钢管管端内外径测量系统的设计与实现_梅剑春
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基于图像识别的管材尺寸特征参数采集与检测系统
基于图像识别的管材尺寸特征参数采集与检测系统
陈烨;卞光辉;杨平;于利鹏;王传洋
【期刊名称】《无损检测》
【年(卷),期】2022(44)9
【摘要】为了能够快速检测管材的外径与壁厚,设计了一种基于图像识别的采集与检测系统,其主要包括机械结构部分、图像采集部分和图像处理部分。
该系统能够夹取管材并进行管材截面的拍摄,将拍摄到的图像发送至计算机端,实现对被测管材管径与壁厚的快速检测。
图像识别系统使用Canny边缘检测与轮廓特征提取算法进行管材轮廓识别,并通过图像比例尺计算出管材的尺寸特征参数(管径与壁厚),最后分别选取不同管径、壁厚和工艺制备方法成形的管材进行试验验证。
结果表明该系统具有较高的可靠性与准确性。
【总页数】7页(P22-27)
【作者】陈烨;卞光辉;杨平;于利鹏;王传洋
【作者单位】苏州大学机电工程学院;苏州东泽物联科技有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TG115.28
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4.
基于人工智能的嵌入式图像识别信息采集系统5.基于图像识别的波纹补偿器轴向尺寸检测方法
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基于频域干涉的小口径长身管内径测量系统
A Measuring System for Inner Diameter of Small鄄caliber and Long Gun Bore Based on Frequency Domain Interferometry
MA Heli, TAO Tianjiong, LIU Shenggang, WANG Xiang, WENG Jidong
摇 摇 收稿日期: 2018鄄07鄄29 基金项目: 中国工程物理研究院流体物理研究所发展基金项目( SFZ20130303) 作者简介: 马鹤立(1987—) , 男 , 助理研究员。 E鄄mail: marcos12@ 126. com
1078
兵摇 工摇 学摇 报
第 40 卷
备)包括通止规、内径千分尺和光学测量仪。 通止 规可根据标准圆柱体在待测管内的通过性对轻气炮 管内径作半定量分析。 内径千分尺技术已发展成 熟,商业化产品一般具有数微米的测量精度,如英国 BATY 公 司、 澳 大 利 亚 HIGH PRESSURE INSTRU鄄 MENTATION 公司等制造的三点式内径千分尺,其 内径测 量 范 围 为 2 ~ 300 mm, 测 量 精 度 最 高 可 达 0郾 003 mm,但其测量进深一般小于 500 mm,无法测 量数米长的二级轻气炮发射管中部内径。
摇 摇 摘要: 二级轻气炮发射管内膛加工质量对动高压物理冲击加载实验数据的准确度有着重要影
响。 基于全光纤频域干涉测距技术研制的内径测量系统,可精确测量小口径、大长径比二级轻气炮
管内径。 该系统采用微型光纤探头作为频域干涉测距传感器,能对管内膛被测点坐标进行精密测
量,经椭圆方程拟合后可准确获得待测截面内径。 对长度为 7 400 mm 的 准28 mm 型二级轻气炮炮
基于机器视觉的零件尺寸检测系统设计与实现
基于机器视觉的零件尺寸检测系统设计与实现随着制造业的发展和现代工业生产的复杂性增加，对零件尺寸的精确检测要求也越来越高。
传统人工检测的局限性和效率问题引发了机器视觉技术在零件尺寸检测中的应用。
本文将介绍一种基于机器视觉的零件尺寸检测系统的设计与实现。
一、引言机器视觉技术是指模仿人眼视觉系统的感知、识别和判别能力，通过相机、图像采集卡、计算机等设备，对图像进行采集、处理和分析的技术。
在制造业中，机器视觉技术已经得到了广泛应用，其中之一就是零件尺寸的检测。
二、系统设计1. 系统硬件设计基于机器视觉的零件尺寸检测系统的硬件设计包括相机、光源、图像采集卡和计算机等设备。
相机是将被检测零件的图像采集下来的关键设备，其选型应根据零件的特性和检测要求来确定。
光源的选取也至关重要，应以保证零件表面被光照亮且不产生阴影为原则。
图像采集卡负责将相机采集到的图像数据传输到计算机上进行处理和分析。
2. 系统软件设计基于机器视觉的零件尺寸检测系统的软件设计通常包括图像预处理、特征提取和尺寸计算三个主要步骤。
图像预处理是对采集到的图像进行噪声去除、平滑处理和图像增强等操作，以提高后续处理的准确性和稳定性。
特征提取是基于处理后的图像，通过算法提取图像中与零件尺寸相关的特征信息，如边缘、角点等。
常用的特征提取算法有Canny算法、Sobel算法等。
尺寸计算是根据所提取到的特征信息，结合已知的标定参数和尺寸测量原理，进行尺寸计算并给出结果。
常用的尺寸计算方法有比例尺寸计算法、基于几何关系的尺寸计算法等。
三、系统实现1. 硬件搭建在系统实现过程中，首先需要根据硬件设计的要求，搭建相应的硬件平台，包括安装相机、配置光源、连接图像采集卡和计算机等设备。
确保硬件设备的稳定性和可靠性。
