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CN118243009A - 大直径圆筒圆度异常区的快速检测方法 - Google Patents

大直径圆筒圆度异常区的快速检测方法 Download PDF

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CN118243009A
CN118243009A CN202410288232.5A CN202410288232A CN118243009A CN 118243009 A CN118243009 A CN 118243009A CN 202410288232 A CN202410288232 A CN 202410288232A CN 118243009 A CN118243009 A CN 118243009A
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CN
China
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roundness
points
diameter
abnormal
cylinder
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Application number
CN202410288232.5A
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English (en)
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吕伟荣
吴佳强
姚帅
甘德家
卢倍嵘
戚菁菁
刘雪梅
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Hunan University of Science and Technology
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Hunan University of Science and Technology
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/2408—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures for measuring roundness
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种大直径圆筒圆度异常区的快速检测方法，包括以下步骤：运用全站仪的激光非接触测量模式对圆筒内表面沿360°方向自动均匀确定n个测点；通过后视点建立测站，建立坐标系，确定各测点坐标；基于得到的测点坐标进行圆度自动计算，得到圆度检测结果，并输出大直径圆筒的圆度、圆度异常点坐标及圆度异常区。本发明将高精度全站仪的非接触自动测量模式和圆度自动计算程序相结合，可实现大直径圆筒圆度的现场快速检测，并且通过增加圆筒内部测点密度，可大幅度提高异常点和异常区的测量精度，具有现场操作简单，快速高效、精准度高等优势。

Description

大直径圆筒圆度异常区的快速检测方法
技术领域
本发明涉及一种大直径圆筒圆度异常区的快速检测方法。
背景技术
大直径圆筒在制作、运输、安装及运行时均可能因某些原因导致其出现一个或多个圆度异常区，以至于不满足设备验收和运行的相关要求。最典型的例子就是风电机组支撑圆筒，如图1所示，随着机组功率的逐渐加大，直径从原先的2m发展现在的12m，甚至更大，其加工、运输及运行时都有可能造成其圆度不满足1％的现行规范要求《风力发电机组塔架》GB/T19072。
实际工程中因运输、安装或倒机等严重事故等，均会造成圆筒圆度出现异常，这时需要对风电机组圆筒圆度及异常点进行现场检测，找出异常区的准确位置及范围。实际工程中，大直径圆筒可能在存在一个或多个圆度异常区，如图2所示。
