专利名称：一种特殊钢管端部圆度自动检测装置及其检测方法
技术领域：
本发明涉及一种检测装置及检测方法，具体涉及一种特殊钢管端部圆度自动检测装置及其检测方法，属于金属型材制造技术领域。
背景技术：
随着我国经济持续快速的增长，石油天然气资源在国民经济中所处的战略地位日渐突现，除了积极从国际原油市场上筹措石油天然气资源外，我国也加大了对国内石油天然气资源的开采和勘探。油气井钻杆、钻铤和套管是石油天然气钻探装备中的关键部件，钻杆和套管是一种特殊的无缝钢管。目前，钻井深度已达10000米以上，钻井时需要上百上千根钻杆、套管连接起来，连接方式都是通过螺纹进行连接，这对油气井钻杆和套管端部螺纹加工提出了极高的要求，若钻杆、套管两端不直或端部不圆，则往往使两端螺纹加工质量受到影响，从而造成连接强度受到影响。经检索发现薛婷、杨学友等学者在天津大学学报2003年03期上发表文章，介绍了钢管直线度测量视觉传感器的优化设计与标定，其方法是采用分别在无缝钢管的两端Im内各布置5个激光视觉传感器，分段同时测量的方案。由半导体激光器LD发出一束光平面，与无缝钢管相截后，在钢管外圆表面形成一条椭圆弧，由CCD摄像机接收各椭圆弧的图像，经计算机实时图像处理求得各椭圆弧中心在世界坐标系中的坐标；在计算机控制下，使液压传动机构带动钢管与一端的定位开关相接触，定位开关即向计算机发出测量脉冲信号，经过Imin左右的延时，待钢管稳定后，由计算机控制该端5个视觉传感器，快速采集5个光平面与钢管相截时的椭圆弧图像；尔后，计算机控制液压传动机构带动钢管移动到另一端，并采集该端5个传感器的测量信号；最后计算机对10幅图像进行处理，并经前述算法，求出钢管的直线度误差。该方法是通过CCD拍摄5个激光器发出的光平面在钢管表面形成的椭圆弧图像，然后通过图像处理分析来确定所测测量段的直线度。该方法的不足是仅提出了一种对钢管两端在静止状态下对直线度进行检测的方法，未能解决对钢管两端的圆度进行检测的问题。

发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种特殊钢管端部圆度的自动检测装置，其能够对钢管两端的圆度进行检测，同时具有高速、可靠、自动化程度高的优点，本发明还旨在提供一种利用该装置实现钢管两端圆度自动化检测的方法。本发明是通过以下技术方案实现的—种特殊钢管端部圆度自动检测装置，其包括检测装置立柱、定位挡块、钢管旋转驱动轮、第一悬挂轮、悬挂板、第二悬挂轮、钢丝绳、平衡重块、检测装置上下移动驱动机构、钢管角位移检测机构和钢管端部圆度检测机构，其中，悬挂板固定在检测装置立柱的顶部，钢丝绳绕挂于悬挂板两端的第一悬挂轮和第二悬挂轮上，一端连接平衡重块且另一端连接检测装置上下移动驱动机构，钢管端部圆度检测机构和钢管角位移检测机构连接于检测装置上下移动驱动机构上，并且通过钢丝绳和平衡重块进行重力平衡，检测装置上下移动驱动机构固定在检测装置立柱的顶部且驱动钢管端部圆度检测机构和钢管角位移检测机构上下移动，定位挡块和钢管旋转驱动轮设置于钢管端部圆度检测机构和钢管角位移检测机构下方的检测装置立柱上。所述的检测装置上下移动驱动机构包括伺服电机、第一同步带轮、第一同步带、第二同步带轮、滚珠丝杆副、直线导轨副和支撑板，其中，伺服电机固定安装在检测装置立柱的顶部，并且通过第一同步带轮、第一同步带和第二同步带轮驱动滚珠丝杆副旋转，支撑板悬挂连接于所述钢丝绳的一端，并且同时与滚珠丝杆副和直线导轨副连接，从而受伺服电机驱动沿直线导轨副上下移动。 所述的钢管角位移检测机构包括第一位移传感器、V形定位支撑块、第一压力弹簧、编码器、编码器连接轴、摩擦滚轮和支撑滚轮，其中，V形定位支撑块用两根螺栓活动悬挂安装在所述支撑板上且随支撑板作上下移动，第一位移传感器固定安装在支撑板上，并且位于V形定位支撑块上方以检测V形定位支撑块的位移，编码器连接轴连同安装在其左右两端的编码器和摩擦滚轮活动安装在V形定位支撑块中且能够上下移动，第一压力弹簧压抵于编码器连接轴的上部使之始终处在V形定位支撑块的下端，支撑滚轮转动安装在V形定位支撑块的下部。