（材料加工工程专业论文）基于labview的大直径直缝焊管的在线检测系统.pdf

基于l a b v i e w 的火直径直缝焊管的在线检测系统 摘要 当前大直径直缝焊管以其独特的优势得到了广泛的应用，随着应用的不断加深，对 钢管的质量要求也在不断的提高，特别是钢管外形弯曲及变形程度更是衡量钢管质量的 重要因素。大直径直缝焊管形位误差的在线测量，包括钢管母线直线度和钢管截面圆度 的测量国内外都没有很好的解决，而大直径焊管的在线测量是当今焊管校直的重要一 环，也是焊管校直过程中需要面对的技术难题。当前大都采用手工测量的方法显然不能 满足焊管校直的自动化及数字化的要求。本文就当前钢管测量的形势并受甘肃天水锻压 机床有限公司的委托，研究设计了一套简洁、有效的大直径焊管的形位误差在线检测装 、置。 大直径直缝焊管在线测量系统采用计算机虚拟仪器为测量软件平台，使得该装置更 符合开放性的要求，在测量控制方面及数据采集方面显得灵活易于控制。同时采用上位 机作为工控平台，数据处理更为方便，数据存储、重复利用更加容易，其人机操控界面 更符合人性化的设计。 以计算机为控制平台，大多硬件设备都已模块化，使开发成本大大较低，开发效率 提高。在测量终端采用位移传感器测量钢管表面形位误差参数，测量信号通过信号调理 模块实现信号放大及噪声隔离，之后变成数据采集卡能够识别的数据信号，计算机就可 以直接利用数据采集卡的数据进行分析。 本文重点介绍了钢管形位误差测量系统的机械结构传动方式、数学模型的建立与数 据处理、人机测量界面的编制等。其中在机械结构设计中包括整体测量方案的选用、测 量龙门架的设计、自调式旋转滚轮架的设计与计算等；数学模型方面建立了钢管母线直 线度时域三点法误差分离模型及钢管截面圆度时域两点法误差分离模型，并在虚拟仪器 软件i 抽v i e w 中编制了数据采集、处理及保存的程序；最后建立方便操作的测量系统 人机界面，并通过模拟采集数据，仿真分析数据处理模块的正确性，这为测量装置设计 制造提供了理论依据。 本课题研究所涉及的知识面较广，实际测量系统要考虑的因素众多，加之设计研究 时间仓促、精力有限，该测量系统难免会存在这样或那样的不足之处，同时很多细节方 面还要通过制造出来后经过实践的应用来不断完善。就目前来说下一步的深入研究内容 包括：机械传动结构的合理化、数据处理模型的优化、人机界面的人性化及测量系统的 计算机控制系统，更进一步的讲，钢管形位误差测量系统将是未来全数字化钢管校直机 的前瞻性研究。 关键词：l a b vi 酬；大直径焊管；形位误差；e s t ；在线测量； i v 硕士学位论文 a b s t r a c t n el a 唱ed i a s t r a j g l l tw e l d e dp i p ei sw i d e l yu s e di nt h e 、舳r l db e c a u s eo fi t su i l i q u e a d v 柚t a g c st o d a y a l o n gw i t ht h ea p p l i c a t i o nd e e p e r ，t h er e q u i r e m e n t0 fi n c r e a s i i l gt h eq u a l i t y o fs t e e lp i p ei su 玛e n t ，e s p e c i a l l y t h es h a p eb e n d i n ga l l dd i s t o n i o nl e v e l i sw e i 曲t i n gf a c t o r s t ob ec o n s i d e r e d9 0 0 dq u a l i t y m e a s u 咖gf ；d rl a r g ed i a s t r a j g h tw e l d e dp i p eo fg e o m e t r i c s t r a i g h t n e s s 柚ds e c t i o nc 慨l a i i t y ( s h 印e 柚dp o s i t i o ne n o r ) w e r en o ts o l u t i o nw e u a th o m e 觚da b r o a d ，b u tt h eo n - l i n em e 弱u r i n go fl a r g ed i a s t r a i g l l tw e l d e dp i p ei s 孤i m p o n 锄tp a r t o fp i p ea l i 印m e n t e dt o d a y t h e ya r ea l t e c l l l l i c a ld i f f