楊利強(qiáng)，高雷雷，李林聰，徐海英

1中石化勝利石油工程有限公司；2中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院

1 引言

鉆桿是石油管體的基本組成部分，為鉆井時傳遞動力、輸送泥漿的主要工具[1]。鉆桿一般在幾百米，甚至幾千米的地下工作[2]，在工作過程中承受著拉、壓、扭、彎曲等各種復(fù)雜的交變應(yīng)力載荷[3]，還會受到鉆井泥漿中的腐蝕介質(zhì)和地層氧化物的腐蝕。其中，起連接鉆桿作用的鉆桿螺紋受到的交變載荷最為復(fù)雜，復(fù)雜的受力情況導(dǎo)致鉆桿螺紋部位易發(fā)生損壞[4]。若鉆桿螺紋部位存在的損壞未被及時檢測而繼續(xù)使用，則易出現(xiàn)脫扣、滑脫、絲扣斷裂、粘扣等螺紋失效形式[5，6]。螺紋失效直接影響鉆井工作的正常進(jìn)行，嚴(yán)重時會發(fā)生鉆井事故，造成設(shè)備損失和人員傷亡。

目前，傳統(tǒng)的螺紋檢測方法為采用螺紋量規(guī)進(jìn)行的人工檢測[7，8]。公螺紋使用螺紋環(huán)規(guī)，母接頭使用螺紋塞規(guī)，但這種檢測方式工作效率低且易受人為因素和環(huán)境因素的影響。針對其弊端，國內(nèi)外學(xué)者也開展了螺紋自動化檢測技術(shù)及裝置的研究。如荷蘭的IAC公司生產(chǎn)的MSXP螺紋綜合檢測儀可實現(xiàn)螺紋輪廓的自動化檢測，但造價昂貴，且主要用于實驗室內(nèi)單個零件的螺紋檢測，在鉆桿維修車間與生產(chǎn)線無法使用[9]；通用的三坐標(biāo)測量機(jī)性價比高，應(yīng)用廣泛，但是在測量過程中需要對鉆桿進(jìn)行多次裝夾，會產(chǎn)生二次誤差，測量精度較低[10-12]。

本文根據(jù)舊鉆桿螺紋檢測存在的問題與發(fā)展需求，開展基于3D成像的鉆桿螺紋檢測研究，開發(fā)了一種全新的螺紋成像檢測技術(shù)。新技術(shù)具有精度高、自動化程度高及檢測性能穩(wěn)定等特點，可自動化識別舊鉆桿螺紋牙高、牙寬、螺距、錐度等參數(shù)，顯著提高了鉆桿螺紋的檢測效率與檢測精度，降低了工人勞動強(qiáng)度，對我國鉆桿螺紋自動化檢測水平的提升具有重要意義。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 螺紋檢測系統(tǒng)總體構(gòu)成

圖1為鉆桿螺紋自動化檢測樣機(jī)，主要由3D激光相機(jī)、電動旋轉(zhuǎn)平臺、電動直線平臺、三軸控制器、氣動三爪卡盤、氣泵、三爪卡盤安裝底盤、固定底座及計算機(jī)等組成。檢測系統(tǒng)通過計算機(jī)對控制器發(fā)出信號，使旋轉(zhuