CN105222711A - 一种基于激光测距技术的合拢管现场测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光测距技术的合拢管现场测量装置及测量方法，该装置包括机箱、激光发射器和红外激光瞄准器，所述机箱的上方安装有旋转基座，所述旋转基座绕圆盘旋转轴转动，所述圆盘旋转轴与旋转驱动电机连接，在旋转基座上安装有角度转动轴，角度转动轴与翻转驱动电机连接，角度转动轴上固定连接有激光发射器，激光发射器上安装有反射薄膜片，在激光发射器的顶部设有红外激光瞄准器；所圆盘旋转轴上安装有旋转传感器，在激光发射器上安装有光学位移传感器，角度转动轴上安装有角度传感器。本发明的基于激光测距技术的合拢管现场测量装置及测量方法，通过激光测距和各种角度传感器测量两个法兰的相对位置，测量精度高。

Description

一种基于激光测距技术的合拢管现场测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于激光测距技术的合拢管现场测量装置及测量方法，应用于合拢管的加工制造。

背景技术

现代船舶制造中，处都铺满了管道，这些管件的设计、制造及在船内安装后的检查等一系列的作业被称作“管道铺设”。通常船舶是分段建造的，在分段合拢时分段间的管线就需要合拢管来连接，但依靠管线设计图纸制造出各式各样的合拢管，合拢管的制作通常采用取型法和现场焊接法。

在管道制作中最困难的是“保证成品良好的精度”。但是采用上面两种方法经常会出现制造出的合拢管法兰螺栓空位置不正确，导致无法安装的情况发生。这两种方法存在效率低、材料浪费严重和加工精度不高的诸多缺点。目前，日韩等国针对上述问题开发了合拢管再现系统，通过策略机现场测量两个待合拢管的法兰的空间位置特征，然后通过专门的拟合软件拟合出这种空间位置特征，并且输出控制参数，配合专用的三坐标变位机可以再现两法兰的位置特征，将制造好的合拢管吊装到再现机上与法兰焊接即可造出无误差的合拢管。其中测量设备采用的是具有两个角度传感器和一个长度传感器的单拉绳测量机，其主要原理是在规定的球面坐标系两个角度和一个长度可以唯一确定一个点。因此，通过该测量机可以测量法兰上特征点在指定的坐标系中的位标。但是此种测量方法的不足之处是测量时需要反复调整出绳口的位置，以保证拉绳是直线状态，此操作过程繁琐。为解决此种现状，开发了合拢管再现系统201110309478.9，通过测量机现场测量两个待合拢管的法兰的空间位置特征，然后通过专门的拟合软件拟合出这种空间位置特征，并且输出控制参数，配合专用的三坐标变位机可以再现两法兰的位置特征，将制造好的合拢管吊装到再现机上与法兰焊接即可制造出无误差的合拢管。为获得待合拢管的法兰的特征参数，采用三坐标测量臂也是可行的方案，这种测量臂由6个转动的臂和1个测量头通过6个旋转关节串联连接，在每个关节中安装有角度的编码器，测量臂的一段固定在基座上，测量过程中不可移动,而测量头可在空间自由运动，构成一个封闭球形测量空间，通过安装在各关节及杆件内部的光电角度编码器获得各关节转角和构件转角，在结合各关节臂的臂长、关节间的夹角等，应用坐标模型从而获得被测点的三维坐标位置。使用测量臂测量法兰的特征参数非常方便，只需要在特征位置取点，然后即可通过软件计算出所需的特征参数，而不用预先知道这些特征参数，但是这种测量臂的长度有限以及测量臂的价格昂贵，外测量臂的各关节都是薄弱环节，在使用中若发生碰撞则极易损坏。201110323558.X中的合拢管测量机的基本原理是采用呈三角分布的三个拉绳长度传感器作为测量原件，在笛卡尔直角坐标系下，以三个拉绳长度传感器的出绳头作为球面方程，通过高精度的测量设备辅助测量待合拢管法兰的空间位置的球面坐标。由于拉绳与拉绳头之间存在一定的间隙，保证拉绳可以顺畅的拉出，从而导致拉绳头作为球心的中心轴线位置产生微小的偏差，使得待测合拢管的空间位置产生偏差；而且由于拉绳长久的拉绳作用，拉绳的弹性伸缩导致合拢的精度大大降低，以及拉绳产生磨损导致拉绳的损坏，影响测量的性能和工作效率以及增大成本的投入，为此研究开发一种更为简单、测量精度更高和不易受干扰的便携式合拢管测量方法及装置是管道制造企业和安装企业乐于期待的。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于激光测距技术的合拢管现场测量装置及测量方法，通过激光测距和各种角度传感器测量两个法兰的相对位置，测量精度高。

