白小亮，閆 泓，劉 青，樊治海，余 志，韓新利，艾裕豐

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077； 2.渤海石油裝備制造有限公司 天津 300450)

0 引 言

油氣勘探開發(fā)過程中大量使用的油井管柱由錐螺紋緊密連接而成，最新發(fā)布的API螺紋標(biāo)準(zhǔn)對螺紋加工控制提出了更高要求，螺紋參數(shù)檢驗(yàn)項(xiàng)目翻番，而現(xiàn)有的檢測方法已沿用80多年，無法滿足生產(chǎn)線上的檢驗(yàn)需求，產(chǎn)品質(zhì)量的風(fēng)險顯著增加。本文以設(shè)計非接觸式的[1]、高效的、滿足API螺紋標(biāo)準(zhǔn)要求的外螺紋全參數(shù)自動測量系統(tǒng)為研究目標(biāo)，提出了一種新的基于機(jī)器視覺的螺紋測量方法[2]。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

石油管外螺紋全自動測量系統(tǒng)(簡稱全自動測量系統(tǒng))主要包括3個子系統(tǒng)：圖像采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)對待測接頭的螺紋牙型進(jìn)行高分辨成像，生成高分辨照片以供分析；圖像處理系統(tǒng)通過特定算法對照片進(jìn)行處理，獲得螺紋牙型邊緣的精確信息；參數(shù)計算系統(tǒng)則根據(jù)API螺紋標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定對接頭的螺紋單項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計算，獲得測量結(jié)果。系統(tǒng)測量流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)測量流程圖

1.1 圖像采集及定位系統(tǒng)的設(shè)計

1.1.1 圖像采集系統(tǒng)

全自動測量系統(tǒng)采用機(jī)器視覺方式。機(jī)器視覺技術(shù)即用機(jī)器代替人眼進(jìn)行測量和特征提取的技術(shù)。機(jī)器視覺系統(tǒng)通過圖像攝取裝置將被攝目標(biāo)轉(zhuǎn)化為圖像信號。該信號在經(jīng)過圖像處理系統(tǒng)的處理后會將被攝物體的形態(tài)信息轉(zhuǎn)化為像素分布模式。全自動測量系統(tǒng)通過對像素分布模式的計算最終獲得被測物體的幾何信息。

在全自動測量系統(tǒng)中，待測接頭被安裝于遠(yuǎn)心平行光源和遠(yuǎn)心鏡頭之間的中線上。螺紋圖像通過平行光源照明、CCD加遠(yuǎn)心鏡頭采集后被導(dǎo)入圖像處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)非接觸式快速采集，取代傳統(tǒng)的人工測量過程。圖像采集系統(tǒng)設(shè)計及實(shí)物圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 圖像采集系統(tǒng)設(shè)計圖

圖3 圖像采集系統(tǒng)實(shí)物圖

在該系統(tǒng)中，使用了雙遠(yuǎn)心鏡頭作為CCD相機(jī)成像鏡頭，遠(yuǎn)心平行照明器作為照明光源。這種檢測方式可以一次獲取到一張完整螺紋圖像，沒有運(yùn)動部件，提高了檢測效率及檢測精度。雙鏡頭方式還可以實(shí)現(xiàn)大直徑螺紋的測量。

針對該系統(tǒng)要求，選擇意大利OPTO雙遠(yuǎn)心鏡頭，型號為TCUV12080，參數(shù)為：

對應(yīng)CCD靶面型號1/1.8 in(1 in=25.4 mm)；接口類型C口；工作距離221 mm；放大倍率0.08；景深102 mm；視場88.8 mm66.9 mm。

1.1.2 空間定位方法

為了對接頭螺紋參數(shù)進(jìn)行測量，在圖像采集完成后需要對接頭影像進(jìn)行空間定位以確定基準(zhǔn)坐標(biāo)系。

首先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定具體規(guī)格的油管螺紋標(biāo)準(zhǔn)輪廓并置于基準(zhǔn)位，定義為基準(zhǔn)輪廓。對油管外螺紋輪廓線圖像處理并邊緣檢測和提取完成后，將待測螺紋的輪廓位置與基準(zhǔn)輪廓進(jìn)行比對，可看做為三維空間的兩物體之間的位置比對。由于待測螺紋放置位置固定，因此進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為待測螺紋輪廓位置在Z軸偏移及X軸偏移即能與基準(zhǔn)位重合。找到一根定位曲線代表待測螺紋的輪廓位置，將待測螺紋的輪廓定位線與基準(zhǔn)輪廓位置定位線進(jìn)行比對，找到兩者之間的位置關(guān)系，如圖4所示。