i c l l l tp r o b l e m s u s u a l l yw em e 勰u r c t h e mw i t hh 觚d s ，t h i sd tm e e tt h ed e m 锄do fw e l d e dp i p ea l i 乎皿e n t e dw i m 卸t o m a t i o n 柚d d i 酉t i z a t i o n u n d e rt h i sc o n d i t i o n s ，w ew e r ea s k e dt od e s i g nt h el 鹕ed i a s t r a i g h tw e l d e d p i p es h a p e 趾dp o s i t i o ne n d ro n - l i n em e 嬲u 血gs y s t e mb yt i 觚s h u im e t a l f o 册i n gm a c l l i n e 1 胁o lc o 。l t d t h eo n l i n es h a p ea n dp o s i t i o ne r r o rm e a s u r i n gs y s t e mw a sd e v e l o p e d0 nl 鹕ed i a s t r a i g h tw e l d e dp i p e l a b v m ww 弱u s e dt ob es o f t w a r ep l a t f o 咖，t h i sm a l 【et l l ee q u i p m e n t m e e to p e 蚰e s sr e q u i r e m e n t s ，i ti sw e l le s t a b l i s h e df o ri t sn e x i b l eo p e r a t i o n si nt e 皿so f m e a s u r e m e n tc o m r o l 柚dd a t aa c q u i s i t i o n a tt h es 锄et i m e ，t h em e a s u r i n ge q u i p m e n tu s ep c 硒t h ei n “s t r i a lc o m r o lp l a t f b m ，t h ed a t ap r o c e s s i l l gi sm o r ec o n v e n i e n t ，d a t as t o f e 觚d r e c y d ei sm o r ce 雒i e r ，觚dt h eh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c ei sm o r eh u m 觚i z a t i o n w bu s ep ca sc o m r o lp l a t f o 衄，m a n y0 fc o m p u t e rh a r d w a r ea r em o d u l 撕z e d ，t h i s r e d u c e st h ed e v e l o p m e n tc o s t s ，a tt h es 锄et i m e ，t h ed e v e l o p m e n te 伍c i e n c yr a i s e d a tt h e t e 肌i i l a l ，w eu s ed i s p l a c e m e n ts e n s o rt om e a s u f et h ep a 姗e t e r0 fs h a p e 肌dp o s i t i o ne 玎o r0 n p i p e ，t h em e a s u r i n gs i g n a li sa m p l i f i e da n dn o i s e i s o l a t e db ys i g n a lc o n d i t i o n i n gm o d u l e s ，a t l 嬲t ，t h es i 印a lb e c o m ed a t es i 印a lt h a tt h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r dc a i lb er e a d ，s ot h ec o m p u t e r c a na n a l v z et h ec o u e c t e dd a t a t h i s p a p e re m p h a s i z e s t h em e c h a i l i c a l d r i v i i 培 m e t h