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1、(10)申请公布号 CN 102927922 A (43)申请公布日 2013.02.13 CN 102927922 A *CN102927922A* (21)申请号 201210387784.9 (22)申请日 2012.10.12 G01B 11/12(2006.01) (71)申请人 中北大学 地址 030051 山西省太原市学院路 3 号 (72)发明人 刘宾 陈平 韩焱 苏新彦 崔唯佳 李红亮 (74)专利代理机构 北京德琦知识产权代理有限 公司 11018 代理人 谢安昆 宋志强 (54) 发明名称 一种管状工件内径测量系统 (57) 摘要 本发明公开了一种管状工件内径测量系统， 。
2、包括 ： 一个爬行运载定位子系统、 一个数据采集 与控制子系统以及一个数据处理子系统 ； 当需要 对一被测管状工件的内径进行测量时， 爬行运载 定位子系统在数据采集与控制子系统的控制下在 被测管状工件的管道中进行爬行， 并在当每爬行 到一个待测位置时， 获取该待测位置对应的管道 截面的测量数据 ； 数据采集与控制子系统采集爬 行运载定位子系统获取到的测量数据， 发送给数 据处理子系统 ； 数据处理子系统根据接收到的测 量数据生成所需的测量结果。应用本发明所述方 案， 能够提高测量结果的准确性， 且能够提高测量 效率。 (51)Int.Cl. 权利要求书 4 页 说明书 7 页 附图 4 页 (。
3、19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 4 页 说明书 7 页 附图 4 页 1/4 页 2 1. 一种管状工件内径测量系统， 其特征在于， 包括 ： 一个爬行运载定位子系统、 一个数 据采集与控制子系统以及一个数据处理子系统 ； 所述爬行运载定位子系统与所述数据采集与控制子系统相连， 所述数据采集与控制子 系统与所述爬行运载定位子系统以及所述数据处理子系统相连 ； 当需要对一被测管状工件的内径进行测量时， 所述爬行运载定位子系统在所述数据采 集与控制子系统的控制下在所述被测管状工件的管道中进行爬行， 并在当每爬行到一个待 测位置时， 获取该待测位置对应的管道截面。
4、的测量数据 ； 所述数据采集与控制子系统采集 所述爬行运载定位子系统获取到的测量数据， 发送给所述数据处理子系统 ； 所述数据处理 子系统根据接收到的测量数据生成所需的测量结果。 2. 根据权利要求 1 所述的系统， 其特征在于， 所述爬行运载定位子系统中包括 ： 一个驱 动机器人和一个检测机器人 ； 所述驱动机器人和所述检测机器人通过连接法兰相连 ； 所述驱动机器人在所述数据采集与控制子系统的控制下驱动所述爬行运载定位子系 统在所述被测管状工件的管道中进行爬行 ； 所述检测机器人在当所述爬行运载定位子系统每爬行到一个待测位置时， 获取该待测 位置对应的管道截面的测量数据。 3. 根据权利要求。
5、 2 所述的系统， 其特征在于， 所述驱动机器人中包括 ： 一个主动轮、 一 个从动轮、 一个驱动电机、 一个蜗轮蜗杆以及一个外壳 ； 所述驱动电机和所述主动轮通过所述蜗轮蜗杆相连 ； 所述主动轮和从动轮的部分或全 部暴露在所述外壳之外， 所述驱动电机和所述蜗轮蜗杆位于所述外壳之内 ； 所述驱动电机在所述数据采集与控制子系统的控制下发生旋转， 并通过所述蜗轮蜗杆 带动所述主动轮发生旋转， 所述主动轮的旋转带动所述从动轮发生旋转， 所述主动轮和所 述从动轮的旋转带动所述爬行运载定位子系统在所述被测管状工件的管道中进行爬行。 4. 根据权利要求 3 所述的系统， 其特征在于， 所述检测机器人中包括。
6、 ： 一个主轴、 一个 套在所述主轴上且固定在所述主轴上的第一挡圈、 两段套在所述主轴上的等长的第一弹簧 和第二弹簧、 两组支撑结构、 一个激光位移传感器、 一个传感器底座、 一个导电滑环以及一 个旋转步进电机 ； 所述激光位移传感器固定在所述传感器底座上， 并通过所述导电滑环与所述旋转步进 电机相连， 所述旋转步进电机固定在所述主轴上 ； 其中， 一组支撑结构位于所述旋转步进电机与所述第一挡圈之间， 包括 ： 一个套在所述 主轴上且固定在所述主轴上的第二挡圈、 一个套在所述主轴上的第一滑动挡圈、 N 个活动支 杆、 N 个支撑轮以及 N 个支撑杆 ； N 为大于 2 的正整数， N 个支撑轮。