所述的钢管端部圆度检测机构包括圆度检测机构框架、步进电机、第三同步带轮、第二同步带、第四同步带轮、滑动轴套、花键套、左右旋滚珠丝杆、右测量臂、左测量臂、滑动轴、位移传感器安装架、第二位移传感器和第二压力弹簧，其中，圆度检测机构框架固定安装在所述支撑板上且能够随支撑板作上下移动，步进电机固定安装在圆度检测机构框架上，并且通过第三同步带轮、第二同步带、第四同步带轮和花键套驱动滑动地穿置于滑动轴套中的左右旋滚珠丝杆旋转，进而带动连接在左右旋滚珠丝杆上的右测量臂和左测量臂同时向内或向外移动，滑动轴滑动地穿置于右测量臂下部的孔中，位移传感器安装架固定安装在右测量臂的右外侧，第二压力弹簧夹置于位移传感器安装架与滑动轴之间，并且推抵滑动轴向内，第二位移传感器固定安装在位移传感器安装架上且检测滑动轴的位移。本发明另一技术方案为一种特殊钢管端部圆度自动检测方法，其包括以下步骤第一步，被测钢管置于钢管旋转驱动轮上且轴向抵靠于定位挡块上定位，伺服电机通过第一同步带轮、第一同步带和第二同步带轮驱动滚珠丝杆副旋转，进而驱动支撑板向下移动；第二步，支撑板向下移动的同时V形定位支撑块向下移动，摩擦滚轮首先与被测钢管接触，并在第一压力弹簧的作用下紧压在被测钢管顶部的圆弧面上，V形定位支撑块随支撑板继续下移，直至支撑滚轮接触到被测钢管上被撑住不再下移，支撑板继续向下移动，直至第一位移传感器触及并检测到V形定位支撑块上端面时停止移动,此时钢管角位移检测机构到达检测位置；第三步，当钢管角位移检测机构到达检测位置时，被测钢管被夹持在钢管端部圆度检测机构的右测量臂与左测量臂的中间，在第二压力弹簧的作用下滑动轴压抵在被测钢管上，此时钢管端部圆度检测机构到达检测位置；第四步，钢管旋转驱动轮驱动被测钢管转动，检测开始，钢管角位移检测机构中的摩擦滚轮随被测钢管转动，编码器通过编码器连接轴随之转动，从而检测出被测钢管转过的角度；与此同时，钢管端部圆度检测机构中的滑动轴随被测钢管的转动而左右移动，第二位移传感器测得滑动轴左右移动的最大值和最小值，该两值之差即为被测钢管的最大直径和最小直径的差值，该差值的一半即为被测钢管的被检测截面的圆度误差，至此完成了钢管端部的圆度检测；结合钢管角位移检测机构的角位移检测结果，能够得出被测钢管直径变化与角位移变化之间的关系。 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果本发明实现了钢管两端圆度的自动化检测，并且具有检测速度快、检测数据可靠、自动化程度高和极大地降低人员劳动强度的优点。


图I为本发明的结构示意图。图2为图I中圆形区域I的钢管角位移检测机构放大图。图3为图2的左视图。图4为图I中圆形区域II的钢管端部圆度检测机构放大左视图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。如图I所示实施例，所述特殊钢管端部圆度自动检测装置包括检测装置立柱I、定位挡块2、钢管旋转驱动轮3、第一悬挂轮13、悬挂板14、第二悬挂轮21、钢丝绳22、平衡重块23、检测装置上下移动驱动机构、钢管角位移检测机构和钢管端部圆度检测机构。所述悬挂板14水平地固定在检测装置立柱I的顶部，其两端转动地安装有第一悬挂轮13和第二悬挂轮21 ;所述钢丝绳22绕挂于该第一悬挂轮13和第二悬挂轮21上，该钢丝绳22 —端连接所述平衡重块23，另一端连接所述检测装置上下移动驱动机构；所述钢管端部圆度检测机构和钢管角位移检测机构连接于该检测装置上下移动驱动机构上，并且通过钢丝绳22和平衡重块23进行重力平衡；所述检测装置上下移动驱动机构固定在检测装置立柱I的顶部，并且能够驱动该钢管端部圆度检测机构和钢管角位移检测机构上下移动；所述定位挡块2和钢管旋转驱动轮3位于该钢管端部圆度检测机构和钢管角位移检测机构的下方，设置安装于检测装置立柱I上。