无缝钢管端部几何量在线检测装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种无缝钢管端部几何量的在线检测装置。包括测量主机、1#三爪定芯机构、2#三爪定芯机构、两个结构相同的升降V形输送辊、轴向限位装置、部件升降平台和升降调节机构；在部件升降平台上面依次安装有轴向限位装置、第一升降V形输送辊、1#三爪定芯机构、第二升降V形输送辊、2#三爪定芯机构、测量主机，在部件升降平台下面安装有升降调节机构，升降调节机构中的多个螺杆升降机与部件升降平台下面连接，1#三爪定芯机构、2#三爪定芯机构、测量主机的测量头同轴安装。本发明可实时在线检测钢管端部任意横截面内的直径和椭圆度，可有效监测钢管端部的几何精度，及时剔除精度不达标的钢管。可应用于冶金、军工和化工等领域。
【专利说明】无缝钢管端部几何量在线检测装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种几何量在线检测装置，具体是涉及一种无缝钢管端部几何量在线检测装置。
【背景技术】
[0002]无缝钢管在油气开采、化工、军工武器、核工业等领域都得到了广泛使用。然而，在某些场合单根钢管需要对钢管的端部进行机加工以满足特殊场合的使用，比如在钢管端部车丝，从而可以将两根钢管进行对接。为了确保钢管的衔接具有良好的同心度和密封性，必须首先确保管端机加工前内外径、椭圆度和壁厚都满足规定指标，否则难以保证机加工和对接的精度要求。
【发明内容】
[0003]针对背景【技术领域】中存在的迫切需求，本发明的目的在于提供一种无缝钢管端部几何量在线检测装置，用于在线无缝钢管管端内外径、椭圆度和壁厚的检测。
[0004]本发明采用的技术方案是:
[0005]本发明包括测量主机、1#三爪定芯机构、2#三爪定芯机构、两个结构相同的升降V形输送辊、轴向限位装置、部件升降平台和升降调节机构；在部件升降平台上面依次安装有轴向限位装置、第一升降V形输送辊、1#三爪定芯机构、第二升降V形输送辊、2#三爪定芯机构、测量主机，在部件升降平台下面安装有升降调节机构，升降调节机构中的多个螺杆升降机与部件升降平台下面连接，1#三爪定芯机构、2#三爪定芯机构、测量主机的测量头同轴安装。
[0006]所述测量主机:包括测量头、隔振圈、导向杆轴承盖、三个气缸、固定支撑板、角接触关节轴承、测量头尾端轴承盖、无线网络交换机和底座；所述的测量头，包括:三个激光感测头、弓形架、两个防撞安全开关、测量限位传感器、四个冷却风嘴、锥形导向头、两个导向轮、圆锥滚子轴承、径向跟随钳、径向跟随弹簧、两块固定板、测量头主轴、三个铰接座、轴向导引杆；径向跟随钳由上半钳和下半钳与测量头主轴铰接而成，位于径向跟随钳上半钳中间部分安装第一激光感测头，下半钳正对激光感测头的有通光孔，径向跟随钳开口两端分别安装一个导向轮，导向轮中安装一对圆锥滚子轴承，径向跟随钳内侧靠近导向轮右侧的装有径向跟随弹簧，通过径向跟随钳上的弹簧导向杆固定，径向跟随钳开口两端的导向滑块分别伸入锥形导向头的限位孔中，而锥形导向头通过两侧的固定板固定在测量头主轴上，测量头主轴安装在测量头底盘上，在测量头底盘上下分别安装弓形架横梁，每根弓形架横梁内侧靠近端面对称装有第二、第三激光感测头，紧挨着第二、第三激光感测头的靠近端面的分别装有防撞安全开关，位于测量头主轴和弓形架横梁中间分别装有两个冷却风嘴，其中位于测量头主轴上端的两个冷却风嘴中间装有测量限位传感器，在测量头底盘外侧面上均布三个铰接座，位于三个铰接座的中央有轴向导引杆安装在测量头底盘外侧上，无线网络交换机安装在主机的尾端；三个激光感测头安装后确保发出的激光束位于同一条直线上，并且该直线与被测钢管轴线垂直，由三个激光感测头产生的测量数据连接数据采集分析系统。
[0007]测量头轴向导引杆的法兰盘外侧套着一个隔振圈，三个气缸的活塞穿过底座的箱体与分别与测量头尾端的铰接座联接，在轴向导引杆的轴肩处安装双列调心滚子轴承，双列调心滚子轴承的外圈固定在底座的箱体上，该轴承外侧端面通过导向杆轴承盖，三个气缸通过法兰盘安装在固定支撑板上，轴向导引杆与固定支撑板通过角接触关节轴承联接，角接触关节轴承外侧端面由测量头尾端轴承盖轴向固定，测量头尾端轴承盖安装在固定支撑板上。