目前，虽然大直径圆筒在工业领域对圆度误差评定有常用的定量检测方法，通常采用以下两种方法：零件回转法和圆周三点测距间接测量法。
回转轴法是利用精密轴系中的轴回转一周所形成的圆轨迹(理想圆)与被测圆比较，两圆半径上的差值由电学式长度传感器转换为电信号，经电路处理和电子计算机计算后由显示仪表指示出圆度误差，或由记录器记录出被测圆轮廓图形。回转轴法有传感器回转和工作台回转两种形式，前者适用于高精度圆度测量，后者常用于测量小型工件。
圆周三点测距间接测量法常将被测工件置于V形块中进行测量。测量时，使被测工件在V形块中回转一周，从测微仪读出最大示值和最小示值，两示值差之半即为被测工件外圆的圆度误差。此法适用于测量具有奇数棱边形状误差的外圆或内圆，常用2角为90°、120°或72°、108°的两块V形块分别测量。但由于大多数检测设备造价昂贵，体积和重量较大，而且三坐标机(圆周三点测距间接测量法)和圆度仪(零件回转法)都对操作环境有较高的要求，通常都需要设置单独的计量室，不适合现场在线检测，而且较难实现圆度异常区和异常点的快速精准定位，而对于较大直径圆筒，现有技术操作难度较大或无法测量。
截止到目前，有关检测大直径圆筒圆度的专利有很多。例如实用新型专利文献CN211042165U能对大型圆筒的圆度进行在线检测的装置，提出了一种能对大型圆筒的圆度进行在线检测的装置，其创新在于：所述装置包括底座、两套托辊支座、两根托辊、两台传动电机、测距传感器、霍尔开关传感器和上位机；有益技术效果是：提出了一种能对大型圆筒的圆度进行在线检测的装置及方法，该方案能对大型圆筒的圆度进行在线检测，特别适合工业现场使用。但是，很多时候从工厂中生产的大直径圆筒已经投入到实际工程中，不便于拆卸，实用新型CN211042165U只适合在工厂中使用，相较与传统工厂检测圆度的方法有一定的优势，但是并不适用于实际工程。而且如果将该专利的检测圆度的设备带到现场去检测显然也是不合实际的。
专利文献CN117516335A大型圆筒或圆柱结构的圆度测量方法、工装及组合结构，公开了大型圆筒或圆柱结构的圆度测量方法、工装及组合结构，属于工业测量技术领域，测量方法包括：将多个测量工装固定在工件两端对应的位置；确定工件半径延长理论初值R延长；确定预定点坐标，使各预定点距工件端部圆心的实际距离为R延长；设置测量线，测量各测量线距工件外表面的实际距离；通过工件的实际外径确定工件的圆度；测量工装包括相连接的紧固组件和定位组件，定位组件设有用于定位预定点的反射片；测量组合结构包括设在工件的两端的多个测量工装；工件两端同一等分位置对应的测量线分别平行。从外部对大型筒体的外表面圆度进行测量，显著降低了测量的操作难度，具有较高的测量精度，更加简便地测量出大型筒体的圆度。该专利能够在一定程度上解决内部具有遮挡物或内部结构的大型筒体的圆度测量技术问题。但该专利只适用于工厂圆度检测，仍不适合现场检测圆度，虽然解决在一定程度上解决了内部具有遮挡物的问题，但是有时已投入工程使用的圆筒外部环境恶劣，该专利提供的方法并不适用，且该专利只能检测圆度，对与如何快速找到大直径圆筒的异常区和异常点并没有涉及。
专利文献CN111102906A一种大孔径筒体圆度检测方法及圆度检测装置，提供了一种筒体圆度检测方法及筒体圆度检测装置，能够解决现有技术中对筒体圆度进行测量时精度差、结果不直观以及效率低的问题。筒体圆度测量装置包括定位支架、弧度定位杆、垂直标尺杆、垂直夹具、可拆式定心轴以及摆动径杆，其中：定位支架，用于定位所要测量圆弧的平面高度；弧度定位杆，用于定位所要测量的圆弧起始点；垂直标尺垂直于弧度定位杆，用于确定圆弧圆心所在直线；垂直夹具用于确保弧度定位杆和垂直标尺的垂直关系；可拆式定心轴用于圆弧弧心确定后的连接；摆动径杆用于圆周360°旋转以备近距离确定不规则圆弧凹陷或凸起程度。该专利通过摆动径杆旋转过程中自由端和弧面相交程度直观地确认所检测的圆弧圆度，虽然操作较为简便，但是只有在圆筒圆度误差较大时才能发挥作用，精准度没有保证，而且必须提供一个良好的操作环境，当圆筒已经安装完毕，筒内遮挡物时，这时该方法并不适用，而且该专利提供的方法，每次检测都需要根据圆筒的尺寸，制作不同的定位支架、弧度定位杆、垂直标尺、垂直夹具、可拆式定心轴、摆动径杆，十分不便。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种操作简单、精确度高的大直径圆筒圆度异常区的快速检测方法。
本发明提出了解决上述技术问题的技术方案：一种大直径圆筒圆度异常区的快速检测方法，包括以下步骤：
步骤一：将三架安置于圆筒内，全站仪放置在三脚架上，调试正常后，将全站仪的物镜调至水平；
步骤二：运用全站仪的激光非接触测量模式对圆筒内表面沿360°方向自动均匀确定n个测点；
步骤三：通过后视点建立测站，建立坐标系，确定各测点坐标；
步骤四：基于得到的测点坐标进行圆度自动计算，得到圆度检测结果，并输出大直径圆筒的圆度、圆度异常点坐标及圆度异常区。
上述大直径圆筒圆度异常区的快速检测方法，所述步骤二中，可通过增加测点数量提高测量精度。
上述大直径圆筒圆度异常区的快速检测方法，所述步骤四具体过程为：
4-1)从全部测点坐标里选择其中3个测点坐标为一组，根据三坐标测量法计算全部圆心和直径；
4-2)根据风电机组圆筒圆度规范设定判断标准，将满足判断标准的三个坐标点确定为合格点；
4-3)重复步骤4-1)和步骤4-2)，遍历从n个测点中选择3个测点的所有组合，得出全部的合格点，合格点之外的其余点均判断为异常点，相邻异常点连成区域即为圆度异常区。
上述大直径圆筒圆度异常区的快速检测方法，所述步骤4-1)中，三坐标测量法的测量过程为：
4-1-1)设A、B、C是经测量得到的圆筒内表面三个随机测点，A、B、C三个测点坐标为A：(x1，y1)、B：(x2，y2)、C：(x3，y3)；
4-1-2)连接AB、BC，做AB的垂直平分线L1，BC的垂直平分线L2，则L1、L2表示为：
4-1-3)令L1＝L2，得圆心坐标O：(x，y)表示为：
4-1-4)计算A、B、C三个测点所确定的圆的直径Di，i表示计算直径序号，直径Di计算表达式为：
上述大直径圆筒圆度异常区的快速检测方法，所述步骤4-2)中，判断标准为：
根据《风力发电机组塔架》GB/T19072要求，圆筒任意截面圆度公差要求为：
(Dmax-Dmin)/Dmin≤0.01 (6)
Dmax为测量出的最大直径；Dmin为测量出的最小直径；Dnon为被检测圆筒设计直径；
根据风电机组圆筒圆度规范，当直径计算差值小于1％被检测圆筒设计直径的区域为合格区，参与计算的3个测点均为合格点，即：
(Di-Dnon)/Dnon≤0.01 (7)
若直径计算差值大于1％被检测圆筒设计直径的区域则暂定为异常区，参与计算的3个测点若存在此前判断为合格点的，仍视为合格点，剩余测点则判断为异常点，相邻异常点连成的区域则判断为异常区。
上述大直径圆筒圆度异常区的快速检测方法，所述步骤4-3)中，每个组合均计算得到一个直径Di，根据不同测点数量n计算得到直径Di，通过组合数计算公式可得直径计算数量为：
本发明的有益效果在于：
1、相比已有的只能在工厂检测的方法，本发明可实现现场大直径圆筒圆度异常区的快速检测，即仅配备一台高精度全站仪和一台电脑，设备重量轻，便于携带，可实现现场快速检测异常点和异常区的检测。
2、本发明将高精度全站仪的非接触自动测量模式和圆度自动计算程序相结合，可实现大直径圆筒圆度的现场快速检测。
3、本发明通过增加圆筒内部测点密度，可大幅度提高异常点和异常区的测量精度，具有现场操作简单，快速高效、精准度高等优势。
附图说明
图1为风电机组倒塔现场图。
图2为大直径圆筒圆度异常区示意图，其中(a)为存在一个异常区的示意图，(b)为存在多个异常区的示意图。
图3为本发明的流程图。
图4为全站仪在圆筒内的布置平面图。
图5为全站仪测试的示意图。
图6为圆度计算的原理图。
图7为三坐标测量确定圆心示意图。
图8为任意截面圆度公差要求的示意图。
图9为1个异常区域CAD模拟中合格点的示意图，其中(a)中测量点为5、6、8号，(b)中测量点为1、6、7号。
