曾慶興

（帕博檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司，廣東珠海，519000）

0 引言

石化工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展速度加快進(jìn)行著，目前我國(guó)的發(fā)展中，管道輸送應(yīng)用較多，成為長(zhǎng)距離油氣輸送的主要模式，漸漸的取消了傳統(tǒng)鐵路運(yùn)輸形式，這種環(huán)境下，促使國(guó)內(nèi)管線鋼板生產(chǎn)也在進(jìn)步，不斷提升制管技術(shù)水平。為了順應(yīng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，滿(mǎn)足惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)中的鋼管對(duì)接和裝配的需求，就要不斷的嚴(yán)格的規(guī)范鋼管的質(zhì)量要求，采取先進(jìn)的大口徑鋼管測(cè)量精度的測(cè)量模式，已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，在鋼管檢測(cè)領(lǐng)域?qū)儆谥仉y點(diǎn)。最近幾年的發(fā)展中，采取先進(jìn)化的無(wú)縫管與焊管的加工工藝設(shè)備已經(jīng)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(cè)量設(shè)備應(yīng)用有待提升。當(dāng)前比較關(guān)鍵的研究?jī)?nèi)容就是，怎樣讓大口徑鋼管運(yùn)用各在線測(cè)量設(shè)備標(biāo)定,大口徑鋼管高質(zhì)量的測(cè)量，提升結(jié)果的準(zhǔn)確度。

1 大口徑鋼管輪廓測(cè)量方案研究

1.1 測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)性能要求

在技術(shù)條件方面上，大口徑鋼管測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)就是：鋼管外徑為Φ508mm-Φ1422mm；鋼管直度為管端彎曲度在4mm/m之內(nèi)；鋼管長(zhǎng)度是8.0m-12.5m；全管彎曲度不足30mm；管體彎曲度在3mm/m之內(nèi)；橢圓度測(cè)量精度是±0.1mm；測(cè)量速度每圈在2分鐘以?xún)?nèi)；采用密度是每圈720個(gè)采樣點(diǎn)。在設(shè)備工作性能方面，連續(xù)工作的時(shí)間在8小時(shí)以上。設(shè)備工作環(huán)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(cè)量系統(tǒng)的基本要求就是，自動(dòng)化程度較高，進(jìn)行誤差計(jì)算分析，降低人為操作失誤情況，軟件界面簡(jiǎn)潔明了，靈活選取檢測(cè)方法，減少制造成本、維護(hù)的成本等。按照測(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)性能要求，設(shè)計(jì)出建立在激光三角法測(cè)量基礎(chǔ)上的檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)激光漫反射，展開(kāi)迅速的、非接觸性以及高精度測(cè)量被測(cè)管狀工件。

1.2 激光位移傳感器測(cè)量原理

激光位移傳感器能夠?qū)τ诒粶y(cè)物體的很多內(nèi)容改變情況進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，包括部位和位移等等，展開(kāi)測(cè)量檢測(cè)物體的直徑、厚度、位移、距離以及振動(dòng)等。遵循標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)量原理，激光位移傳感器中可以采取的測(cè)量模式為兩種，一種是激光三角測(cè)量法，另一種就是激光回波分析法。其中，在非接觸測(cè)量和校準(zhǔn)領(lǐng)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(yīng)用激光三角法更多，主要是予以微小零件的尺寸進(jìn)行測(cè)量。在激光位移傳感器的測(cè)距原理和應(yīng)用項(xiàng)目方面，這種舉措能夠達(dá)到測(cè)量大口徑鋼管的標(biāo)準(zhǔn)需求。激光位移傳感器中光三角法的應(yīng)用，激光光束的發(fā)射中，需要依靠激光器半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)，發(fā)射的途徑就是光學(xué)系統(tǒng)，在被測(cè)物體表面0點(diǎn)（測(cè)量點(diǎn)），相應(yīng)的會(huì)匯聚光束由此形成一個(gè)散射光斑點(diǎn)。激光反射以后，進(jìn)入漫反射光線，產(chǎn)生光斑后，于CCD點(diǎn)部位進(jìn)行集中。如圖1。