o d ， m a t h e m a t i c a lm o d e l e s t a b l i s l l l l l e n ta i l dd a t ap r o c e s s i i l g ，h u m a i l - c o m p u t e ri n t e i a c e0 f p i p em e a s u r i n gs y s t e m t h e m e c h a l l i c a l “v i n gd e s i 弘i n c l u d e sw r h o l em e a s 嘣n gt e n t a t i v ed e s i g i l ，g o a l p o s td e s i 印， a d j u s t a b l et u m i n gr o l l sd e s i 弘a l l dc a l c u l a t i o n w ec r e a t et h et i m ed o m a i n3 一p o i n tm e t h o d e n o rs e p a r a t em o d e lo f p i p eg e n e r a t r i xs t r a i g l l t n e s sa i l dd o m a i n2 一p o i n tm e t h o de r r o rs e p a r a t e m o d e lo fp i p es e c t i o nr o u n d n e s s ，a l s 0w eu s ev il a b v i e w 硒s o rp l a t f o 肌，b u i l d i n gt h e p r o g r a mo fd a t aa c q u i s t i o np r o c e s s s i n ga l l d s a v e a t l a s t ， w ec r c a t e a s yo p e r a t i o n v 基于1a b 、，猁的大直径直缝焊管的在线检测系统 h u m a i l 叫c o m p u t e ri n t e 血c e ，锄du s ed a t et os i m u l a t i o n 强a l y s i sd a t ap r 0 h s s i n gm o d u l e ，i tc 觚 p r o v i d er e f c r e n c e f ；0 re q u i p m e m sd e s i 印觚dm 删u f a c t u r e 1 1 1 i sr e s e 删lp r o j e c tm g e d0 v e fm 衄yt o p i c s ，t h em e 弱u 血gs y s t e mc o n s i d e rm 锄y 胁0 r s ，柚dt h et i m e0 fd e s i 印锄dr e s e a r c h i sl i m i t i n g ，s ot h em e 弱u r i n gs y s t e mi sd i 伍c i l l t t oa v o i dd i s a d v 锄t a g c s ，a tt h es 锄et i i i l e ，t h em e 勰u 血gs y s t e ms h o u l db ec o n t i n u o u s l y j 匝p 加e d0 nm 锄yd e t a i l s ，w h e ni t i sa f t e ru s e f 0 rn o w ，m ef i l t l l r er c s e a r c hd i r c c t i o n s 觚d c o n s u m m a t ec o n t e n ti s ：m e c h a n i c a ld r i v i n gs y s t e ms h o u l db er a t i o n a l i z e d ，t h e0 p t i m i z a t i o n0 f d a t ap r o c c s s i n gm o d e l ，h u m 锄- c o m p u t e ri n t e 出c eb e c o m em o r ef u l l yh 啪柚，t h ec o m p u t e r c o n t r o l l c ds y s t e m ，a n di nf u r t h e r t h es h a p e 姐dp o s “i o ne r r o rm e a s u r i n gs y s t e mo fp i p ei st h e p r o s p e c t i v er e s e 鲫c ho ff u ud i 酉t a lp i p es t r a i g h t e n e r k e yw o r d s ：l a b v 匝w ；l a r g ed i a m e t e rw e l d e dp i p e ；s h a p e 锄dp o s i t i o ne 玎0 r ；e s t o nl i n e m e 硒u r c m e n t ； 硕士学位论文 插图索引 图1 1 大直径焊管的成型工艺2 图1 2 直线度最小包容区域法3 图1 3 直线度最小二乘中线法3 图1 4 直线度两端点连线法3 图1 5 圆度公差带3 图1 6 最小二乘圆法4 图1 7 圆度评定最小外接圆法4 图1 8 自准直仪测量钢管内径母线直线度5 图1 9 三点法直线度误差分离测量原理6 图1 1 0 导轨直线度和平行度测量装置6 图1 1 1 基于视觉技术的测量系统6 图1 1 2 三点法圆度误差测量7 图1 1 3 基于单片机的在线测量系统8 图2 1 钢管测量原理示意图一1 6 图2 2 测量装置机械布局图1 6 图2 3 自调式旋转滚轮架1 7 图2 4 采集数据的传输1 8 图3 1 方案一2 3 图3 2 方案二- 2 4 图3 3 方案三，2 5 图3 4 钢管测量系统布局2 6 图3 5 龙门架结构图2 7 图3 6 滑板结构图2 8 图3 7 滑块及传感器布局图2 8 一 图3 8 龙门架顶梁内部传动方式2 8 图3 9 自调式滚轮架结构图3 0 图3 1 0 元宝形支架内部结构3 1 图3 1 1 自调式滚轮架计算简图3 1 - 图3 1 2 ( r + r 与a 的关系3 3 图3 1 3a 2 与铲的关系3 3 图3 1 4 底座有限元分析3 5 图4 1 钢管外形采样方案3 8 图4 2 三点法直线度误差分离原理图3 9 图4 3 三点法圆度时域误差分离原理图4 1 图5 1 传感器结构尺寸4 6 图5 2 传感器接线图4 6 图5 3 信号调理模块4 7 图5 4p c i 2 0 0 6 主要元器件布局图4 8 图5 5 采集卡输入方式及量程选择4 9 图5 6 模拟电压双端输入接线方式4 9 图5 7p c i 2 6 0 4 板元件位置图5 0 图5 8 采集卡外挂式驱动模块5 2 图5 9 创建a d 设备5 2 图5 1 0 初始化a d 设备一5 2 图5 1 1 循环采集a d 数据5 3 i 基于l a b v l e w 的大直径直缝焊管的在线检测系统 图5 1 2 释放设备对象中的a d 5 3 图5 1 3 释放设备5 3 图5 1 4 数据采集主程序5 4 图5 1 5 数据时域处理5 5 图5 1 6 钢管形位误差测量系统总界面5 6 图5 1 7 钢管母线直线度数据界面5 6 图5 1 8 钢管截面圆度数据界面5 7 图6 1 模拟信号函数及参数设置5 9 图6 2 数据采集卡模拟数据一6 0 图6 3f 0 册u l a 函数模块及设置6 0 图6 4 钢管形位误差测量系统仿真结果6 1 i i 硕士学位论文 附表索引 表1 1 虚拟仪器与传统仪器的比较一1 1 一 表2 1 钢管测量装置的主要技术参数一2 1 - 表3 1 自调式滚轮架技术参数3 0 表3 2 口和但+ f 坍的取值范围3 3 表5 1p c i 2 0 0 6 元器件功能定义一4 8 - 表5 2a d 通道分配表- 4 9 一 表5 3 端子板各通道模拟电压配置一5 1 _ 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：嗡l 塞 日期：础年6 月厂。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：1 陈良峰 刷醛轹嘭 日期：瑚j p 年f 月c o 日 日期：秽 年6 月fo 日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 1 1 1 焊管应用前景 大直径钢管一般是指直径超过4 0 6 m m 的钢管。这种钢管通常以板带为原料，经成 型、焊接而成。大直径焊管的应用范围很广。最初，主要用于铺设管线，长距离输送石 油、天然气等。目前，国外9 0 的成品油用管道输送。这是因为管道运输有突出的优点。 美国有人做过统计，管道运输的成本仅为铁路运输的1 3 。大直径直缝埋弧焊管主要承 担海洋及陆地油气、石油及天然气、煤及矿浆等介质的管道运输，尤其适合我国目前正 在建设的“西气东输 工程，亦可用于出口和替代进口【1 1 。随着国民经济的高速发展， 铁路、船舶、汽车已不能满足日益增长的液体、气体的运输任务。