近年来随着大口径管道在水利、石油、化工等行业的应用越来越多,企业对管道的质量要求也越来越高。大口径管道的内径、圆度及直线度是管道的重要几何参数,对其进行准确测量是保证管道加工质量的关键要素。目前在多数管道生产企业中,对大口径管道的内径、圆度及直线度的测量手段仍以人工测量为主,这种测量手段不仅测量不准确,而且效率低下,影响管道生产周期,降低了自动化程度。因此实现大口径管道的内径、圆度及直线度的自动化综合测量是目前需要解决的工程问题。为解决该问题,设计了一套管道测量系统,该系统能实现大口径管道的内径、圆度及直线度自动化非接触式测量。本文的主要研究内容如下:(1)详细介绍了管道测量系统的测量工作原理及系统构成,对测量系统的主要硬件选型进行确定,并利用LabVIEW开发平台设计了测量系统的数据采集程序,同时根据测量原理对机器人程序进行编程设计。(2)为保证系统的测量准确性,需保证机器人末端携带激光位移传感器沿管道轴线平行方向进入管道。为解决该问题,提出了测量系统的机器人姿态调整方案。首先,控制机器人末端携带激光位移传感器扫描被测管道截面,再利用最小二乘法对扫描的截面轮廓进行椭圆拟合,得到各截面中心点坐标,再将各截面中心点拟合空间直线,得到管道的轴线方程,进一步可得管道的轴线方向向量,再根据机器人姿态调整相关理论,可计算出相应的姿态调整量,上位机将数据反馈给机器人,机器人即可完成姿态调整,从而实现机器人末端携带激光位移传感器沿管道轴线平行方向进行测量。(3)为提高管道测量系统的圆度及直线度的评定精度,解决传统计算方法在圆度及直线度评定计算问题上存在着求解困难和求解精度不高的问题,将改进的鲸鱼优化算法应用于圆度及直线度误差评定中。首先对鲸鱼优化算法提出三方面改进策略,采用拉丁超立方体抽样方法进行种群初始化,将非线性收敛因子取代原算法中的线性收敛因子,并将非线性权重引入鲸鱼优化算法,经测试结果表明,改进后的鲸鱼优化算法在精度、稳定性及收敛速度上都得到了有效提高。最后以最小区域圆法和最小包容区域法数学模型为基础,将改进鲸鱼优化算法应用于圆度及直线度误差评定,并进行实例验证,结果表明,该算法提高了评定精度和收敛速度,能有效地应用在管道测量系统的圆度及直线度误差评定中。(4)搭建了管道非接触式测量实验平台。利用测量实验平台对被测管件的内径、圆度及轴线直线度进行测量实验和重复性实验,同时对机器人测量姿态调整方案进行实验验证,并对管道测量系统的误差来源进行分析。本文设计了管道测量系统,该系统能实现大口径管道的内径、圆度及直线度的自动化非接触式测量,并提出机器人测量姿态调整方案,保证了系统的测量准确性,同时将改进鲸鱼优化算法应用于圆度及直线度误差评定,提高了测量系统的评定精度。经实验验证,该系统的测量精度优于0.5mm,重复性精度优于0.25mm,具有较高的测量精度和重复性精度,能满足测量需求,具有一定的实际应用价值。