成果名称：	扩径管道直径及圆度在线监测分析系统研究
登记日期：	2022-06-10
完成单位：	广东省珠海市质量计量监督检测所,桂林电子科技大学
完成人员：	臧春华,高兴宇,王琨,王海舰,纪红刚,赵立新,邱南聪,彭艳华,李明枫,李伟明,梁灿茹,苏章卓,曾庆湖
研究起止日期：	2019-03-01至2021-09-30
主要应用行业：	制造业
高新技术领域：	先进制造
评价单位：	广东省市场监督管理局
评价日期：	2021-10-10
成果简介：	①课题来源与背景 课题来源：本课题来自于广东省市场监督管理局科技项目（项目编号：2019ZZ03）。 背景：本项目以解决大量程范围直缝焊管扩径管道外直径、圆度的准确快速测量问题为导向，针对扩径管道传统的外径测量方法准确度低、测量速度慢、对人工熟练程度要求高，以及传统测量方法只能测量大口径管道端面圆度，管身中段圆度测量困难、成本高、效率低等难题，经过理论研究和实验，设计和制造了一套扩径管道直径及圆度在线监测分析系统。 ②技术原理及性能指标 利用直线模组、二维转台结合的方式控制激光线扫描传感器的精确走位和准确旋转，通过激光线扫描传感器获取点云数据进行三维重构的方法得到被测管道外轮廓图像，并结合多种优化算法测出管道直径和圆度，从而实现大量程、高准确度测量的目的，具体如下： a.通过研究和整体设计，选型高精度的激光线扫描传感器、直线驱动及定位模组、二维转台及限位装置，组成一个对径二维平面扫描系统。通过提高机械结构部分的装配精度和控制精度，提高实验平台的位置扫描准确度，通过软件对点云进行坐标补偿、被测管道轮廓重构，实现扩径管道直径和圆度参数的高准确度快速测量。 b.采用上位机和下位机实时通信，实现测量系统自动化与智能化，并利用上位机实时监测管道外轮廓数据及图像，从而实现直径、圆度的实时、在线监测。 c.设计、加工标定件，对测量系统进行角度、位置的标定，完成各部分参数的调优，提高实验平台整体控制系统的准确度。 d.利用滤波、去噪等相关数据处理的方法实现点云数据的优化，将初拼接与ICP算法结合获取最优点云图像。 e.利用RANSAC算法、最小区域圆法及改进的遗传算法相结合，快速、精准地获取被测管道直径及圆度。设计原理覆盖φ（0.4～2）m，实物样机量程φ（0.4～1.6）m；系统最大测量误差控制在±0.5mm范围内，测量重复性控制在0.2mm范围内，单次直径及圆度测量时间75s，测试效率提高为传统方法的50倍以上。 f.解决了用游标卡尺、周径尺等传统方式进行扩径管道直径测量准确度低、速度慢、耗时长、对操作人员经验要求高等问题，满足大口径管道直径的准确、在线、实时、快速测量。 g.解决了大口径管道圆度测量中，游标卡尺只能测量管道端面圆度，管身中段圆度无法测量等难题。 h.从系统的测量模型进行误差的分解，抓住系统传感器转角误差这个主要分量，通过以角位移限位代替角位移量的技术手段，提高点云旋转重构位置准确度一个数量级。。 ③技术的创造性与先进性 a.通过精准控制2个激光线扫描传感器准确走位测量的方式，利用360度四分段点云扫描数据特征实现管道截面重构及圆度分析，低成本实现φ（0.4～1.6）m大量程管道的高准确度（测量误差＜±0.5mm，测量重复性误差＜0.2mm）、快速、自动测量。 b. 通过点云相机的位置及角度自适应调节适应不同扩径时段的管道直径。 c.通过调整速度控制曲线实现点云相机兼具运移时间最短以及制动最平稳双重优化，确保测试系统兼具高速性、高精度、高重复性以及高可靠性。 d.引入限位传感器提升激光线扫描传感器转角的重复性，提高点云旋转重构位置准确度一个数量级。 e.设计并加工方角尺作为标定件，引入方角尺进行机械算法标定，进一步提高系统的整体精度。 ④技术的成熟程度，适用范围和安全性 通过研发、使用、反复试验、改进，并经过测试验证，技术比较成熟；智能化程度高，安全性好。 适用范围： a.该项目研制的扩径管道直径及圆度在线监测分析系统，具有可覆盖管径范围大、测量准确度高、测量速度快、对管道材料普适性强等特点，除了可开展直缝焊管等扩径金属管道直径、圆度的实时测量和在线监测分析，还可开展通过轧制、挤压、拉拔、锻造、螺旋焊接等其他生产工艺加工的金属管材，以及PVC、PE、PP、POM、ABS等多种其他材料管材的直径和圆度测量。 b.该装置样机可同时实现φ（0.4～1.6）m这一量程范围管道直径和圆度的在线测量，且制造成本不高。随着装备制造业的发展，该装置的推广应用必将有效节约人力和时间成本，提升测量准确度、提高产品质量，带来更高的经济和发展效益。 c.系统具有高精度的机械控制结构和可拓展应用领域的激光线扫描传感器，其核心技术可以拓展应用到机动车、船艇、飞机等的结构件、外壳尺寸、形状的检验检测；还可根据被测件的大小、形状等，通过调整机械控制结构的几何尺寸、改进传感器的重构算法，实现各种尺寸、多种形状被测件轮廓的高准确度快速扫描、重构和测量。 ⑤应用情况及存在的问题 项目研究开发了一套可用于扩径管道直径及圆度在线监测分析系统，设计原理可实现Ф（0.4～2）m；研制出的实物样机可实现Ф（0.4～1.6）m的扩径管道直径和圆度在线监测分析，系统测量误差＜±0.5mm，测量重复性＜0.2mm，单次测量时间75s，测试效率为传统测试方法的50倍，提高了大口径管道直径、圆度在线测量准确度与效率。技术达到国际先进水平。建议进一步提高装置的智能化水平，注意知识产权保护。 ⑥历年获奖情况 项目公开/授权发明专利4项（其中已授权1项），授权实用新型专利2项、软件著作权2项。