圖4 基準(zhǔn)輪廓與待測螺紋輪廓的空間關(guān)系

牙側(cè)線與定位線的空間關(guān)系如圖5所示。將左右牙側(cè)線延長線交點(diǎn)與相鄰牙的左右牙側(cè)線延長線交點(diǎn)連接起來作為定位線，它作為定位線的優(yōu)勢是理論上與中徑線平行，在定位和螺紋參數(shù)的計算采用同一套數(shù)據(jù)源，減少了對精度的干擾。

圖5 牙側(cè)線與定位線的空間關(guān)系

根據(jù)幾何關(guān)系可得定位線斜率為：

(1)

待測油管輪廓需要調(diào)整的角度為：

α=|arctanks-arctanko|

(2)

式(1)、式(2)中，kx+2左為待檢測石油管外螺紋第x+2牙的左側(cè)牙側(cè)角斜率；kx+2右為待檢測石油管外螺紋第x+2牙的右側(cè)牙側(cè)角斜率；kx+1左為待檢測石油管外螺紋第x+1牙的左側(cè)牙側(cè)角斜率；kx+1右為待檢測石油管外螺紋第x+1牙的右側(cè)牙側(cè)角斜率；kx左為待檢測石油管外螺紋第x牙的左側(cè)牙側(cè)角斜率；kx右為待檢測石油管外螺紋第x牙的右側(cè)牙側(cè)角斜率；ko為基準(zhǔn)輪廓的定位線斜率。

根據(jù)上述模型可以確定螺紋測量定位的步驟為：將待檢測油管的輪廓與基準(zhǔn)輪廓在任意一個方向上就定位線進(jìn)行比對，求出相差的角度α1，即待檢測石油管在該方向上需要調(diào)整的角度；接下來在另一方向上再次與基準(zhǔn)輪廓進(jìn)行定位線比對，獲得檢測石油管在該方向上需要調(diào)整的角度α2，完成待測外螺紋的空間定位。

1.2 圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計

圖像處理系統(tǒng)由圖像提取、圖像預(yù)處理兩個模塊組成。該系統(tǒng)主要對采集到的圖像進(jìn)行存儲和調(diào)用并對圖像進(jìn)行預(yù)處理。

1.2.1 圖像提取模塊

該模塊主要實(shí)現(xiàn)被采集圖像的存儲和分類，主要包括以下兩方面內(nèi)容：(1)對圖像采集系統(tǒng)采集到的待測油管輪廓進(jìn)行提取并將其存儲在指定文件夾；(2)通過旋轉(zhuǎn)按鈕，調(diào)用旋轉(zhuǎn)并更名的應(yīng)用程序，對剛采集的圖像進(jìn)行順時針旋轉(zhuǎn)并且更名為1、2、3、4、5；此時圖像被載入。

1.2.2 圖像預(yù)處理模塊

對原始螺紋圖像進(jìn)行多幀平均濾波去噪[3]，然后圖像經(jīng)過二值化處理后通過Sobel算法提取被測物體邊緣特征信號，再對邊緣信號進(jìn)行亞像素精確定位[4]，獲取更加精確的邊緣信息。圖像處理流程如圖6所示。

全自動測量系統(tǒng)中，在預(yù)處理階段，最有效的濾波方式為多幀平均濾波。

圖6 圖像處理流程

由于疊加于圖像上的噪聲是隨機(jī)非相關(guān)的、具有零均值的隨機(jī)噪聲，因此可以用幾張在相同條件下獲得的這種隨機(jī)圖像的平均值表示原圖像。若：

f(x,y)=g(x,y)+n(x,y)

(3)

式(3)中，f(x,y)為疊加了噪聲之后的圖像，g(x,y)表示無噪聲圖像，則可以用：

(4)

來估計g(x,y)。這種估計是無偏的，因?yàn)椋?/p>

(5)

其估計誤差為：

σ2fp=E{(fp(x,y)-g(x,y))2}

(6)

(7)

