[发明专利]管道内壁形貌和中心轴直线度测量装置和方法

摘要

本发明涉及光电检测技术领域，为能够同时测量管道内壁3D形貌和中心轴直线度，并对结果进行输出显示，得到准确的管道内壁形貌数据，从而精确地还原管道内壁形貌，提高管内壁形貌及中心轴直线度测量精度。本发明，管道内壁形貌和中心轴直线度测量装置和方法，借助预调装置、激光扫描模块、位姿检测模块和驱动模块实现，激光扫描模块和位姿检测模块刚性连接，相对位置确定，设有适度胀紧装置，两模块组成系统检测装置，由爬行器驱动，沿管道内壁接触式连续爬行，激光扫描模块由激光测头和旋转电机组成；位姿检测模块由管口激光器组、姿态探测器组和拉线位移传感器组成；驱动模块中包含爬行器。本发明主要应用于管道光电检测场合。

主权项

1.一种管道内壁形貌和中心轴直线度测量方法，其特征是，步骤如下：(1)由激光扫描模块完成管道内壁径向数据的初步测量，激光扫描模块包括激光测头和旋转电机：激光测头由旋转电机带动进行旋转扫描，完成其回转中心到管道内壁径向尺寸的测量，旋转电机自带角度编码器，实时测出激光测头的周向角度位置；(2)由位姿检测模块完成激光测头位姿检测，位姿检测模块包括激光器组和姿态探测器组：激光器组固定在管道口，各激光器发射激光束垂直入射到对应的姿态探测器靶面，根据激光斑在靶面上位置坐标的变化计算得出激光测头姿态变化，拉线位移传感器实时标定激光测头轴向位置；(3)正向测量阶段，爬行器推动检测装置轴向移动，实现姿态探测器组、旋转电机和激光测头的整体轴向移动；(4)返程阶段，爬行器反向爬行，带动检测装置返回；(5)激光扫描模块和位姿检测模块测得的数据由各自下位机传输到上位机中，上位机调用数据处理模块软件，根据位姿检测模块测得的位姿信息，对特定轴向位置处的径向数据作修正处理，得到准确的管道内壁包络，进而得到管道内壁3D形貌，根据管道内壁截面信息求出管道中心轴直线度；(6)输出检测结果，在显示器上直接显示管道内壁3D形貌和中心轴直线度数据；姿态的变化通过激光斑在姿态探测器靶面坐标位置的变化求出，激光器2和激光器3之间的距离恒定为L，激光器1与激光器2、3的垂直距离为姿态探测器组中各探测器位置与激光器组中各激光器一一对应；经过调整，理想状态下初始测量时激光斑在探测器靶面位置确定，建立坐标系，设三个光斑在靶面原始坐标分别为O₁(x₁，y₁)，O₂(x₂，y₂)，O₃(x₃，y₃)，并设O₂、O₃连线中点为O₄(x₄，y₄)，则测量过程中姿态变化有以下几种情况：(1)面内平移：若激光测头沿径向发生位移，以x轴负方向为例，则激光斑位置相对探测器靶面向x轴正方向移动，此时三个光斑在靶面位置变化为：A₁(x₁′，y₁′)，A₂(x₂′，y₂′)，A₃(x₃′，y₃′)位移量为：Δx＝x₁′‑x₁＝x₂′‑x₂＝x₃′‑x₃若测头沿x轴正方向、y轴正负方向发生平移运动，位移量的求取方法相同；(2)俯仰运动：若激光测头绕x轴发生转动，此时三个光斑在靶面位置变化为：B₁(x₁′，y₁′)，B₂(x₂′，y₂′)，B₃(x₃′，y₃′)，B₂、B₃中点为B₄(x₄′，y₄′)俯仰角α的求取：假设三个靶面绕x轴偏转α的角度，激光斑在靶面上y坐标值发生变化，Δy₁≠Δy₂＝Δy₃，且Δy₂＝Δy₃＝Δy₄，设则根据y坐标值的大小即可求出α，具体方法如下：Δy₁＝|y₁‑y₁′|，Δy₂＝|y₂‑y₂′|＝|y₃‑y₃′|＝Δy₄，L的长度固定不变，所以：若测头绕反方向偏转，求取方法同上，只需比较Δy₁、Δy₂的大小，所以上式最终表示为：(3)偏航运动：若激光测头绕y轴发生旋转，此时三个光斑在靶面位置变化为：C₁(x₁′，y₁′)，C₂(x₂′，y₂′)，C₃(x₃′，y₃′)；偏航角β求取：假设三个靶面绕y轴偏转β的角度，激光斑在靶面上x坐标值发生变化，且Δx₁≠Δx₂≠Δx₃，设根据x坐标值的大小即可求出β，具体方法如下：Δx₂＝|x₂‑x₂′|，Δx₃＝|x₃‑x₃′|，L′₂＝(L+Δx₃‑Δx₂)L的长度固定不变，所以：若测头绕反方向偏转，求取方法相同，只需比较Δx₂、Δx₃的大小，所以上式最终表示为：(4)横滚运动：若激光测头绕z轴发生转动，此时三个光斑在靶面位置变化为：D₁(x₁′，y₁′)，D₂(x₂′，y₂′)，D₃(x₃′，y₃′)；横滚角γ求取原理：此时假设三个靶面绕z轴旋转γ的角度，激光斑在靶面上x、y坐标值都发生变化，且有：Δx₁＝Δx₂＝Δx₃，Δy₁＝Δy₂＝Δy₃求取时可用任意一个激光斑在靶面上的坐标值，求得旋转角度为：在测量过程中，各机械运动和电气控制都通过下位机内部时钟控制单元控制，时序的总控制以旋转扫描电机的周向角度位置信号为基准依据，保证激光扫描模块测得的(r_i，θ_i)与姿态检测模块测得的一一对应。