2. 软件开发基于机器视觉的零件尺寸检测系统的软件开发需要根据所选用的开发平台和编程语言进行。
可以选择常见的开发平台，如OpenCV、MATLAB等，以及常用的编程语言，如C++、Python等。
大直径钢管直线度在线测量
1
课题概况 原理设计 硬件设计 结论
2
3 4
company name
课题概况
技术要求 设计要求 资料准备
▲将整个设计
▲通过分析现有
▲根据此课题
在国内外生产 和学术领域的 一些文章和分 析，得出设计 的大体方向。
company name
的技术方案在实 践和应用上出现 的一些经验和不 足。确定此次设 计内容应该达到 的要求和需要克 服的问题。
参考书目: 现代无缝钢管生产技术 双远华 化学工业出版社 检测技术(第二版) 施文康 机械工业出版社 High accuracy 3D machine vision metrology Y.A.Tsai IEEE Journal 机器人技术及其应用 朱世强 浙江大学出版社
company name
该方法目前的主要缺 点在于：基于视觉分 析技术，对周围环境 有较高要求；由于钢 管和光截面相交线很 窄，测量结果的稳定 性不足；为了提高精 度，必须使用多个发 射/接收装置进行分析， 成本较高。
company name
课题概况
基于已有的一些经验和理论，最终我们决 定采取十字投影法来取得钢管轮廓的更稳 定和精确的数据。利用光波被钢管挡住后 接受器接收到的“投影”，来实时监测钢 管在水平和竖直两个方向上的轮廓。并根 据这些数据分析出钢管母线位置，进而量 化的得到直线度数据。
company name
硬件设计
发射部分设计 发射器结构优化 这次的要求是利用光束测出一个圆的竖直方向上的轮廓 线，所以光必须平行出射。由于一般的集束激光发射器 技术已经十分成熟。所以在设计开始我们想用多个激光 发射器呈直线排列的方法，射出单排激光。但是这样做 提高了成本，并且由于激光器之间的缝隙，使得测量精 度有所下降。所以最后我们采用点光源加凸透镜的方法 取得平行光，虽然这样就无法采用普通的激光发射器， 光的强度和单色性都有所下降。但是由于光波面的连续 性使得结果的精度有所上升。而上述的问题我们可以通 过接收器的合理选择来解决。 图3为发射器结company name
课题概况 原理设计 硬件设计 结论
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课题概况
技术要求 设计要求 资料准备
▲将整个设计
▲通过分析现有
▲根据此课题
在国内外生产 和学术领域的 一些文章和分 析，得出设计 的大体方向。
company name
的技术方案在实 践和应用上出现 的一些经验和不 足。确定此次设 计内容应该达到 的要求和需要克 服的问题。
参考书目: 现代无缝钢管生产技术 双远华 化学工业出版社 检测技术(第二版) 施文康 机械工业出版社 High accuracy 3D machine vision metrology Y.A.Tsai IEEE Journal 机器人技术及其应用 朱世强 浙江大学出版社
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该方法目前的主要缺 点在于：基于视觉分 析技术，对周围环境 有较高要求；由于钢 管和光截面相交线很 窄，测量结果的稳定 性不足；为了提高精 度，必须使用多个发 射/接收装置进行分析， 成本较高。
company name
课题概况
基于已有的一些经验和理论，最终我们决 定采取十字投影法来取得钢管轮廓的更稳 定和精确的数据。利用光波被钢管挡住后 接受器接收到的“投影”，来实时监测钢 管在水平和竖直两个方向上的轮廓。并根 据这些数据分析出钢管母线位置，进而量 化的得到直线度数据。
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硬件设计
发射部分设计 发射器结构优化 这次的要求是利用光束测出一个圆的竖直方向上的轮廓 线，所以光必须平行出射。由于一般的集束激光发射器 技术已经十分成熟。所以在设计开始我们想用多个激光 发射器呈直线排列的方法，射出单排激光。但是这样做 提高了成本，并且由于激光器之间的缝隙，使得测量精 度有所下降。所以最后我们采用点光源加凸透镜的方法 取得平行光，虽然这样就无法采用普通的激光发射器， 光的强度和单色性都有所下降。但是由于光波面的连续 性使得结果的精度有所上升。而上述的问题我们可以通 过接收器的合理选择来解决。 图3为发射器结company name
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ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
１ 引 言
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。 历 经 １０ 年 的 发 展 ，我 国 的 钢 管 产 量 由 ２０００ 年 的 ９３３．７ 万吨发展 到 ２００９ 年 的 ５ ２９１．６ 万 吨，并 在 ２００６ 年跃居世界第一，我 国 也 成 为 名 副 其 实 的 钢 管 大 国。但我国对特 种 钢 管、大 口 径 钢 管 等 生 产 附 加 值 高 的 钢 管 的 生 产 能 力 较 弱 ，仍 需 要 大 量 进 口 ，与 钢管强国仍有较大差距 。 ［１－２］