目前，世界上工业发 达的国家对液体、气体及煤均采用管道运输。长输管道口径大( 多采用1 m 以上管径，最 大为1 4 2 0 m m ) 、压力高( 多在7 5 m p a 以上，最高为1 0 m p a ) 、输送量大( 多在3 0 0 亿m | a ) ， 要求安全可靠，因此，对焊管提出了更高的要求【2 】。大口径直缝埋弧焊接钢管以其承压 能力高、阻力小、耐低温、抗腐蚀、安装维修方便等优点而越来越受到石油天然气、 矿浆输送、城市建设等行业的欢迎。 工业上生产大直径直缝焊管按钢管成型方式不同可以分为如下几种：u o e 成型工 艺、r b e ( 三辊弯板) 工艺、j c o e ( 压模成型) 工艺、c 压力成型工艺、c f e ( 排辊成 型) 工艺。制备后的钢板运往模压机，其中j c o e 工艺通过操作机将钢板移至压型工位， 由一个有弧形的模具压头经一系列步骤压成管体。通常由两台操作机进行操作，先压制 一边形成半圆，即“j ”形，再由第二台操作机将钢板换位，进行另一半边的压弯成型【3 】； 接着将缝隙内外焊接，再通过精整校直等一系列环节制成大直径焊管。大直径钢管的一 般成型工艺如图1 1 所示。 1 1 2 课题研究意义 大直径直缝焊管口径大，在管道传输中传输量大，压力高( 7 5 m p a ) ，要求安全可 靠，因此对大直径直缝焊管的形状精度及焊接质量提出了更高的要求1 4 】。大直径钢管的 生产工艺中j c o e 法成本低，易于实现，但与u o e 相比这样成型的焊管其形状精度比 较低。因此，需要后续的整形工序。整形工序包括两个内容：不圆度方面的精整工序和 直线度方面的校直工序。被校直钢管的弯曲程度，也就是大直径钢管母线直线度和截面 圆度的测量，而这两方面的测量一直是困扰现代化工业生产的一个重要的技术难题。对 于大直径直缝埋弧焊管的直线度、圆度的在线实时测量国内外至今都没有很好的解决， 基于l a b e w 的大直径直缝焊管的在线检测系统 当前大都采用目测和拉线法相结合的方法。采用这种方法精度和效率低，不利于自动化 程度的提高。而且检验人员近距离接触大型钢管成型设备，也带来的安全隐患。应甘肃 天水锻压机床厂的要求，我们在原来的校直机上设计制造一套自动化在线检测系统，用 来测定成型钢管的外形参数，包括母线直线度，钢管截面圆度，弯曲最高点的位置。又 不对校直机作重大的改动，这样对于提高钢管校直效率和加工精度来说都是有重要意义 的。 铲臼图臼圈臼圆臼圈臼 图日圈日圈锢日圜锢 图1 1 大直径焊管的成型工艺 1 2 直线度、圆度测量评定 1 2 1 直线度测量评定 形状误差的评定，既要考虑使用者的要求，又要考虑制造者的可能。即不但要规定 使用者验收的项目和公差，而且要为制造者提供进行工艺误差分析的检验项目和公差， 从而把制造和使用有机地结合起来。 直线度公差用于控制直线、轴线的形状误差。根据零件的功能要求，直线度可分为 在给定平面内、在给定方向上和任意方向上三种情况。本文中的钢管母线直线度的测量 属于给定平面内直线度误差的问题。其评定方法如下： 1 2 1 1 最小包容区域法 参看图1 2 ，根据给定平面内直线度公差带的形状，由两条平行直线包容实际被测 直线s 时，成“高一低一高”三极点相间接触，则这两条平行直线之间的区域就是最小 包容区域u ( 简称最小区域) 这称为给定平面内直线度误差最小区域判别准则。直线度 的误差就是宽度f m z 。 1 2 1 2 最小二乘中线法 硕士学位论文 参看图1 3 ，最小二乘中线l b e 是一条穿过被测直线s 的理想直线，它所处的位置 使实际被测直线上各点至它的平方之和为最小。以理想直线作为评定基准，取测得各点 相对于它的偏离值中的最大偏离值h 瑚x 与最小偏离值h m i n 之差f 矗作为直线度误差。在 它下面的测点的偏离值取负值，即f b e = h m 旷。 su o 高极点 口1 敝点 图1 2 直线度最小包容区域法 1 2 1 3 两端点连线法 图1 3 直线度最小二乘中线法 参看图1 4 ，以实际被测直线s 的首、末两端点b 和e 的连线l 旧e 作为直线评定基 准，取测得各点相对与它的偏离值的最大偏离值h m 缸与最小偏离值h m i n 之差f 矗作为直 线度误差值。在它上面的测点的偏离值取正值；在它下面的偏离值取负值，即 f b e 2 h m 缸- h m i n 。 日 图1 4 直线度两端点连线法 图1 5 圆度公差带 1 2 2 圆度测量评定 圆度公差带是垂直于轴线的任意正截面上半径为公差值t 的两同心圆之间的区域， 如图1 5 所示。圆度误差的评定主要有最小二乘圆法、最小外接圆法。具体评定方法如 下： 1 2 2 1 最小二乘圆法 最小二乘圆是一个穿过实际被测轮廓的圆，它所处的位置使实际被测轮廓上各测点 至它的距离的平方之和为最小。