技术方案：为实现上述目的，本发明的基于激光测距技术的合拢管现场测量装置，包括机箱、激光发射器和红外激光瞄准器，所述机箱的上方安装有旋转基座，所述旋转基座绕圆盘旋转轴转动，所述圆盘旋转轴与旋转驱动电机连接，在旋转基座上安装有支架，在支架上安装有可以转动的角度转动轴，角度转动轴与翻转驱动电机连接，角度转动轴上固定连接有激光发射器，激光发射器上的发射口安装有反射薄膜片，在激光发射器的顶部设有红外激光瞄准器；所圆盘旋转轴上安装有旋转传感器，在激光发射器上安装有光学位移传感器，角度转动轴上安装有角度传感器。

作为优选，所述角度转动轴的转动范围为－45°～90°，圆盘旋转轴转动范围为360°。

作为优选，所述机箱底部设有具有磁性的支撑脚架。

作为优选，所述激光发射器为YAG激光光源，反射薄膜片为氯乙烯聚合膜。

作为优选，所述旋转传感器、角度传感器和光学位移传感器均与机箱中的主板处理器连接，主板处理器通过蓝牙将测量数据传输给移动终端和连接带有蓝牙系统的PDA机，移动终端通过WiFi连接局域网直接传输云端服务器，远程实时共享和分析处理测量数据。

一种上述的基于激光测距技术的合拢管现场测量装置的测量方法，利用激光测距技术测量前进行校零，以激光发射源为零点位置，当激光发射器与旋转基座平行位置时，沿激光发射器发射激光方向为x轴矢量正方向，以激光发射器转动90°方向为z轴矢量正方向，根据右手定律，则确定y轴方向，P(x，y，z)为空间内一点，则P点利用r，Φ，θ依次来确定，其中r为原点O与点P见的距离，Φ为从正z轴来看自x轴按逆时针方向转到有向线段的角，θ为有向线段于z轴正向所夹的角，包括以下步骤：

(1)将装有磁性支撑角架的测量装置安装于现场适当的平整位置上，开启电源总开关；

(2)利用PAD机或移动终端中的App测量软件调节控制进行校零，确定零点极坐标；

(3)先调节圆盘旋转轴于初步位置，在调节控制角度转动轴于一定角度，利用红外激光瞄准器对测量位置进行矫正，确保发射的激光展现于待测法兰的密封面上，同时进行调整激光发射器测量的合理位置；

(4)开启激光发射器，从第一法兰外轮廓一侧开始通过调整角度转动轴，在第一法兰密封面侧扫描一条直线空间位置坐标，适当调整圆盘旋转轴，同样扫描一条第一法兰密封面上的直线空间坐标位置；

同理，沿着第一法兰任意一个螺栓孔利用激光测距技术至少扫描2条直线空间位置，以及沿着第一法兰密封面侧的内轮廓至少扫描2条直线空间位置测量结束关闭激光发射器；

调整旋转基座于第二法兰，以测量第一法兰的方法同样测量第二法兰，测量全部结束关闭激光发射器；整个调节过程通过PDA机或移动终端App测量软件控制操作，自动实时保存所有测量数据；

(5)测量结束后将PDA机或移动终端的测量数据导入PC电脑，通过三维空间数据处理软件自动将测量数据处理成第一法兰和第二法兰的空间位置及轮廓数据，利用Geomagic软件拟合第一法兰和第二法兰，并利用三维绘图绘制加工图纸，以PDF格式输出，直接打印。

所述步骤4)中，测量使用的数据均为空间三维坐标，测量后均通过利用三维空间数据处理软件自动测量提取扫描线的线性位置关系，确定通过扫描的直线在密封面上的端点位置，即端点为法兰的外轮廓、螺栓孔和内轮廓上的点，利用轮廓上的点和圆周角定律，确定法兰和螺栓孔圆心以及法兰内外径和螺栓孔半径。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明的一种基于激光测距技术的合拢管现场测量装置的测量范围只跟激光发射器发射激光强度有关，选用的YAG激光可以扩大测量范围和测量精度；

