激光轮廓测量中的偏心修正方法

奚嘉奇，申屠理锋，2，胡继康

（1. 宝山钢铁股份有限公司中央研究院数智中心，上海 201900；2. 上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

随着钢管产品使用条件日益苛刻，客户对产品质量要求也越来越高，其中直线度误差大是最多的问题之一［1-5］。由于钢管自重，以及在生产、加工、传送过程中的碰撞、温度变化等因素都会造成钢管塑性变形，从而导致直线度变化；因此，钢管直线度的准确测量也就成为了当前钢铁企业质量控制的核心之一。API Spec 5CT—2011《套管和油管规范》要求，钢管端部1.5 m 长度范围内的偏离距离应不超过3.18 mm。为了满足该要求，目前实际生产中都是采用人工离线抽检的方式进行，常用方法包括人工拉线法、三坐标测量法等接触式测量。由于人工测量主观性强且受到测量手段及工具的限制，很难保证测量的稳定性和一致性。

针对这一问题，近年来出现了一些非接触式的测量方法并得到逐步应用，比较典型的包括基于机器视觉的方案及基于激光轮廓测量的方案。视觉方案的优势在于装置安装灵活，抗干扰性较强，应用场景相对较广。文献［6］使用背光照明结合边缘识别的方法计算出钢管直线度。文献［7］利用图像识别技术设计了一套在线测长装置，误差控制在8 mm。文献［8］提出了一种针对双目视觉技术的误差评估方法，可用钢管测量系统的辅助设计。一般情况下，视觉技术的使用过程中需要进行像素与真实长度的比例转换，因此其精度依赖于参照物自身的精度和稳定性。

激光方案的特点是精度高，但是由于测量装置的测量范围有限，从而对现场的安装环境有较高要求，且容易受到振动等因素的干扰。早期的尝试包括利用多点结构光测量的方法对钢管直线度进行测量［9］。为了充分利用现场现有工位条件，文献［10］通过在X 光检测工位附近安装激光测距仪，以X光小车的行程轨迹为基准对钢管直线度进行间接测量。文献［11］同时结合了激光测距和机器视觉技术，利用多点位光切建模计算钢管的整体直线度，但其难点在于多坐标的统一。文献［12］利用激光测距仪对大直径钢管截面椭圆度进行在线测量。

总体来看，尽管在管端直线度的自动测量领域有着不少进展，但现行的方案还无法完全满足现代钢管生产的需要。2021年宝山钢铁股份有限公司（简称宝钢股份）无缝钢管厂试用了基于激光轮廓测量的方法，经一年多试运行目前效果良好，已实施技改。在满足API 标准的同时，对非单向弯曲的情况也能进行有效识别，如C 型、S 型弯曲等。在这一解决方案中，激光带偏心修正是激光尺寸测量时的必备要求。由于现场实际安装时很难保证激光线与钢管轴线完全贴合，所以也是难点之一。本文提出了一种高精度的修正方法。通过对标准钢管的离线测量即可准确识别并修正偏心误差，从而保证连续测量的稳定性和一致性。

1 测量原理

激光轮廓仪凭借其高精度和非接触的特点如今正被广泛应用于产品表面尺寸测量及微小缺陷检测。为了保证测量的一致性，在测量过程中通常需要将被测工件安置在离轮廓仪一定距离的工作台上，同时根据被测工件的几何形状进行轴对齐。在诸如印制电路板（Printed Circuit Boards，PCB）表面检测的标准化测量环境中，对齐环节通常已内置于产线工位的设计中。然而要将轮廓仪应用于工业大生产的环境中，受限于设备的安装环境和实际工况，这一条件往往很难满足。对于钢管产品的在线测量尤为如此，钢管直线度的测量要求激光线与钢管轴心对中，但在具体安装时偏角在所难免。为了准确测量出线激光的安装偏离度，需要通过借助对标准管的测量来进行离线矫正。现提出了一种基于激光传感器自修正的测量方法，其特点在于无需借助外界辅助设施，仅依靠激光测量值本身即可准确地测得当前激光线地偏离值，其为离线矫正和在线实时测量提供了重要支撑。

激光轮廓测量如图1 所示，激光轮廓仪水平安置于钢管上方。S1和S2为钢管端部的任意两个截面。线段P1P2是钢管表面中轴线，其间距为L，Q1Q2是线激光在钢管表面的投影。假设由于激光器现场安装存在误差，Q1Q2没有和P1P2完全贴合，即P2和Q2重合，而P1和Q1之间存在一个偏离角。l1和l2分别为端点Q1和Q2距离激光器的垂直距离。由于偏角离θ 的存在，l1大于l2，l3为连线中点处的垂直距离。