7、在圆周上等角分布 ； 第一滑动挡圈与所述第一弹簧的一端相连， 所述第一弹簧的另一端与所述第一挡圈相 连 ； 所述第二挡圈位于所述旋转步进电机以及所述第一滑动挡圈之间 ； 每个活动支杆的一 端与所述第二挡圈相连， 另一端与一个支撑轮相连， 每个支撑杆的一端与所述第一滑动挡 圈相连， 另一端与一个滑动支杆两端之间的一点相连， 每个支撑杆所连接的活动支杆均不 同， 每个活动支杆所连接的支撑轮也均不同 ； 另一组支撑结构位于所述第一挡圈与所述连接法兰之间， 包括 ： 一个套在所述主轴上 且固定在所述主轴上的第三挡圈、 一个套在所述主轴上的第二滑动挡圈、 N 个活动支杆、 N 权 利 要 求 书 CN 。
8、102927922 A 2 2/4 页 3 个支撑轮以及 N 个支撑杆 ； N 为大于 2 的正整数， N 个支撑轮在圆周上等角分布 ； 第二滑动挡圈与所述第二弹簧的一端相连， 所述第二弹簧的另一端与所述第一挡圈相 连 ； 所述第三挡圈位于所述连接法兰以及所述第二滑动挡圈之间 ； 每个活动支杆的一端与 所述第二滑挡圈相连， 另一端与一个支撑轮相连， 每个支撑杆的一端与所述第三挡圈相连， 另一端与一个滑动支杆两端之间的一点相连， 每个支撑杆所连接的活动支杆均不同， 每个 活动支杆所连接的支撑轮也均不同 ； 当任一组支撑结构中的任一支撑轮受压时， 通过与其相连的活动支杆和相应的支撑杆 推动该组支撑。
9、结构中的滑动挡圈发生移动并压缩与该滑动挡圈相连的弹簧， 进而带动该组 支撑结构中的各支撑轮发生移动 ； 当所述爬行运载定位子系统每爬行到一个待测位置时， 所述旋转步进电机在所述数据 采集与控制子系统的控制下发生旋转， 并带动所述激光位移传感器进行圆周扫描， 获取该 待测位置对应的管道截面的测量数据。 5. 根据权利要求 4 所述的系统， 其特征在于， 所述数据采集与控制子系统中包括 ： 运动 控制模块以及数据采集模块 ； 所述运动控制模块与所述驱动电机以及所述旋转步进电机相连， 控制所述驱动电机以 及所述旋转步进电机进行旋转 ； 所述数据采集模块与所述激光位移传感器相连， 采集所述激光位移传感。
10、器获取到的测 量数据， 发送给所述数据处理子系统。 6. 根据权利要求 4 所述的系统， 其特征在于， 所述系统中进一步包括 ： 标定子系统 ； 所述标定子系统中包括 ： 标定规以及连接套， 所 述标定规与所述连接套均为管状工件 ； 所述系统中进一步包括 ： 校正子系统， 所述校正子系统与所述数据采集与控制子系统、 所述爬行运载定位子系统以及所述数据处理子系统相连 ； 所述爬行运载定位子系统中进一步包括 ： 倾角传感器和 X-Y 轴加速度传感器， 所述倾 角传感器安装在所述第一挡圈的上端， 所述 X-Y 轴加速度传感器安装在所述第一挡圈的下 端 ； 当需要进行所述被测管状工件的内径测量时， 通。
11、过所述连接套将所述标定规与所述被 测管状工件相连， 并将所述爬行运载定位子系统放置在所述标定规中， 通过所述数据采集 与控制子系统控制所述爬行运载定位子系统爬行到所述标定规中的一指定位置 ； 所述 X-Y 轴加速度传感器获取该指定位置上的轴心初始值， 发送给所述校正子系统， 所述倾角传感 器获取该指定位置上的轴向倾角初始值， 发送给所述校正子系统 ； 之后， 所述数据采集与控制子系统控制所述爬行运载定位子系统通过所述连接套从所 述标定规中爬行到所述被测管状工件中 ； 当每爬行到一个待测位置时， 所述数据采集与控 制子系统采集所述爬行运载定位子系统获取到的该待测位置对应的管道截面的测量数据， 并。