其圆心称为最小二乘圆圆心。 基于l 丑b v i e w 的大直径直缝焊管的在线检测系统 如图1 6 所示为最小二乘圆图，测量中心o 为测量实际被测轮廓时所采用的坐标系 的圆点，令最小二乘圆圆心的直角坐标为g ( a ，b ) ，按极坐标获得实际被测轮廓上各测点 的坐标为p i ( r i ，i ) ，则最小二乘圆圆心的坐标值a 和b 可按下式计算【5 】： y 穸c 7 罗 代 罄 少 n 一 图1 6 最小二乘圆法 1 2 2 2 最小外接圆法 口；詈砉t 一詈砉c o s 西t 6 - 詈耋y z 一詈羹s m m t 式中n 为测点数目。最小二乘圆的半径r 按下式计算： 。1 肛i 刍i 取最小二乘圆圆心至实际被测轮廓的最大 距离r 呦x 与最小距离r m i n 之差作为圆度误差 虹，即f l s = r 一一r m i n 。 最小外接圆是指外接于轴的实际被测轮廓的可能最小圆，如图1 7 所示。其圆心o 称为最小外接圆圆心。 灾 强 厨 。；飞7 彳 弋形 0 图1 7 圆度评定最小外接圆法 ( 图a 符合直线准则，图b 符合三角形准则) 由最小外接圆包容实际被测轮廓时，实际被测轮廓上有两个测点与该圆接触，而由 这两点连成直径恰为该圆的直径，如图1 7 a 符合直线准则；或者实际被测轮廓上有三个 测点与该圆接触，而这三点连成一个锐角，该圆圆心位于此三角形内如图1 7 b 符合三角 硕士学位论文 形准则【6 1 。取最小外接圆圆心至实际被测轮廓的最大距离( 即最小外接圆半径) r 与最 小距离r m i n 之差作为圆度误差值毛k ，即一r r m i n 1 3 测量方法国内外研究现状 1 3 1 钢管母线直线度测量研究现状 大直径钢管直线度和圆度的测量一直是困扰现代化工业生产的一个重要的技术难 题。目前国内外对大尺寸直线度测量的主要方法有：激光准直法、自准直仪法、拉线法、 多测头法等。激光准直法和自准直仪分别以激光和白光作为直线基准，根据靶标或反射 镜在被测直线方向逐点移动，由于被测要素的高低不平，使得反射点在显示区域移动从 而测出直线度误差德国的m w e c k 和m s c h m i d t 曾提出测量机床垂直导轨移动直线 度的激光准直法【8 9 1 。在国内哈尔滨理工大学研制的直线度自动检查仪也是基于激光准 直原理制成的。大连宝原核设备有限公司采用自准直仪对内圆直线度进行测量，其原理 如图1 8 所示【埘。 图1 8 自准直仪测量钢管内径母线直线度 ( 1 经纬仪2 被测缸体3 内圆直线度桥板检具4 自准直仪5 平板) 这种方法在处理内径方面较为合适，在处理大口径焊管的外径母线直线度时显得笨 拙且精度低，不易测量。第三种方法是拉线法( 如细钢丝) ，是指把细钢丝充分绷紧后， 以其侧面体现被测直线的理想直线，并作为直线基准，从水平方向测量实际被测直线上 各测点相对于钢丝的偏差，再经数据处理评定误差值【1 1 l ，该方法虽然简单易于实现，但 凭借人的眼力测量，精度较低，且当为大直径钢管时，钢管移动不易实现，吊装移动时 容易产生安全隐患；多测头法主要有三点法和两点法。华东冶金学院对于用三点法误差 分离技术测量直线度有深入的研究，建立了三点法直线度频域误差分离的数学模型，并 进行了仿真试验【l2 。其原理如图1 9 所示。 这种方法在测量时，测量装置移动一个步长时进行采集数据。步长的选择可选两相 基于l a b v i e w 的大直径直缝焊管的在线检测系统 邻传感器之间的距离l 1 。在测量直线度方面精度高、原理简单，但在测量大口径直缝焊 管的外径的直线度时，该装置装夹困难，转动钢管也不易实现，显的效率太低，故需对 其进行改造以适应大直径钢管的测量要求。两点法原理与三点法类似，只是传感器采取 两个，在精度要求不太高的场合，两点法数学模型简单，分析数据快速【1 3 】。 图1 9 三点法直线度误差分离测量原理 ( v ，、v 2 、v 3 为三个位移传感器) 韩国机械& 材料协会、韩国高等理工学院和日本东京大学联合研制了一种同时测量 导轨直线度和平行度装置【1 4 1 ，其中直线度的测量采用两点法如图1 1 0 ，其中p 1 、p 3 为 测量导轨r a i l l 直线度的位移传感器，中间导轨为基准导轨，认为其直线度为理想直线， 滑块沿中间基准导轨滑动，在移动中采集数据对比分析被测导轨直线度。华中理工大学 的移位法和双侧头法测量直线度的方法都是两点法的模型1 1 引。榆次油研液压有限公司研 制的液压缸缸体直线度测量仪是一种支撑点可调的检测装置，由于支撑点的可调可以适 应不同口径的液压缸检测【1 6 1 。上述所有这些测量方法大部分只能适用于离线抽检，或在 线实时性差，有的不能进行在线实时自动测量。