目前，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 方 法 受 生 产 环 境 、量 具 精 确 度 和 操 作 人 员 因 素 的 影 响 较 大 ，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 ４ 组 数 据，无 法 充 分 反 映 管 端 不 圆 度 情 况。 因此，钢管管端内 外 径 自 动 测 量 系 统 的 研 发 不 仅 可 以 系 统 地 测 量 钢 管 管 端 的 内 径 、外 径 和 不 圆 度 ， 还 可 以 提 高 生 产 效 率 、降 低 工 人 劳 动 强 度 ，对 提 高 钢管产品质量，增 加 生 产 附 加 值 具 有 非 常 重 要 的 意义。目前，国外 一 些 公 司 已 经 开 发 出 这 类 功 能 的 自 动 化 测 量 系 统 ，并 且 应 用 在 壁 厚 测 量 、精 度 规 格分类、焊 接 管 端 匹 配、镗 加 工 分 析 等 场 合。 如 Ｔｅｎａｒｉｓ公 司 的 ＬＥＭＳ［４－５］和 ＯＭＳ 公 司 的 Ｐｉｐｅ Ｃｈｅｃｋｅｒ ＴＭ ，但至今在国内尚无此类产品。 本 文 提 出了一种基于激光三角法位移传感器的钢管内外 径自动测量系统，实 现 了 钢 管 内 外 径 的 非 接 触 测 量 ，具 有 操 作 简 单 、精 度 高 、速 度 快 等 优 点 。
梅剑春１，叶 青２，３＊ ，田建国２，３
（１．南开大学 现代应用技术研究院，天津 ３０００７１；２．南开大学 物理科学学院，天津 ３０００７１； ３．南开大学 弱光非线性光子学教育部重点实验室，天津 ３０００７１）
摘要：为了实现对钢管管端内外径、不圆度的自动化非接触 快 速 测 量，设 计 并 实 现 了 一 种 钢 管 管 端 内 外 径 测 量 系 统 。 该 系统利用转台带动激光三角法位移传感器绕钢管中轴线转 动 的 方 法 来 测 量 管 端 截 面 整 个 圆 周 的 外 径 和 内 径 尺 寸 ，然 后 利用圆心拟合算法修正转台中轴线与钢管中轴线不重合 带 来 的 误 差。通 过 平 移 台 自 动 调 整 测 量 截 面 与 管 端 的 距 离 ，大 型升降台调节管心对齐高度，双臂平移 台 调 节 可 测 量 管 径 范 围，自 动 实 现 对 不 同 管 径 钢 管 的 非 接 触 测 量 。 实 验 结 果 表 明 ：系 统 测 量 精 度 小 于 ０．０５ ｍｍ；重 复 性 限 小 于 等 于 ５μｍ；每 个 管 端 截 面 测 量 ５００ 个 点 时 ，测 量 时 间 小 于 ２５ｓ。设 计 的 系 统具有精度高、操作简便、测量速度快的优点，满足无缝钢管生产在线检测的要求，并已经在天津天管元通 管 材 制 品 有 限 公司通过离线测试。 关 键 词 ：激 光 三 角 法 ；无 缝 钢 管 ；直 径 测 量 ；不 圆 度 测 量 ；非 接 触 测 量 中 图 分 类 号 ：ＴＮ２４７；ＴＢ９２ 文 献 标 识 码 ：Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２０１４２２０４．０８１５
３．Ｔｈｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｗｅａｋ Ｌｉｇｈｔ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｎａｎｋａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００４５７，Ｃｈｉｎａ）
＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｅｑｉｎｇ＠ｎａｎｋａｉ．ｅｄｕ．ｃｎ
在钢管 生 产 中，随 着 国 内 外 管 道 建 设 “大 口 径 、厚 壁 、高 钢 级 ”的 趋 势 ，大 口 径 钢 管 的 生 产 比 重 占得越来越大。作为钢管端部重要的参数指标， 大口径钢管管端的直径及不圆度在保证管道施工 进度和质量方面具有重要意义。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 。 ［３］ 而油气输送管道输送大量易 燃 易 爆 物 质 ，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。 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 大 口 径 钢 管 管 端 的 内 径 、外 径 及 不 圆 度进行检测。
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｉｎｓｉｄｅ ａｎｄ ｏｕｔｓｉｄｅ ｄｉａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ
ＭＥＩ Ｊｉａｎ－ｃｈｕｎ１，ＹＥ Ｑｉｎｇ２，３＊ ，ＴＩＡＮ Ｊｉａｎ－ｇｕｏ２，３
