本發(fā)明專利涉及一種基于激光掃描的直縫焊管焊縫噘嘴檢測系統(tǒng)，用來在直縫焊管生產(chǎn)過程中檢測焊縫的“噘嘴”故障，屬于故障檢測領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，管道的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，我們對油氣的運輸已經(jīng)逐步從交通運輸過渡到管道運輸，例如“西氣東輸”這種重點工程。為了保證運輸過程中油氣的安全，管線建設(shè)對管道提出了“厚壁、高鋼級”的要求，所以我們對直縫焊管的需求也越來越大。在直縫焊管的生產(chǎn)過程中，焊縫處“噘嘴”是一種普遍存在的缺陷?！班僮臁碧幍那什灰?guī)則，若受到外力，會在“噘嘴”處產(chǎn)生應(yīng)力集中，影響管道的壽命，不能保證油氣運輸?shù)目煽啃?。?dāng)我們將缺陷管道和正常管道焊接時，由于“噘嘴”缺陷的存在，并不能很好地將兩個管道擬合在一起，即使勉強焊接在一起，也會導(dǎo)致焊接處應(yīng)力集中，影響整個管道的機械性能。因此，對鋼管進(jìn)行焊縫“噘嘴”檢測，可以提高管道的壽命，減輕工人的勞動強度，降低加工成本等等。

目前，在焊管檢測方面主要依靠人工手動檢測，該方法主要借助外徑千分尺和卡規(guī)測量直縫焊管的外徑，然后看目標(biāo)是否“噘嘴”并判斷噘嘴類型。此方法耗時耗力，而且精度不高，效率低，并不能滿足工藝要求。還有一種方法是機械接觸測量法，即采用三坐標(biāo)測量儀，該儀器的測量頭可在焊管上進(jìn)行滑動測量，并且得到表面的三維坐標(biāo)信息，進(jìn)而對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。但是該方法對環(huán)境要求高，測量效率低，對探頭的質(zhì)量要求比較高。所以我們需要一種方法可以直觀的得到焊管表面的三維數(shù)據(jù)，而后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到鋼管的“噘嘴”缺陷，并且該方法不能受環(huán)境因素和人為因素影響太大，從而提高檢測的效率。

中國專利申請?zhí)?01120049924.2，公開日2011.9.21，公開了一種大口徑直縫焊管管端橢圓度和直徑測量裝置。該裝置的上下兩端安裝了兩對激光掃描傳感器和兩個二維激光位移傳感器，對在轉(zhuǎn)輥上旋轉(zhuǎn)的鋼管進(jìn)行外徑測量和橢圓度測量。通過計算未被鋼管遮蔽的光束長度，可以得到鋼管的外徑；通過激光位移傳感器，可以測量焊縫的形狀和位置。但是該測量裝置只可以得到鋼管的外徑和橢圓度，并不能實現(xiàn)對直縫焊管焊縫噘嘴的檢測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有的直縫焊管焊縫噘嘴檢測方法的不足，本發(fā)明公開了一種基于激光掃描的直縫焊管焊縫噘嘴檢測系統(tǒng)，能夠適應(yīng)不同規(guī)格的直縫焊管，在焊管固定不動的前提下可以自動判別噘嘴類型，并給出精確的噘嘴值。

本發(fā)明所述的基于激光掃描的直縫焊管焊縫噘嘴檢測系統(tǒng)由二維激光掃描傳感器、傳動裝置和上位機組成；所述二維激光掃描傳感器用于在焊縫上方沿焊管軸線方向等間距掃描焊縫，獲取不同位置處焊管徑向橫截面的二維輪廓數(shù)據(jù)；所述傳動裝置用于調(diào)節(jié)二維激光掃描傳感器的位置；所述上位機通過通信線與傳動裝置運動控制器和二維激光掃描傳感器連接。

