方法，所述测量方法包括以下步骤：
步骤s1、图像处理模块1采集目标圆环器件200的图像以获取圆环器件200的姿态数据，并将所述姿态数据转换为驱动装置2的坐标数据。
具体的，至少两个相互垂直设置的所述取像装置11采集所述圆环器件200的图像并发送至所述图像处理单元13，所述图像处理单元13处理所述圆环器件200的图像以得到所述圆环器件200的姿态数据，并将所述姿态数据转换为所述驱动装置2的坐标数据后发送至所述控制模块3。其中，所述姿态数据包括俯仰角和方位角，即所述测量装置4相对于所述圆环器件200的位置。
步骤s2、控制模块3根据所述坐标数据控制驱动装置2以驱动测量装置4运动至测量位置。
具体的，所述控制模块3控制所述方位角旋转部21的方位旋转角度和所述俯仰角旋转部23的俯仰旋转角度，以使得所述内径探头支撑臂47及所述外径探头支撑臂46与所述圆环器件200的中心轴线o-o平行，且所述内径测距探头41能伸入所述圆环器件200的中心端口的位置。
步骤s3、所述测量装置4采集其与圆环器件200管壁间的间距数据。
步骤s3-1、所述横向驱动部453驱动所述旋转驱动部451沿所述测量中心线的延伸方向伸缩，以使所述内径测距探头41进入所述圆环器件200的中心端口，同时，所述外径测距探头43延伸至所述圆环器件200的外部上方。
步骤s3-2、所述驱动本体455驱动所述旋转驱动部451带动所述内径测距探头41和所述外径测距探头43绕所述驱动本体455的轴线o’-o’旋转，所述内径测距探头41和所述外径测距探头43在不同旋转角度多次采集数据。
步骤s4、计算模块5根据所述间距数据计算得到圆环器件200的管径值。
请参阅图3，为计算模块5的数据处理算法示意图。其中，虚线十字焦点为所述圆环器件200的实际圆心(即：实际圆心为所述圆环器件200的中心轴线o-o上的一点)，实线十字焦点为实际测量的中心(即：实际测量的中心为所述测量中心线上的一点)。所述计算模块5的数据处理算法为：设所述内径测距探头41和所述外径测距探头43每次旋转的角度为θ,则旋转一周的次数为n＝2π/θ,每次的内径或外径的半径测量值为ri，ri＝所述内径测距探头41与所述圆环器件200内壁的间距+所述内径测距探头41与所述测量中心线的间距或者所述外径测距探头43与所述测量中心线的间距-所述外径测距探头43与所述圆环器件200外壁的间距，所述内径测距探头41和所述外径测距探头43分别与所述测量中心线的间距，即是所述内径探头支撑臂47及所述外径探头支撑臂46分别与所述驱动本体455的轴线o’-o’的间距，这是直接可测的，在极坐标下：xi(θ)＝ri(θ)*cosθ；yi(θ)＝ri(θ)*sinθ，设圆环器件内径实际的圆心为(x0，y0)，则根据公式
本发明提供的圆环器件的管径测量系统及其测量方法的有益效果在于：通过所述图像处理模块1采集所述圆环器件200的图像以获取所述圆环器件200的姿态数据，并将所述姿态数据转换为所述驱动装置2的坐标数据，所述控制模块3根据所述坐标数据控制所述驱动装置2以驱动所述测量装置4运动至测量位置，不论待检测的所述圆环器件200方位角和俯仰角如何，都可以将所述内径测距探头41伸入所述圆环器件200的端口内，并使所述测量装置4的所述测量中心线与所述圆环器件200的中心轴线o-o保持平行，不仅能保证准确测量，而且能实现内外径自动化的测量。同时，还通过算法消除所述测量中心线与所述圆环器件200的中心轴线o-o不重合带来的误差以提高整套系统的精度和适用性。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，包括通过机械设计和更换精密位移传感器等方式得到更大的内外径测量范围、壁厚的测量范、内外径的测量精度。但这些均属于本发明的保护范围。
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