可移动式多规格管道直径及圆度在线快速检测装置

可移动式多规格管道直径及圆度在线快速检测装置

王卫鑫,李想,谢阳,杨赵武,文升红

（桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林  541004）

摘  要：本文为了能够在管道进行扩径时测量管道不同截面的直径及圆度，构建了此系统，本系统具有行走能力，并采用两个圆形滑轨来进行多个连杆的联动，结合多种优化算法通过连杆的角度及长度信息获取被测管道的直径及圆度，从而可以快速、实时、精准地完成管道不同截面直径及圆度的测量。本系统实现了在线检测多规格扩径管道直径及圆度，解决了扩径管道传统的直径测量不实时、速度缓慢且无法移动的问题。

关键词：扩径管道；直径；圆度；在线检测；可移动式；

基金项目：本文是2022年自治区级大学生创业训练“多规格扩径管道直径及圆度在线监测系统”项目成果（项目编号：S202210595339X）

作者简介：作者简介：王卫鑫（2003-），河南新乡人，汉族，本科生，研究方向为电气工程自动化

1引言

目前市面上对直缝焊管扩径管道外径的测量方法主要有千分尺、卡尺、周径尺等手工测量方法，而上述传统的测量方法具有受生产环境、量具精度和操作人员影响较大的严重缺点，从而导致出现测量误差，因此上述测量方法不但会耗费大量的人力，而且测量的精度也较低[1]。

基于上述问题，本文构建了一种基于两同心圆滑轨驱动多个连杆进行测量的可移动式多规格管道直径及圆度在线快速检测装置。

2总体结构设计

此装置的总体结构包括行走机构、检测机构以及轨道机构；检测机构和轨道机构均设置在行走机构上，检测机构设置在轨道机构上，其整体框架结构如图1所示。

当进行对目标管道检测时，行走机构运行使得检测装置靠近目标管道，直至管道完全进入到装置的轨道中央。当靠近目标管道后，检测机构启动圆齿轨道驱动电机带动从动端弧形滑块、第二连杆、伸缩连杆以及滑轮连接杆，这些滑块及杆结构联动使滑轮在圆形滑轨上进行滚动。当检测完成一圈后，行走机构就可以继续向前推进，进而检测目标管道不同位置的直径及圆度信息。

图1 整体框架结构

2.1 行走机构

行走机构的设计主要是为了使系统能够移动从而测量扩径管道不同位置的直径及圆度，同时考虑到路面环境的差异，采用了履带式结构来提高其路面适应能力和运行平稳性[2]，此结构包括两个驱动电机、两个驱动轮、六个从动轮、两个履带以及三个固定支架。

当行走机构开始运行时，系统将使第一驱动电机和第二驱动电机同时转动，带动第一驱动轮和第二驱动轮，继而通过左履带和右履带带动第一从动轮和第二从动轮转动，使得装置接近目标管道直至能够进行检测。而在测量结束后同样也可以继续前进测量扩径管道的后续截面，或后退来退出管道范围结束检测。

2.2 检测机构

在测量时系统通过圆齿轨道驱动电机的转动来调节第二连杆与滑轮连接杆的角度变化，从动端弧形滑块通过第二连接轴连接在第一连杆上，用于在圆形滑轨上滑动；滑轮安装在滑轮连接杆上，用于在目标管道上滚动，滑轮连接杆与第二连杆使用伸缩连杆用于连接，它可以随着机构的转动而自由伸缩，使得滑轮可以保持贴合在扩径管道的外壁，提高了机构的精准度和灵活性；

而在第二连杆上，安装有角度传感器用于采集检测机构的转动带来的角度变化，当机构在转动检测时，它可以实时地显示出第二连杆与滑轮连接杆之间的角度信息；锁紧装置位于第二连杆螺纹上，通过转动锁紧装置可以使第一连杆处于固定或者伸缩状态，因此它可以通过调节第一连杆和第二连杆的总长度，使得系统可以检测不同规格尺度的目标管道信息，增大了装置的适用性。

2.3 轨道机构

轨道机构包括圆齿滑轨、圆形滑轨以及连接支架；圆齿滑轨安装在连接支架上，作为圆齿滑轨驱动电机的转动轨道，圆形滑轨也安装在连接支架上，在圆齿滑轨内侧，作为驱动端弧形滑块和从动端弧形滑块的转动轨道，连接支架用于固定圆齿滑轨和圆形滑轨。两个滑轨呈同心圆搭建在装置的中央，是检测机构能够运行的基台。而第一连杆与第二连杆是在圆形滑轨上的一条弦，检测过程中在圆形滑轨上进行转动。

3管道直径及圆度测量

对扩径管道直径及圆度测量的过程，实际上就是装置从0°旋转到360°的过程，在这个过程中，对于管道直径的算法如下。

设滑轮连接杆的长度为，第一连杆加第二连杆的长度是，第二连杆与滑轮连接杆之间的角度为，圆形滑轨的半径为，扩径管道的半径为，圆形滑轨的圆心到第一连杆的距离为，扩径管道的表面到第一连杆的距离为，在一次检测中读取个数值（在0°到360°等距取值），计算出的扩径管道直径为，计算出的圆度为，则：

在系统的检测过程中，角度传感器与伸缩连杆相互作用，使滑轮连接杆，角度以及第一二连杆满足以下关系式，也就是使滑轮位于第一二连杆的垂直平分线上：

（1）

在此条件下，扩径管道的直径及圆度的计算过程如下：

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

由上可知，此装置测量的精度取决于在一次检测中读取的数值个数的大小：的值越大精度就越高，与之对应的，当取值过大导致读取速度小于检测机构的转动速度时，其检测速度会随之下降；而

的值越小精度也就越低，检测速度也会相应的有所提高。

在进行实际测量之前需对圆齿滑轨和圆形滑轨进行校准，保证两圆的圆心重合，这样才能保证装置测量的精准度。

4结束语

本文根据管道在扩径过程中的直径及圆度的在线检测需求，构建了一套可移动式多规格管道直径及圆度在线快速检测装置，实现了多规格扩径管道直径及圆度的在线检测，更解决了扩径管道传统的直径测量速度慢以及无法移动的问题。

参考文献

[1] 曹杰, 王保华, 陈小兵.线控转向系统角度传感器的调理电路设计[J]. 汽车实用技术, 2018(08):56-60.

[2] 刘浩东, 李曼, 郑思雨, 等. 采煤机摇臂角度传感器工作环境温度仿真[J]. 煤矿机械, 2021,42(04):184-187.