（１．Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｋａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｎａｎｋａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７１，Ｃｈｉｎａ；
ｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ０．０５ｍｍ；ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ ｌｉｍｉｔ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ｏｒ ｅｑｕａｌ ｔｏ ５μｍ．Ｗｈｅｎ ５００ｐｏｉｎｔｓ ａｒｅ ｓａｍｐｌｅｄ ｐｅｒ ｐｉｐｅ ｅｎｄ，ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｌａｓｔｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ２５ｓ．ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｆｕｌｌｙ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｅａｍｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ．Ｗｉｔｈ ａｄ－ ｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｅａｓｙ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｐｉｄ ｓｐｅｅｄ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｐａｓｓｅｄ ｔｈｅ ｏｆｆ－ｌｉｎｅ ｔｅｓｔ ｉｎ Ｔｉａｎ Ｇｕａｎ Ｙｕａｎ Ｔｏｎｇ ｐｉｐｅ ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ；ｓｅａｍｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ；ｄｉａｍｅｔｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｏｕｔ－ｏｆ－ｒｏｕｎｄ
ｅｔｅｒｓ ｏｆ ｐｉｐｅ ｅｎｄ
第４期
梅 剑 春 ，等 ：钢 管 管 端 内 外 径 测 量 系 统 的 设 计 与 实 现
８１７
该系统利用旋转装置带动激光位移传感器沿管端 旋 转 ，测 量 整 个 圆 周 截 面 的 内 径 和 外 径 分 布 情 况 ， 并配合升降台和探头固定臂上的精密位移台对探 头位置进行微调，以 适 应 不 同 尺 寸 钢 管 管 端 检 测 的需要。此装置的主要误差是由旋转台转动的中 轴线和钢管的中 轴 线 不 能 完 全 重 合 引 入 的，即 测 距探头旋转时围绕的中轴线不同于待测钢管的中 轴 线 ，但 这 种 误 差 可 以 利 用 数 据 处 理 算 法 来 消 除 。 ２．１ 激 光 位 移 传 感 器
第 ２２ 精密工程
Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．２２ Ｎｏ．４
Ａｐｒ．２０１４
文 章 编 号 １００４－９２４Ｘ（２０１４）０４－０８１５－０７
钢管管端内外径测量系统的设计与实现
收 稿 日 期 ：２０１３－０６－２７；修 订 日 期 ：２０１３－０８－２０． 基 金 项 目 ：天 津 滨 海 新 区 自 主 创 新 重 大 成 果 产 业 化 关 键 技 术 攻 关 项 目 （Ｎｏ．２０１２－ＢＫ１２００１２）
８１６
光学 精密工程
第 ２２卷
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎｓｉｄｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｏｕｔｓｉｄｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｕｔ－ｏｆ－ｒｏｕｎｄ ｏｆ ａ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｅｎｄ，ａ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｉｎｓｉｄｅ ａｎｄ ｏｕｔｓｉｄｅ ｄｉａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｗｏ ｌａｓｅｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒｓ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｐｅｒｆｏｒｍ ｆｕｌｌ ｓｃａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｓｉｄｅ ａｎｄ ｏｕｔｓｉｄｅ ｄｉａｍｅｔｅｒｓ ａｓ ｔｈｅｙ ｒｏｔａｔｅｄ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｐｉｐｅ ｅｎｄｓ．