图10为CAD模拟中异常点的示意图，其中(a)中测量点为1、2、8号，(b)中测量点为3、6、7号，(c)中测量点为1、4、7号。
图11为2个异常区域CAD模拟中异常点的示意图。
图12为增加测点密度的示意图，其中(a)为测点过少导致无法检验出异常区域的示意图，(b)为增加测点数量后的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图3所示，一种大直径圆筒圆度异常区的快速检测方法，包括以下步骤：
步骤一：如图4所示，将三架安置于圆筒内，高精度全站仪放置在三脚架上，调试正常后，将全站仪的物镜调至水平。
步骤二：如图5所示，运用全站仪的激光非接触测量模式对圆筒内表面沿360°方向自动均匀确定n个测点，测点n的数量大于等于8。
步骤三：通过后视点建立测站，建立坐标系，确定各测点坐标。
步骤四：基于得到的测点坐标进行圆度自动计算，得到圆度检测结果，并输出大直径圆筒的圆度、圆度异常点坐标及圆度异常区。
如图6所示，所述步骤四具体过程为：
4-1)从全部测点坐标里选择其中3个测点坐标为一组，根据三坐标测量法计算全部圆心和直径。
所述步骤4-1)中，三坐标测量法的测量过程为：
4-1-1)如图7所示，设A、B、C是经测量得到的圆筒内表面三个随机测点，A、B、C三个测点坐标为A：(x1，y1)、B：(x2，y2)、C：(x3，y3)；
4-1-2)连接AB、BC，做AB的垂直平分线L1，BC的垂直平分线L2，则L1、L2表示为：
4-1-3)令L1＝L2，得圆心坐标O：(x，y)表示为：
4-1-4)计算A、B、C三个测点所确定的圆的直径Di，i表示计算直径序号，直径Di计算表达式为：
4-2)根据风电机组圆筒圆度规范设定判断标准，将满足判断标准的三个坐标点确定为合格点。
所述步骤4-2)中，判断标准为：
如图8所示，根据《风力发电机组塔架》GB/T19072要求，圆筒任意截面圆度公差要求为：
(Dmax-Dmin)/Dmin≤0.01 (6)
Dmax为测量出的最大直径；Dmin为测量出的最小直径；Dnon为被检测圆筒设计直径；
根据风电机组圆筒圆度规范，当直径计算差值小于1％被检测圆筒设计直径的区域为合格区，参与计算的3个测点均为合格点，即：
(Di-Dnon)/Dnon≤0.01 (7)
若直径计算差值大于1％被检测圆筒设计直径的区域则暂定为异常区，参与计算的3个测点若存在此前判断为合格点的，仍视为合格点，剩余测点则判断为异常点，相邻异常点连成的区域则判断为异常区。
4-3)重复步骤4-1)和步骤4-2)，遍历从n个测点中选择3个测点的所有组合，得出全部的合格点，合格点之外的其余点均判断为异常点，相邻异常点连成区域即为圆度异常区。
所述步骤4-3)中，每个组合均计算得到一个直径Di，根据不同测点数量n计算得到直径Di，通过组合数计算公式可得直径计算数量为：
实施例
1个异常区域CAD模拟及结果分析：
为了研究圆筒受到破坏后，圆筒不利点的位置。这里以一个异常区为例，用CAD模拟异常区检测识别过程，如表1所示。
表1一个圆度异常区检测过程
快速识别过程如下：
(1)在圆筒内平均取8个点，一共有56种情况。以下面具有代表性的图9为例；
(2)图9中实线圆为圆筒未受到破坏的截面，假设被检测圆筒设计直径为200。虚线半圆弧为圆筒受到破坏后变形的截面。假设受到破坏后的截面直径为200.4。实线为3个坐标的连线，虚线为两条连线的垂直平分线；
(3)如图9(a)所示，5号、6号、8号点组合所得的直径为200等于被检测圆筒设计直径(实际工程中存在误差即要求小于1％被检测圆筒设计直径的点则视为合格点)，则说明5号、6号、8号点为合格点；
(4)同理可知，图9(b)中的1号、6号、7号点为合格点；
(5)如图10(a)所示，1号、2号、8号点组合所得的直径为215.9大于被检测圆筒设计直径，误差为8.0％则说明存在异常点，而由图9(a)、图9(b)可知，1号、5号、6号、7号、8号为合格点，排除合格点即说明2号点为异常点位置；
(6)同理可知，图10(b)、图10(c)中的3号点和4号点为异常点的位置。
