大口徑鋼管測量系統軟件及精度分析

曾慶興

（帕博檢測技術服務有限公司，廣東珠海，519000）

0 引言

石化工業領域發展速度加快進行著，目前我國的發展中，管道輸送應用較多，成為長距離油氣輸送的主要模式，漸漸的取消了傳統鐵路運輸形式，這種環境下，促使國內管線鋼板生產也在進步，不斷提升制管技術水平。為了順應激烈的市場競爭環境，滿足惡劣的工業現場狀態中的鋼管對接和裝配的需求，就要不斷的嚴格的規范鋼管的質量要求，采取先進的大口徑鋼管測量精度的測量模式，已經成為研究熱點，在鋼管檢測領域屬于重難點。最近幾年的發展中，采取先進化的無縫管與焊管的加工工藝設備已經逐漸推廣,但是不足的情況就是，大口徑鋼管直徑、橢圓度等鋼管外形的幾何尺寸在線測量設備應用有待提升。當前比較關鍵的研究內容就是，怎樣讓大口徑鋼管運用各在線測量設備標定,大口徑鋼管高質量的測量，提升結果的準確度。

1 大口徑鋼管輪廓測量方案研究

1.1 測量系統技術性能要求

在技術條件方面上，大口徑鋼管測量系統技術參數要求標準就是：鋼管外徑為Φ508mm-Φ1422mm；鋼管直度為管端彎曲度在4mm/m之內；鋼管長度是8.0m-12.5m；全管彎曲度不足30mm；管體彎曲度在3mm/m之內；橢圓度測量精度是±0.1mm；測量速度每圈在2分鐘以內；采用密度是每圈720個采樣點。在設備工作性能方面，連續工作的時間在8小時以上。設備工作環境要求就是工作電壓為220V，工作的溫度和濕度分別是10-40℃、20-60%。測量系統的基本要求就是，自動化程度較高，進行誤差計算分析，降低人為操作失誤情況，軟件界面簡潔明了，靈活選取檢測方法，減少制造成本、維護的成本等。按照測量系統的技術性能要求，設計出建立在激光三角法測量基礎上的檢測系統，通過激光漫反射，展開迅速的、非接觸性以及高精度測量被測管狀工件。

1.2 激光位移傳感器測量原理

激光位移傳感器能夠對于被測物體的很多內容改變情況進行準確的測量，包括部位和位移等等，展開測量檢測物體的直徑、厚度、位移、距離以及振動等。遵循標準化的測量原理，激光位移傳感器中可以采取的測量模式為兩種，一種是激光三角測量法，另一種就是激光回波分析法。其中，在非接觸測量和校準領域，也就是位移精度較高、靈敏度較高以及同軸度的情況，通常就是應用激光三角法更多，主要是予以微小零件的尺寸進行測量。在激光位移傳感器的測距原理和應用項目方面，這種舉措能夠達到測量大口徑鋼管的標準需求。激光位移傳感器中光三角法的應用，激光光束的發射中，需要依靠激光器半導體實現，發射的途徑就是光學系統，在被測物體表面0點（測量點），相應的會匯聚光束由此形成一個散射光斑點。激光反射以后，進入漫反射光線，產生光斑后，于CCD點部位進行集中。如圖1。

圖1 激光三角測距原理圖

1.3 內外徑遍歷測量法

建立在光三角法基礎上的非接觸檢測方法，在V型架上面進行嚴密的固定好鋼管，同時于在轉軸帶動的旋轉機構固定好激光位移傳感器，隨著旋轉機構進行旋轉，旋轉機構轉到相應角度以后，激光位移傳感器至鋼管表面的距離就會通過激光位移傳感器進行一次測量，激光位移傳感器繞鋼管轉動一周，得到相應的幾何參數，即鋼管管端內外徑輪廓、鋼管橢圓度等。例如，固定鋼管，激光位移傳感器入射光垂直射向鋼管端面，這種情況下，繞鋼管端面的激光位移傳感器，會產生旋轉的效果，每轉相關角度以后，針對性的就會采集一次距離數據，轉到一周的時候就完成鋼管的圓周遍歷測量。

1.4 大口徑鋼管管端端面垂直度測量

把待測鋼管水平放置于平臺上，通過全站儀對兩端端面進行若干個點的數據進行采集，借助CAD的繪圖功能，根據坐標軸Z的計算，得出Z的最大值，即為管端的最大垂直度，具體實現方法如下：