[0008]所述1#三爪定芯机构:包括定芯驱动减速机、编码器、三相异步电机、三角带、前置式三爪气动卡盘、三爪定芯机构壳体、四个高度调整装置；三相异步电机的输出轴与定芯驱动减速机的输入轴通过弹性联轴器联接，安装在三爪定芯机构壳体的上方，前置式三爪气动卡盘同轴安装在三爪定芯机构壳体的正中心，由压缩空气控制卡爪径向伸缩，实现被测钢管的自动装夹，定芯驱动减速机输出轴上安装一个小皮带轮和一个编码器，前置式三爪气动卡盘的皮带轮与小皮带轮通过三角带驱动前置式三爪气动卡盘周向旋转，在三爪定芯机构壳体底部沿轴线方向两侧对称安装四个高度调整装置，用于根据被测钢管规格调整前置式三爪气动卡盘的中心高度。
[0009]所述两个结构相同的升降V形输送辊:均包括V形轮减速电机、V形滚轮、轴承座、V形轮底座、升降导轨、升降挡块、液压缸、V形轮升降台'N形滚轮通过轴承座安装在V形轮升降台上，V形轮减速电机集电机和减速机于一体，减速机的输出轴与V形滚轮的转轴联接，V形轮升降台安装在V形轮底座竖直安装的升降导轨上，V形轮底座的中央安装一个液压缸，液压缸的活塞伸出端与V形轮升降台通过铰链联接，液压缸的上下伸缩带动V形轮升降台上下升降，实现V形滚轮中心高度的调节。
[0010]所述轴向限位装置:包括轴向阻挡头和阻挡头升降气缸；阻挡头升降气缸的活塞伸出端与轴向阻挡头之间通过铰链联接，轴向阻挡头的尾部和阻挡头升降气缸采用铰接方式固定，阻挡头升降气缸的伸缩带动轴向阻挡头摆动，当被测钢管位于升降V形输送辊上时，通过轴向阻挡头限制被测钢管的轴向测量位置。
[0011]所述升降调节机构:包括升降驱动电机、弹性联轴器、蜗轮蜗杆减速机、八个螺杆升降机、两个刚性联轴器、两个十字转向器、六根连杆、平台支撑底座、十个调整脚；升降驱动电机的输出轴与蜗轮蜗杆减速机的输入轴通过弹性联轴器联接，蜗轮蜗杆减速机输出轴两端分别与十字转向器通过刚性联轴器联接，八个螺杆升降机沿升降驱动电机输出轴方向对称安装，并且十字转向器与螺杆升降机之间以及两个螺杆升降机之间都采用连杆和刚性联轴器联接，部件安装平台的下底面由八个螺杆升降机支撑，螺杆升降机与部件安装平台之间采用螺钉固定，八个螺杆升降机的底座通过螺钉固定在平台支撑底座上，整个部件升降平台的底部对称安装用于调整水平度的十个调整脚。
[0012]所述位移伺服控制系统:包括两个伺服驱动底盘、丝杆、两条直线导轨、测量主机安装台、行程开关、伺服电机和伺服控制器；两条直线导轨安装在两个伺服驱动底盘之间，其中间是丝杆，测量主机安装台安装在直线导轨上，丝杆与测量主机安装台通过丝杆螺母连接，丝杆驱动测量主机安装台沿导轨直线移动，在两条直线导轨两端各安装一个行程开关，丝杆与伺服电机通过弹性联轴器联接，伺服电机与伺服控制器连接。[0013]所述数据采集分析系统:包括工控机、显示器、鼠标、键盘、打印机；工控机上装有数据采集分析软件OrionMeter，键盘、鼠标和打印机通过USB接口与工控机相连，数据采集分析系统实时的测量数据由三个激光感测头产生，测量数据经由无线网络交换机到达工控机。
[0014]本发明具有的有益效果是:
[0015]本发明将被测钢管通过两个三爪定心机构固定后，位于钢管端部的测量主机使装有激光感测头的测量头伸入钢管内部，三爪定心机构驱动钢管原地旋转，数据采集分析系统实时采集数据并计算出直径，钢管旋转一周计算出椭圆度后，测量主机带动测量头沿钢管轴向行进一定步进量进入下一横截面检测，当轴向步进量累计达到预定检测长度，单向钢管端部直径和椭圆度并检测结束。该检测方法可实时在线检测钢管端部任意横截面内的直径和椭圆度，可有效监测钢管端部的几何精度，及时剔除精度不达标的钢管。结构符合生产线特点，易于实施。本发明可应用于冶金、军工和化工等领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是检测设备本体。
[0017]图2是测量头主视图。
[0018]图3是测量头左视图。
[0019]图4是测量头尾部端面图。
[0020]图5 Ca)是锥形导向头的头部端面视图。
[0021]图5 (b)是锥形导向头的尾部端面视图
[0022]图6是测量头主轴左端面视图。
[0023]图7是位移伺服控制系统图。
[0024]图8是1# 二爪定心机构图。
[0025]图9是升降V形输送辊图。
[0026]图10是升降调整传动机构俯视图。
[0027]图11是数据采集分析系统组成图。
[0028]图中:1、轴向阻挡头，2、升降V形输送辊，3、1#三爪定芯机构，4、三相异步电机，5、被测钢管，6、2#三爪定芯机构，7、锥形导向头，8、弹簧导向杆，9、径向跟随弹簧，10、防撞安全开关，11、激光感测头，12、冷却风嘴，13、测量限位传感器,14、气缸,15、轴向导引杆，16、固定支撑板，17、角接触关节轴承，18、测量主机，19、无线网络交换机，20、底座，21、丝杆，22、直线导轨，23、伺服驱动底盘，24、伺服电机，25、平台支撑底座，26、调整脚，27、双列调心滚子轴承，28、隔振圈，29、弓形架，30、通光孔，31、对射光电传感器安装支架，32、行程开关，33、导向轮，34、连杆，35、螺杆升降机，36、弹性联轴器，37、升降驱动电机，38、部件升降平台，39、阻挡头升降气缸，40、铰链联接座，41、定芯驱动减速机，42、前置式三爪气动卡盘，43、三爪定芯机构壳体，44、高度调整装置，45、卡爪，46、三角带，47、V形轮驱动电机，49、V形滚轮，50、轴承座，51、V形轮底座，52、升降导轨，53、升降挡块，54、液压缸，55、V形轮升降台，56、显示器，57、打印机，58、鼠标，59、键盘，60、工控机，61、径向跟随钳，62、弓形架横梁，63、固定板，64、圆锥滚子轴承，65、测量头底盘，66、测量头主轴，67、铰接座，68、导向杆轴承盖，69、测量头尾端轴承盖，70、径向跟随钳铰链，71、限位孔，72、固定板安装台，73、径向跟随钳铰接座，74、测量主机安装台，75、测量主机安装孔，76、伺服控制器，77、丝杆螺母，78、弹性联轴器，79、导向滑块，80、小皮带轮81、十字转向器，82、蜗轮蜗杆减速机，83、刚性联轴器,84、编码器。
【具体实施方式】
[0029]以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0030]如图1所示，本发明包括测量主机18、1#三爪定芯机构3、2#三爪定芯机构6、两个结构相同的升降V形输送辊2、轴向限位装置、部件升降平台38和升降调节机构；在部件升降平台38上面依次安装有轴向限位装置、第一升降V形输送辊2、1#三爪定芯机构3、第二升降V形输送辊2、2#三爪定芯机构6、测量主机18，在部件升降平台38下面安装有升降调节机构，升降调节机构中的多个螺杆升降机35与部件升降平台38下面连接，1#三爪定芯机构3、2#三爪定芯机构6、测量主机18的测量头同轴安装。
[0031]如图1、图2所示,所述测量主机18:包括测量头、隔振圈28、导向杆轴承盖68、三个气缸14、固定支撑板16、角接触关节轴承17、测量头尾端轴承盖69、无线网络交换机19和底座20 ;所述的测量头，包括:三个激光感测头11、弓形架29、两个防撞安全开关10、测量限位传感器13、四个冷却风嘴12、锥形导向头7、两个导向轮33、圆锥滚子轴承64、径向跟随钳61、径向跟随弹簧9、两块固定板63、测量头主轴66、三个铰接座67、轴向导引杆15、三个气缸14、固定支撑板16、角接触关节轴承17、测量头尾端轴承盖69 ;径向跟随钳61由上半钳和下半钳与测量头主轴66铰接而成，如图6所示，位于径向跟随钳61上半钳中间部分安装第一激光感测头11，下半钳正对激光感测头11的有通光孔30，激光感测头11发出的激光通过该通光孔30可以照射到被测钢管内壁，径向跟随钳61开口两端分别安装一个导向轮33，导向轮33中安装一对圆锥滚子轴承64，径向跟随钳61内侧靠近导向轮33右侧的装有径向跟随弹簧9，通过径向跟随钳61上的弹簧导向杆8固定，径向跟随钳61开口两端的导向滑块79分别伸入锥形导向头7的限位孔71中，如图5 (a)和(b)所示，而锥形导向头7通过两侧的固定板63用螺钉固定在测量头主轴66上，测量头主轴66的法兰盘使用螺钉安装在测量头底盘65上，在测量头底盘65上下分别安装弓形架横梁62，每根弓形架横梁62内侧靠近端面对称装有第二、第三激光感测头11，紧挨着第二、第三激光感测头11的靠近端面的分别装有防撞安全开关10，位于测量头主轴66和弓形架横梁62中间分别装有两个冷却风嘴12，其中位于测量头主轴66上端的两个冷却风嘴12中间装有测量限位传感器13，在测量头底盘65外侧面上均布三个铰接座67，位于三个铰接座的中央有轴向导引杆15通过其端面法兰盘和螺钉安装在测量头底盘65外侧上，无线网络交换机19安装在主机的尾端；三个激光感测头11安装后确保发出的激光束位于同一条直线上，并且该直线与被测钢管轴线垂直，由三个激光感测头产生的测量数据接数据采集分析系统。