对大型无缝钢管直线度在线实时自动检 测，国内的天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室的无缝钢管直线度、圆度视觉 测量系统是在线实时测量的典范，它是一种基于视觉准直技术的无接触式测量系纠r 刀， 其原理如图1 1 1 所示。 图1 1 0 导轨直线度和平行度测量装置图1 1 1 基于视觉技术的测量系统 该方法采用多个激光线结构光传感器对无缝钢管进行光切，求出各个光切面中心点 硕士学位论文 的空间三维坐标，通过空间直线拟合和误差评定算法，由此确定钢管轴线的直线度和圆 度。该装置测量精度高，在线实时性好，但结构原理复杂，成本较高。 1 3 2 钢管截面圆度测量研究现状 圆度误差检测技术在近1 0 年内有较大的改进，从传统的手工检测发展到微机自动 化检测，从接触检测发展到非接触视觉检测。在圆度误差的评定理论方面，国内许多学 者的研究水平与国际水平相当。但是，在实际测量仪、在线测量系统的研制及误差分离 技术的研究和应用等方面，就综合水平和整体实力来看，与先进国家相比仍有较大的差 距【1 8 】。 1 3 2 1 圆度误差的接触检测 目前的圆度误差测量大都是接触测量。接触测量包括专用的圆度测量仪器和使用传 感器采集数据的微机圆度测量系统两大类。 在圆度误差的检测方面，目前圆度仪仍为圆度误差测量最有效的手段。一般来说， 圆度仪有转轴式和转台式两种形式。转轴式测量时，被测零件固定不动，测头与零件接 触并旋转，适于测量大的零件。转台式是将被测零件装在旋转的回转台上，测头固定不 动，适于测量小零件。在测量圆度时，传感器的测头始终与零件表面接触，它是通过测 头与实际被测圆轮廓接触时，实际被测圆轮廓的半径变化量可通过测头反映出来，此 变化量由传感器接收，并转换成电信号输送到电气系统，经放大器、滤波器、运算器输 送到微机系统，实现数据的自动处理、打印及显示结果。圆度仪可以保证很高的采样精 度和评定精度，评定方法符合标准的要求，并配有专用的微机，工作效率高，不失为 一种理想的测量仪器。但是，圆度仪的成本高，价 格昂贵，对操作环境和条件的要求严格，通常仅 限于计量室中使用，不能用于车间现场；另外，圆 度仪作为一种高精度的仪器，频繁地用于一般零 件的测量，在经济上也不合理；而且，由于圆度仪 的规格所限，只能用于中小型零件的圆度误差测 量。美国的b r i g g s s t r a t t o n 公司联合美国联邦产品 公司( 一家以生产圆度仪而著称的公司) 制造出新 型的圆度仪f 0 姗s c a i l 3 3 0 0 ，可以测量圆柱体零件 ( 如气缸、活塞、曲轴等) 的复杂几何关系【1 9 】。 在生产实践中，两点法或三点法测量圆度是 图1 1 2 三点法圆度误差测量 基于l a b v i e w 的大直径直缝焊管的在线检测系统 另一种常用方法。两点法就是采用生产中普遍使用的游标卡尺、千分尺、光学比较仪等 测量孔、轴直径的方法。在检测时零件的轴线应垂直于测量截面，同时固定轴向位置， 以保持测量时百分表测头位于同一测量截面内。在被测零件回转一周过程中，以指示器 读数的最大差值一半作为单个截面的圆度误差。然后，沿轴线方向间断移动，重复上述 步骤，测量若干截面，取其中最大的误差值作为零件的圆度误差；三点法主要有侧头和 v 形块组成，中科院长春光学精密机械研究所的三点法原理如图1 1 2 所示，将工件放在 v 形块上，在轴上放一个读数头，通过旋转工件，则在读数头上反映了a 、b 、c 三点的 变化例。该方法精度低，大口径方面不易实现。 对于中小型精密零件的测量，三坐标测量机也是一种精确有效的i 贝4 量仪器。测量时， 在被测截面圆轮廓上选定若干测量点，一一测出它们的坐标。然后进行数据处理，求解 圆度误差值。但是在测量轴类零件的圆度误差时，存在不便获取采样数据，对大型、长 轴类零件难于安装的问题；同时，三坐标测量机成本高，不适合车间现场检测。 以上所述的圆度测量仪器都是适于离线检测圆度。由于生产自动化程度提高，对产 品质量要求也更加严格，零件圆度误差的在线检测显得愈来愈重要。在机械加工过程中， 在线测量时加工系统中存在着各种各样的影响因素，比离线测量要复杂得多，因此，尺 寸和形状误差的在线测量技术发展得相当缓慢。目前，在线测量系统一般包括机械装 置、传感器、接口、微机系统三部分，如图1 1 3 所示。 图1 1 3 基于单片机的在线测量系统 这种以单片机为核心的测量系统，使在线测量精确易行。但是，由于现场环境恶劣， 受震动、灰尘、潮湿、有害气体及电磁干扰等诸多因素的影响，测量系统的抗震及抗干 扰问题、数据的处理及分析等问题尚未得到完满解决。 上海交通大学对于圆度的测量曾介绍过【2 1 l ：反向法、两步法、四点法【2 2 1 ，其原理与 以上的情况大致相通。