12、发送给所述校正子系统 ； 所述校正子系统根据接收到的轴心初始值以及轴向倾角初始值 对接收到的测量数据进行校正， 并将校正后的测量数据发送给所述数据处理子系统。 7. 根据权利要求 6 所述的系统， 其特征在于， 所述激光位移传感器与所述主轴位于同一水平面 ； 针对每个待测位置， 所述激光位移传感器进行 360 度旋转， 并每旋转 M 度， 则获取一次 权 利 要 求 书 CN 102927922 A 3 3/4 页 4 该旋转角度下该待测位置对应的管道截面的测量数据， 通过数据采集与控制子系统发送给 所述校正子系统 ； 同时， 所述 X-Y 轴加速度传感器获取该待测位置上的轴心值， 发送给所述。
13、 校正子系统， 所述倾角传感器获取该待测位置上的轴向倾角值， 发送给所述校正子系统 ； M 为正整数， 且需要保证获取测量数据的次数为 2 的整数倍 ； 所述校正子系统确定出接收到的轴心值相对于轴心初始值的变化位移量(x0， y0)， 并确 定出接收到的轴向倾角值相对于轴向倾角初始值的变化角度 ； 根据所述变化位移量以 及所述变化角度对该待测位置上的每个旋转角度对应的测量数据进行校正 ； 其中， 所述激光位移传感器获取到的该待测位置上的每个旋转角度对应的测量数据包 括 ： 该旋转角度对应的测量点在所述被测管状工件的坐标系中的坐标， 测量点是指该旋转 角度所对应的该待测位置对应的管道截面内层圆形。
14、上的点 ； 所述校正后的该待测位置上的每个旋转角度对应的测量数据包括 ： 该旋转角度对应的 测量点在所述标定规的坐标系中的坐标 ； 两个坐标系之间存在如下关系 ： 其中， (x， y) 表示测量点在所述标定规的坐标系中的坐标， (x ， y ) 表示测量点在所述 被测管状工件的坐标系中的坐标。 8. 根据权利要求 7 所述的系统， 其特征在于， 所述数据处理子系统中包括 ： 互相连接的数据处理模块和显示模块 ； 针对每个待测位置， 所述数据处理模块分别按照以下方式确定出该待测位置上的各测 量点对应的校正后的旋转角度以及校正后的极径 ： 其中， 所述(x， y)表示测量点在所述标定规的坐标系中的。
15、坐标， 所述R表示校正后的极 径， 所述 表示校正后的旋转角度 ； 为非整数值， 所述数据处理模块根据确定出的该待测位置上的各测量点对应的校正 后的旋转角度以及校正后的极径， 通过最近邻插值法， 得到激光位移传感器进行 360 度旋 转， 在所述标定规的坐标系中每旋转 M 度后的旋转角度分别对应的真实极径 ； 并将在所述 标定规的坐标系中每两个相差 180 度的旋转角度对应的真实极径相加， 得到该待测位置对 应的管道截面的内径 ； 从得到的各内径中选出取值最大的作为内径 Rmax， 选出取值最小的作为内径 Rmin， 并 基于得到的各内径确定出该待测位置对应的管道截面的槽宽和槽深， 将所述内径。
16、 Rmax、 所 述内径 Rmin 以及所述槽宽和槽深作为测量结果， 发送给所述显示模块 ； 所述显示模块将接收到的测量结果进行显示。 9. 根据权利要求 8 所述的系统， 其特征在于， 所述数据处理模块进一步根据各待测位置上的在所述标定规的坐标系中每旋转 M 度 后的旋转角度以及分别对应的真实极径， 通过自适应插值方式， 得到所述被测管状工件中 不属于待测位置的指定位置上的测量结果， 并发送给所述显示模块进行显示 ； 权 利 要 求 书 CN 102927922 A 4 4/4 页 5 所述显示模块在显示各测量结果的同时， 进一步显示该测量结果对应的位置到所述被 测管状工件与所述连接套相连的。
17、一端的距离。 10. 根据权利 7 9 中任一项所述的系统， 其特征在于， 所述 N 的取值为 5， 所述 M 的取 值为 1。 权 利 要 求 书 CN 102927922 A 5 1/7 页 6 一种管状工件内径测量系统 技术领域 0001 本发明涉及工件测量技术， 特别涉及一种管状工件内径测量系统。 背景技术 0002 在机械加工行业中， 管状工件的加工是最常见的加工工艺， 如武器装备的火炮身 管、 油气输送管道以及发动机气缸套等。 在这些管状工件的加工过程种， 内径尺寸的控制与 测量直接关系到工件产品性能以及整机系统运行的安全性。 0003 目前， 对于管状工件内径测量， 主要采用接触。