[0032]如图2、图3、图4和图5所示，测量头轴向导引杆15的法兰盘外侧套着一个隔振圈28，三个气缸14的活塞穿过底座20的箱体与分别与测量头尾端的铰接座67联接，在轴向导引杆15的轴肩处安装双列调心滚子轴承27，双列调心滚子轴承27的外圈固定在底座20的箱体上，该轴承外侧端面通过导向杆轴承盖68，三个气缸14通过法兰盘安装在固定支撑板16上，轴向导引杆15与固定支撑板16通过角接触关节轴承17联接，角接触关节轴承17外侧端面由测量头尾端轴承盖69轴向固定，测量头尾端轴承盖69使用螺钉安装在固定支撑板16上。
[0033]如图8所示，所述1#三爪定芯机构3:包括定芯驱动减速机41、编码器84、三相异步电机4、三角带46、前置式三爪气动卡盘42、三爪定芯机构壳体43、四个高度调整装置44 ；三相异步电机4的输出轴与定芯驱动减速机41的输入轴通过弹性联轴器联接，这二者均安装在三爪定芯机构壳体43的上方，前置式三爪气动卡盘42同轴安装在三爪定芯机构壳体43的正中心，由压缩空气控制卡爪45径向伸缩，实现被测钢管的自动装夹，定芯驱动减速机41输出轴上安装一个小皮带轮80和一个编码器84，前置式三爪气动卡盘42的皮带轮与小皮带轮80之间套有三角带46，小皮带轮80通过三角带46驱动前置式三爪气动卡盘42周向旋转，在三爪定芯机构壳体43底部沿轴线方向两侧对称安装四个高度调整装置44，用于根据被测钢管规格调整前置式三爪气动卡盘42的中心高度。
[0034]所述2#三爪定芯机构6与1#三爪定芯机构3相比结构形式相同，不同的是未安装定芯驱动减速机41、三相异步电机4、三角带46，2#三爪定芯机构6与1#三爪定芯机构工作时前置式三爪气动卡盘42同时开合并且都可绕轴向旋转，工作时，三相异步电机4启动后带动前置式三爪气动卡盘42旋转，使得钢管原地旋转，由于1#和2#三爪定芯机构的前置式三爪气动卡盘42此时都已夹紧钢管，因此2#三爪定芯机构的前置式三爪气动卡盘42也跟随钢管被动旋转，1#和2#三爪定芯机构的高度通过部件升降平台38进行整体调整。
[0035]如图9所示，所述两个结构相同的升降V形输送辊2:均包括V形轮减速电机47、V形滚轮49、轴承座50、V形轮底座51、升降导轨52、升降挡块53、液压缸54、V形轮升降台55 ；V形滚轮49通过轴承座50安装在V形轮升降台55上，V形轮减速电机47集电机和减速机于一体，减速机的输出轴与V形滚轮49的转轴联接，V形轮升降台55安装在V形轮底座51竖直安装的升降导轨52上，V形轮底座51的中央安装一个液压缸54，液压缸54的活塞伸出端与V形轮升降台55通过铰链联接，液压缸54的上下伸缩带动V形轮升降台55上下升降，实现V形滚轮49中心高度的调节。
[0036]如图1所示，所述轴向限位装置:包括轴向阻挡头I和阻挡头升降气缸39 ;阻挡头升降气缸39的活塞伸出端与轴向阻挡头I之间通过铰链联接，轴向阻挡头I的尾部和阻挡头升降气缸39采用铰接方式固定，阻挡头升降气缸39的伸缩带动轴向阻挡头I摆动，当被测钢管位于升降V形输送辊2上时，通过轴向阻挡头I可以有效限制被测钢管的轴向测量位置。
[0037]如图10所示，所述升降调节机构:包括升降驱动电机37、弹性联轴器36、蜗轮蜗杆减速机82、八个螺杆升降机35、两个刚性联轴器83、两个十字转向器81、六根连杆34、平台支撑底座25、十个调整脚26 ;升降驱动电机37的输出轴与蜗轮蜗杆减速机82的输入轴通过弹性联轴器36联接，蜗轮蜗杆减速机82输出轴两端分别与两个十字转向器81通过刚性联轴器83联接，八个螺杆升降机35沿升降驱动电机37输出轴方向对称安装，并且十字转向器8与螺杆升降机35之间以及两个螺杆升降机35之间都采用连杆34和刚性联轴器83联接，部件安装平台38的下底面由八个螺杆升降机35支撑，螺杆升降机35与部件安装平台38之间采用螺钉固定，八个螺杆升降机35的底座通过螺钉固定在平台支撑底座25上，整个部件升降平台38的底部对称安装用于调整水平度的十个调整脚26。