Ｔｈｅｎ ａ ｆｉｔｔｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗａｓ ｔａｋｅｎ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｅｒｒｏｒｓ ｂｒｏｕｇｈｔ ｂｙ ｔｈｅ ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｏｔａｒｙ ａｘｉｓ ａｎｄ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ａｘｉｓ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｉｐｅ ｅｎｄ ｗａｓ ａｄｊｕｓｔｅｄ ｂｙ ｍｏｔｏｒｉｚｅｄ ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅｓ ｆｉｘｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ，ｔｈｅ ａｌｉｇｎｉｎｇ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｐｉｐｅ ｃｅｎｔｅｒ ｗａｓ ａｄｊｕｓｔｅｄ ｂｙ ａ ｌｉｆｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒａｂｌｅ ｐｉｐｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｗａｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｔｗｏ－ａｉｍ ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ，ｓｏ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔｅｄ ｍｅｔｈｏｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉ－
１ 引 言
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。 历 经 １０ 年 的 发 展 ，我 国 的 钢 管 产 量 由 ２０００ 年 的 ９３３．７ 万吨发展 到 ２００９ 年 的 ５ ２９１．６ 万 吨，并 在 ２００６ 年跃居世界第一，我 国 也 成 为 名 副 其 实 的 钢 管 大 国。但我国对特 种 钢 管、大 口 径 钢 管 等 生 产 附 加 值 高 的 钢 管 的 生 产 能 力 较 弱 ，仍 需 要 大 量 进 口 ，与 钢管强国仍有较大差距 。 ［１－２］
目前，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 方 法 受 生 产 环 境 、量 具 精 确 度 和 操 作 人 员 因 素 的 影 响 较 大 ，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 ４ 组 数 据，无 法 充 分 反 映 管 端 不 圆 度 情 况。 因此，钢管管端内 外 径 自 动 测 量 系 统 的 研 发 不 仅 可 以 系 统 地 测 量 钢 管 管 端 的 内 径 、外 径 和 不 圆 度 ， 还 可 以 提 高 生 产 效 率 、降 低 工 人 劳 动 强 度 ，对 提 高 钢管产品质量，增 加 生 产 附 加 值 具 有 非 常 重 要 的 意义。目前，国外 一 些 公 司 已 经 开 发 出 这 类 功 能 的 自 动 化 测 量 系 统 ，并 且 应 用 在 壁 厚 测 量 、精 度 规 格分类、焊 接 管 端 匹 配、镗 加 工 分 析 等 场 合。 如 Ｔｅｎａｒｉｓ公 司 的 ＬＥＭＳ［４－５］和 ＯＭＳ 公 司 的 Ｐｉｐｅ Ｃｈｅｃｋｅｒ ＴＭ ，但至今在国内尚无此类产品。 本 文 提 出了一种基于激光三角法位移传感器的钢管内外 径自动测量系统，实 现 了 钢 管 内 外 径 的 非 接 触 测 量 ，具 有 操 作 简 单 、精 度 高 、速 度 快 等 优 点 。
梅剑春１，叶 青２，３＊ ，田建国２，３
（１．南开大学 现代应用技术研究院，天津 ３０００７１；２．南开大学 物理科学学院，天津 ３０００７１； ３．南开大学 弱光非线性光子学教育部重点实验室，天津 ３０００７１）