(1)從全站儀將測量點位圖導出，并保存為*.DXF格式；(2)使用AUTOCAD將圖打開；(3)在測量點（點號為1000）做沿XY軸做線，用以文件復查的測量參考；(4)為方便測量我們將整個圖紙以測量點（點號為1000）為基準放大了1000倍，由原圖的米為單位調整到毫米為單位；(5)將視口調整到方便顯示一個管端的位置，為尋找第一個面做準備；(6)以命令在點中建立面，并使用紫色線來標注所選擇的點位，繪制的紫色線保留以備查驗。核對其他點相對于這個面的距離，如其他點距離此面距離誤差較大，則另外選擇3點建立面，直至找到一個理想的面；(7)在步驟6尋找到的面上以每個點為圓心，繪制相同直徑的圓；(8)在接近中心處尋找一個近似的圓心位置。并繪制一個圓，其圓心用于下一步的測量；(9)標注步驟8繪制的圓心到各個點位的距離，用于對比對應點位（如0o點與180o點，或90o點與270o點）到圓心的距離。如偏差較多，則調整圓的位置及標注點位置，直至所有相對點的距離接近（現用誤差為1mm）；(10)重復5～ 9步驟完成另一面的繪制，并將兩個圓的圓心用線連接起來；(11)使用命令沿步驟10繪制的軸線建立一個立方體，目的為建立一個垂直于步驟10繪制的軸線的面；(12)以立方體的端面為基準面，并逐點點選TOP面的點，右方的Z軸坐標值即為每個點到面的距離。將數值抄下并填制入《尺寸檢驗報告》；(13)根據完成的工程文件，出具《尺寸檢驗報告》。

2 測量系統結構與軟件分析

2.1 測量系統結構

進行鋼管端面測量期間，激光位移傳感器一共展開兩次遍歷鋼管端面，即正向遍歷圓周、反向遍歷，首次正向遍歷圓周，產生的作用就是進行數據資料的收集整理，鋼管內外表面輪廓的指標，通過激光位移傳感器圓周遍歷采集，然后獲得到鋼管幾何參數（端面內外徑直徑值、角度部位、周長等），第二次反向遍歷屬于進行噴標標記測量最大（小）直徑部位。大口徑鋼管測量系統定標包括兩層含義，標定被測鋼管圓心的同時標定測桿上激光傳感器所處部位。采取輔助測量臂展開相應的輔助測量工作，運用定制的高精度輔助測量臂，測量不同直徑的鋼管過程中，采取不同的量塊展開標定，就能達到測量要求。所設計橢圓度測量儀配置18個標準量塊，鋼管直徑為508mm-1422mm，明確被測鋼管直徑，選定有關標定量塊，將激光傳感器夾持裝置鎖緊手柄松開，放入標定塊并擠緊，再鎖緊手柄并取出量塊即可。

2.2 測量系統軟件

本測量系統軟件部分的開發，前提基礎就是Delphi平臺。Delphi屬于一種集成開發環境，具備特點就是可視化，運用windows平臺，其中包括開發工具 RAD，涉及到了Microsoft Windows圖形用戶界面，設計理念是比較靈活且先進化的。面向對象的程序語言，采取彈性的完整面，將開發環境視為圖形用戶界面，并且跟數據庫的功能之間進行密切的連接，最終構建起新型的應用程序開發工具，這一工具面向對象程序設計。采取Delphi具備多樣化的優勢特征，其中比較典型的就是圖形界面比較直觀，能夠跨平臺操作等等。Delphi軟件平臺建設了更具備人性化以及直觀自然的上位機編程環境，運行程序過程中，可以供給用戶靈活的控制，人機交互功能顯著。此系統的軟件設計實施功能模塊化的設計舉措，讓各模塊編程以Delphi完成，滿足工業現場要求的功能，測量比較穩定。大口徑鋼管測量系統軟件總流程如圖2。

圖2 軟件總流程圖

3 測量結果分析

本工業現場實驗中，涉及到的內容就是大口徑鋼管測量系統檢測實驗、測量系統標定實驗以及噴標實驗。針對工業現場進行生產的大口徑鋼管管端進行測量，工控機中，將測量結果的遍歷測量點（720個）數據傳至并處理，處理的舉措就是最小二乘法擬合，能夠得到數據指標包括擬合圓圓心以及半徑等。被測鋼管直徑、周長分別記作是813mm、2554.4mm，有5.4mm的最大最小直徑差計算結果，圓心坐標結果是（-0.3,2.6）。予以鋼管管端輪廓實施測量的次數是11次，每一次的測量結果得到了基本相同的橢圓度、周長，具備可靠的重復性。工業現場1420mm鋼管機器測量的鋼管最大、最小直徑跟人工測量的偏差大概是7.2mm左右，兩種方法所測得結果是相近的。

4 結語

本文進行探究了大口徑鋼管測量系統軟件及精度相關的內容，建立在光三角法原理的基礎上，采取激光測距方法進行設計可以符合國內生產廠家檢測要求的以及價格比較經濟的大口徑鋼管幾何參數在線測量系統。其應用的效果良好，可以被投入應用。另外，未來的發展中，需要進一步的完善，促進應用質量和效率更好的提升。