国内外大口径不锈钢管直线度测量方法的研究现状

  传统的直线度误差测量方法多以接触方式为主,且都是针对小尺寸不锈钢管的检测,常见的国内外不锈钢管直线度的测量方法有如下几种:杠杆法、指示器法、无衍射光莫尔条纹检测法、综合量规检测法、光轴法、跨步仪法、干涉法、角差法等,对以上几种小钢管直线度测量方法分析可得,它们都是通过测量记录数据,由处理数据结果得出直线度误差值,且都是针对在给定平面内直线度误差的测量,其测量过程比较繁琐且不适用于对大口径不锈钢管的直线度测量。国内外针对大口径不锈钢管和其它大工件直线度测量研究现状如下:

    天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室在2001年采用半导体激光器LD和多个传感器测量大口径不锈钢管截面信息进行钢管直线度测量。其原理是通过图像传感器采集得到多个截面尺寸和截面圆心的三维空间坐标,然后综合获得曲率中心坐标和中心轴心线,最后进行误差评定获得直线度误差。这种测量方法突出的优点是大量程、非接触、测量速度快、系统柔性好等,但由于传感器数量有限只有三到五个,采样点也有限,所以不能反映大口径不锈钢管管身整体情况,测量准确度有限。测量数据采用计算机处理,且一台图像传感器相配套一台激光器,其成本较高。

    吉林北方捷凯传动轴有限公司2006年进行了微型轿车传动轴中焊接用的无缝钢管的直线度测量。其采用的方法是:根据钢管直径及允许的最大直线度误差值,确定两平行平面的相对位置,使两平行平面间的距离等于钢管直径与允许的最大直线度误差值之和。平行面与水平面成一定的倾斜角,在自锁范围内,避免打滑,让大口径不锈钢管在两平面内滚动,若回转直径小于两平行平面距离则认为直线度合格,可顺利通过两平行平面,进入盛料区,反则不合格,其原理图如图1.3所示。这种方法突出的优点是测量原理简单、使用方便,但不足之处是测量精度低,接触性测量,也无法实现大口径不锈钢管轴线直线度的测量,不能对钢管直线度进行量化测量,且也不利于钢管的批量检测。

    2008年,兰州理工大学材料科学与工程学院王宏等人进行了“基于虚拟仪器的大直径焊管的形位误差检测系统”的研究,其测量原理图如图1.4所示。其原理如下:服电机1通过相应的传动机构带动被测大口径不锈钢管旋转,传感器组4安装在固定板5上,固定板5固定在可沿大口径不锈钢管轴向运动的导轨滑块上,使得大口径不锈钢管在旋转的同时,传感器测量组沿钢管轴向运动,以螺旋线方式采集钢管表面的形位参数。在钢管轴向方向放置3台位移传感器采集大口径不锈钢管母线数据,测量母线直线度,用另外3台传感器测量钢管圆度,通过位移传感器采集到的数据传送到PC机进传行处理,得出直线度、圆度误差。这种测量方法具有成本低、数据通信方便等优点,但是接触式测量,测量过程比较繁琐,只能针对大口径不锈钢管表面母线直线度进行测量,也不能实现对大口径不锈钢管轴线方向直线度的测量,并且由于工厂坏境恶劣,所以其抗干扰能力较差。

    国际上针对直线度测量的研究,以0.5um/m为界限区分高精度和普通精度,高于0.1um/m则被认为是世界领先,国际上美国劳伦斯国家实验室、NBS、日本大学等实验机构的研究水平超过0.1um/m。当然大口径不锈钢管直线度误差要求无须达到上述高精度水平,一般大口径不锈钢管直线度误差精度要求在1-2m/m范围内。国外针对高精度的导轨等大工件的直线度测量开展了很多研究,其采用的方法在精度上得到了很大的提高,但是这些方法大多适用于工件平面方向直线度测量,都不适合于大口径不锈钢管轴线方向直线度的测量。

    日本东北大学和韩国科学技术院在2006年合作研究了“超高精度的双导轨平行度和直线度的测量”其采用三个高精度的位移探测器ADE 3401,将其放置在可以滑动的平台上,探测器Pl和PZ用来测量平行度,探测器P3用来测量导轨的直线度,用一台激光干涉仪(Agilent 5529A)测量滑动平台的偏角,通过算法有效的消除了测量平台倾斜所带来的测量误差,通过实验得到其直线度精度达到0.05um。测量原理图如图l.5(a)图所示,测量装置图如图1.5(b)图所示。这种测量方法突出的优点是测量精度高,在直线度的测量领域己经达到国际领先水平,但是其不足之处是测量过程比较繁琐,其应用范围主要是针对高精度导轨的测量,对本课题中批量大口径不锈钢管直线度的测量不适用,用此方法也很难实现对钢管空间轴线直线度的测量。

    日本秋田大学在2009年针对大工件在给定平面内直线度测量算法进行了研究,采用多个位移探测器测量,由于在低频区域,探测器偏向运动误差信号和被测表面信号是无法区分的,在高频区域两信号是可以区分的,所以在算法上采用加权和逆向滤波器的方法,有效的消除了探测器偏向运动带来的误差,并且没有放大探测器的随机误差,使得随机误差达到最小,从而使大口径不锈钢管表面直线度的测量精度有了大大的提高。算法处理框图如图1.6所示。这种测量方法突出的优点是在算法上得到了改进,测量精度得到了提高,但是它只适合于测量大口径不锈钢管表面直线度,也很难适用于钢管的轴线直线度的测量。

    基于上述对大口径不锈钢管直线度测量的国内外研究现状分析、总结如下:国内外针对轴类零件、导轨等工件的直线度研究较多,但是针对大口径不锈钢管直线度测量研究较少,所采用的方法很难实现钢管轴线直线度的测量,采用位移传感器等方法测量钢管直线度,只能对钢管进行抽样检测,无法实现实时非接触检测。机器视觉技术可以实现非接触实时测量,在钢管直线度测量中也得到了应用,其在测量方法上已取得很大突破,但是在机器视觉的前端系统设计,包括照明系统、光学成像系统,以及边缘检测算法等有待深入研究,而这些都是实现直线度测量和提高其测量精度的必要条件。

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