图1 激光轮廓测量示意

在钢管半径R 固定的情况下，l1，l2，l3与偏离角θ 之间存在以下关系：

求解可得：

由此可见，偏离角θ 仅取决于垂直距离，其可以直接从激光轮廓仪的读数中得到。由于该方法不依赖于标准管的具体管径值，因此可以避免因管径测量不精确而引入的误差。如果在后续生产过程中对偏离值有复检要求，上述方法同样适用于钢管在旋转过程中的动态测量。钢管以一定角速度ω 在支架上旋转时，激光器可以实时记录l1，l2和l3的数据，之后对所取得的一组值取平均后再做计算。

由于偏离角θ 是轴向位置x 的线性函数，在计算得到x=Q 位置的偏离角后，便得到了任意轴向位置的偏离角。将P2处的位置记为0 点，那么距离O 点x 处的偏角为：

在得到截面处偏角的具体值之后，可以反推出R 值和水平偏移d，即：

其中，H 值是激光器距离钢管底部支撑点的垂直高度。推算出的R 值可以与实际管径做对比，以检验计算的正确性，d 值则可以用于对不同管径的测量数据进行修正。注意到等式对任意管径恒成立，因此对于给定的激光测量数据l，可以计算得到当前点位的R 值以及偏离角θ，从而得到修正过的垂直高度l*：

实际测量过程中，由于事先并不知道激光线与钢管表面轴线的重合处，所以为了应用上述方法，首先需要确定基准点。由于激光器水平安装在钢管上方，轴线的重合处即是垂直距离最短处。因此，只需要遍历激光仪的所有采集点，找到最短距离即可。激光带轴线定位流程如图2 所示。

图2 激光带轴线定位流程

2 试 验

激光带偏心修正方法作为管端直线度测量的重要支撑手段，目前已经成功应用于宝钢股份无缝钢管厂某生产线实际生产测量中。该生产线可生产钢管的直径涵盖70～219 mm。根据客户需求，钢管端部1.5 m 范围内的直线度误差需控制在3.18 mm以内。现介绍纠偏算法的具体应用。激光轮廓仪正常投用前，都需要对其进行对齐测试，以此来准确得到修正系数。Φ133 mm 钢管直线度测量数据如图3 所示。其中，x 轴代表轴线所在位置，取距钢管端部为起始零点，跨度总长为1.5 m；y 轴代表激光仪测得的垂直高度。可以发现，垂直距离的最短处落在了1.24 m 处，因此这里即是激光光带和钢管轴线的重合位置。利用公式（2）所述方法可以得到修正过的高度数据，其是一条红色水平线，值为521.0 mm，与1.24 m 处的数据值吻合。

图3 Φ133 mm 钢管直线度测量数据

接下来，利用计算出的修正值d 对管径为108 mm 钢管的直线度测量数据进行修正。Φ108 mm 钢管直线度修正前后数据对比如图4 所示，蓝色和红色实线在端部处相差0.31 mm。由于在实际生产过程中钢管外径存在公允偏差，为了进一步分析公差对于偏离角的影响，以上述管径108 mm 标准规格钢管的轮廓数据为参照，选取±0.5%的误差等级，分别做出相应的修正曲线，外径偏差对比分析如图5 所示。实际外径偏小0.5%时，修正后的轮廓线上移，最大偏离误差为0.19 mm，位置为钢管端部，最小偏离误差为0.182 mm，位置在1.24 m 处；实际外径偏大0.5%时，轮廓线下移，最大偏离误差为-0.18 mm，最小偏离误差为-0.175 mm，位置也在钢管端部。由以上数据可以看出，存在公允偏差时，对于修正后的轮廓线有整体性的平移，而对轮廓本身各点的曲率影响甚小，需要计算诸如直线度等以曲率为参照的测定量时，此修正方案保证了数据的一致性。修正之后，目前这套方案在钢管直线度测量中的精度可以达到0.1 mm，7 s 可完成360°钢管全周测量。

图4 Φ108 mm 钢管直线度原始数据与修正后数据对比

图5 Φ108 mm 钢管外径偏差对比分析

3 结语

介绍了一种适用于激光轮廓测量中的偏心修正方法，解决了因现场安装误差而造成的测量误差。使用该方法时，不需要提前知道标准管的具体管径，同时对测量环境没有特殊要求，避免了管径测量不精确而引入的误差，因此具有较强的鲁棒性。目前，该方法已成功应用于宝钢股份无缝钢管厂的生产测量中。