请参阅图1，所述的检测装置上下移动驱动机构包括伺服电机20、第一同步带轮19、第一同步带18、第二同步带轮17、滚珠丝杆副16、直线导轨副15和支撑板12。所述支撑板12悬挂连接于所述钢丝绳22的一端，并且通过第一悬挂轮13、悬挂板14、第二悬挂轮21、钢丝绳22和平衡重块23进行重力平衡，以减轻伺服电机20的负载该支撑板12，该支撑板12固定连接所述滚珠丝杆副16，同时滑动连接安装在检测装置立柱I上的直线导轨副15上；所述伺服电机20固定安装在检测装置立柱I的顶部，并且通过第一同步带轮19、第一同步带18和第二同步带轮17驱动滚珠丝杆副16旋转，从而驱动支撑板12沿直线导轨副15上下移动。再结合参阅图I、图2和图3，所述的钢管角位移检测机构包括第一位移传感器IUV形定位支撑块10 、第一压力弹簧8、编码器9、编码器连接轴7、摩擦滚轮5和支撑滚轮6。所述V形定位支撑块10用两根螺栓活动悬挂安装在所述支撑板12上，使V形定位支撑块10和整个钢管角位移检测机构能够随该支撑板12作上下移动；所述第一位移传感器11固定安装在该支撑板12上并且位于所述V形定位支撑块10上方，用于检测该V形定位支撑块10的位移；所述编码器9和摩擦滚轮5分别安装在所述编码器连接轴7的左右两端，该编码器9和摩擦滚轮5以及编码器连接轴7活动安装在V形定位支撑块10中，并且能够上下移动；所述第一压力弹簧8压抵于该编码器连接轴7的上部，在第一压力弹簧8的作用下，该编码器连接轴7始终处在V形定位支撑块10的下端；所述支撑滚轮6转动安装在该V形定位支撑块10的下部，数量可以不止一个，本实施例中为4个。请参阅图4，所述的钢管端部圆度检测机构包括圆度检测机构框架24、步进电机25、第三同步带轮26、第二同步带27、第四同步带轮28、滑动轴套29、花键套30、左右旋滚珠丝杆31、右测量臂32、左测量臂33、滑动轴34、位移传感器安装架35、第二位移传感器36和第二压力弹簧37。所述圆度检测机构框架24固定安装在所述支撑板12上，使圆度检测机构框架24连同整个钢管端部圆度检测机构能够随该支撑板12作上下移动；所述滑动轴套29固定安装于该圆度检测机构框架24的侧壁上，所述左右旋滚珠丝杆31滑动地穿置于该滑动轴套29中，所述右测量臂32和左测量臂33连接在该左右旋滚珠丝杆31上；所述步进电机25固定安装在圆度检测机构框架24上，并且通过第三同步带轮26、第二同步带27、第四同步带轮28和花键套30驱动该左右旋滚珠丝杆31旋转，从而带动右测量臂32和左测量臂33同时向内或向外移动，以适应不同管径钢管的测量；考虑到钢管在旋转过程中会晃动，该左右旋滚珠丝杆31、右测量臂32和左测量臂33构成的整体部件能够在所述滑动轴套29中左右滑动；所述滑动轴34滑动地穿置于右测量臂32下部的孔中，所述位移传感器安装架35固定安装在右测量臂32的右外侧，所述第二压力弹簧37夹置于该位移传感器安装架35与滑动轴34之间，并且推抵滑动轴34向内，所述第二位移传感器36固定安装在该位移传感器安装架35上，用以检测该滑动轴34的位移。采用本发明所述装置进行特殊钢管端部圆度自动检测的方法如下，步骤共包括四
I K