(2)利用YAG激光光源以及利用反射薄膜片和红外激光瞄准器，测量的精度极高，抗干扰能力极强，测量过程不会将测量误差扩大；

(3)本发明采用的测量装置和方法简单快捷，以及精确的直接测量所需测量的空间位置和合拢管的制造数据，并直接通过数据处理软件自动快捷的绘制加工图纸；

(4)采用蓝牙或WiFi作为无线数据传输以及无线测量控制，数据处理终端便携方便，测量数据可以快速及时传输和保存，安全可靠；

(5)设备加工制造简单，适合各种行业的合拢管的制造，设备通用性好，便于大规模生产于应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明的基于激光测距技术的合拢管现场测量装置，包括机箱9、激光发射器3和红外激光瞄准器2，所述机箱9的上方安装有旋转基座18，所述旋转基座18绕圆盘旋转轴7转动，所述圆盘旋转轴7与旋转驱动电机连接，在旋转基座18上安装有支架，在支架上安装有可以转动的角度转动轴6，角度转动轴6与翻转驱动电机连接，角度转动轴6上固定连接有激光发射器3，激光发射器3上的发射口安装有反射薄膜片4，在激光发射器3的顶部设有红外激光瞄准器2；所圆盘旋转轴7上安装有旋转传感器，在激光发射器3上安装有光学位移传感器，角度转动轴6上安装有角度传感器。

在本发明中，主板处理器8与锂聚合物电池16通过导线连接安装于机箱9内，指示灯17、总电源开关15、RS-232接口13以及USB接口12与主板处理器8连接，分别安装于机箱9外侧。所述的指示灯17包括电池电量指示灯17、安全工作指示灯17、警示灯。主板处理器8包括：激光测量处理系统、光电元件、计时器、数据采集卡、无线数据传输模块。

在本发明中，所述角度转动轴6的转动范围为－45°～90°，圆盘旋转轴7转动范围为360°。机箱9底部设有具有磁性的支撑脚架14。所述激光发射器3为YAG激光光源，反射薄膜片4为氯乙烯聚合膜。所述旋转传感器、角度传感器和光学位移传感器均与机箱9中的主板处理器8连接，主板处理器8通过蓝牙将测量数据传输给移动终端和连接带有蓝牙系统的PDA机10，PDA机10通过数据线11与机箱连接，移动终端通过WiFi连接局域网直接传输云端服务器，远程实时共享和分析处理测量数据。

一种上述的基于激光测距技术的合拢管现场测量装置的测量方法，利用激光测距技术测量前进行校零，以激光发射源为零点位置，当激光发射器3与旋转基座18平行位置时，沿激光发射器3发射激光方向为x轴矢量正方向，以激光发射器3转动90°方向为z轴矢量正方向，根据右手定律，则确定y轴方向，P(x，y，z)为空间内一点，则P点利用r，Φ，θ依次来确定，r∈[0，∞]，Φ∈[0，2π]，θ∈[-π/4，π]，其中r为原点O与点P见的距离，通过光学位移传感器测得，Φ为从正z轴来看自x轴按逆时针方向转到有向线段的角，通过旋转传感器测得，θ为有向线段于z轴正向所夹的角，通过角度传感器测得，其中x＝rsinθcosΦ、y＝rsinΦsinθ、z＝rcosθ，包括以下步骤：

(1)将装有磁性支撑角架的测量装置安装于现场适当的平整位置上，开启电源总开关；

(2)利用PAD机或移动终端中的App测量软件调节控制进行校零，确定零点极坐标；

(3)先调节圆盘旋转轴7于初步位置，在调节控制角度转动轴6于一定角度，利用红外激光瞄准器2对测量位置进行矫正，确保发射的激光展现于待测法兰的密封面上，同时进行调整激光发射器3测量的合理位置；

(4)开启激光发射器3，从第一法兰1外轮廓一侧开始通过调整角度转动轴6，在第一法兰1密封面侧扫描一条直线空间位置坐标，适当调整圆盘旋转轴7，同样扫描一条第一法兰1密封面上的直线空间坐标位置,通过激光测距、旋转传感器和角度传感器得出直线的空间位置坐标，法兰密封面一条直线的两端位于法兰的外轮廓上，两条直线的四个端点就可以得出法兰外轮廓的四个点坐标，通过四个点坐标就可以求出法兰外轮廓的直径；

同理，沿着第一法兰1任意一个螺栓孔利用激光测距技术至少扫描2条直线空间位置，以及沿着第一法兰1密封面侧的内轮廓至少扫描2条直线空间位置测量结束关闭激光发射器3；

调整旋转基座18于第二法兰5，以测量第一法兰1的方法同样测量第二法兰5，测量全部结束关闭激光发射器3；整个调节过程通过PDA机10或移动终端App测量软件控制操作，自动实时保存所有测量数据，通过扫描至少两条直线得出四个点坐标分别求出法兰和螺栓孔圆心以及法兰内外径和螺栓孔半径；

