钢管管端尺寸综合测量装置设计与应用

黄继庆， 冯伟华， 孟凡佳， 刘 涛

（1. 渤海装备研究院， 河北 青县062658； 2. 渤海装备巨龙钢管公司， 河北 青县062658）

焊管生产线成品钢管管端尺寸通常采用手工测量方式， 测量数据的准确性和客观性难以得到保证。 在中俄东线工程试验段施工过程中， 由于环焊缝焊接采用自动焊工艺， 出现了Φ1 422 mm直缝埋弧焊管管端尺寸数据测量精度不能完全满足环焊自动焊机组需求的情况， 给施工带来了极大不便。 业主要求在随后的钢管生产中必须采用自动测量， 以避免手工测量带来的测量偏差； 同时在国际询单中， 大都要求钢管管端尺寸自动测量。 为了满足用户的需求， 需要研制钢管综合测量装置， 实现成品钢管管端数据自动测量， 保证测量数据的客观性和准确性。

1 测量装置设计方案

综合测量装置安装在成品检验区称重测长工位， 采用专机测量的形式， 与现有称重测长装置整合为一体。 综合测量装置（一端） 如图1 所示。

在称重测长工位两端的行走小车上配置一级滑台、 转台和二级滑台， 在二级滑台上安装检测传感器及支架， 工作流程如图2 所示。 转台带动二级滑台上的测量传感器沿钢管管壁旋转一周， 获得钢管管端原始轮廓数据， 通过计算解析得出钢管周长、 椭圆度、 壁厚和切斜等数据。

图1 钢管管端尺寸综合测量装置布置图（一端）

图2 测量装置工作流程

2 测量方法改进及管端尺寸测量原理

2.1 称重、 测长方法改进

2.1.1 称重

目前钢管称重方式采用4 个称重传感器两两布置到两侧的称重台， 并把4 个传感器输出信号并联到一个接线盒中， 调整角差、 信号调理后输出到称重管理器。 实际称重时， 由于钢管摆放不正， 两侧称重传感器受力不一致， 输出信号不同， 并联后有误差， 因此称重误差较大。

为避免测量传感器受力不均匀导致的称重误差， 称重台采用浮动结构， 每侧称重台四角各布置1 个传感器， 4 个传感器输出信号并联到1 个接线盒后再连接到本侧的称重控制器； 另一侧称台配置相同， 钢管质量为两侧的称重质量之和。称重控制器就近布置在每侧的称台附近， 减少因接线盒到管理器的导线过长， 造成信号易被干扰的问题。

2.1.2 测长

现有的测长方式为接触式测量， 由高速计数器记录编码器脉冲数， 转换为长度数据， 由于小车行走时打滑， 导致测量长度误差。

综合测量装置采用非接触激光测量钢管长度， 通过管端测量时检测到管端的位置数据， 综合得到管长， 管长=检测到管端时激光测量长度数据－检测管端传感器到激光传感器的固定距离。

2.2 管端尺寸测量原理

管端尺寸包括周长 （内、 外周长）、 不圆度（长、 短轴）、 壁厚（最大、 最小、 平均） 和切斜等。 为了获得以上数据， 关键是应用钢管管端的实际轮廓数据（xi， yi） （i∈（1， 2， 3， …n）），拟合得到管端轮廓方程。

2.2.1 管端轮廓方程

钢管管端近似为一圆形， 圆的标准方程为

其中

由圆的标准方程式（1） 可以得出矩阵表示，即

其最小二乘解为

求出a、 b、 c 后， 再由式 （2） 得到圆心坐标（A， B） 和半径r。2.2.2 管端数据求解

（1） 管端周长

（2） 椭圆度

利用公式 （6） 求出长短轴lmax、 lmin及对应的位置， 其中 （xi+180°， yi+180°）、 （xi， yi） 为i 角和i+180°角的管端轮廓数据， 椭圆度=lmax－lmin。

（3） 壁厚

为了测量壁厚， 利用测量支架上、 下两个传感器分别测量钢管同一截面的内外壁轮廓数据（xin， yin）、 （xout， yout）， 最小二乘圆拟合， 得到内、 外半径分别为Rin和Rout， 平均壁厚Tav=Rout－Rin。

利用公式（7） 求出管端不同位置处的壁厚T， 其最大和最小壁厚分别为Tmax和Tmin。

（4） 切斜

利用一组由发射端和接收端组成的测微仪测量管端切斜， 由传感器支架带动测微仪沿管端转动一圈， 管边缘变动的范围即为管端切斜。由于钢管在台架上摆放不正， 转动中心线和钢管轴线不平行， 按以上方法测量切斜误差很大，需要修正， 原理示意如图3 所示。 传感器1 和传感器2 分别测量钢管不同截面的轮廓数据，并利用公式 （4） 和公式 （2） 分别得到两个截面的圆心坐标 （A1， B1）、 （A2， B2）， 求出钢管轴线与转动中心线的夹角α （垂直方向） 和β（水平方向）。

图3 管端切斜测量原理示意图

垂直方向切斜修正

式中： Δ1——管端0°和180°角测量的切斜；

D——钢管内直径。

同理可得水平方向切斜修正

式中： Δ2——管端90°和270°角测量的切斜。

取两者的最大值作为钢管水平和垂直位置的一组切斜值。 对于其他角度， 可通过坐标变换，按上述方法得到多组切斜值， 并取最大值作为最终的管端切斜值。

3 综合测量装置软件界面

综合测量装置软件界面显示测量结果， 可人工设置各个参数的报警阈值， 对不合格钢管进行报警， 提示岗位人员进行进一步处理， 人工处理后的管端尺寸数据可手动录入， 综合测量界面如图4 所示。 采用SQL Server 数据库与MES 系统匹配。 可从MES 系统获得钢管信息 （管号、 班次等）， 将其与测量数据进行自动匹配， 存储至MES 系统， 操作人员亦可在交互界面录入管号进行数据绑定， MES 系统钢管综合信息如图5所示。

图4 钢管管端尺寸综合测量系统界面

图5 MES 系统钢管综合信息

4 应用效果

综合测量装置在焊管生产线应用测试， 随机抽取直径1 219 mm、 1 422 mm 钢管各2 根进行测量， 每根钢管重复测量2 次， 并与人工测量进行对比， 对比结果见表1。

从表1 可以看出， 钢管长度测量重复精度≤±1 mm， 椭圆度测量重复精度≤±0.1 mm，周长测量重复精度≤±0.1 mm， 切斜测量重复精度≤±0.1 mm； 长度测量与人工测量值误差≤±2 mm， 椭圆度测量值与人工测量值误差≤±0.2 mm， 切斜测量值与人工测量值误差≤0.3 mm， 并且都是正偏差， 分析原因是人工测量只是测量了管端有限的几个直径， 不能准确找到最大和最小直径， 导致测量的椭圆度较小。

表1 设备测量与人工测量结果对比

5 结束语

研制的钢管管端综合测量装置已在焊管生产线成功应用， 实现了成品钢管质量、 长度、管端周长、 椭圆度、 壁厚、 切斜等数据的自动测量， 并可根据设置值对管端周长自动分类及判断钢管管端尺寸是否合格。 设备运行平稳，测量精度、 工作效率、 运行的稳定性均达到了预期的效果。