综上所述，对于大型、长轴类零件、大直钢管，目前仍缺乏普遍 的圆度误差检测手段，对于一般精度等级的零件，也缺乏一种经济合理的车间现场检 测手段。 硕士学位论文 1 3 2 2 圆度误差的非接触检测 目前，圆度误差的非接触测量主要是基于计算机视觉的测量。近些年来，随着计算 机的硬件性能的不断提高和视觉理论研究的不断深入，计算机视觉技术应用于零件圆 度检测也成了必然趋势。近几年，国内外关于计算机视觉圆度检测的文章已有报到，但 大都只限于零件端面圆轮廓或者是圆孔的圆度误差检测。对于圆轴或钢管的圆度误差视 觉检测，目前已有学者在研究，但只是刚刚起步。 钢管或圆轴的圆度误差视觉检测原理是通过c c d 摄取圆轴侧面正投影图像，计算 侧面图像各截面的直径，然后旋转圆轴一定的角度，再摄取其侧面正投影图像并计算其 各截面直径，这样通过摄取多个侧面的图像，计算各侧面各截面的直径，按直径法( 两 点法) 计算各截面的圆度误差。 由于用直径法检测圆度存在圆心飘移问题，目前采用如图1 1 1 所示原理来解决。图 1 1 1 中的l d 为半导体激光器，发出一束光通过柱状棱镜放大，把该束光转变成光平面 正投射到杆径上，光平面与杆正交产生一个椭圆弧。c c d 摄取到圆弧图像，图像信号 由采集卡转换成数字信号存储到帧存储器中，再由计算机通过坐标变换计算出圆弧中心 的三维世界坐标。通过摄取多个圆弧图像，计算多个截面圆心的三维世界坐标，最后估 算出整个圆轴的中心偏移。 在工程生产中，还多采用游标卡尺、千分尺、光学比较仪等测量孔、轴直径的两点 法来测量圆度误差。两点法测圆度不符合圆度的定义，仅为一种近似测量方法。但因测 量简便，所以在生产中比较常用。在现场使用手工两点法测量圆度误差，受到方法和人 为因素的限制，如：人读数误差、人易疲劳等诸多因素，常常会引起测量的人为误差。 由于这些限制，往往导致人的劳动强度增大，测量精度不可靠。有些场合，圆度仪和三 坐标测量机也用于圆度的测量，虽然测量精度有所提高，但是其成本昂贵，且不适合 在线检测。基于视觉技术的检测系统同样成本昂贵，不适合广泛推广。 综上所述，对于大口径焊管的形位误差( 直线度、圆度) 检测国内外都没有很好的 解决，有些是精度低或在线实施性不好，有的是成本较高不宜在一般的焊管制造企业形 成推广。而面对当前大直径焊管的广泛的应用背景，以及对钢管制造精度迫切要求，急 需设计制造一台能够简单、方便检测钢管形位误差的设备，并能够应用于工作现场且设 计成本低廉，以便于广泛的推广应用。本文鉴于这些情况又受甘肃天水锻压机床有限公 司的委托，设计了一套基于计算机虚拟仪器的焊管形位误差在线检测系统。 1 4l a b vle w 软件平台简介 基于l a b e w 的大直径直缝焊管的在线检测系统 1 4 1l a b vie w 概述 虚拟仪器( n l l a li i l s t m m e n t ，v i ) 的概念是由美国国家仪器公司( n i ) 最先提出的。所 谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻 辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统之中：可自 由构建成专有仪器系统。虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。 虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器 。该技术把仪器分为计算机、仪器 硬件和应用软件三部分。虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器( 包括 g p m 、r s 2 3 2 等传统仪器以及新型的v x i 模块化仪器) 为基础，将仪器硬件连接到各种 计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件( 处理器、存储器、 显示器) 和测量仪器( 频率计、示波器、信号源) 等硬件资源与计算机软件资源( 包括数据 的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面) 有机的结合起来。 1 4 2 虚拟仪器的特点及优势 虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软 件是虚拟仪器的核心。其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软 件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