(5)测量结束后将PDA机10或移动终端的测量数据导入PC电脑，通过三维空间数据处理软件自动将测量数据处理成第一法兰1和第二法兰5的空间位置及轮廓数据，利用Geomagic软件拟合第一法兰1和第二法兰5，并利用三维绘图绘制加工图纸，以PDF格式输出，直接打印。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于激光测距技术的合拢管现场测量装置，其特征在于：包括机箱、激光发射器和红外激光瞄准器，所述机箱的上方安装有旋转基座，所述旋转基座绕圆盘旋转轴转动，所述圆盘旋转轴与旋转驱动电机连接，在旋转基座上安装有支架，在支架上安装有可以转动的角度转动轴，角度转动轴与翻转驱动电机连接，角度转动轴上固定连接有激光发射器，激光发射器上的发射口安装有反射薄膜片，在激光发射器的顶部设有红外激光瞄准器；所圆盘旋转轴上安装有旋转传感器，在激光发射器上安装有光学位移传感器，角度转动轴上安装有角度传感器。

2.根据权利要求1所述的基于激光测距技术的合拢管现场测量装置，其特征在于：所述角度转动轴的转动范围为－45°～90°，圆盘旋转轴转动范围为360°。

3.根据权利要求2所述的基于激光测距技术的合拢管现场测量装置，其特征在于：所述机箱底部设有具有磁性的支撑脚架。

4.根据权利要求3所述的基于激光测距技术的合拢管现场测量装置，其特征在于：所述激光发射器为YAG激光光源，反射薄膜片为氯乙烯聚合膜。

5.根据权利要求4所述的基于激光测距技术的合拢管现场测量装置，其特征在于：所述旋转传感器、角度传感器和光学位移传感器均与机箱中的主板处理器连接，主板处理器通过蓝牙将测量数据传输给移动终端和连接带有蓝牙系统的PDA机，移动终端通过WiFi连接局域网直接传输云端服务器，远程实时共享和分析处理测量数据。

6.一种基于权利要求5所述的基于激光测距技术的合拢管现场测量装置的测量方法，利用激光测距技术测量前进行校零，以激光发射源为零点位置，当激光发射器与旋转基座平行位置时，沿激光发射器发射激光方向为x轴矢量正方向，以激光发射器从水平位置逆时针转动90°方向为z轴矢量正方向，根据右手定律，则确定y轴方向，P(x，y，z)为空间内一点，则P点利用r，Φ，θ依次来确定，其中r为原点O与点P见的距离，Φ为从正z轴来看自x轴按逆时针方向转到有向线段的角，θ为有向线段于z轴正向所夹的角，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将装有磁性支撑角架的测量装置安装于现场适当的平整位置上，开启电源总开关；

(2)利用PAD机或移动终端中的App测量软件调节控制进行校零，确定极坐标系的初始位置；

(3)先调节圆盘旋转轴于初步位置，在调节控制角度转动轴于一定角度，利用红外激光瞄准器对测量位置进行矫正，确保发射的激光展现于待测法兰的密封面上，同时进行调整激光发射器测量的合理位置；

(4)开启激光发射器，从第一法兰外轮廓一侧开始通过调整角度转动轴，在第一法兰密封面侧扫描一条直线空间位置坐标，适当调整圆盘旋转轴，同样扫描一条第一法兰密封面上的直线空间坐标位置；

同理，沿着第一法兰任意一个螺栓孔利用激光测距技术至少扫描2条直线空间位置，以及沿着第一法兰密封面侧的内轮廓至少扫描2条直线空间位置测量结束关闭激光发射器；

调整旋转基座于第二法兰，以测量第一法兰的方法同样测量第二法兰，测量全部结束关闭激光发射器；整个调节过程通过PDA机或移动终端App测量软件控制操作，自动实时保存所有测量数据；

(5)测量结束后将PDA机或移动终端的测量数据导入PC电脑，通过三维空间数据处理软件自动将测量数据处理成第一法兰和第二法兰的空间位置及轮廓数据，利用Geomagic软件拟合第一法兰和第二法兰，并利用三维绘图绘制加工图纸，以PDF格式输出，直接打印。

7.根据权利要求6所述的基于激光测距技术的合拢管现场测量方法，其特征在于：所述步骤4)中，测量使用的数据均为空间三维坐标，测量后均通过利用三维空间数据处理软件自动测量提取扫描线的线性位置关系，确定通过扫描的直线在密封面上的端点位置，即端点为法兰的外轮廓、螺栓孔和内轮廓上的点，利用轮廓上的点和圆周角定律，确定法兰和螺栓孔圆心以及法兰内外径和螺栓孔半径。