摘要：为了实现对钢管管端内外径、不圆度的自动化非接触 快 速 测 量，设 计 并 实 现 了 一 种 钢 管 管 端 内 外 径 测 量 系 统 。 该 系统利用转台带动激光三角法位移传感器绕钢管中轴线转 动 的 方 法 来 测 量 管 端 截 面 整 个 圆 周 的 外 径 和 内 径 尺 寸 ，然 后 利用圆心拟合算法修正转台中轴线与钢管中轴线不重合 带 来 的 误 差。通 过 平 移 台 自 动 调 整 测 量 截 面 与 管 端 的 距 离 ，大 型升降台调节管心对齐高度，双臂平移 台 调 节 可 测 量 管 径 范 围，自 动 实 现 对 不 同 管 径 钢 管 的 非 接 触 测 量 。 实 验 结 果 表 明 ：系 统 测 量 精 度 小 于 ０．０５ ｍｍ；重 复 性 限 小 于 等 于 ５μｍ；每 个 管 端 截 面 测 量 ５００ 个 点 时 ，测 量 时 间 小 于 ２５ｓ。设 计 的 系 统具有精度高、操作简便、测量速度快的优点，满足无缝钢管生产在线检测的要求，并已经在天津天管元通 管 材 制 品 有 限 公司通过离线测试。 关 键 词 ：激 光 三 角 法 ；无 缝 钢 管 ；直 径 测 量 ；不 圆 度 测 量 ；非 接 触 测 量 中 图 分 类 号 ：ＴＮ２４７；ＴＢ９２ 文 献 标 识 码 ：Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２０１４２２０４．０８１５
３．Ｔｈｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｗｅａｋ Ｌｉｇｈｔ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｎａｎｋａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００４５７，Ｃｈｉｎａ）
＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｅｑｉｎｇ＠ｎａｎｋａｉ．ｅｄｕ．ｃｎ
在钢管 生 产 中，随 着 国 内 外 管 道 建 设 “大 口 径 、厚 壁 、高 钢 级 ”的 趋 势 ，大 口 径 钢 管 的 生 产 比 重 占得越来越大。作为钢管端部重要的参数指标， 大口径钢管管端的直径及不圆度在保证管道施工 进度和质量方面具有重要意义。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 。 ［３］ 而油气输送管道输送大量易 燃 易 爆 物 质 ，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。 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 大 口 径 钢 管 管 端 的 内 径 、外 径 及 不 圆 度进行检测。
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｉｎｓｉｄｅ ａｎｄ ｏｕｔｓｉｄｅ ｄｉａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ
ＭＥＩ Ｊｉａｎ－ｃｈｕｎ１，ＹＥ Ｑｉｎｇ２，３＊ ，ＴＩＡＮ Ｊｉａｎ－ｇｕｏ２，３
（１．Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｋａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｎａｎｋａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７１，Ｃｈｉｎａ；
ｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ０．０５ｍｍ；ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ ｌｉｍｉｔ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ｏｒ ｅｑｕａｌ ｔｏ ５μｍ．Ｗｈｅｎ ５００ｐｏｉｎｔｓ ａｒｅ ｓａｍｐｌｅｄ ｐｅｒ ｐｉｐｅ ｅｎｄ，ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｌａｓｔｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ２５ｓ．ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｆｕｌｌｙ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｅａｍｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ．Ｗｉｔｈ ａｄ－ ｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｅａｓｙ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｐｉｄ ｓｐｅｅｄ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｐａｓｓｅｄ ｔｈｅ ｏｆｆ－ｌｉｎｅ ｔｅｓｔ ｉｎ Ｔｉａｎ Ｇｕａｎ Ｙｕａｎ Ｔｏｎｇ ｐｉｐｅ ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ；ｓｅａｍｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ；ｄｉａｍｅｔｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｏｕｔ－ｏｆ－ｒｏｕｎｄ