少第一步，被测钢管4放置于钢管旋转驱动轮3上，并且轴向抵靠于检测装置立柱I的定位挡块2上定位；固定安装在检测装置立柱I顶部的伺服电机20通过第一同步带轮19、第一同步带18和第二同步带轮17驱动滚珠丝杆副16旋转，从而驱动滑动安装在直线导轨副15上的支撑板12向下移动，以调整检测机构的位置便于检测不同直径的钢管。第二步，当支撑板12向下移动的同时，活动悬挂安装在支撑板12上的V形定位支撑块10也一起向下移动，下移一段距离后，安装在编码器连接轴7右端的摩擦滚轮5首先与被测钢管4顶部的圆弧面接触；随着V形定位支撑块10继续下移，摩擦滚轮5在第一压力弹簧8的作用下紧压在被测钢管4顶部的圆弧面上；V形定位支撑块10在自身重力作用下随支撑板12继续下移，当转动安装在V形定位支撑块10下端的4个支撑滚轮6接触到被测钢管4顶部的圆弧面上时，V形定位支撑块10定位在被测钢管4顶部的圆弧面上被支撑住不再下移；而支撑板12继续向下移动，直至固定安装在支撑板12上的第一位移传感器11触及并检测到V形定位支撑块10的上端面时停止移动；此时摩擦滚轮5已紧压在被测钢管4顶部的圆弧面上，同时说明，连接在支撑板12下的钢管角位移检测机构已经到达检测位置，工作状态见图3。第三步，当钢管角位移检测机构下移到检测位置时，被测钢管4被夹持在钢管端部圆度检测机构的右测量臂32与左测量臂33的中间，在第二压力弹簧37的作用下，活动安装在右测量臂32中的滑动轴34压抵在被测钢管4上；固定安装在位移传感器安装架35上的第二位移传感器36即能够检测滑动轴34的位移，此时钢管端部圆度检测机构到达检测位置，工作状态见图4 ;考虑到钢管在旋转过程中会晃动，左右旋滚珠丝杆31、右测量臂32和左测量臂33构成的整体部件在滑动轴套29中能够左右滑动。第四步，钢管旋转驱动轮3驱动被测钢管4转动，检测开始，钢管角位移检测机构、钢管端部圆度检测机构同时进入检测状态；在钢管角位移检测机构中，安装在编码器连接轴7右端的摩擦滚轮5随被测钢管4转动，安装在编码器连接轴7左端的编码器9随之转动，从而检测出被测钢管4转过的角度；与此同时，在钢管端部圆度检测机构中，被测钢管4被夹持在右测量臂32与左测量臂33的中间，随着被测钢管4的转动，如果被测钢管4存在圆度偏差，就会推动滑动安装在右测量臂32中的滑动轴34左右移动，第二位移传感器36测得滑动轴34左右移动的最大值和最小值，该两值之差即为被测钢管4的最大直径与最小 直径的差值，该差值的一半即为被测钢管4的被检测截面的圆度误差，至此，就完成了钢管端部的圆度检测。结合钢管角位移检测机构的角位移检测结果，还能够得出被测钢管4的直径变化与角位移变化之间的关系。本发明所述的特殊钢管端部圆度自动检测方法具有检测速度快、检测数据可靠、自动化程度高和极大地降低人员劳动强度的优点。
权利要求
1.一种特殊钢管端部圆度自动检测装置，其特征在于所述自动检测装置包括检测装置立柱、定位挡块、钢管旋转驱动轮、第一悬挂轮、悬挂板、第二悬挂轮、钢丝绳、平衡重块、检测装置上下移动驱动机构、钢管角位移检测机构和钢管端部圆度检测机构，其中，悬挂板固定在检测装置立柱的顶部，钢丝绳绕挂于悬挂板两端的第一悬挂轮和第二悬挂轮上，一端连接平衡重块且另一端连接检测装置上下移动驱动机构，钢管端部圆度检测机构和钢管角位移检测机构连接于检测装置上下移动驱动机构上，并且通过钢丝绳和平衡重块进行重力平衡，检测装置上下移动驱动机构固定在检测装置立柱的顶部且驱动钢管端部圆度检测机构和钢管角位移检测机构上下移动，定位挡块和钢管旋转驱动轮设置于钢管端部圆度检测机构和钢管角位移检测机构下方的检测装置立柱上。
2.根据权利要求I所述的特殊钢管端部圆度自动检测装置，其特征在于所述的检测装置上下移动驱动机构包括伺服电机、第一同步带轮、第一同步带、第二同步带轮、滚珠丝杆副、直线导轨副和支撑板，其中，伺服电机固定安装在检测装置立柱的顶部，并且通过第一同步带轮、第一同步带和第二同步带轮驱动滚珠丝杆副旋转，支撑板悬挂连接于所述钢丝绳的一端，并且同时与滚珠丝杆副和直线导轨副连接，从而受伺服电机驱动沿直线导轨副上下移动。