所述傳動裝置包括機架、傳感器固定裝置、X軸步進(jìn)電機、Y軸步進(jìn)電機、Z軸步進(jìn)電機、X軸導(dǎo)軌、Y軸導(dǎo)軌、Z軸導(dǎo)軌和運動控制器；其中X軸為焊管水平徑向方向，Y軸為焊管軸線方向，Z軸垂直于X軸與Y軸構(gòu)成的平面；所述傳感器固定裝置用于安裝二維激光掃描傳感器；所述X軸步進(jìn)電機帶動二維激光掃描傳感器沿X軸導(dǎo)軌平移，使焊縫位于二維激光掃描傳感器的正下方；所述Y軸步進(jìn)電機帶動二維激光掃描傳感器沿Y軸導(dǎo)軌等間距掃描焊縫；所述Z軸步進(jìn)電機帶動二維激光掃描傳感器沿Z軸導(dǎo)軌上下移動，用于調(diào)節(jié)二維激光掃描傳感器與焊縫的距離，使焊縫位于二維激光掃描傳感器的有效掃描范圍內(nèi)；所述運動控制器用于控制X軸步進(jìn)電機、Y軸步進(jìn)電機和Z軸步進(jìn)電機，并與上位機通信。

本發(fā)明的優(yōu)點在于，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、便于操作、適應(yīng)性強、判斷精度高、能夠?qū)崟r地檢測出焊管焊縫的噘嘴缺陷、受環(huán)境因素影響小，并能給出噘嘴類型和精確的噘嘴值，可大幅度的提高此類焊管的產(chǎn)品合格率和生產(chǎn)效率，為我國油氣管道的建設(shè)提供高質(zhì)量的焊管，同時打破國外相關(guān)裝備制造企業(yè)在該領(lǐng)域的壟斷。

附圖說明

圖1一種基于激光掃描的焊管焊縫噘嘴檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.機架，2.X軸步進(jìn)電機，3.Y軸步進(jìn)電機，4.Z軸步進(jìn)電機，5.X軸導(dǎo)軌，6.Y軸導(dǎo)軌，7.Z軸導(dǎo)軌，8.支撐桿；9.傳感器固定裝置，10.二維激光掃描傳感器，11.焊縫，12.直縫焊管；

圖2是焊管焊縫噘嘴檢測系統(tǒng)檢測與控制裝置結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是焊縫噘嘴類型示意圖；

圖4是基于激光掃描的直縫焊管焊縫檢測系統(tǒng)的工作流程圖；

圖5是二維輪廓離散點曲率聚類流程圖。

具體實施方式

直縫焊管焊縫的噘嘴缺陷普遍存在于直縫焊管生產(chǎn)過程中，直縫焊管是由一塊鋼板經(jīng)過壓力使其彎曲，然后焊接在一起。但是由于機械原因或鋼板自身材質(zhì)的原因，會導(dǎo)致焊管成型縫處擬合不完善，形成成型縫向上或向下噘起的情況，這就是焊縫“噘嘴”缺陷。對焊管噘嘴處進(jìn)行故障診斷時，如果我們可以直觀的得到焊管的三維數(shù)據(jù)，就可以通過計算得到待檢測位置是否存在缺陷，所以我們需要找到一種方法來獲得焊管的三維數(shù)據(jù)。

利用三坐標(biāo)測量儀雖然可以得到焊管的三維數(shù)據(jù)，但這種方法對環(huán)境要求高，測量速度慢，測量數(shù)據(jù)密度低，測量過程需人工干預(yù)，還需要對測量結(jié)果進(jìn)行探頭損傷及探頭半徑補償，這些不足限制了它在焊縫噘嘴檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，找到一種更直觀有效地方法來得到焊管的三維數(shù)據(jù)，即可完成對焊縫噘嘴檢測的第一步工作。激光掃描技術(shù)可以很直觀的得到焊管的三維輪廓數(shù)據(jù)，包括三維激光掃描和二維激光掃描，三維激光掃描可以直接掃描一個面，但設(shè)備價格昂貴；二維激光掃描可以掃描出來一條線，但是通過移動掃描儀或者被測物體也可以得到物體的三維輪廓，因此我們選擇二維激光掃描。二維激光掃描，即將激光光束擴大為條狀后在目標(biāo)物體上產(chǎn)生漫反射，反射光被聚集到CCD或CMOS上，通過數(shù)據(jù)處理獲得物體輪廓，該方法精度高，受檢測環(huán)境影響小，可測量外徑尺寸和外徑輪廓。

