常偉 金東義 閆鳴旭 韓策

(國機(jī)傳感器科技有限公司 遼寧沈陽 110034)

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，管道越來越廣泛地應(yīng)用于供暖、供熱、石油、電力、天然氣輸送等領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域中，常常需要對(duì)管道的熱脹冷縮和移動(dòng)變形進(jìn)行補(bǔ)償，提高管道的可靠性與安全性，以避免因管道形狀變化所引發(fā)的嚴(yán)重事故。金屬波紋管能有效地補(bǔ)償管道軸向變形，它能沿管道軸線方向伸縮，也允許少量彎曲[1-2]。

隨著金屬波紋管大批量生產(chǎn)，其合格性能檢驗(yàn)變得尤為關(guān)鍵，其中波紋管幾何尺寸測(cè)量最為重要，幾何尺寸測(cè)量包括波紋管總長(zhǎng)度、波紋波高、波紋波距等重要參數(shù)。目前，國內(nèi)生產(chǎn)商在測(cè)量這些參數(shù)時(shí)，還處于手工測(cè)量階段，測(cè)量效率低、精度有待提高、勞動(dòng)強(qiáng)度大，自動(dòng)化程度不高，一定程度上限制了金屬波紋管的生產(chǎn)、檢驗(yàn)、標(biāo)定、實(shí)驗(yàn)等。

本文設(shè)計(jì)了一種基于激光傳感器和光柵尺的波紋管尺寸高精度測(cè)量系統(tǒng)，采用被測(cè)對(duì)象相對(duì)靜態(tài)狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)測(cè)量的方式，既可以測(cè)量波紋管總長(zhǎng)度，又可以測(cè)量波紋管波紋的波高與波距，測(cè)量精度可達(dá)0.02 mm，適用于管徑最大1 800 mm，波高、波距最大60 mm的波紋管幾何尺寸高精度測(cè)量[3-4]。

1 總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括上位機(jī)、可編程邏輯控制器（PLC）、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、光柵尺、高精度激光傳感器、待測(cè)波紋管，如圖1 所示。各部位結(jié)構(gòu)用途說明與連接方式如下。

圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖

（1）上位機(jī)的用途包括在測(cè)量過程中發(fā)送指令、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)計(jì)算、人機(jī)互動(dòng)等功能，分別與可編程邏輯控制器、高精度激光傳感器通過網(wǎng)線通信端口相連接。

（2）可編程邏輯控制器負(fù)責(zé)控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、接收光柵尺數(shù)據(jù)并打包發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)；其輸入端與光柵尺輸出端相連接，輸出端與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸入端相連接。

（3）運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)帶動(dòng)激光傳感器在測(cè)量范圍內(nèi)移動(dòng)，可在垂直和水平方向發(fā)生物理位移，并與光柵尺和激光傳感器物理結(jié)構(gòu)相連接，且發(fā)生物理位移時(shí)，帶動(dòng)光柵尺測(cè)量位移的探頭和高精度激光傳感器發(fā)生同方向等量的物理位移。

（4）光柵尺負(fù)責(zé)采集運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)垂直方向的位移量，并把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送給可編程邏輯控制器；其測(cè)量位移方向與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)位移方向相同，都為垂直方向。

（5）高精度激光傳感器負(fù)責(zé)采集待測(cè)波紋管水平方向曲線變化，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給上位主機(jī)；其在測(cè)量時(shí)，發(fā)射激光方向與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)位移方向垂直，約為水平方向。

（6）波紋管在測(cè)量時(shí)，徑向方向?yàn)榇怪狈较?，與高精度激光傳感器距離應(yīng)在其測(cè)量范圍內(nèi)。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)械機(jī)構(gòu)由主體框架、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)臺(tái)這3個(gè)部分組成，詳見圖2。

圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

（1）主體框架采用鋁型材搭建，并與地面有效固定，為整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)提供堅(jiān)實(shí)的支撐；在系統(tǒng)測(cè)量掃描過程中，由于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)需要高精度地運(yùn)動(dòng)，故對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)較為敏感；高穩(wěn)定性的主體框架可有效減小系統(tǒng)振動(dòng)，從而提高系統(tǒng)測(cè)量精度和穩(wěn)定性。

（2）運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是提供垂直和水平方向的位移，由直線模組、支架、伺服電機(jī)組成，詳見圖3。直線模組有兩臺(tái)，分別在安裝在垂直和水平方向中心點(diǎn)位置，可帶動(dòng)支架運(yùn)動(dòng)；支架安裝在垂直方向的直線模組上，一端固定激光傳感器，一端連接光柵尺，負(fù)責(zé)帶動(dòng)激光傳感器和光柵尺做垂直方向的位移；伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)有兩臺(tái)，分別為直線模組提供動(dòng)力，由上位機(jī)控制，完成長(zhǎng)度、波高和波距的數(shù)據(jù)采集。