3.根据权利要求2所述的特殊钢管端部圆度自动检测装置，其特征在于所述的钢管角位移检测机构包括第一位移传感器、V形定位支撑块、第一压力弹簧、编码器、编码器连接轴、摩擦滚轮和支撑滚轮，其中，V形定位支撑块用两根螺栓活动悬挂安装在所述支撑板上且随支撑板作上下移动，第一位移传感器固定安装在支撑板上，并且位于V形定位支撑块上方以检测V形定位支撑块的位移，编码器连接轴连同安装在其左右两端的编码器和摩擦滚轮活动安装在V形定位支撑块中且能够上下移动，第一压力弹簧压抵于编码器连接轴的上部使之始终处在V形定位支撑块的下端，支撑滚轮转动安装在V形定位支撑块的下部。
4.根据权利要求3所述的特殊钢管端部圆度自动检测装置，其特征在于所述的钢管端部圆度检测机构包括圆度检测机构框架、步进电机、第三同步带轮、第二同步带、第四同步带轮、滑动轴套、花键套、左右旋滚珠丝杆、右测量臂、左测量臂、滑动轴、位移传感器安装架、第二位移传感器和第二压力弹簧，其中，圆度检测机构框架固定安装在所述支撑板上且能够随支撑板作上下移动，步进电机固定安装在圆度检测机构框架上，并且通过第三同步带轮、第二同步带、第四同步带轮和花键套驱动滑动地穿置于滑动轴套中的左右旋滚珠丝杆旋转，进而带动连接在左右旋滚珠丝杆上的右测量臂和左测量臂同时向内或向外移动，滑动轴滑动地穿置于右测量臂下部的孔中，位移传感器安装架固定安装在右测量臂的右外侦牝第二压力弹簧夹置于位移传感器安装架与滑动轴之间，并且推抵滑动轴向内，第二位移传感器固定安装在位移传感器安装架上且检测滑动轴的位移。
5.一种采用权利要求4所述的特殊钢管端部圆度自动检测装置的检测方法，其特征在于所述检测方法包括以下步骤 第一步，被测钢管置于钢管旋转驱动轮上且轴向抵靠于定位挡块上定位，伺服电机通过第一同步带轮、第一同步带和第二同步带轮驱动滚珠丝杆副旋转，进而驱动支撑板向下移动； 第二步，支撑板向下移动的同时V形定位支撑块向下移动，摩擦滚轮首先与被测钢管接触，并在第一压力弹簧的作用下紧压在被测钢管顶部的圆弧面上，V形定位支撑块随支撑板继续下移，直至支撑滚轮接触到被测钢管上被撑住不再下移，支撑板继续向下移动，直至第一位移传感器触及并检测到V形定位支撑块上端面时停止移动,此时钢管角位移检测机构到达检测位置； 第三步，当钢管角位移检测机构到达检测位置时，被测钢管被夹持在钢管端部圆度检测机构的右测量臂与左测量臂的中间，在第二压力弹簧的作用下滑动轴压抵在被测钢管 上，此时钢管端部圆度检测机构到达检测位置； 第四步，钢管旋转驱动轮驱动被测钢管转动，检测开始，钢管角位移检测机构中的摩擦滚轮随被测钢管转动，编码器通过编码器连接轴随之转动，从而检测出被测钢管转过的角度；与此同时，钢管端部圆度检测机构中的滑动轴随被测钢管的转动而左右移动，第二位移传感器测得滑动轴左右移动的最大值和最小值，该两值之差即为被测钢管的最大直径和最小直径的差值，该差值的一半即为被测钢管的被检测截面的圆度误差，至此完成了钢管端部的圆度检测；结合钢管角位移检测机构的角位移检测结果，能够得出被测钢管直径变化与角位移变化之间的关系。
全文摘要
一种特殊钢管端部圆度自动检测装置及其检测方法，包括有检测装置上下移动驱动机构、钢管角位移检测机构和钢管端部圆度检测机构，其中，检测装置上下移动驱动机构用于调整钢管角位移检测机构和钢管端部圆度检测机构在检测不同管径钢管时的位置，钢管角位移检测机构和钢管端部圆度检测机构组合对钢管在不同角位移所对应的管径进行检测，最后得到钢管端部的圆度值。本发明具有检测速度快、检测数据可靠、自动化程度高和极大地降低人员劳动强度的优点，适用于钢管，尤其是特殊钢管，的两端圆度的自动化检测。
文档编号G01B21/20GK102636145SQ20121010354
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月10日 优先权日2012年4月10日
发明者吴考伦, 孙开明, 胡德金, 裴景玉, 许黎明 申请人:上海交通大学