本發(fā)明涉及基于超聲波測距技術(shù)的合攏管測量裝置及測量方法，屬于合攏管的測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

船舶里面到處都鋪滿了管道，這些管件的設(shè)計(jì)、制造及在船內(nèi)安裝后的檢查等一系列的作業(yè)被稱作“管道鋪設(shè)”。通常船舶是分段建造的，在分段合攏時(shí)分段間的管線就需要合攏管來連接，但依靠管線設(shè)計(jì)圖紙制造出各式各樣的合攏管，合攏管的制作通常采用取型法和現(xiàn)場焊接法。

取型法是將兩個(gè)法蘭固定到需要連接的兩個(gè)管子的法蘭上，然后用角鐵將這兩個(gè)法蘭焊接成整體，搬運(yùn)到管線加工平臺(tái)上，測量兩個(gè)法蘭的位置關(guān)系后工人憑借自己的經(jīng)驗(yàn)確定大概的直管長度和彎管角度以及彎管的數(shù)量，待直管和彎管加工好之后開始和兩個(gè)法蘭進(jìn)行裝配，在裝配時(shí)不斷地根據(jù)實(shí)際情況對(duì)直管和彎管進(jìn)行切割或者更換，直到各連接處配合合適才開始正式的焊接?，F(xiàn)場焊接法是指事先繪制合攏處的局部草圖，然后做出較局部草圖稍長的管材，在安裝現(xiàn)場切割然后焊接的方法。這種方法只適合需合攏的兩個(gè)管子的法蘭空間位置相對(duì)簡單的情況。這兩種方法存在以下缺點(diǎn)：

(1)精度低，導(dǎo)致合格率降低；

(2)作業(yè)時(shí)間長，安全隱患多；

(3)材料浪費(fèi)嚴(yán)重，導(dǎo)致成本提高；

(4)船內(nèi)焊接、切割等操作存在火災(zāi)隱患；

(5)需要技術(shù)熟練、經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)技工才能完成。

在管道制作中最困難的是“保證成品良好的精度”。但是采用上面兩種方法經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)制造出的合攏管法蘭螺栓空位置不正確，導(dǎo)致無法安裝的情況發(fā)生。這兩種方法存在效率低、材料浪費(fèi)嚴(yán)重、加工精度低及存在安全隱患等缺點(diǎn)。因此一種更為簡單、測量精度更高、高效的合攏管測量裝置及方法對(duì)設(shè)備制造企業(yè)具有重要的實(shí)際意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于超聲波測距技術(shù)的合攏管測量裝置及測量方法，可實(shí)現(xiàn)高效、精確、經(jīng)濟(jì)地測出待合攏管第一法蘭和第二法蘭的空間位置關(guān)系。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種基于超聲波測距技術(shù)的合攏管測量裝置，兩根合攏管的兩端分別為第一法蘭和第二法蘭，該合攏管測量裝置包括機(jī)箱，機(jī)箱的上方設(shè)有旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸頂端安裝有超聲波發(fā)射器，在待測合攏管的第一法蘭與第二法蘭上安裝超聲波接收器，所述超聲波發(fā)射器內(nèi)及超聲波接收器內(nèi)分別裝有第一角度傳感器與第二角度傳感器。

作為優(yōu)選，所述機(jī)箱上安裝有控制面板，控制面板上包括電源開關(guān)、正常運(yùn)行指示燈與警示燈，在控制面板右側(cè)設(shè)有兩排按鈕，用于控制超聲波發(fā)射與復(fù)位、設(shè)置超聲波發(fā)射頻率(38KHz～42KHz)與旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度及控制藍(lán)牙開啟和關(guān)閉。

作為優(yōu)選，所述機(jī)箱內(nèi)安裝有電機(jī)，電機(jī)設(shè)有電機(jī)軸，電機(jī)軸上套有第一錐齒輪，所述旋轉(zhuǎn)軸通過軸承套在機(jī)箱上，旋轉(zhuǎn)軸上套有與第一錐齒輪嚙合的第二錐齒輪。

作為優(yōu)選，所述機(jī)箱下方設(shè)有電源接口。

作為優(yōu)選，所述超聲波發(fā)射器的端部設(shè)有一半球形超聲波換能器，發(fā)射角度范圍為-90°～90°。

作為優(yōu)選，所述超聲波發(fā)射器與超聲波接收器，第一角度傳感器與第二角度傳感器通過藍(lán)牙信號(hào)連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。