圖1 激光三角測(cè)距原理圖

1.3 內(nèi)外徑遍歷測(cè)量法

建立在光三角法基礎(chǔ)上的非接觸檢測(cè)方法，在V型架上面進(jìn)行嚴(yán)密的固定好鋼管，同時(shí)于在轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)固定好激光位移傳感器，隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)到相應(yīng)角度以后，激光位移傳感器至鋼管表面的距離就會(huì)通過(guò)激光位移傳感器進(jìn)行一次測(cè)量，激光位移傳感器繞鋼管轉(zhuǎn)動(dòng)一周，得到相應(yīng)的幾何參數(shù)，即鋼管管端內(nèi)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(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的效果，每轉(zhuǎn)相關(guān)角度以后，針對(duì)性的就會(huì)采集一次距離數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)到一周的時(shí)候就完成鋼管的圓周遍歷測(cè)量。

1.4 大口徑鋼管管端端面垂直度測(cè)量

把待測(cè)鋼管水平放置于平臺(tái)上，通過(guò)全站儀對(duì)兩端端面進(jìn)行若干個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，借助CAD的繪圖功能，根據(jù)坐標(biāo)軸Z的計(jì)算，得出Z的最大值，即為管端的最大垂直度，具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

(1)從全站儀將測(cè)量點(diǎn)位圖導(dǎo)出，并保存為*.DXF格式；(2)使用AUTOCAD將圖打開(kāi)；(3)在測(cè)量點(diǎn)（點(diǎn)號(hào)為1000）做沿XY軸做線，用以文件復(fù)查的測(cè)量參考；(4)為方便測(cè)量我們將整個(gè)圖紙以測(cè)量點(diǎn)（點(diǎn)號(hào)為1000）為基準(zhǔn)放大了1000倍，由原圖的米為單位調(diào)整到毫米為單位；(5)將視口調(diào)整到方便顯示一個(gè)管端的位置，為尋找第一個(gè)面做準(zhǔn)備；(6)以命令在點(diǎn)中建立面，并使用紫色線來(lái)標(biāo)注所選擇的點(diǎn)位，繪制的紫色線保留以備查驗(yàn)。核對(duì)其他點(diǎn)相對(duì)于這個(gè)面的距離，如其他點(diǎn)距離此面距離誤差較大，則另外選擇3點(diǎn)建立面，直至找到一個(gè)理想的面；(7)在步驟6尋找到的面上以每個(gè)點(diǎn)為圓心，繪制相同直徑的圓；(8)在接近中心處尋找一個(gè)近似的圓心位置。并繪制一個(gè)圓，其圓心用于下一步的測(cè)量；(9)標(biāo)注步驟8繪制的圓心到各個(gè)點(diǎn)位的距離，用于對(duì)比對(duì)應(yīng)點(diǎn)位（如0o點(diǎn)與180o點(diǎn)，或90o點(diǎn)與270o點(diǎn)）到圓心的距離。如偏差較多，則調(diào)整圓的位置及標(biāo)注點(diǎn)位置，直至所有相對(duì)點(diǎn)的距離接近（現(xiàn)用誤差為1mm）；(10)重復(fù)5～ 9步驟完成另一面的繪制，并將兩個(gè)圓的圓心用線連接起來(lái)；(11)使用命令沿步驟10繪制的軸線建立一個(gè)立方體，目的為建立一個(gè)垂直于步驟10繪制的軸線的面；(12)以立方體的端面為基準(zhǔn)面，并逐點(diǎn)點(diǎn)選TOP面的點(diǎn)，右方的Z軸坐標(biāo)值即為每個(gè)點(diǎn)到面的距離。將數(shù)值抄下并填制入《尺寸檢驗(yàn)報(bào)告》；(13)根據(jù)完成的工程文件，出具《尺寸檢驗(yàn)報(bào)告》。