[0038]如图7所示，所述位移伺服控制系统:包括两个伺服驱动底盘23、丝杆21、两条直线导轨22、测量主机安装台74、行程开关32、伺服电机24和伺服控制器76 ;两条直线导轨22安装在两个伺服驱动底盘之间，其中间是丝杆21，测量主机安装台74安装在直线导轨22上，丝杆21与测量主机安装台74通过丝杆螺母77连接，并且由丝杆驱动测量主机安装台74沿导轨直线移动，在两条直线导轨22两端各安装一个行程开关32，丝杆21右端与伺服电机32通过弹性联轴器78联接，伺服电机32与伺服控制器76连接。
[0039]如图11所示，所述数据采集分析系统:包括工控机60、显示器56、鼠标58、键盘59、打印机57 ;工控机60上装有数据采集分析软件OrionMeter，键盘59、鼠标58和打印机57通过USB接口与工控机相连，数据采集分析系统实时的测量数据由三个激光感测头11产生，测量数据经由无线网络交换机19到达工控机60，OrionMeter通过TCP/IP通信获取测量数据进行分析计算，用户可通过鼠标58和键盘59进行结果查看，检测报告可使用打印机57自动打印。
[0040]被测钢管端部几何量检测的分为步实现:
[0041]第一步，检测前的准备。给整个检测装置通电，开启供气气源，手动控制轴向限位装置回落，使1#三爪定芯机构3和2#三爪定芯机构6卡爪处于夹紧状态，检查这两组三爪定芯机构与测量主机是否在同一中心高度位置，确保满足待检钢管的规格要求。
[0042]第二步，打开1#三爪定芯机构3和2#三爪定芯机构6卡爪，测量主机18的测量头回退到零位，启动激光感测头11，同时开启冷却气源，使得冷却风嘴12吹出的空气对激光感测头11进行冷却，测量头的三个气缸14进气活塞推出，使得测量头沿轴向伸直，升起升降V形输送辊2，将被测钢管5输送到升降V形输送辊2上后，轴向限位装置升起，使得被测钢管5在轴向到达测量位置，闭合1#三爪定芯机构3和2#三爪定芯机构6的卡爪钢管被夹紧，同时升降V形输送辊2回落，伺服电机24开始工作带动测量头的锥形导向头7缓慢伸入被测钢管5内，当激光感测头11发出的声束被钢管壁遮挡时，三个气缸14排气使得活塞处于伸缩自由态，确保测量头可跟随钢管一定量的“甩尾”。
[0043]第三步，数据采集测量。如图2所示，安装在两个弓形架横梁62上的激光感测头11到达钢管轴向i点圆周方向为j点后，发出的激光声束到达钢管内壁反射后测得的距离分别为au和Cij,径向跟随钳61上的激光感测头11发出的光束照射到钢管内壁测得的距离为gu，则在该测量点可测得外径Du和壁厚为
[0044]Dij = B-(aij+Cij), (I)
[0045]tjj = E-(gij+Cij) ,(2)
[0046]于是可计算得内圆半径ru如下:
[0047]Tij = Dij/2-tij, (3)
[0048]式中:安装在两个弓形架横梁62上的两个激光感测头光源中心之间的距离为B，安装在径向跟随钳79上的激光感测头与其对面位于弓形架横梁62上的激光感测头11之间的距离为E。
[0049]1#三爪定芯机构3的定芯驱动减速机41驱动前置式三爪气动卡盘42旋转，利用编码器84反馈控制钢管圆周方向转过0.5mm后，三个激光感测头11测量下一个点的外径、壁厚和内圆半径，如此沿圆周方向步进逐点测量乃至覆盖整个横截面后可得该横截面的椭圆度ADi为
[0050]Δ Di = max (Dij) -min (Dij) ,(4)
[0051]内径为[0052](Iij = TijTik ,(5)
[0053]式中，k = N/2，N为整个横截面内测量总的点数，那么，内圆的椭圆度为
[0054]Adi= max((Iij)-min((Iij) ,(6)
[0055]三个激光感测头11完成一个横截面的检测后，定芯驱动减速机41工作暂停，伺服电机24启动，位移伺服控制系统的控制测量头沿钢管轴向步进0.5mm进入i+Ι横截面后停止，新的横截面测量工作开始。