圖3 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

（3）轉(zhuǎn)臺(tái)采用碳鋼制成，發(fā)電機(jī)可提供旋轉(zhuǎn)方向的動(dòng)力，帶動(dòng)波紋管轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量位置的變化；系統(tǒng)預(yù)設(shè)4個(gè)互成90°的測(cè)量角度，由控制系統(tǒng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)變換。

3 軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)上位機(jī)軟件使用C#進(jìn)行程序編譯。界面設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)顯示、曲線顯示、運(yùn)動(dòng)控制、測(cè)試控制、結(jié)果顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，詳見圖4。

圖4 系統(tǒng)上位機(jī)軟件示意圖

（1）數(shù)據(jù)顯示：展示測(cè)試時(shí)激光傳感器和光柵尺實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，可精確到微米級(jí)別。

（2）曲線顯示：曲線顯示一共有3 條曲線，分別為測(cè)試探頭橫坐標(biāo)位移曲線、縱坐標(biāo)位移曲線和擬合坐標(biāo)后被測(cè)波紋管外形坐標(biāo)曲線。

（3）運(yùn)動(dòng)控制：設(shè)計(jì)了可供移動(dòng)測(cè)試探頭用的運(yùn)動(dòng)控制按鈕，可在上、下、左、右4 個(gè)方向移動(dòng)測(cè)試探頭，進(jìn)而調(diào)節(jié)初始測(cè)試狀態(tài)。

（4）測(cè)試控制：包括參數(shù)輸入、開始通信、開始測(cè)試等基本功能按鈕。

（5）結(jié)果顯示：將波紋管外形尺寸長(zhǎng)度、波高、波距等測(cè)量數(shù)據(jù)輸出并顯示。

（6）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：將波紋管外形尺寸長(zhǎng)度、波高、波距等測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

4 掃描測(cè)量方法

通過上位機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)電動(dòng)按鈕，將激光傳感器調(diào)整到波紋管最高點(diǎn)上方位置，并使激光傳感器與波紋管最高點(diǎn)外延的水平距離保持在激光傳感器測(cè)量范圍內(nèi)，如圖5所示；在上位機(jī)輸入?yún)?shù)行程h（h值應(yīng)高于波紋管長(zhǎng)度），點(diǎn)擊開始測(cè)試按鈕，激光傳感器將向下位移開始測(cè)試；激光傳感器行程結(jié)束后，上位機(jī)將掃描的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，計(jì)算波紋管長(zhǎng)度并輸出和保存[5-6]。

圖5 掃描測(cè)量方法示意圖

5 數(shù)據(jù)處理

上位機(jī)軟件將激光傳感器和光柵尺返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間戳對(duì)齊，并擬合為二維數(shù)組，形成波紋管外形尺寸的曲線坐標(biāo)集，并將這個(gè)曲線坐標(biāo)集通過TCP 方式傳輸給算法服務(wù)器，算法服務(wù)器使用Python獨(dú)立編寫，需要在C#程序啟動(dòng)前進(jìn)行啟動(dòng)。算法服務(wù)器計(jì)算后返回運(yùn)算結(jié)果至上位機(jī)，整個(gè)過程分為數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理兩部分。

算法服務(wù)器數(shù)據(jù)處理過程如下：首先，讀入數(shù)據(jù)，并根據(jù)首尾兩段相對(duì)平整的非波紋數(shù)據(jù)，計(jì)算出圖像傾斜角度；其次，旋轉(zhuǎn)圖像至水平方向，根據(jù)圖像旋轉(zhuǎn)后的圖形，找到曲線波峰波谷的拐點(diǎn)；最后，根據(jù)拐點(diǎn)計(jì)算波紋管的波高、波寬和長(zhǎng)度。

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的基于激光傳感器和光柵尺的波紋管尺寸高精度測(cè)量系統(tǒng)，在確保了波紋管幾何尺寸高精度測(cè)量的同時(shí)，還避免了人工手動(dòng)測(cè)量帶來的不確定性和測(cè)量誤差，不僅可以全程自動(dòng)測(cè)量，還能自動(dòng)出具波紋管的測(cè)量和診斷報(bào)告，很大程度地提升了生產(chǎn)效率，解放了人力、物力，具備非常好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。