一種上述基于超聲波測距技術(shù)的合攏管測量裝置的測量方法，建立空間笛卡爾坐標(biāo)系，以超聲波發(fā)射源為零點(diǎn)位置，以沿超聲波發(fā)射方向的水平位置為x軸矢量正方向，以豎直向上為z軸矢量正方向，根據(jù)右手定律，確定y軸方向，設(shè)P₁點(diǎn)為超聲波接收器接收到超聲波信號(hào)時(shí)的坐標(biāo)點(diǎn)，則P₁點(diǎn)可以利用依次來確定，其中r為原點(diǎn)O與點(diǎn)P₁之間的距離，為從正z軸來看自x軸按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)到有向線段的角，θ為有向線段于z軸正向所夾的角，為有向線段OP與Z軸正向所夾的角，為線段OP在xOy平面的投影線段OA與x軸正向的夾角，通過超聲波接收器內(nèi)的第二傳感器可以測定的大小，從而可以確定OP在xOy平面內(nèi)的投影線段OA，超聲波發(fā)射器內(nèi)的第一傳感器可以測定OA與x軸正向的夾角θ的大小，從而可以確定法蘭表面上一點(diǎn)的坐標(biāo)，以同樣的方法再測定出P₂點(diǎn)與P₃點(diǎn)的坐標(biāo)，利用三點(diǎn)確定一個(gè)平面的原理就可以得到法蘭在空間中的位置，具體測量方法包括以下步驟：

(1)將測量裝置安裝在現(xiàn)場適當(dāng)?shù)钠秸恢蒙?，將超聲波接收器安裝在第一法蘭表面一處；

(2)接通機(jī)箱電源，打開電源開關(guān)，設(shè)定與法蘭盤相適應(yīng)的旋轉(zhuǎn)軸角度，設(shè)定超聲波發(fā)射頻率，按下控制面板上的復(fù)位按鈕，并打開藍(lán)牙開關(guān)；

(3)利用工業(yè)PDA機(jī)連接上藍(lán)牙信號(hào)，按下超聲波發(fā)射按鈕，PDA機(jī)記錄下的數(shù)據(jù)；

(4)取下超聲波接收器，將其安裝在第一法蘭表面的其它兩處，按照上述操作分別記錄下與的數(shù)據(jù)；

(5)利用同樣的方法記錄下第二法蘭表面三點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入PC電腦，通過三維數(shù)據(jù)處理軟件自動(dòng)將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成法蘭的空間位置。

在本發(fā)明中，超聲波接收器固定在法蘭的一個(gè)點(diǎn)上時(shí)，此時(shí)超聲波接收器是不移動(dòng)的，第二角度傳感器測量是以此時(shí)超聲波接收器接收到的信號(hào)與Z軸的夾角，而第一角度傳感器測量是OA線段與X軸的夾角，這個(gè)OA信號(hào)是第二角度傳感器傳來的，超聲波接收器，超聲波發(fā)射器以及兩個(gè)角度傳感器都是用藍(lán)牙連接在一起的，可以進(jìn)行信號(hào)及數(shù)據(jù)同步。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明的一種基于超聲波測距技術(shù)的合攏管測量裝置測量精度高，為合攏管安裝提供了可靠的數(shù)據(jù)，在保證生產(chǎn)質(zhì)量的同時(shí)提高了作業(yè)效率。

(2)本發(fā)明的一種基于超聲波測距技術(shù)的合攏管測量裝置利用藍(lán)牙數(shù)據(jù)同步技術(shù)，使操作更為簡便，測量數(shù)據(jù)記錄及時(shí)可靠。

(3)本發(fā)明的一種基于超聲波測距技術(shù)的合攏管測量裝置設(shè)備加工制造簡單，適用性廣，能用于各種行業(yè)合攏管的安裝制造，可以大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。

