专利名称：钢管管端内外径测量中轴心误差消除方法
技术领域：
本发明涉及钢管参数测量领域，具体涉及一种旋转法钢管管端参数测量装置的后期数据处理方法。
背景技术：
随着管道现场焊接施工技术的不断进步，半自动、全自动焊接技术的不断应用，使得对钢管管径的要求越来越严格，特别是对管端，不仅对其外径有要求，同时对其管端椭圆度的要求也极为严格。其目的就在于当两管在野外或海洋中进行配管焊接施工时，使其能顺利的完成焊接。反之，如果钢管的管端直径和椭圆度超标，就会造成两管对焊的困难，即使能勉强对焊在一起，也会产生很大的残余应力，导致焊缝处的机械性能下降，降低了管道在使用过程中的安全性。油气输送管道输送大量易燃易爆介质，承受几十甚至上百个大气压的内压，焊缝处如果机械性能不好的话，极易发生泄漏、爆炸事故，会造成很大损失。而由于生产工艺的限制，产品中内外径不合格的钢管依然占据一定的比例。为了筛选出合格的钢管，同时对大口径钢管生产质量进行严密地监控，对大口径钢管的内径、外径及椭圆度进行检测是非常有必要的。目前钢管行业中个轧管厂在测量管端内外径和厚度时，主要依靠卡尺和千分尺等手工量具进行检测，受生产环境、量具精确度和操作人员的主观因素影响较大，同时测量速度和测量的数据量均不可能达到较高的水平。为了降低成本， 提高检测速度，消除人的主观因素影响，提高测量精度，急需开发一种高精度自动化的管端内外径测量系统来提高钢管生产过程的自动化程度。目前采用的管端参数测量装置多是利用一个旋转平台带动激光测距探头在管端旋转，一边旋转一边测量激光测距探头距离钢管内外壁的距离。基于旋转平台带动激光测距探头在管端旋转的测量装置的基本结构如图I所示，在图I中，I是旋转台，2是转台固定平面，3和4是两个激光测距探头，5和6是分别用来固定这两个探头用的固定支架，7是待测钢管，8是旋转台转动中轴线。3和4这两个激光探头垂直管壁方向放置，探头距离钢管内外壁的距离测得分别是A和B，已知激光测距探头距离钢管转动中轴线(8)的距离是C和 D，就可以得到钢管的外径为C-A，内径为B+D。在旋转台旋转至不同角度时分别测量内外径的数据，就可以得到钢管整个圆周的内外径尺寸，进而可以分析出钢管的椭圆度和厚度。这种方法要求转台旋转的中心线与钢管的中轴线保持一致，但是由于实际机械加工、装配时的误差，这种理想的情况很难实现，于是会导致测量时有较大误差，直接影响测量精度的提闻。

发明内容
旋转测量装置测量时的主要误差来源在于旋转台转动的中轴线和和钢管的中轴线不能完全重合，导致测量的内外径不准确。两条中轴线不重合主要可以分成两个方面，一个是轴心位置有偏移，另外一个是中轴线的倾斜度不同。当轴心位置有偏移时，当在平面直角坐标系上绘制出测量出来的两个圆环时，会发现测出的圆环中心不在坐标系的原点上，这时可以通过软件拟合的方法，计算出圆环的中心。由于两个圆环的中心基本一致，任取其中一个即可。然后计算圆环上各点到该中心的距离，即为新的内径外径。利用这种办法就可以消除轴心位置偏移带来的误差。当旋转台旋转的中轴线与钢管的中轴线在倾斜度不同时，探头围绕旋转的平面与钢管的切面应该为一个椭圆，通过分析该椭圆的长轴和短轴，可以计算出两个中轴线之间倾斜的角度，然后对整个测量出来的圆环对该角度做投影映射，就可以消除倾斜度不同带来的误差。实际测量中这两种误差是同时存在的，用本发明消除内径误差的步骤是首先，根据测得的钢管内外径数据和每一对内径外径对应的角度得到钢管内外壁尺寸的两个轮廓圆环。其次，对内径轮廓进行椭圆拟合，得到一个椭圆1\。然后保持该椭圆的中心和长轴短轴方向不变的条件下，对外径轮廓进行椭圆拟合，得到另一个椭圆T2。也可以先对外径轮廓进行椭圆拟合，得到椭圆T2，然后保持T2的中心和长短轴方向来拟合!\。然后，然后对内外轮廓上的每一个点的位置进行重新计算。以内径轮廓上某点P 为例，以椭圆T1的中心M向P的方向做射线，与椭圆T1交点为N，P的新位置P’在射线MP 上，P’与M点的距离MP’的计算方法为ΜΡ’ = ΜΡ*ΜΝ/椭圆T1的短半轴长度。外径轮廓上每一点的新位置计算方法与此相一致，将椭圆T1替换成T2即可。最后，内径轮廓上每一点的新位置与椭圆T1中心M的距离就是新的内径，外径轮廓上每一点的新位置与中心M的距离就是新的外径数据。


图I是管端参数测量系统测量原理图。图2是轴心误差消除方法不例图。