本發(fā)明對故障焊管進(jìn)行了大量的實驗，提供了一種基于激光掃描的直縫焊管焊縫噘嘴的檢測系統(tǒng)，實驗表明該檢測系統(tǒng)較現(xiàn)有的檢測系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。

下面對本檢測系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹，參照附圖1和附圖2：

A.傳動裝置包括機架(1)，X軸步進(jìn)電機(2)，Y軸步進(jìn)電機(3)，Z軸步進(jìn)電機(4)，X軸導(dǎo)軌(5)，Y軸導(dǎo)軌(6)，Z軸導(dǎo)軌(7)，支撐桿(8)；傳感器固定裝置(9)和運動控制器，所述導(dǎo)軌為絲杠；所述傳感器固定裝置用于安裝二維激光掃描傳感器；

A1.X軸即焊管(12)的水平徑向方向，由X軸步進(jìn)電機帶動二維激光掃描傳感器(10)沿X軸導(dǎo)軌(5)平移，使焊縫(11)位于二維激光掃描傳感器(10)的正下方，便于采集更加準(zhǔn)確的噘嘴信息；支撐桿(8)用于確保機架左右兩側(cè)同時沿X軸運動，支撐桿(8)光滑，機架被支撐桿(8)穿過的地方安裝軸承；

A2.Y軸即焊管(12)軸線方向，由Y軸步進(jìn)電機帶動二維激光掃描傳感器(10)在Y軸導(dǎo)軌(6)上平移，使二維激光掃描傳感器(10)對焊管焊縫(11)進(jìn)行等間距掃描，從而得到不同位置的、比較密集的焊縫及焊縫兩側(cè)的焊管徑向橫截面的二維輪廓數(shù)據(jù)；

A3.Z軸垂直于X軸與Y軸構(gòu)成的平面，由Z軸步進(jìn)電機帶動二維激光掃描傳感器(10)沿Z軸導(dǎo)軌(7)上下移動，可以調(diào)整二維激光掃描傳感器(10)到焊管(12)的距離，用于適應(yīng)不同規(guī)格的焊管；直徑大的焊管，可以使傳感器向上移動；直徑小的焊管，可以使傳感器向下移動；

A4.所述運動控制器用于控制上述3個步進(jìn)電機工作，從而帶動二維激光掃描傳感器(10)運動；運 動控制器與上位機相連接，接收上位機發(fā)來的運動指令，并且向上位機反饋步進(jìn)電機當(dāng)前工作狀態(tài)；

B.所述二維激光掃描傳感器(10)是本發(fā)明的核心部件，在傳動模塊X軸和Z軸上對傳感器位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其處于一個最佳的測量位置，然后通過傳感器在Y軸上的等間距掃描，來采集焊管不同位置的徑向截面二維輪廓數(shù)據(jù)，一共可獲得n組焊縫及焊縫兩側(cè)焊管表面的輪廓數(shù)據(jù)；

C.所述上位機通過通信線與運動控制器和二維激光掃描傳感器相連接，用于對運動控制器發(fā)送運動指令，接收運動控制器反饋的步進(jìn)電機工作狀態(tài)，對二維激光掃描傳感器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并且接收二維激光掃描傳感器的掃描數(shù)據(jù)；

附圖4是基于激光掃描的直縫焊管焊縫檢測系統(tǒng)的工作流程，具體步驟包括：

A.利用二維激光掃描傳感器Gocator2350沿焊管軸線方向運動,運動方式為編碼器模式，等間距采集焊管的二維輪廓數(shù)據(jù)。運行系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可獲取n組焊縫及焊縫兩側(cè)焊管表面的輪廓數(shù)據(jù)M_i(i＝1,2,…,n)，M_i包含t個離散點，點的坐標(biāo)為：

