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鋼管直線度的測量方法及現狀

直線度定義為限制實際直線對理想直線變動量的一種形狀公差。目前國內外廠家在生產實踐中對大尺寸鋼管直線度測量的主要方法有:激光準直法、自準直儀法、拉線法、三坐標測量法、目測法等。上述的方法有其很多優點但也有其不足之處不能實現自動在線實時檢測也不能實現非接觸測量對測量結果造成影響大部分依賴人工檢測速度緩慢。鋼管軸線直線度的在線測量技術目前受到較多關注的是視覺傳感器標定法。此方法基于空間坐標原理通過分析鋼管表面發射光的幾何參數擬合出其輪廓線進而計算直線度。此方法可以實現無縫鋼管直線度的實時測量原理簡單實用性強。

國外視覺檢測技術發展迅速覆蓋的應用領域廣泛。20世紀末以美國、德國、日本為主的國家開始研制各種基于視覺檢測技術的測量模型用于不同工業領域的檢測。國外從事視覺檢測系統開發的廠家很多如加拿大的Dalsa公司、丹麥的JAI/Pulnix公司、加拿大Coreco Imaging公司、加拿大IO Industries公司、美國Cognex公司、美國Navitar公司、美國的光學測量儀器公司(OGP),瑞士的Photonfocus公司、日本CCS公司、日本Sony公司以及德國西門子公司等。21世紀初用于零件尺寸測量的視覺檢測設備逐漸得到推廣和應用。國內視覺檢測技術起步較晚始于21世紀初從最初的代理國外先進設備到現在能自主研發經歷了一個較快的發展階段。目前存在的問題是儀器的精度和性能還有待進一步提高。近幾年國內從事視覺檢測技術開發的公司不斷增加如北京大恒圖像、深圳賽克數碼、上海法視特、北京和時利電機技術有限公司、深圳視覺龍科科技有限公司及北京機械科學院等。近年來國內外出現了一些用于檢測工業中小尺寸零件的視覺檢測系統但有些測量范圍不適用如北京機械科學院研制的孔徑測量儀測量范圍為100um深圳賽克數碼生產的SK-2010精密零件測量系統測量范圍為3mm9mm。有些儀器專用于齒輪軸承檢測如北京和時利電機技術有限公司生產的SIMATIC VS 710。有些儀器通用性較強但檢測精度不高如美國DVT公司在線全自動檢測系統—SmartImage Sensor日本Keyence公司的CV-700影像測量儀。有些儀器測量結構較為復雜而且價格昂貴如臺灣Chien wei科技有限公司生產的CW-107V系列精密影像測量儀以及一些國外產品等。

在這方面天津大學精密測試技術及儀器實驗室于2001年提出采用視覺傳感器獲得被測鋼管的截面信息從而獲得該截面的曲率中心坐標通過對多視覺傳感器的坐標統一可以獲得多個曲率中心坐標。由該坐標可以擬合出理論空間軸心線通過誤差評定原則即可獲得直線度誤差。

圖1 鋼管直線度測量視覺檢測示意圖

其主要測量原理如圖1所示檢測系統在鋼管上分配了由多個視覺傳感器組成的傳感器組每個傳感器由半導體激光器LD投射出一束光平面與被測鋼管相交得到一條鋼管截面部分圓周的橢圓弧;由CCD攝像機接收各橢圓弧的圖像并將其轉化為電信號;經圖像采集系統轉化為數字信號進入計算機;通過適當的數學方法由截面上部分圓周擬合得到截面的尺寸和截面圓心的空間三維坐標;多個傳感器得到多個截面的尺寸和截面圓心的三維空間坐標;綜合資料可以得出無縫鋼管的直線度誤差。

該方法具有大量程、非接觸、測量速度快、系統柔性好、精度適中等特點特別適合于產品的幾何參數檢測與質量監控領域。但也有其不足之處基于視覺分析技術對周圍環境有較高要求由于鋼管和光截面相交線很窄測量結果的穩定性不足為了提高精度必須使用多個發射/接收裝置進行分析成本較高。

2008年蘭州理工大學材料科學與工程學院王宏等人進行了“基于虛擬儀器的大直徑焊管的形位誤差檢測系統”的研究。其原理如圖2所示伺服電機1通過相應的傳動機構帶動被測鋼管旋轉傳感器組4安裝在固定板5上固定板5固定在可沿鋼管軸向運動的導軌滑塊上使得鋼管在旋轉的同時傳感器測量組沿鋼管軸向運動以螺旋線方式采集鋼管表面的形位參數鋼管軸向放置在3個位移傳感器采集鋼管母線數據測量母線直線度另外3個測量鋼管圓度通過位移傳感器采集到的數據傳送到PC機進傳行處理得出直線度、圓度誤差。這種測量方法具有成本低、數據通信方便等優點但是接觸式測量測量比較繁瑣只能針對鋼管母線直線度的測量不能實現對鋼管軸線直線度的測量由于工廠壞境惡劣所以抗干擾能力差。

圖2 蘭州理工大學采用的測量方法

同樣的在國外各國也都努力的尋求新的方法去解決這一方面的難題。2006年日本Tohoku大學提出一種對超精密導軌平行性和直線度測量的三探針測量系統。該系統可用于測量一對鋼軌的平行度和直線度。測量平行度使用反向法而直線度測量用兩點連續的方法。實驗用測量數值算法分析一對職能明確的導軌來驗證這個三探針系統。同樣的該系統的測量方法也可以用于對鋼管直線度的測量。系統并行性和直線度測量的安裝程序如圖3所示：