大口徑鋼管直徑、橢圓度測量系統(tǒng)的硬件設計

隨著化工、石油行業(yè)的迅猛發(fā)展,大口徑鋼管的需求量不斷增加,其端面直徑、橢圓度等參數(shù)與生產(chǎn)設計指標的符合情況直接影響了鋼管終質(zhì)量的優(yōu)劣。Euclid,Archimedes,Apollonius,Pappus等幾何學大師都熱衷于圓錐截線的研究，而且都有專著論述其幾何性質(zhì)，其中以Apollonius所著的八冊《圓錐截線論》集其大成，可以說是古希臘幾何學一個登峰造極的精擘之作。國內(nèi)大部分鋼管生產(chǎn)廠家主要采用人工手動的測量方法,這種測量方法精度低、效率低、工人勞動強度大、信息反饋慢同時無法充分反映管端情況,如何實時在線測量鋼管的直徑、橢圓度已成為廠家們關注的首要問題。目前,國外已經(jīng)研究出了大口徑鋼管在線檢測系統(tǒng),但其價格昂貴。因此,本文提出了一種大口徑鋼管直徑、橢圓度測量系統(tǒng),該系統(tǒng)基于激光測距遍歷原理、圓周遍歷原理和二乘法擬合原理,鋼管固定在V型支架上,激光位移傳感器在伺服電機的帶動下繞鋼管勻速轉(zhuǎn)動,對被測鋼管進行圓周遍歷,激光位移傳感器得到的數(shù)據(jù)為極軸方向的數(shù)據(jù),根據(jù)編碼器的輸出脈沖得到角度數(shù)據(jù),激光位移傳感器輸出的信號經(jīng)串口傳送到計算機,通過上位機數(shù)據(jù)處理軟件即可得到鋼管端面直徑、橢圓度,并將測量結果實時顯示和上傳。首先對鋼管直徑、橢圓度測量原理的研究:對國內(nèi)內(nèi)外現(xiàn)有檢測方法分析后,確定以激光位移傳感器為檢測元件,詳細介紹激光三角法測距遍歷原理和圓周遍歷直徑、橢圓度測量原理。其次數(shù)據(jù)采集模塊、運動控制模塊和數(shù)據(jù)上傳模塊是本文的核心模塊。數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)鋼管端面等角度數(shù)據(jù)采集。運動控制模塊中尋找零位運動控制法不僅解決了伺服電機與旋轉(zhuǎn)機構旋轉(zhuǎn)不同步的問題,同時還確保激光位移傳感器采集數(shù)據(jù)的準確性；噴標模塊主要用于標記直徑位置和周長超標。數(shù)據(jù)上傳模塊主要由測量數(shù)據(jù)上傳至Microsoft SQL server 2008數(shù)據(jù)庫和FTP上傳鋼管端面輪廓描點圖組成。后工業(yè)現(xiàn)場實驗結果表明,本系統(tǒng)的測量精度達到鋼管直徑、橢圓度測量的技術指標要求。本文所設計的大口徑鋼管直徑、橢圓度測量系統(tǒng)測量效率和精度高、可實現(xiàn)“在線,高速,多部位”的實時準確測量與數(shù)據(jù)自動存儲及輸出。

背景技術

石油天然的氣體管線有幾十公里的，也有幾百上千公里，這么長的管線是由多根鋼管收尾焊接而成，由于各鋼管的端部的形狀不一，因此，在鋼管對接的過程中，需要對鋼管端部的橢圓度進行測量，以保證對接效果。

現(xiàn)有技術中，鋼管橢圓度的檢測方法包括使用卡尺、米尺或者手持激光測距儀檢測，但是這幾種方法中，檢測工具的體積較大，使用較為不便，且可操作性差，如在使用卡尺檢測時，體積較大的卡尺由于較重容易傾斜，造成數(shù)據(jù)測量不準確；米尺的測量精度較差；手持激光測距儀的精度雖可以滿足，但是僅能測機組數(shù)據(jù)，無法測量整個圓，很難找到長軸和短軸的準確位置。連接采控板A和B，完成測量臂的旋轉(zhuǎn)和激光傳感器觸發(fā)數(shù)據(jù)采集等控制功能。三種檢測方法所用的檢測工具檢測效率較低，因此，能夠準確、快速的檢測鋼管的橢圓度對本領域的技術人員來說是需要解開技術問題。

對橢圓度進行檢測的雙向測徑儀

傳統(tǒng)的單向測徑儀只從一個方向檢測已滿足不了線材現(xiàn)場檢測的要求。橢圓度檢測橢圓度的測量方法通常有兩種，一種是上面所說的多組測頭進行外徑尺寸的測量，另一種是一組測頭進行180°/360°等角度的旋轉(zhuǎn)。雙向測徑儀通過平行光束在相互垂直的X-Y方向上同時髙速測量線材，再進行實時采樣處理，實現(xiàn)線材直徑在線的非接觸檢測及控制。本儀器可分別實時顯示X-Y方向上在線線材的平均直徑、偏差，并可顯示X-Y方向上的不圓度，這對提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量，減輕工人勞動強度具有重要意義。

公司重點致力于制管行業(yè)非標準成套設備的研發(fā)。目前公司主要產(chǎn)品有激光自動跟蹤系統(tǒng)、超聲波探傷系統(tǒng)、鋼管橢圓度等外觀檢測系統(tǒng)、焊縫自動修磨系統(tǒng)等。公司的產(chǎn)品已經(jīng)在多家企業(yè)中得到應用，產(chǎn)品現(xiàn)場適用性好，使用穩(wěn)定可靠。

消除橢圓度的方法

首先應該檢查珩磨前一道工序，弄清珩磨前零件的準備情況。橢圓度測量系統(tǒng)工作原理對于橢圓度的測量可以利用直接或間接方法來測量。檢查一下前一道工序機床主軸和夾具的不同軸度，夾具和機床主軸的中心連線，在200毫米長度上允許的不同軸度應該不大于0.02毫米。然后測量一下珩磨前的零件孔徑，看實際產(chǎn)生的橢圓度有多大。如果珩磨前一道工序產(chǎn)生的橢圓度太大，雖經(jīng)珩磨仍無法校正時，應該對前一道工序的機床和夾具精度作重新調(diào)整，或者改用其他加工方法，以提高珩磨前的零件精度。一般說來，珩磨前的工序產(chǎn)生的幾何尺寸偏差，不應該大于0.03~0.05毫米，否則就很難校正過來。然后檢查珩磨余量，看留的余量是否適當。在珩磨過程中，還應該注意不用過大的橫進給量。使用的冷卻液要均勻而充分地澆注在零件加工表面。檢查一下油石的質(zhì)量，看它的硬度是否均勻，校正得平不平，調(diào)整得是否適當。如果油石硬度不符合使用要求時，就應該換新的。如果調(diào)整不當，應重新調(diào)整。當珩磨厚薄不均勻的零件時，采用的夾具應特別注意它的夾緊方式，盡可能避免因夾緊不當而產(chǎn)生的變形。下圖所示為夾緊氣缸套筒用夾具，它是用液性塑料來傳遞壓力到定心套筒上去的，其優(yōu)點是夾緊快，而且正確可靠。氣缸套經(jīng)過珩磨后，從夾具中取出時形狀仍能保持不變