具体实施例方式对于本发明针对的管端参数测量装置，在利用机械结构尽可能的使两个中轴线保持一致的条件下，剩下的测量误差可以通过本发明提供的方法降低，从而极大的提高测量精度，同时降低了对轴心对准结构的加工要求，降低了设备成本。旋转测量装置测量时的主要误差来源在于旋转台转动的中轴线和和钢管的中轴线不能完全重合，导致测量的内外径不准确。两条中轴线不重合主要可以分成两个方面，一个是轴心位置有偏移，另外一个是中轴线的倾斜度不同。当轴心位置有偏移时，当在平面直角坐标系上绘制出测量出来的两个圆环时，会发现测出的圆环中心不在坐标系的原点上，这时可以通过软件拟合的方法，计算出圆环的中心。由于两个圆环的中心基本一致，任取其中一个即可。然后计算圆环上各点到该中心的距离，即为新的内径外径。利用这种办法就可以消除轴心位置偏移带来的误差。当旋转台旋转的中轴线与钢管的中轴线在倾斜度不同时，探头围绕旋转的平面与钢管的切面应该为一个椭圆，通过分析该椭圆的长轴和短轴，可以计算出两个中轴线之间倾斜的角度，然后对整个测量出来的圆环对该角度做投影映射，就可以消除倾斜度不同带来的误差。实际测量中这两种误差是同时存在的，如图2所示，用本发明消除内径误差的步骤是首先，根据测得的钢管内外径数据和每一对内径外径对应的角度得到钢管内外壁尺寸的两个轮廓圆环。在平面直角坐标系上XOY中将这两个轮廓圆环绘出。其次，对内径轮廓进行椭圆拟合，得到一个椭圆1\。然后保持该椭圆的中心和长轴短轴方向不变的条件下，对外径轮廓进行椭圆拟合，得到另一个椭圆T2。也可以先对外径轮廓进行椭圆拟合，得到椭圆T2，然后保持T2的中心和长短轴方向来拟合!\。这样做的目的是得到两个中心重合，长短轴方向一致的椭圆。然后，然后对内外轮廓上的每一个点的位置进行重新计算。以内径轮廓上某点P 为例，以椭圆T1的中心M向P的方向做射线，与椭圆T1交点为N，P的新位置P’在射线MP 上，P’与M点的距离MP’的计算方法为ΜΡ’ = ΜΡ*ΜΝ/椭圆T1的短半轴长度。这种计算方法实际上时将椭圆T1上的点向以T1中心点M为中心，以T1短半轴长度为半径的圆T3做投影映射。外径轮廓上每一点的新位置计算方法与此相一致，将椭圆T1 替换成T2即可。最后，内径轮廓上每一点的新位置与椭圆T1中心M的距离就是新的内径，外径轮廓上每一点的新位置与中心M的距离就是新的外径数据。椭圆T1中心M即为钢管的中轴线位置，OM就是钢管中心轴与转台中心轴的偏差，可以通过机械移动的方式将转台中心轴的位置移动到M点，下次测量的时候误差就会缩小好多。本发明提供的误差消除方法适用于旋转台中轴线与钢管中轴线基本一致的情况， 可以有效消除两条中轴线对心不准确带来的误差，提高测量精度。如果相差太大，这种方法就不太有效了。
权利要求
1.一种钢管管端内外径测量中轴心误差消除方法，这种方法包括以下步骤首先，根据测得的钢管内外径数据和每一对内径外径对应的角度得到钢管内外壁尺寸的两个轮廓圆环；其次，对内径轮廓进行椭圆拟合，得到一个椭圆T1 ;然后保持该椭圆的中心和长轴短轴方向不变的条件下，对外径轮廓进行椭圆拟合，得到另一个椭圆T2 ;也可以先对外径轮廓进行椭圆拟合，得到椭圆T2，然后保持T2的中心和长短轴方向来拟合T1 ；然后，然后对内外轮廓上的每一个点的位置进行重新计算；以内径轮廓上某点P为例， 以椭圆T1的中心M向P的方向做射线，与椭圆T1交点为N，P的新位置P’在射线MP上，P’ 与M点的距离MP’的计算方法为MP’ = MP*MN/椭圆T1的短半轴长度；外径轮廓上每一点的新位置计算方法与此相一致，将椭圆T1替换成T2即可；最后，内径轮廓上每一点的新位置与椭圆T1中心M的距离就是新的内径大小，外径轮廓上每一点的新位置与中心M的距离就是新的外径大小。
全文摘要
一种钢管管端内外径测量中轴心误差消除方法，这是一种涉及钢管管端参数测量装置的后期数据处理方法。该种测量装置是利用一个旋转平台带动激光测距探头在管端旋转，在旋转的同时测量探头距钢管内外壁的距离进而分析出钢管内外径大小。本发明提供的后期数据处理方法主要利用平移和椭圆向其最大内切圆映射的方式，可以有效的消除这种测量装置的轴心误差，从而极大的提高测量精度，同时降低了对轴心对准结构的加工要求，降低了设备成本。
文档编号G01B11/08GK102589456SQ20121004247
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月24日 优先权日2012年2月24日
发明者叶青, 梅剑春, 田建国 申请人:南开大学