[0056]第四步，检测结束工作。按第三步的测量过程直至整个管端区域都被检测结束后，三相异步电机4停止工作，三爪气动卡盘42旋转停止后，升降V形输送辊2升起，伺服电机24反转带动测量头移出管体，轴向限位装置落下，三爪气动卡盘42松开卡爪45，被测钢管落到升降V形输送辊2上，三相异步电机4启动后，被测钢管输出，该端测量结束。
[0057]该方法的步骤如下:
[0058]在被测无缝钢管的外径方向安装两个可用于测量位移的激光感测头，这两个激光感测头到钢管外表面的距离相等，发射的激光束位于同一条直线上且均向钢管轴心发射，在这两个激光感测头的连线之间靠近钢管内壁部署第三个相同的激光感测头，其发射的激光束远离被测无缝钢管轴心，这三个激光感测头彼此之间的安装距离恒定，并且固定安装在测量主机的测量头上，三个激光感测头利用网络通信将实时采集的数据通过无线网络交换机发送到数据采集分析系统，测量主机可由位移伺服控制系统控制钢管轴线方向进给；检测启动前，被测无缝钢管由升降V形输送辊输入测量工位，靠近被测管端沿钢管轴线方向安装有两组三爪定芯机构，卡爪处于打开状态，其中远离管端的三爪定芯机构安装减速电机，该电机输出轴上装有编码器用于反馈钢管旋转方位，减速电机与卡爪之间采用皮带传动，被测无缝钢管进入测量工位后，利用尾端轴向限位装置的升起调整钢管轴向位置，使其入测量起始位置后，三爪定芯机构夹紧被测无缝钢管，升降V形输送辊回落；检测启动后，位于钢管外侧的两个激光感测头可分别实时测得距离钢管表面的距离，位于钢管腔内的激光感测头可实时测得到钢管内壁的距离，结合三个激光感测头空间距离关系，数据采集分析系统可自动计算得出该测量点的外径和壁厚，利用三爪定芯机构的编码器反馈控制减速电机的旋转圈数，实现周向不同点的测量，当钢管旋转一周就可将整个横截面的外径和壁厚测出，从而计算出该横截面内几何量分布，完成一个横截面的几何量检测后，测量头由位移伺服系统控制沿钢管轴线方向步进一定距离，进入下一个横截面的几何量检测，当被测钢管端部指定区域横截面全部检测结束，那么该端几何量检测结束；被测钢管检测技术后，位移伺服控制系统控制测量头回退到零位，轴向限位装置回落，三爪定芯机构松开卡爪，被测无缝钢管落回升降V形输送辊并被输出测量工位。
[0059]无缝钢管端部几何量检测主要包括:钢管的内外径、椭圆度和壁厚检测。
[0060]一、所述的钢管的内外径测量方法:
[0061]利用测量头上安装的三个激光感测头在被测无缝钢管周向测量点实时采集测距数据并通过无线网络发送至工控机，由于三个激光感测头彼此之间的距离固定且为已知，工控机接收到测距数据后，将钢管外侧的两个传感器之间的固定距离减去钢管外侧两个激光感测头实时测得的到钢管外壁的距离就是该测量点的外径，将位于钢管内腔的激光感测头到其对面的激光感测头之间的距离减去这二者实时测得的到内外壁的距离就是该测量点的壁厚，钢管旋转一周后，就可测得整个钢管横截面内的外径和壁厚分布，工控机利用横截面内某点外径减去对应此外径方向的两个壁厚测量数据就是该点的内径，遍历整个横截面测量数据，就可计算出整个横截面内的内径分布，测量头沿轴向步进，可完成整个端部的内外径测量。
[0062]二、钢管的椭圆度测量方法:
[0063]为利用测量头上安装的三个激光感测头在被测无缝钢管周向测量点实时采集测距数据并通过无线网络发送至工控机，由于三个激光感测头彼此之间的距离固定且为已知，工控机接收到测距数据后，将钢管外侧的两个传感器之间的固定距离减去钢管外侧两个激光感测头实时测得的到钢管外壁的距离就是该测量点的外径，将位于钢管内腔的激光感测头到其对面的激光感测头之间的距离减去这二者实时测得的到内外壁的距离就是该测量点的壁厚，钢管旋转一周后，就可测得整个钢管横截面内的外径和壁厚分布，工控机利用横截面内某点外径减去对应此外径方向的两个壁厚测量数据就是该点的内径，遍历整个横截面测量数据，就可计算出整个横截面内的内径分布，在同一个横截面内，将测得的最大外径与最小外径相减，就是钢管外壁的椭圆度，将测得的最大内径与最小内径相减，可得钢管内壁的椭圆度，测量头沿轴向步进，可完成整个端部的椭圆度测量。
[0064]三、钢管的壁厚测量方法:
[0065]钢管的内外径测量方法为利用测量头上安装的三个激光感测头在被测无缝钢管周向测量点实时采集测距数据并通过无线网络发送至工控机，由于三个激光感测头彼此之间的距离固定且为已知，工控机接收到测距数据后，将位于钢管内腔的激光感测头到其对面的激光感测头之间的距离减去这二者实时测得的到内外壁的距离就是该测量点的壁厚，钢管旋转一周后，就可测得整个钢管横截面内的壁厚分布，测量头沿轴向步进，可完成整个端部的壁厚测量。