上式表明，當(dāng)對M幀相同圖像取平均后，可把噪聲的方差減小M倍，M越大，濾波效果越明顯。

多幀平均濾波法可以有效地消除圖像中的隨機(jī)噪聲的同時，又能夠保持圖像的真實(shí)面貌，尤其是對線性光圖像，它對線性光的峰值位置影響非常小，但是由于它將同時用到幾幀圖像，占據(jù)計算機(jī)的內(nèi)存資源，同時處理數(shù)據(jù)量較大，處理的速度較慢，考慮濾波效果和運(yùn)算時間，系統(tǒng)采用5幀平均濾波。

1.3 螺紋參數(shù)計算系統(tǒng)

螺紋參數(shù)計算系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)圖像處理結(jié)果對待測接頭的螺紋單項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計算并輸出結(jié)果。該系統(tǒng)主要由標(biāo)定測量模塊和螺紋參數(shù)測量模塊組成。

1.3.1 標(biāo)定測量模塊

采用平行邊標(biāo)定，具體方法為：拍攝一個固定直徑為10 mm的管子，通過平行邊標(biāo)定，計算實(shí)際尺寸和圖像像素的比例系數(shù)得到標(biāo)定系數(shù)，如圖7所示。

圖7 平行邊標(biāo)定

1.3.2 螺紋參數(shù)測量模塊

首先獲取外螺紋邊緣輪廓特征點(diǎn)。使用 Harris 算子[5]提取外螺紋的特征點(diǎn)，首先計算圖像中每個像素的平均梯度平方矩陣：

(8)

式(8)中，I(x,y)為圖像中坐標(biāo)點(diǎn)(x,y)的灰度，若某點(diǎn)對應(yīng)的平均梯度平方矩陣的兩個值較大，那么該點(diǎn)附近的一個微小移動將導(dǎo)致較大的灰度級變化，則說明該點(diǎn)為一個角點(diǎn)。

角點(diǎn)響應(yīng)函數(shù)為：

R=det(N)-k[trace(N)]

(9)

式(9)中，det()和trace()分別表示求矩陣的行列式和跡。

在利用上式進(jìn)行特征點(diǎn)提取時，凡是滿足R大于某一閾值T的像素點(diǎn)均被認(rèn)為是特征點(diǎn)。閾值T依賴于實(shí)際圖像的屬性，如尺寸、紋理等，但由于T不具有直觀的物理意義，其具體值難以確定，因此在實(shí)驗(yàn)中采取了間接確定T的方法，給出圖像中所需提取的最多可能的特征點(diǎn)數(shù)目Nmax，匹配程序即對可能的特征點(diǎn)按R值進(jìn)行排序，然后根據(jù)Nmax選取R值最大的若干像素點(diǎn)作為特征點(diǎn)。

采用Harris算子提取特征點(diǎn)后的圖像如圖8所示，從圖中可以看出，使用 Harris算子能夠很好地提取外螺紋接頭的邊緣特征點(diǎn)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供了較好的基礎(chǔ)。

圖8 Harris算子提取特征點(diǎn)

API 5B標(biāo)準(zhǔn)中對套管圓螺紋尺寸的規(guī)定如圖9所示。其中，螺紋的單項(xiàng)參數(shù)主要包括中徑、錐度、螺距p、齒高h(yuǎn)s及牙側(cè)角α等。上述參數(shù)的定義詳見標(biāo)準(zhǔn)，本文不再贅述。

圖9 API 5B標(biāo)準(zhǔn)中對套管圓螺紋尺寸的規(guī)定

首先需要確定錐度，通過對采集到的牙頂點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得到的斜率即為錐度；計算相鄰頂點(diǎn)間的距離即可得到螺距p。為了減小誤差，選取連續(xù)十個螺紋牙型，最后求螺距的平均值作為最終結(jié)果；進(jìn)一步對牙底點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，計算其與牙頂點(diǎn)擬合直線的距離得到齒高的計算結(jié)果[6]。

根據(jù)每一牙螺紋左右邊界的擬合直線計算牙側(cè)角[7]。其表達(dá)式為：

(10)