P_j＝{x_j,z_j},j＝1,2,…,t；

因為Y坐標(biāo)表示的是掃描儀的行進(jìn)方向，Y值的個數(shù)即為n，對該位置的二維輪廓沒有影響，所以不顯示在輪廓數(shù)據(jù)的坐標(biāo)中；下面對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以得到焊縫的噘嘴值和噘嘴類型；

B.檢測中，由于待檢測焊管焊縫沒有焊接，所以激光掃描儀發(fā)出的激光在焊縫處會投影到焊管內(nèi)部的底端，這些數(shù)據(jù)會對后面曲率的計算產(chǎn)生影響，所以要對A所述的輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除噪點后得到精簡的數(shù)據(jù)M′_i(i＝1,2,…,n)，M′_i包含v個離散點；

C.提取二維輪廓數(shù)據(jù)M′_i(i＝1,2,…,n)對應(yīng)的焊縫噘嘴值，包含以下步驟：

C1.根據(jù)數(shù)據(jù)特點，選擇差分曲率法計算第i條輪廓M′_i(i＝1,2,…，n)上的點P_j的曲率k_j,根據(jù)差分曲率計算公式，可以算出當(dāng)j＝3,4,…,v-2時點P_j的曲率，差分曲率法計算離散曲率的公式如下：

$k_j=\frac{{\mathrm{\Δx}}_j^{\mathrm{\Δ}2}{z}_j-{\mathrm{\Δ}}^2{x}_j{\mathrm{\Δz}}_j}{{\[{\left({\mathrm{\Δx}}_j\right)}^2+{\left({\mathrm{\Δz}}_j\right)}^2\]}^{\frac{3}{2}}}$

其中，${\mathrm{\Δx}}_j=\frac{x_{j+1}-x_{j-1}}{2},{\mathrm{\Δz}}_j=\frac{z_{j+1}-z_{j-1}}{2},{\mathrm{\Δ}}^2{x}_j=\frac{{\mathrm{\Δx}}_{j+1}-{\mathrm{\Δx}}_{j-1}}{2},{\mathrm{\Δ}}^2{z}_j=\frac{{\mathrm{\Δz}}_{j+1}-{\mathrm{\Δz}}_{j-1}}{2};$

C2.對C1所述的v-4個曲率值進(jìn)行K均值聚類，選取K＝2，將輪廓上的離散點聚為兩類：S₁和S₂，其中S₁為曲率較大的點的集合，S₂為曲率較小的點的集合，分別對應(yīng)焊縫中心處輪廓和焊縫兩側(cè)輪廓，參照附圖5，步驟如下：

(1)選取合適的聚類中心，因為我們要將v-4個曲率值聚類為曲率值較大和曲率值較小兩類，故可選取曲率k_j(j＝3,4,…,v-2)中的最大值和最小值為初始聚類中心z₁和z₂；

(2)遍歷k_j(j＝3,4,…,v-2)中每一個值，如果|k_j-z₁|＜|k_j-z₂|，k_j∈S₁，反之，k_j∈S₂；

(3)分別計算S₁和S₂中曲率的平均值作為新的聚類中心；

(4)重復(fù)步驟(2)、(3)，直到新的聚類中心與前一次計算結(jié)果相同，完成聚類；

C3.用S₂中所有曲率值對應(yīng)的離散點擬合出標(biāo)準(zhǔn)圓，得到圓心O的坐標(biāo)和圓的半徑r；

C4.計算圓心O到焊縫左坡點P和右坡點Q的距離計算第i條焊縫的噘嘴值 其中焊縫左坡點P和右坡點Q是指焊縫中心處輪廓的左右間斷點，參照附圖3；

D.計算所有n組輪廓數(shù)據(jù)的噘嘴值Δ₁,Δ₂,…,Δ_n，計算焊管焊縫的平均噘嘴值對噘嘴類型進(jìn)行判定：若判定噘嘴類型為外噘；若判定噘嘴類型為內(nèi)噘；若判定焊管焊縫正常。