【权利要求】
1.一种无缝钢管端部几何量在线检测装置，其特征在于:包括测量主机(18)、1#三爪定芯机构(3)、2#三爪定芯机构(6)、两个结构相同的升降V形输送辊、轴向限位装置、部件升降平台(38)和升降调节机构；在部件升降平台(38)上面依次安装有轴向限位装置、第一升降V形输送辊、1#三爪定芯机构(3)、第二升降V形输送辊、2#三爪定芯机构(6)、测量主机(18)，在部件升降平台(38)下面安装有升降调节机构，升降调节机构中的多个螺杆升降机(35)与部件升降平台(38)下面连接，1#三爪定芯机构(3)、2#三爪定芯机构(6)、测量主机(18)的测量头同轴安装。
2.根据权利要求1所述的一种无缝钢管端部几何量在线检测装置，其特征在于:所述测量主机(18)，包括测量头、隔振圈(28)、导向杆轴承盖(68)、三个气缸、固定支撑板(16)、角接触关节轴承(17)、测量头尾端轴承盖(69)、无线网络交换机(19)和底座(20)，测量主机(18)通过位移伺服控制系统的伺服驱动底盘(23)安装在部件升降平台(38)上； 所述的测量头，包括:三个激光感测头、弓形架(29)、两个防撞安全开关、测量限位传感器(13)、四个冷却风嘴、锥形导向头(7)、两个导向轮、圆锥滚子轴承(64)、径向跟随钳(61)、径向跟随弹簧(9)、两块固定板、测量头主轴(66)、三个铰接座、轴向导引杆(15);径向跟随钳(61)由上半钳和下半钳与测量头主轴(66)铰接而成，位于径向跟随钳(61)上半钳中间部分安装第一激光感测头，下半钳正对激光感测头(11)的有通光孔(30)，径向跟随钳(61)开口两端分别安装一个导向轮(33)，导向轮(33)中安装一对圆锥滚子轴承(64)，径向跟随钳(61)内侧靠近导向轮(33)右侧的装有径向跟随弹簧(9)，通过径向跟随钳(61)上的弹簧导向杆(8)固定，径向跟随钳(61)开口两端的导向滑块(79)分别伸入锥形导向头(7)的限位孔(71)中，而锥形导向头(7)通过两侧的固定板(63)固定在测量头主轴(66)上，测量头主轴(66)安装在测量头底盘(65)上，在测量头底盘(65)上下分别安装弓形架横梁(62)，每根弓形架横梁(62)内侧靠近端面对称装有第二、第三激光感测头，紧挨着第二、第三激光感测头的靠近端面的分别装有防撞安全开关，位于测量头主轴(66)和弓形架横梁(62)中间分别装有两个冷却风嘴(12)，其中位于测量头主轴(66)上端的两个冷却风嘴(12)中间装有测量限位传感器(13)，在测量头底盘(65)外侧面上均布三个铰接座，位于三个铰接座的中央有轴向导引杆(15 )安装在测量头底盘(65 )外侧上，无线网络交换机(19 )安装在主机的尾端；三个激光感测头安装后确保发出的激光束位于同一条直线上，并且该直线与被测钢管轴线垂直，由三个激光感测头产生的测量数据接数据采集分析系统； 测量头轴向导引杆(15)的法兰盘外侧套着一个隔振圈(28)，三个气缸(14)的活塞穿过底座(20)的箱体与分别与测量头尾端的铰接座联接，在轴向导引杆(15)的轴肩处安装双列调心滚子轴承(27)，双列调心滚子轴承(27)的外圈固定在底座(20)的箱体上，该轴承外侧端面通过导向杆轴承盖(68 )，三个气缸通过法兰盘安装在固定支撑板(16 )上，轴向导引杆(15)与固定支撑板(16)通过角接触关节轴承(17)联接，角接触关节轴承(17)外侧端面由测量头尾端轴承盖(69 )轴向固定，测量头尾端轴承盖(69)安装在固定支撑板(16)上。
3.根据权利要求1所述的一种无缝钢管端部几何量在线检测装置，其特征在于:所述1#三爪定芯机构(3)，包括定芯驱动减速机(41)、编码器(84)、三相异步电机(4)、三角带(46)、前置式三爪气动卡盘(42)、三爪定芯机构壳体(43)、四个高度调整装置(44);三相异步电机(4)的输出轴与定芯驱动减速机(41)的输入轴通过弹性联轴器联接，安装在三爪定芯机构壳体(43)的上方，前置式三爪气动卡盘(42)同轴安装在三爪定芯机构壳体(43)的正中心，由压缩空气控制卡爪(45)径向伸缩，实现被测钢管的自动装夹，定芯驱动减速机(41)输出轴上安装一个小皮带轮(80)和一个编码器(84)，前置式三爪气动卡盘(42)的皮带轮与小皮带轮(80 )通过三角带(46 )驱动前置式三爪气动卡盘(42 )周向旋转，在三爪定芯机构壳体(43)底部沿轴线方向两侧对称安装四个高度调整装置(44)，用于根据被测钢管规格调整前置式三爪气动卡盘(42)的中心高度。