多个异常区域CAD模拟及结果分析：
大直径圆筒由于加工误差还可能存在多点异常，也可以用以上方法找到不利点的位置。这里以两个异常区为例，如图11所示，用CAD模拟异常区检测识别过程，如表2所示。
表2多个圆度异常区检测方法
增加测点密度的检测结果分析：
有时大直径圆筒存在异常区域，由于大直径圆筒取点过少，导致无法检验出异常区域，如图12(a)所示。为此，可通过增加测点数量予以解决，具体如下。
(1)在圆筒内分别平均取16个点和8个点，假设被检测圆筒设计直径为200；
(2)如图12(a)所示，1号、2号、3号点组合所得的直径为200等于被检测圆筒设计直径，误差为0，说明1号，2号，3号点为合格点，而1号，2号，3号组成区域却存在异常区域；
(3)如图12(b)所示，2号、4号、6号点组合所得的直径为185.4小于被检测圆筒设计直径，误差为7.3％，则说明此处存在异常点。
通过以上CAD模拟算例的结果说明，增加测点密度能够大大提高检验异常区域的准确性，测点密度越大，检测的精准度越高。

Claims (6)

1.一种大直径圆筒圆度异常区的快速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将三架安置于圆筒内，全站仪放置在三脚架上，调试正常后，将全站仪的物镜调至水平；
步骤二：运用全站仪的激光非接触测量模式对圆筒内表面沿360°方向自动均匀确定n个测点；
步骤三：通过后视点建立测站，建立坐标系，确定各测点坐标；
步骤四：基于得到的测点坐标进行圆度自动计算，得到圆度检测结果，并输出大直径圆筒的圆度、圆度异常点坐标及圆度异常区。
2.根据权利要求1所述的大直径圆筒圆度异常区的快速检测方法，其特征在于，所述步骤二中，可通过增加测点数量提高测量精度。
3.根据权利要求1所述的大直径圆筒圆度异常区的快速检测方法，其特征在于，所述步骤四具体过程为：
4-1)从全部测点坐标里选择其中3个测点坐标为一组，根据三坐标测量法计算全部圆心和直径；
4-2)根据风电机组圆筒圆度规范设定判断标准，将满足判断标准的三个坐标点确定为合格点；
4-3)重复步骤4-1)和步骤4-2)，遍历从n个测点中选择3个测点的所有组合，得出全部的合格点，合格点之外的其余点均判断为异常点，相邻异常点连成区域即为圆度异常区。
4.根据权利要求3所述的大直径圆筒圆度异常区的快速检测方法，其特征在于，所述步骤4-1)中，三坐标测量法的测量过程为：
4-1-1)设A、B、C是经测量得到的圆筒内表面三个随机测点，A、B、C三个测点坐标为A：(x1，y1)、B：(x2，y2)、C：(x3，y3)；
4-1-2)连接AB、BC，做AB的垂直平分线L1，BC的垂直平分线L2，则L1、L2表示为：
4-1-3)令L1＝L2，得圆心坐标O：(x，y)表示为：
4-1-4)计算A、B、C三个测点确定圆的直径Di，i表示计算直径序号，直径Di计算表达式为：
5.根据权利要求3所述的大直径圆筒圆度异常区的快速检测方法，其特征在于，所述步骤4-2)中，判断标准为：
根据《风力发电机组塔架》GB/T19072要求，圆筒任意截面圆度公差要求为：
(Dmax-Dmin)/Dmin≤0.01 (6)
Dmax为测量出的最大直径；Dmin为测量出的最小直径；Dnon为被检测圆筒设计直径；
根据风电机组圆筒圆度规范，当直径计算差值小于1％被检测圆筒设计直径的区域为合格区，参与计算的3个测点均为合格点，即：
(Di-Dnon)/Dnon≤0.01 (7)
若直径计算差值大于1％被检测圆筒设计直径的区域则暂定为异常区，参与计算的3个测点若存在此前判断为合格点的，仍视为合格点，剩余测点则判断为异常点，相邻异常点连成的区域则判断为异常区。
6.根据权利要求3所述的大直径圆筒圆度异常区的快速检测方法，其特征在于，所述步骤4-3)中，每个组合均计算得到一个直径Di，根据不同测点数量n计算得到直径Di，通过组合数计算公式可得直径计算数量为：
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