(4)本發(fā)明的一種基于超聲波測距技術(shù)的合攏管測量裝置設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡單，有效降低工業(yè)成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明另一角度的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明中測定P點(diǎn)坐標(biāo)中θ與角的原理示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1和圖2所示，本發(fā)明的一種基于超聲波測距技術(shù)的合攏管測量裝置，由機(jī)箱1、旋轉(zhuǎn)軸2、超聲波發(fā)射器3、超聲波發(fā)射器5、第一法蘭4、第二法蘭7組成。所述機(jī)箱1的上方設(shè)有旋轉(zhuǎn)軸2，超聲波發(fā)射器3安裝在旋轉(zhuǎn)軸2的上方，在待測合攏管的第一法蘭4與第二法蘭上7安裝超聲波接收器5，超聲波發(fā)射器3與超聲波接收器4，第一角度傳感器與第二角度傳感器通過藍(lán)牙信號(hào)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。

在本發(fā)明中所述機(jī)箱1上安裝有控制面板6，控制面板6上包括電源開關(guān)9、正常運(yùn)行指示燈10與警示燈11，在控制面板右側(cè)設(shè)有兩排按鈕7，用于控制超聲波發(fā)射與復(fù)位、設(shè)置超聲波發(fā)射頻率(38KHz～42KHz)與旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度及控制藍(lán)牙開啟和關(guān)閉，機(jī)箱1下方設(shè)有電源接口12，所述超聲波發(fā)射器3的端部設(shè)有一半球形超聲波換能器13，發(fā)射角度范圍為-90°～90°，所述超聲波發(fā)射器內(nèi)及超聲波接收器內(nèi)分別裝有第一角度傳感器與第二角度傳感器，分別用于測量θ與

在本發(fā)明中，所述機(jī)箱1內(nèi)安裝有電機(jī)，電機(jī)設(shè)有電機(jī)軸，電機(jī)軸上套有第一錐齒輪，所述旋轉(zhuǎn)軸2通過軸承套在機(jī)箱1上，旋轉(zhuǎn)軸2上套有與第一錐齒輪嚙合的第二錐齒輪。

一種利用上述基于超聲波測距技術(shù)的合攏管測量裝置，其測量根據(jù)是建立空間笛卡爾坐標(biāo)系，以超聲波發(fā)射源為零點(diǎn)位置，以沿超聲波發(fā)射方向的水平位置為x軸矢量正方向，以豎直向上為z軸矢量正方向，根據(jù)右手定律，確定y軸方向。如圖3所示，設(shè)P₁點(diǎn)為超聲波接收器接收到超聲波信號(hào)時(shí)的坐標(biāo)點(diǎn)，則P₁點(diǎn)可以利用依次來確定，其中r為原點(diǎn)O與點(diǎn)P₁之間的距離，為從正z軸來看自x軸按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)到有向線段的角，θ為有向線段于z軸正向所夾的角，為有向線段OP與Z軸正向所夾的角，為線段OP在xOy平面的投影線段OA與x軸正向的夾角，通過超聲波接收器內(nèi)的第二傳感器可以測定的大小，從而可以確定OP在xOy平面內(nèi)的投影線段OA，超聲波發(fā)射器內(nèi)的第一傳感器可以測定OA與x軸正向的夾角θ的大小，從而可以確定法蘭表面上一點(diǎn)的坐標(biāo)，以同樣的方法再測定出P₂點(diǎn)與P₃點(diǎn)的坐標(biāo)，利用三點(diǎn)確定一個(gè)平面的原理就可以得到法蘭在空間中的位置。具體測量方法包括以下步驟：

(1)將測量裝置安裝在現(xiàn)場適當(dāng)?shù)钠秸恢蒙?，將超聲波接收器安裝在第一法蘭表面一處；

(2)接通機(jī)箱電源，打開電源開關(guān)，設(shè)定與法蘭盤相適應(yīng)的旋轉(zhuǎn)軸角度，設(shè)定超聲波發(fā)射頻率，按下控制面板上的復(fù)位按鈕，并打開藍(lán)牙開關(guān)；

(3)利用工業(yè)PDA機(jī)連接上藍(lán)牙信號(hào)，按下超聲波發(fā)射按鈕，PDA機(jī)記錄下的數(shù)據(jù)；

(4)取下超聲波接收器，將其安裝在第一法蘭表面的其它兩處，按照上述操作分別記錄下與的數(shù)據(jù)；

(5)利用同樣的方法記錄下第二法蘭表面三點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入PC電腦，通過三維數(shù)據(jù)處理軟件自動(dòng)將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成法蘭的空間位置。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。