4.根据权利要求1所述的一种无缝钢管端部几何量在线检测装置，其特征在于:所述两个结构相同的升降V形输送辊(2)，均包括V形轮减速电机(47)、V形滚轮(49)、轴承座(50)、V形轮底座(51)、升降导轨(52)、升降挡块(53)、液压缸(54)、V形轮升降台(55);V形滚轮(49)通过轴承座(50)安装在V形轮升降台(55)上，V形轮减速电机(47)集电机和减速机于一体，减速机的输出轴与V形滚轮(49)的转轴联接，V形轮升降台(55)安装在V形轮底座(51)竖直安装的升降导轨(52 )上，V形轮底座(51)的中央安装一个液压缸(54)，液压缸(54)的活塞伸出端与V形轮升降台(55)通过铰链联接，液压缸(54)的上下伸缩带动V形轮升降台(55)上下升降，实现V形滚轮(49)中心高度的调节。
5.根据权利要求1所述的一种无缝钢管端部几何量在线检测装置，其特征在于:所述轴向限位装置，包括轴向阻挡头(I)和阻挡头升降气缸(39);阻挡头升降气缸(39)的活塞伸出端与轴向阻挡头(I)之间通过铰链联接，轴向阻挡头(I)的尾部和阻挡头升降气缸(39)采用铰接方式固定，阻挡头升降气缸(39)的伸缩带动轴向阻挡头(I)摆动，当被测钢管位于升降V形输送辊(2)上时，通过轴向阻挡头(I)限制被测钢管的轴向测量位置。
6.根据权利要求1所述的一种无缝钢管端部几何量在线检测装置，其特征在于:所述升降调节机构，包括升降驱动电机(37)、弹性联轴器(36)、蜗轮蜗杆减速机(82)、八个螺杆升降机、两个刚性联轴器、两个十字转向器、六根连杆、平台支撑底座(25)、十个调整脚；升降驱动电机(37)的输出轴与蜗轮蜗杆减速机(82)的输入轴通过弹性联轴器(36)联接，蜗轮蜗杆减速机(82)输出轴两端分别与十字转向器通过刚性联轴器联接，八个螺杆升降机沿升降驱动电机(37)输出轴方向对称安装，并且十字转向器(81)与螺杆升降机(35)之间以及两个螺杆升降机(35)之间都采用连杆和刚性联轴器(83)联接，部件安装平台(38)的下底面由八个螺杆升降机支撑，螺杆升降机(35)与部件安装平台(38)之间采用螺钉固定，八个螺杆升降机(35)的底座通过螺钉固定在平台支撑底座(25)上，整个部件升降平台(38)的底部对称安装用于调整水平度的十个调整脚(26)。
7.根据权利要求2所述的一种无缝钢管端部几何量在线检测装置，其特征在于:所述位移伺服控制系统，包括两个伺服驱动底盘、丝杆(21)、两条直线导轨、测量主机安装台(74)、行程开关(32)、伺服电机(24)和伺服控制器(76);两条直线导轨安装在两个伺服驱动底盘之间，其中间是丝杆(21)，测量主机安装台(74)安装在直线导轨上，丝杆(21)与测量主机安装台(74)通过丝杆螺母(77)连接，丝杆驱动测量主机安装台(74)沿导轨直线移动，在两条直线导轨两端各安装一个行程开关(32 )，丝杆(21)与伺服电机(32 )通过弹性联轴器(78 )联接，伺服电机(32 )与伺服控制器(76 )连接。
8.根据权利要求2所述的一种无缝钢管端部几何量在线检测装置，其特征在于:所述数据采集分析系统，包括工控机(60)、显示器(56)、鼠标(58)、键盘(59)、打印机(57);工控机(60)上装有数据采集分析软件OrionMeter，键盘(59)、鼠标(58)和打印机(57)通过USB接口与工控机相连，数据采集分析系统实时的测量数据由三个激光感测头产生，测量数据经由无线网络 交换机(19)到达工控机(60)。
【文档编号】G01B11/24GK103759663SQ201410041201
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月28日 优先权日:2014年1月28日
【发明者】方文平, 刘日明 申请人:杭州浙大精益机电技术工程有限公司