2 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與軟件分析

2.1 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

進(jìn)行鋼管端面測(cè)量期間，激光位移傳感器一共展開(kāi)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(chǎn)生的作用就是進(jìn)行數(shù)據(jù)資料的收集整理，鋼管內(nèi)外表面輪廓的指標(biāo)，通過(guò)激光位移傳感器圓周遍歷采集，然后獲得到鋼管幾何參數(shù)（端面內(nèi)外徑直徑值、角度部位、周長(zhǎng)等），第二次反向遍歷屬于進(jìn)行噴標(biāo)標(biāo)記測(cè)量最大（小）直徑部位。大口徑鋼管測(cè)量系統(tǒng)定標(biāo)包括兩層含義，標(biāo)定被測(cè)鋼管圓心的同時(shí)標(biāo)定測(cè)桿上激光傳感器所處部位。采取輔助測(cè)量臂展開(kāi)相應(yīng)的輔助測(cè)量工作，運(yùn)用定制的高精度輔助測(cè)量臂，測(cè)量不同直徑的鋼管過(guò)程中，采取不同的量塊展開(kāi)標(biāo)定，就能達(dá)到測(cè)量要求。所設(shè)計(jì)橢圓度測(cè)量?jī)x配置18個(gè)標(biāo)準(zhǔn)量塊，鋼管直徑為508mm-1422mm，明確被測(cè)鋼管直徑，選定有關(guān)標(biāo)定量塊，將激光傳感器夾持裝置鎖緊手柄松開(kāi)，放入標(biāo)定塊并擠緊，再鎖緊手柄并取出量塊即可。

2.2 測(cè)量系統(tǒng)軟件

本測(cè)量系統(tǒng)軟件部分的開(kāi)發(fā)，前提基礎(chǔ)就是Delphi平臺(tái)。Delphi屬于一種集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，具備特點(diǎn)就是可視化，運(yùn)用windows平臺(tái)，其中包括開(kāi)發(fā)工具 RAD，涉及到了Microsoft Windows圖形用戶(hù)界面，設(shè)計(jì)理念是比較靈活且先進(jìn)化的。面向?qū)ο蟮某绦蛘Z(yǔ)言，采取彈性的完整面，將開(kāi)發(fā)環(huán)境視為圖形用戶(hù)界面，并且跟數(shù)據(jù)庫(kù)的功能之間進(jìn)行密切的連接，最終構(gòu)建起新型的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具，這一工具面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)。采取Delphi具備多樣化的優(yōu)勢(shì)特征，其中比較典型的就是圖形界面比較直觀，能夠跨平臺(tái)操作等等。Delphi軟件平臺(tái)建設(shè)了更具備人性化以及直觀自然的上位機(jī)編程環(huán)境，運(yùn)行程序過(guò)程中，可以供給用戶(hù)靈活的控制，人機(jī)交互功能顯著。此系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)實(shí)施功能模塊化的設(shè)計(jì)舉措，讓各模塊編程以Delphi完成，滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求的功能，測(cè)量比較穩(wěn)定。大口徑鋼管測(cè)量系統(tǒng)軟件總流程如圖2。

圖2 軟件總流程圖

3 測(cè)量結(jié)果分析

本工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，涉及到的內(nèi)容就是大口徑鋼管測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)、測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)以及噴標(biāo)實(shí)驗(yàn)。針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行生產(chǎn)的大口徑鋼管管端進(jìn)行測(cè)量，工控機(jī)中，將測(cè)量結(jié)果的遍歷測(cè)量點(diǎn)（720個(gè)）數(shù)據(jù)傳至并處理，處理的舉措就是最小二乘法擬合，能夠得到數(shù)據(jù)指標(biāo)包括擬合圓圓心以及半徑等。被測(cè)鋼管直徑、周長(zhǎng)分別記作是813mm、2554.4mm，有5.4mm的最大最小直徑差計(jì)算結(jié)果，圓心坐標(biāo)結(jié)果是（-0.3,2.6）。予以鋼管管端輪廓實(shí)施測(cè)量的次數(shù)是11次，每一次的測(cè)量結(jié)果得到了基本相同的橢圓度、周長(zhǎng)，具備可靠的重復(fù)性。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)1420mm鋼管機(jī)器測(cè)量的鋼管最大、最小直徑跟人工測(cè)量的偏差大概是7.2mm左右，兩種方法所測(cè)得結(jié)果是相近的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文進(jìn)行探究了大口徑鋼管測(cè)量系統(tǒng)軟件及精度相關(guān)的內(nèi)容，建立在光三角法原理的基礎(chǔ)上，采取激光測(cè)距方法進(jìn)行設(shè)計(jì)可以符合國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家檢測(cè)要求的以及價(jià)格比較經(jīng)濟(jì)的大口徑鋼管幾何參數(shù)在線測(cè)量系統(tǒng)。其應(yīng)用的效果良好，可以被投入應(yīng)用。另外，未來(lái)的發(fā)展中，需要進(jìn)一步的完善，促進(jìn)應(yīng)用質(zhì)量和效率更好的提升。