18、式测量方式， 即人工通过内径千分尺 进行测量。但是， 这种测量方式由于受到人为因素等的影响， 测量误差通常较大， 即测量结 果的准确性较低， 且测量效率较低。 发明内容 0004 有鉴于此， 本发明提供了一种管状工件内径测量系统， 能够提高测量结果的准确 性， 且能够提高测量效率。 0005 为达到上述目的， 本发明的技术方案是这样实现的 ： 0006 一种管状工件内径测量系统， 包括 ： 一个爬行运载定位子系统、 一个数据采集与控 制子系统以及一个数据处理子系统 ； 0007 所述爬行运载定位子系统与所述数据采集与控制子系统相连， 所述数据采集与控 制子系统与所述爬行运载定位子系统以及所述数。
19、据处理子系统相连 ； 0008 当需要对一被测管状工件的内径进行测量时， 所述爬行运载定位子系统在所述数 据采集与控制子系统的控制下在所述被测管状工件的管道中进行爬行， 并在当每爬行到一 个待测位置时， 获取该待测位置对应的管道截面的测量数据 ； 所述数据采集与控制子系统 采集所述爬行运载定位子系统获取到的测量数据， 发送给所述数据处理子系统 ； 所述数据 处理子系统根据接收到的测量数据生成所需的测量结果。 0009 可见， 采用本发明所述管状工件内径测量系统， 可自动完成管状工件的内径测量， 无需人工参与， 从而避免了人为因素的影响， 进而提高了测量结果的准确性， 而且可根据需 要进行连续多。
20、次测量， 从而提高了测量效率。 附图说明 0010 图 1 为本发明管状工件内径测量系统实施例的组成结构示意图。 0011 图 2 为本发明驱动机器人的组成结构示意图。 0012 图 3 为本发明检测机器人的组成结构示意图。 0013 图 4 为本发明爬行运载定位子系统的组成结构示意图。 0014 图 5 为本发明通过连接套将标定规与被测管状工件进行连接的示意图。 0015 图 6 为本发明倾角传感器以及 X-Y 轴加速度传感器的安装位置示意图。 0016 图 7 为本发明两个坐标系之间的关系示意图。 说 明 书 CN 102927922 A 6 2/7 页 7 具体实施方式 0017 针对现。
21、有技术中存在的问题， 本发明中提出一种改进后的管状工件内径测量系 统。实验显示， 该系统的测量误差 0.01 毫米 (mm)， 并可实现内径为 100 400mm 的管状 工件内径测量。 0018 为了使本发明的技术方案更加清楚、 明白， 以下参照附图并举实施例， 对本发明所 述方案作进一步地详细说明。 0019 图 1 为本发明管状工件内径测量系统实施例的组成结构示意图。如图 1 所示， 其 中至少包括 ： 一个爬行运载定位子系统、 一个数据采集与控制子系统以及一个数据处理子 系统。 0020 爬行运载定位子系统与数据采集与控制子系统相连， 数据采集与控制子系统与爬 行运载定位子系统以及数据。
22、处理子系统相连 ； 0021 当需要对一被测管状工件的内径进行测量时， 爬行运载定位子系统在数据采集与 控制子系统的控制下在被测管状工件的管道中进行爬行， 并在当每爬行到一个待测位置 时， 获取该待测位置对应的管道截面的测量数据 ； 数据采集与控制子系统采集爬行运载定 位子系统获取到的测量数据， 发送给数据处理子系统 ； 数据处理子系统根据接收到的测量 数据生成所需的测量结果。 0022 在此基础上， 图 1 所示管状工件内径测量系统中还可进一步包括 ： 标定子系统以 及校正子系统。以下对各子系统分别进行介绍。 0023 一 ) 爬行运载定位子系统 0024 爬行运载定位子系统为管状工件内径测。
23、量系统的主体， 其中包括一个驱动机器人 和一个检测机器人， 驱动机器人和检测机器人通过连接法兰相连。 0025 驱动机器人主要用于为管状工件内径测量系统提供动力， 即在数据采集与控制子 系统的控制下驱动爬行运载定位子系统在被测管状工件的管道中进行爬行， 包括前进和后 退。 0026 检测机器人为管状工件内径测量系统的实际载体， 当爬行运载定位子系统每爬行 到一个待测位置时， 获取该待测位置对应的管道截面的测量数据。 0027 图 2 为本发明驱动机器人的组成结构示意图。如图 2 所示， 包括 ： 一个主动轮、 一 个从动轮、 一个驱动电机、 一个蜗轮蜗杆以及一个外壳。 0028 驱动电机和主动。
24、轮通过蜗轮蜗杆相连 ； 主动轮和从动轮的部分或全部暴露在外壳 之外 ( 图 2 中为部分暴露在外壳之外 )， 驱动电机和蜗轮蜗杆位于外壳之内。 0029 驱动电机在数据采集与控制子系统的控制下发生旋转， 并通过蜗轮蜗杆带动主动 轮发生旋转， 主动轮的旋转带动从动轮发生旋转， 主动轮和从动轮的旋转带动爬行运载定 位子系统在被测管状工件的管道中进行爬行。 0030 驱动机器人的外壳由厚钢板制作而成， 通过厚钢板的重力使得主动轮和从动轮压 紧被测管状工件管道内壁， 防止打滑。 0031 图 3 为本发明检测机器人的组成结构示意图。如图 3 所示， 包括 ： 一个主轴、 一个 套在主轴上且固定在主轴上。
25、的第一挡圈、 两段套在主轴上的等长的第一弹簧和第二弹簧、 两组支撑结构、 一个激光位移传感器、 一个传感器底座、 一个导电滑环以及一个旋转步进电 说 明 书 CN 102927922 A 7 3/7 页 8 机。 0032 激光位移传感器固定在传感器底座上， 通过导电滑环与旋转步进电机相连， 旋转 步进电机固定在主轴上。为了避免激光位移传感器旋转产生的线缆缠绕问题， 通过导电滑 环将激光位移传感器与旋转步进电机相连， 导电滑环还可为激光位移传感器进行供电等， 通过使用导电滑环， 使得激光位移传感器可以无限制地旋转， 进而提高了系统的灵活性。 0033 其中， 一组支撑结构位于旋转步进电机与第一。
26、挡圈之间， 包括 ： 一个套在主轴上且 固定在主轴上的第二挡圈、 一个套在主轴上的第一滑动挡圈、 N 个活动支杆、 N 个支撑轮以 及 N 个支撑杆 ； N 为大于 2 的正整数， N 个支撑轮在圆周上等角分布 ； 第一滑动挡圈与第一 弹簧的一端相连， 第一弹簧的另一端与第一挡圈相连 ； 第二挡圈位于旋转步进电机以及第 一滑动挡圈之间 ； 每个活动支杆的一端与第二挡圈相连， 另一端与一个支撑轮相连， 每个支 撑杆的一端与第一滑动挡圈相连， 另一端与一个滑动支杆两端之间的一点相连， 每个支撑 杆所连接的活动支杆均不同， 每个活动支杆所连接的支撑轮也均不同。 0034 另一组支撑结构位于第一挡圈与。
27、连接法兰之间， 包括 ： 一个套在主轴上且固定在 主轴上的第三挡圈、 一个套在主轴上的第二滑动挡圈、 N个活动支杆、 N个支撑轮以及N个支 撑杆 ； N 为大于 2 的正整数， N 个支撑轮在圆周上等角分布 ； 第二滑动挡圈与第二弹簧的一 端相连， 第二弹簧的另一端与第一挡圈相连 ； 第三挡圈位于连接法兰以及第二滑动挡圈之 间 ； 每个活动支杆的一端与第二滑挡圈相连， 另一端与一个支撑轮相连， 每个支撑杆的一端 与第三挡圈相连， 另一端与一个滑动支杆两端之间的一点相连， 每个支撑杆所连接的活动 支杆均不同， 每个活动支杆所连接的支撑轮也均不同。 0035 N 的具体取值可根据实际需要而定， 较。
28、佳地， 取值为 5。 0036 两组支撑结构可保证检测机器人的运动水平性和定心精度， 两组支撑结构均可扩 张和聚合。当任一组支撑结构中的任一支撑轮受压时， 通过与其相连的活动支杆和相应的 支撑杆推动该组支撑结构中的滑动挡圈发生移动并压缩与该滑动挡圈相连的弹簧， 进而带 动该组支撑结构中的各支撑轮发生移动。 0037 具体来说， 在实际应用中， 各支撑轮紧贴被测管状工件管道内壁， 在驱动机器人的 推动下向前或向后运动 ； 当某一支撑轮受压时， 在相应的支撑杆的三角支撑下将作用力传 递给同组的支撑结构中的滑动挡圈， 使得滑动挡圈压缩与其相连的弹簧， 弹簧的运动带动 各支撑轮运动到适当位置， 从而保。
29、证各支撑轮始终能够起到定心作用， 确保爬行运载定位 子系统的轴向基准定位精度， 同时通过活动支杆的扩张与聚合， 可实现不同内径大小的管 状工件的内径测量。 0038 当爬行运载定位子系统每爬行到一个待测位置时， 旋转步进电机在数据采集与控 制子系统的控制下发生旋转， 并带动激光位移传感器进行圆周扫描， 获取该位置对应的管 道截面的测量数据。 0039 图 4 为本发明爬行运载定位子系统的组成结构示意图。如图 4 所示， 其为图 2 所 示驱动机器人以及图 3 所示检测机器人的组合。 0040 需要说明的是， 在实际应用中， 在对被测管状工件进行内径测量的过程中， 从进入 到被测管状工件的管道开。
30、始， 爬行运载定位子系统通常一直处于前进状态， 即当测量完一 个待测位置后， 则前进到下一个待测位置进行测量， 依此类推， 当完成全部待测位置的测量 后， 爬行运载定位子系统则从被测管状工件中退出。 说 明 书 CN 102927922 A 8 4/7 页 9 0041 二 ) 数据采集与控制子系统 0042 数据采集与控制子系统主要用于完成对爬行运载定位子系统的运动控制和数据 采集， 其中主要包括 ： 运动控制模块和数据采集模块。 0043 运动控制模块与驱动电机以及旋转步进电机相连， 控制驱动电机以及旋转步进电 机进行旋转 ； 数据采集模块与激光位移传感器相连， 采集激光位移传感器获取到的。
31、测量数 据， 发送给数据处理子系统。 0044 具体来说， 在测量过程中， 首先通过运动控制模块控制驱动机器人的驱动电机旋 转， 从而实现爬行运载定位子系统的爬行， 当爬行到一待测位置时， 控制驱动电机停止旋 转， 并控制旋转步进电机旋转， 从而实现激光位移传感器的旋转， 即 360 度旋转 ； 在激光位 移传感器旋转的过程中， 数据采集模块实时采集激光位移传感器获取到的测量数据， 并发 送给数据处理子系统。 0045 三 ) 标定子系统和校正子系统 0046 标定子系统中包括 ： 标定规以及连接套， 标定规与连接套均为管状工件。 0047 为进一步提高测量结果的准确性， 在利用本发明所述管状。
32、工件内径测量系统对被 测管状工件进行测量之前， 可先对其进行标定。 并且， 为了实现标定过程与实际测量过程的 一体化， 可采用连接套将标定规与被测管状工件进行连接， 也就是说， 连接套的一端套住标 定规， 另一端套住被测管状工件， 爬行运载定位子系统能够通过连接套从标定规中爬行到 被测管状工件中。 0048 图 5 为本发明通过连接套将标定规与被测管状工件进行连接的示意图。如图 5 所 示， 其中的连接套和标定规通常为钢结构， 标定规的截面为标准的圆形， 且各截面的内外层 圆形的大小均相等， 另外， 标定规的内径大小通常和被测管状工件的内径大小一致。 0049 校正子系统与数据采集与控制子系统。
33、、 爬行运载定位子系统以及数据处理子系统 相连， 主要是为了避免被测管状工件的管道质量以及运动稳定性对于测量造成的负面影 响， 通过获取测量过程中的相关参数， 依据空间坐标变换关系建立校正模型， 并基于所建立 的校正模型对接收到的测量数据进行校正。 0050 为了配合校正子系统的工作， 还需要在图 3 所示检测机器人中增加倾角传感器和 X-Y 轴加速度传感器。图 6 为本发明倾角传感器以及 X-Y 轴加速度传感器的安装位置示意 图。如图 6 所示， 倾角传感器可安装在第一挡圈的上端， X-Y 轴加速度传感器可安装在第一 挡圈的下端。 0051 当需要进行被测管状工件的内径测量时， 通过连接套将。
34、标定规与被测管状工件相 连， 并将爬行运载定位子系统放置在标定规中， 通过数据采集与控制子系统控制爬行运载 定位子系统爬行到标定规中的一指定位置 ； X-Y 轴加速度传感器获取该指定位置上的轴心 初始值， 发送给校正子系统， 倾角传感器获取该指定位置上的轴向倾角初始值， 发送给校正 子系。 0052 之后， 数据采集与控制子系统控制爬行运载定位子系统通过连接套从标定规中爬 行到被测管状工件中 ； 当每爬行到一个待测位置时， 数据采集与控制子系统采集爬行运载 定位子系统获取到的该待测位置对应的管道截面的测量数据， 并发送给校正子系统 ； 校正 子系统根据接收到的轴心初始值以及轴向倾角初始值对接收。
35、到的测量数据进行校正， 并将 校正后的测量数据发送给数据处理子系统。 说 明 书 CN 102927922 A 9 5/7 页 10 0053 具体来说， 假设本实施例中的激光位移传感器与检测机器人的主轴位于同一水平 面 ； 针对每个待测位置， 激光位移传感器进行360度旋转， 并每旋转M度， 则获取一次该旋转 角度下该待测位置对应的管道截面的测量数据， 通过数据采集与控制子系统发送给校正子 系统 ； 同时， X-Y 轴加速度传感器获取该待测位置上的轴心值， 发送给校正子系统， 倾角传 感器获取该待测位置上的轴向倾角值， 发送给校正子系统 ； M 为正整数， 且需要保证获取测 量数据的次数为 。
36、2 的整数倍 ； M 的具体取值可根据实际需要， 较佳地， 可为 1， 即当旋转角度 为 0 度时， 获取一次测量数据， 当旋转角度为 1 时， 再获取一次测量数据， 依此类推。校正子 系统确定出接收到的轴心值相对于轴心初始值的变化位移量 (x0y0)， 并确定出接收到的轴 向倾角值相对于轴向倾角初始值的变化角度 ； 根据变化位移量以及变化角度对该待测 位置上的每个旋转角度对应的测量数据进行校正。 0054 其中， 激光位移传感器获取到的该待测位置上的每个旋转角度对应的测量数据包 括 ： 该旋转角度对应的测量点在被测管状工件的坐标系中的坐标， 测量点是指该旋转角度 所对应的该待测位置对应的管道。
37、截面内层圆形上的点 ； 校正后的该待测位置上的每个旋转 角度对应的测量数据包括 ： 该旋转角度对应的测量点在标定规的坐标系中的坐标。 0055 图 7 为本发明两个坐标系之间的关系示意图。如图 7 所示， 假设 xoy 坐标系为标 定规的坐标系， x o y 为被测管状工件的坐标系， 两个坐标系的差别主要体现在 ： 一是坐 标原点 o 相对于坐标原点 o 的变化位移量 (x0y0)， 另一个是变化角度 。 0056 结合图 7， 可得到两个坐标系之间的关系如下 ： 0057 0058 其中， (x， y) 表示一测量点 P 在标定规的坐标系中的坐标， (x ， y ) 表示该测量点 在被测管状。
38、工件的坐标系中的坐标。 0059 四 ) 数据处理子系统 0060 数据处理子系统主要用于对校正后的测量数据进行处理， 得到所需的测量结果， 并进行显示， 以便工作人员能够更直观地获取到测量结果。 0061 数据处理子系统中可包括 ： 互相连接的数据处理模块和显示模块。 0062 针对每个待测位置， 数据处理模块可分别按照以下方式确定出该待测位置上的各 测量点对应的校正后的旋转角度以及校正后的极径 ： 0063 0064 0065 其中， (x， y) 表示一测量点在标定规的坐标系中的坐标， R 表示校正后的极径， 表示校正后的旋转角度。 0066 由于 为非整数值， 不易于进行内径确定， 因。
39、此， 数据处理模块根据确定出的该 待测位置上的各测量点对应的校正后的旋转角度以及校正后的极径， 通过最近邻插值法， 得到激光位移传感器进行 360 度旋转， 在标定规的坐标系中每旋转 M 度后的旋转角度分别 说 明 书 CN 102927922 A 10 6/7 页 11 对应的真实极径 ； 并将在标定规的坐标系中每两个相差 180 度的旋转角度对应的真实极径 相加， 得到该待测位置对应的管道截面的内径。 0067 之后， 数据处理模块可从得到的各内径中选出取值最大的作为内径 Rmax， 选出取 值最小的作为内径 Rmin， 并基于得到的各内径确定出该待测位置对应的管道截面的槽宽和 槽深， 如。
40、何确定槽宽和槽深为现有技术， 将内径 Rmax、 内径 Rmin 以及槽宽和槽深作为测量 结果， 发送给显示模块 ； 显示模块将接收到的测量结果进行显示。 0068 举例说明 ： 0069 假设针对一待测位置， 在被测管状工件的坐标系中， 当激光位移传感器的旋转角 度为0度时， 获取一次测量数据， 当旋转角度为1度时， 再获取一次测量数据， 当旋转角度为 2 度时， 再获取一次测量数据， 依此类推 ； 那么， 假设根据旋转角度为 0 度时的校正后的测量 数据计算出的R为R0， 为0.1， 根据旋转角度为1度时的校正后的测量数据计算出的R为 R1， 为 1.2， 根据旋转角度为 2 度时的校正后。
41、的测量数据计算出的 R 为 R2， 为 1.9， 那 么， 则可利用 取值分别为 0.1 以及 1.9 时的 R 值， 插值得到在标定规的坐标系中当旋转 角度为 1 度时对应的真实极径。 0070 另外， 在实际应用中， 针对被测管状工件， 通常只设置部分待测位置， 数据处理模 块还可进一步根据各待测位置上的在标定规的坐标系中每旋转 M 度后的旋转角度以及分 别对应的真实极径， 通过自适应插值方式， 得到被测管状工件中不属于待测位置的指定位 置上的测量结果， 并发送给显示模块进行显示。 0071 相应地， 显示模块还可在显示各测量结果的同时， 进一步显示该测量结果对应的 位置到被测管状工件与连。
42、接套相连的一端的距离。 0072 举例说明 ： 0073 假设一被测管状工件的长度为 0.5m， 以下均为待测位置 ： 10mm、 20mm、 30mm、 40mm、 50mm、 60mm、 .， 通过差分运算分析等， 得知当旋转角度为 0 度时， 在 10 30mm 的区域被 测管状工件的极径一致性较好(即不同的管道截面在旋转角度为0度时对应的真实极径相 差不大 )， 而当旋转角度为 1 度时， 在 10 30mm 的区域被测管状工件的极径一致性较差 ； 那么， 如果要通过自适应插值方式得到25mm位置处的测量结果， 则需要首先根据20mm位置 处的管道截面中的旋转角度为 0 度时对应的真实。
43、极径以及 30mm 位置处的管道截面中的旋 转角度为0度时对应的真实极径， 通过线性插值得到25mm位置处的管道截面中的旋转角度 为 0 度时对应的真实极径， 之后， 根据 20mm 位置处的管道截面中的旋转角度为 1 度时对应 的真实极径以及30mm位置处的管道截面中的旋转角度为1度时对应的真实极径， 通过三次 样条插值得到25mm位置处的管道截面中的旋转角度为1度时对应的真实极径， 其它各角度 不再一一赘述。 0074 上述最近邻插值法、 线性插值、 三次样条插值以及如何确定极径一致性较好和较 差区域等的具体实现均为现有技术。 0075 在实际应用中， 当对被测管状工件进行内径测量时， 只。
44、有爬行运载定位子系统会 进入到被测管状工件的管道中， 其它的子系统均不会进入， 其它子系统可通过导线与爬行 运载定位子系统进行连接， 导线可从检测机器人的主轴内以及驱动机器人的外壳内穿过。 0076 至此， 即完成了关于本发明管状工件内径测量系统的介绍。 0077 总之， 采用本发明所述管状工件内径测量系统， 可自动完成管状工件的内径测量， 说 明 书 CN 102927922 A 11 7/7 页 12 无需人工参与， 从而避免了人为因素的影响， 进而提高了测量结果的准确性， 而且可根据需 要进行连续多次测量， 从而提高了测量效率 ； 而且， 本发明所述管状工件内径测量系统利用 激光位移传感。
45、器、 倾角传感器和 X-Y 轴加速度传感器实现了一种非接触式的测量， 避免了 重复装卡和运动稳定性等引起的测量误差， 从而进一步提高了测量结果的准确性 ； 再有， 本 发明所述管状工件内径测量系统既可用于离线测量， 也可用于在管状工件加工过程中的在 线测量， 对于提高工件的质量、 降低废品率和减轻工作人员的劳动强度等均有着重要意义。 0078 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精 神和原则之内， 所做的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明保护的范围之内。 说 明 书 CN 102927922 A 12 1/4 页 13 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102927922 A 13 2/4 页 14 图 3 说 明 书 附 图 CN 102927922 A 14 3/4 页 15 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 102927922 A 15 4/4 页 16 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 102927922 A 16 。