ｅｔｅｒｓ ｏｆ ｐｉｐｅ ｅｎｄ
第４期
梅 剑 春 ，等 ：钢 管 管 端 内 外 径 测 量 系 统 的 设 计 与 实 现
８１７
该系统利用旋转装置带动激光位移传感器沿管端 旋 转 ，测 量 整 个 圆 周 截 面 的 内 径 和 外 径 分 布 情 况 ， 并配合升降台和探头固定臂上的精密位移台对探 头位置进行微调，以 适 应 不 同 尺 寸 钢 管 管 端 检 测 的需要。此装置的主要误差是由旋转台转动的中 轴线和钢管的中 轴 线 不 能 完 全 重 合 引 入 的，即 测 距探头旋转时围绕的中轴线不同于待测钢管的中 轴 线 ，但 这 种 误 差 可 以 利 用 数 据 处 理 算 法 来 消 除 。 ２．１ 激 光 位 移 传 感 器
第 ２２ 精密工程
Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．２２ Ｎｏ．４
Ａｐｒ．２０１４
文 章 编 号 １００４－９２４Ｘ（２０１４）０４－０８１５－０７
钢管管端内外径测量系统的设计与实现
收 稿 日 期 ：２０１３－０６－２７；修 订 日 期 ：２０１３－０８－２０． 基 金 项 目 ：天 津 滨 海 新 区 自 主 创 新 重 大 成 果 产 业 化 关 键 技 术 攻 关 项 目 （Ｎｏ．２０１２－ＢＫ１２００１２）
８１６
光学 精密工程
第 ２２卷
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎｓｉｄｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｏｕｔｓｉｄｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｕｔ－ｏｆ－ｒｏｕｎｄ ｏｆ ａ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｅｎｄ，ａ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｉｎｓｉｄｅ ａｎｄ ｏｕｔｓｉｄｅ ｄｉａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｗｏ ｌａｓｅｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒｓ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｐｅｒｆｏｒｍ ｆｕｌｌ ｓｃａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｓｉｄｅ ａｎｄ ｏｕｔｓｉｄｅ ｄｉａｍｅｔｅｒｓ ａｓ ｔｈｅｙ ｒｏｔａｔｅｄ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｐｉｐｅ ｅｎｄｓ．Ｔｈｅｎ ａ ｆｉｔｔｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗａｓ ｔａｋｅｎ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｅｒｒｏｒｓ ｂｒｏｕｇｈｔ ｂｙ ｔｈｅ ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｏｔａｒｙ ａｘｉｓ ａｎｄ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ａｘｉｓ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｉｐｅ ｅｎｄ ｗａｓ ａｄｊｕｓｔｅｄ ｂｙ ｍｏｔｏｒｉｚｅｄ ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅｓ ｆｉｘｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ，ｔｈｅ ａｌｉｇｎｉｎｇ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｐｉｐｅ ｃｅｎｔｅｒ ｗａｓ ａｄｊｕｓｔｅｄ ｂｙ ａ ｌｉｆｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒａｂｌｅ ｐｉｐｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｗａｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｔｗｏ－ａｉｍ ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ，ｓｏ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔｅｄ ｍｅｔｈｏｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉ－