中国测试CHINA MEASUREMENT & TEST Vol.44 No.4April袁2018第 44 卷第 4 期2018 年 4 月

基于激光三角法的管状物内轮廓测量方法

朱建杰 1袁 郑雨昊 2袁 曹营修 1袁 甘 霖 1袁 于 杨 1渊1. 陆军工程大学石家庄校区火炮工程系袁河北 石家庄 050003曰 2. 中国电子科技集团公司 54 所袁河北 石家庄 050081冤

摘 要院针对长纵深管状物测量中存在的精确定心难度大尧测试准确度低尧自动化程度不高等问题袁采用 CMOS 高精

度激光位移传感器和步进电机袁设计一种管状物内轮廓测量系统袁该系统无需中心定位装置即可对管孔进行非接触

测量遥提出非定心条件下管孔半径的计算模型袁可准确找到被测管孔的圆心曰通过对电机步距角的细分袁单次单截面

整周扫描管件内膛袁最终能够获得多达 6 000 条半径袁同时显示出截面轮廓图形遥 该文提出的方法为精确测量管状

物内径提供一种新思路袁设计的测量系统可为管型部件磨损和蚀化等情况提供准确可靠的判定依据袁从而实现管孔

类部件的寿命预测遥关键词院非定心测量曰激光三角法曰管孔内径测量曰内轮廓检测

文献标志码院A 文章编号院1674-5124渊2018冤04-0086-05

Measurement method of tube inner contour based on laser triangulation

ZHU Jianjie1袁 ZHENG Yuhao2袁 CAO Yingxiu1袁 GAN Lin1袁 YU Yang1

渊1. Department of Artillery Engineering袁Shijiazhuang Campus of Army Engineering University袁Shijiazhuang 050003袁China曰

2. The 54th Research Institute of CETC袁Shijiazhuang 050081袁China冤

Abstract: With regard to the problems of great difficulty in precise centering袁 low test precisionand low degree of automation in the measurement of long and deep tube袁 a tubular inner contourmeasurement system is designed by adopting CMOS high precision laser displacement sensors andstepper motors袁 which can achieve non-contact measurement of the tube hole with no need of thecentering device. The calculation model of tube hole radius under non-centering conditions is alsoproposed袁 which can find the center of the measured tube hole accurately. Based on thesubdivision of the motor step angle and the single-time and single-section 360毅 scan for innerbore of tube袁 over 6 000 radiuses are obtained finally and the section profile graphics can bedisplayed at the same time. The proposed method has provided a new idea for the accuratemeasurement of inner diameter of the tube and the designed measurement system can provide

收稿日期院2017-08-20曰收到修改稿日期院2017-10-19基金项目院国防科研试验项目渊装后[2013]367冤作者简介院朱建杰渊1993-冤袁男袁江苏丹阳市人袁硕士研究生袁专业方向为兵器性能测试与故障诊断遥

doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2018.04.016

第 44 卷第 4 期

0 引 言管状物在能源化工尧工程制造和国防军事等领

域有着广泛应用袁如火炮的身管尧石油天然气输油

管道等遥 这些管型部件在使用过程中会产生不同程

度的蚀化尧磨损袁影响其效能发挥袁而个别区域的严

重磨损蚀化可能会带来安全隐患袁 更是不容忽视遥大量实践和研究表明袁火炮身管的烧蚀磨损对火炮

实施精确射击具有重要影响 [1]袁高压锅炉管在高温

烟气和水蒸气作用下易发生氧化锈蚀 [2]袁输油管道

冲蚀泄露是石油化工工业中经常发生的一种失效

形态[3]遥 上述现象可能导致重大安全事故的发生袁但是盲目更换管部件又会带来极大的浪费遥 因此袁在保证必要的安全可靠性前提下袁最大限度地延长各

类管部件的使用寿命引起了相关部门的高度重视遥当前袁在建立管件剩余寿命评估模型时袁其内径或

内膛磨损量都是极其重要的参数遥 鉴于此袁该文探

索研究了一种管状物内径非定心尧 非接触测量方

法袁并设计了管状物内轮廓测量仪遥 该仪器可对管

道内表面全轮廓进行高准确度测量袁从而准确评估

管状物的使用状态遥1 管状物测量现状

文中所述管状物侧重指长纵深尧大口径渊>100 mm冤类管件袁该类管件的内膛测量不同于一般的工件检

测袁它具有一定的特殊性袁主要有以下 3 个方面原

因院管道尺寸长袁管内黑暗袁不易观察曰管道内不易

设置探头袁调整测量仪困难曰要求测量的准确度高袁不能对管内壁产生不良影响袁以免产生测量误差遥

综上所述袁根据各种测量方法的特点袁采用常

规的方法不易实现对长管内膛的高准确度尧 自动检

测遥 随着现代测量技术的发展袁测量的手段和方法

正向多元化尧高准确度方向发展遥 按照同被测物接

触与否可分为接触测量和非接触测量袁非接触测量

又可分为非光学测量方法和光学测量方法遥 非光学

测量方法有电容法尧电感法和射线法等曰光学测量

方法有激光三角成像法尧光学投影法尧扫描法尧干涉

法尧衍射法和光学成像法等[4]遥 其中袁激光三角成像

法以其结构简单尧非接触测量尧测量准确度高尧测量

速度快尧测量范围可调控而得到广泛应用遥 国外对测

量范围广尧分辨率高尧可靠性好尧准确度高的传感器

以及相关的检测系统进行了研制袁各类管件自动检测

仪已经较为普及袁如白俄罗斯 RIFTEK 公司生产的管

径测量 PS 系列产品遥 我国在这方面起步较晚袁长期

以来袁对于小型管件如火炮身管袁广泛应用的内径测

试手段主要是内规测量法 [5]袁该方法成熟尧检测速度

快袁但其采取目视直读袁检测准确度普遍不高袁在对

长管内径测量上往往显得无能为力遥 而对于大型管

件如石油管道袁应用三坐标测量机进行测量袁测量时

测量机的测头接触被测工件袁系统自动记录被测量点

的三围坐标信息袁进而根据多个空间点坐标信息计算

出被测物体的几何尺寸或者位置等袁但设备价格昂

贵袁且需要专门的人员和操作环境[6]遥2 系统总体设计

在综合分析国内外常用方法的基础上袁针对现有

方法存在的检测准确度低尧检测效率不高尧操作使用

不便尧系统复杂程度高和功能单一等问题袁综合利用

单片机控制技术和激光测距技术袁设计了一套管件内

轮廓检测系统袁系统构成如图 1 所示遥在系统设计时袁通过单片机控制电机的准确步

进袁从而带动激光传感器周向旋转测量袁得到的原始

电机

驱动器

旋转驱动激光传感器

单片机 A/D数据采集

串口 USB/RS232/蓝牙

数据

笔记本/终端

软件处理

结果

图1 检测系统总体设计简图

accurate and reliable judgment basis for the wear and corrosion of the tubular parts袁 so as to re鄄alize the service life prediction of the tube hole parts.Keywords: non -centering measurement曰 laser triangulation曰 tube bore diameter measurement曰inner contour measurement

朱建杰等院基于激光三角法的管状物内轮廓测量方法 87

中国测试 2018 年 4 月

12 3 4 5

6

1.激光传感器曰2.悬臂曰3.电机及其固定装置曰4.支撑机构曰5.激光测距机曰6.标板遥

图3 检测结构设计图

数据被采集后通过 USB 接口或 RS232 串口或蓝牙

等方式传输到笔记本/终端袁 通过相关软件处理后即

可得到最终结果遥3 测量原理及结构设计3.1 激光三角法原理

激光位移传感器主要由半导体激光器尧 发射器

镜头尧成像透镜和受光元件组成 [7]遥 如图 2 所示袁D0为激光到参考面间的距离袁h 为被测面到参考面的

距离袁U 和 V 分别为参考面的物距和像距袁S 为测量

面成像点偏离参考面成像点的距离袁琢 为参考面漫

反射光入射角袁渍为成像角袁成像透镜焦距为 f遥 以短

距离测量为例袁计算公式如下院由几何光学知识易得院

h= Vf窑Ssin渍渊V - f冤 [Vsin渍+Ssin渊琢+渍冤 ] 渊1冤

式中 V尧琢尧渍由激光传感器内部结构决定袁由此可知袁激光到测量面的距离 D=D0-h遥

3.2 测量机构

本测量仪结构简单尧灵活性好袁主要由激光传感

器尧悬臂尧电机及其固定装置尧支撑机构尧激光测距机

等组成袁如图 3 所示为装置的核心遥单点激光三角法

位移传感器的测量距离可选袁其测量准确度高尧稳定

性强尧结构简单袁测量时袁电机旋转步进带动激光传

感器运动袁完成管道内膛的整周测量遥为适应不同范

围孔径测量袁激光传感器 1 可根据被测管径的不同在

悬臂 2 上移动安装固定遥 过去的测量方法均要求保

证测量仪的中心轴线与管轴线重合[8-9]袁事实上由于

精加工尧总装调等条件限制袁很难做到两线重合遥 本

文提出的方法通过保证支撑机构垂直于管孔截面来

实现内径的测量袁即支撑机构中轴与管件轴线平行遥支撑中轴通过莫氏锥与电机及其固定装置 3 连接袁电机轴与悬臂紧密配合袁激光传感器垂直安装于悬臂袁确保激光能够垂直射向管壁遥对于大尺寸的检测件袁支撑机构可以是一对简易的人型支架曰对于小尺寸

的检测件如火炮身管袁也可以是撑满炮膛的弹性伞

型支架遥本测量仪的轴向运动主要通过推进支撑杆来完

成袁在支撑机构 4 上加装了激光测距机 5袁其精度为

1mm袁测量时在后方放置一块标板 6袁用于示读测径

仪在管件中轴向运动的距离遥目前主要采用人工推进

支撑杆袁后期也可应用齿轮齿条作为传动装置袁并将

齿条作为推拉杆来进行测径仪的推进[10]遥 由于各管

件应用行业大部分都总结了管部件磨损的基本规

律袁如线膛炮身管的严重磨损区域在膛线起始部[11]袁循环流化床锅炉水冷壁管的最大磨损部位在弦顶[12]袁因此测量时只需将仪器推进至待测位置区域即可袁对具体位置不作过高精度要求遥3.3 测量计算方法及结果显示

3.3.1 首条直径的确定

将测量仪放入标准圆环渊筒冤试件中进行截面整

周测量袁多次测量取平均值袁得到测量仪的固有测量

误差 啄=标准值-平均值遥 对被测管部件进行测量时袁设定步进电机从初始位置渊转角 0毅冤顺时针运行一个

周期袁激光器读出 6 000 个原始数据袁本文给出 2 个

假定院1冤测读数已消除 啄 误差曰2冤已剔除凹坑等大误

差读数点遥 测量数据如表 1 所示遥表中袁读数和是指相差 180毅转角的两个测量数据

之和遥 如图 4 所示袁过圆心 O2 有 3 000 条直径袁这些

直径延长交圆 O1 构成其 3000 条弦袁其一般表达式为

Ln=Bn+2r 渊2冤

图2 激光三角法测距原理

发射器镜头

半导体激光

D0

受光元件

123

受光元件

成像透镜123

h

U

琢

渍V

测量面渊短冤参考面

测量面渊长冤

f

S

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图5 软件界面设计图

P

Am+3000

P忆

D1

O1

O2

r

Am Am+x

兹兹忆

图4 截面半径计算示意图

读数 转角 读数 转角 读数和

A 1 0.00毅 A 3001 180.00毅 B1A 2 0.06毅 A 3002 180.06毅 B2A 3 0.12毅 A 3003 180.12毅 B3

A 2999 179.88毅 A 5999 359.88毅 B2999A 3000 179.94毅 A 6000 359.94毅 B3000

表 1 激光传感器读数表

其中 n=1袁2袁噎袁3 000袁必有一条最大弦长经过或无

限逼近圆心 O1袁该条弦可认定为圆 O1 的直径 D1袁即院D1=Lmax=Bm+2r=Am+Am+3000+2r 渊3冤

式中院Bm要要要读数和最大值曰r要要要电机轴到激光头之间的垂直距离袁固定

值曰O2要要要电机轴心曰O1要要要被测管孔截面圆心遥

3.3.2 剩余孔径计算模型

首条直径 D1 确定后袁相应的半径 R1 也就确定下

来袁将对应于激光器读数 Am 的转角 兹m处列为新的初

始位置袁以该位置为起点建立剩余半径的求解计算

模型遥 图 4 中袁电机顺时针旋转 兹 角袁激光射在管壁

于 P点袁激光器读数为 Am+x遥1冤当 0毅<兹<180毅时袁在吟O1O2P中袁由余弦定理院

O1P= 渊R1-A m- r冤 2+渊 r+Am+ x冤 2-2渊R1-A m- r冤窑渊 r+A m+ x冤窑cos渊仔-兹冤姨 渊4冤2冤当 180毅<兹忆<360毅时袁激光射在管壁于 P忆点袁在吟O1O2P忆中袁由余弦定理院

O1P忆= 渊R1-Am- r冤 2+渊 r+A m+ x冤 2-2渊R1-Am- r冤窑渊 r+Am+ x冤窑cos渊兹 忆-仔冤姨 渊5冤3冤当 兹=180毅时袁此时不构成三角形袁O1P为已知首条直径的 1/2袁即院

O1P=D1 / 2=Bm/ 2+ r 渊6冤故在被测管的整个圆周范围内袁令 兹=0.06毅x袁整理得到管孔半径的一般计算公式如下院

O1P= 渊Am+3000-A m冤2/4+渊r+A m+x冤2+渊Am+3000-Am冤窑渊r+A m+x冤窑cos渊0.06毅x冤姨 x沂渊0袁3000冤胰渊3000袁6000冤袁x沂N渊Am+Am+3000冤/2+r x沂渊0袁3000冤嗓

渊7冤3.3.3 测量结果显示

如图 5 所示袁软件界面由校准模块尧被测对象类

型模块尧扫描模块尧数据读取模块尧图像显示模块等

组成遥用已知直径的环进行系统校准后袁选取被测对

象袁输入相应参数袁运行扫描模块对管孔进行整周扫

描袁采集到的数据经处理后带入半径计算模型袁生成

的 6 000 点相连后在图像显示模块显示出被测对象

的内轮廓图袁对被测对象纵深进行上述测量袁得到的

全纵深三维测量效果如图 6 所示遥在数据读取模块中袁由于重新定义了首条直径

位置为初始位置袁故在带入模型计算时不能按照原始

测量数据顺序进行读取遥 为便于软件编程读取相应

朱建杰等院基于激光三角法的管状物内轮廓测量方法 89

中国测试 2018 年 4 月

图6 全纵深三维测量效果图

开始

输入x

x=3 000钥Y

YN

Nm+x>6000钥

Am+x=Am+xAm+x=Am+x-6000

输出Am+x

结束

图7 Am+x计算流程图

20mm40mm60mm80mm90毅

60毅

30毅

0毅

330毅

300毅270毅240毅

210毅

180毅

150毅

120毅

图8 某型120mm自行迫榴炮身管截面测量结果

数据袁以 Am 为初始读数点袁其他任意位置读数 Am+x

的取值由图 7 流程给出遥 如图所示袁当 x=3 000 时袁兹=180毅袁O1P为已知曰当 x屹3000 时袁若 m+x臆6000袁

则输出 Am+x 的值袁若 m+x>6 000袁则将 Am+x-6000 的值赋

给 Am+x 后再读取 Am+x 的值遥将该测量系统应用于某型 120 mm 自行迫榴炮

身管进行检测袁单截面整周测量得到结果如图 8 所

示遥与部队常用的机械星型测径仪比较袁内径检测结

果误差控制在依5滋m 范围内袁表明该方法已达到相应

的误差指标和使用要求遥4 结束语

本文提出了一种基于激光三角法的高准确度管

状物内轮廓测量方法袁打破了传统定心测径的桎梏袁并且设计了一套简便尧高效尧易操作的测量仪器袁根据电机步距角的细分袁该测量系统最多可测得管件截

面6 000 条半径遥 通过理论分析和实验研究表明袁该系统满足实际使用要求袁可为管件的当前磨损消耗状

态和后续使用与否提供准确可靠的判别依据遥参考文献

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渊编辑院商丹丹冤

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