式(10)中，ki左和ki右分別為第i個齒的左邊界擬合直線和右邊界擬合直線的斜率。

螺紋中徑的計算較為復(fù)雜，由于一般情況下錐度不為0，因此中徑的計算等效為對中徑線的計算。根據(jù)API 5B標(biāo)準(zhǔn)，螺紋中徑線與齒頂軸線間的交點(diǎn)處的齒寬應(yīng)該與相鄰的槽寬相等。根據(jù)上述條件可以建立中徑線的迭代計算模型[8]。根據(jù)1.1.2節(jié)中空間定位方法可知，采集到的牙型曲線中過每個牙頂點(diǎn)的軸線為z軸方向，接頭中心線為y軸方向，如圖10所示。

圖10 中徑計算模型的坐標(biāo)系建立

設(shè)第i牙的頂點(diǎn)Pi的坐標(biāo)為(Pyi,Pzi),相鄰牙底點(diǎn)Qi的坐標(biāo)為(Qyi,Qzi)。過Pi軸線與中徑線的交點(diǎn)為MPi=(Myi,Mzi)=(Pyi,Mzi)。這樣，對中徑線的求解就轉(zhuǎn)化為對每一個牙求Mzi，具體步驟為：

第一步，定位齒i的頂點(diǎn)Pi并開始迭代，對時間步t定義尋址坐標(biāo)Zi(t)滿足：

Zi(t)=Pzi-δ·t

(11)

式(11)中，δ為迭代增量，一般取較小值，與特征點(diǎn)的采樣頻率相關(guān)。

第二步，根據(jù)每個尋址坐標(biāo)計算該位置上的齒寬1Li(t)和相鄰槽寬2Li(t)。

第三步，計算齒寬及相鄰槽寬的誤差：

ΔLi(t)=1Li(t)-2Li(t)

(12)

注意到ΔLi(t*)=0時齒寬與相鄰槽寬相等，此時的尋址坐標(biāo)Zi(t*)即為中徑線對應(yīng)的位置。根據(jù)上述模型確認(rèn)迭代終止條件為：

Θ=ΔLi(t*)·ΔLi(t*+1)0

(13)

根據(jù)式(13)可以計算出中徑線位置為：

(14)

對所有螺紋牙的中徑線位置作線性擬合即可得到待測接頭的中徑線。確定中徑線后可以進(jìn)一步計算出第i牙的牙頂高和牙底高分別為：

(15)

2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用新研制的石油管外螺紋全自動測量系統(tǒng)與IAC螺紋綜合掃描儀對同一螺紋接頭分別進(jìn)行測量，對新系統(tǒng)的有效性和測量精度進(jìn)行驗(yàn)證。

全自動測量系統(tǒng)采集的螺紋圖片如圖11所示?？梢钥吹?，該系統(tǒng)的圖像采集及處理模塊能夠生成邊緣清晰的螺紋牙型。

圖11 圖像灰度238的螺紋圖像

采用全自動測量系統(tǒng)與IAC螺紋綜合測量儀對同一樣品分別進(jìn)行連續(xù)10次測量，平均結(jié)果如表1所示。

表1 全自動測量系統(tǒng)測量結(jié)果與IAC實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

注：E1中徑在標(biāo)準(zhǔn)中無公差要求，表中公差通過緊密距換算取得。

兩套系統(tǒng)測量偏差最大的項(xiàng)目來自于E1中徑測量，考慮到該測量系統(tǒng)是針對產(chǎn)品螺紋的測量，且E1中徑測量項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)偏差不足產(chǎn)品公差的10%，整體分析，石油管外螺紋全自動測量系統(tǒng)測量結(jié)果與IAC螺紋綜合測量儀的測量結(jié)果基本一致，該系統(tǒng)能夠?qū)κ凸芡饴菁y的單項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量，能夠滿足API螺紋標(biāo)準(zhǔn)的檢測要求。

3 結(jié)束語

本文對石油管外螺紋全自動測量系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計與開發(fā)，其測量效率、測量精度可滿足API螺紋標(biāo)準(zhǔn)的檢測要求。相較于傳統(tǒng)檢測方法，該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)自動化高效檢測，并且未來還可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線上螺紋接頭的快速檢測及數(shù)據(jù)分析調(diào)用。然而也應(yīng)該看到,該系統(tǒng)目前尚不能對內(nèi)螺紋進(jìn)行檢測，后續(xù)將進(jìn)一步對其進(jìn)行優(yōu)化并完成內(nèi)螺紋檢測硬件的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)油套管接頭及接箍螺紋的自動化高效檢測。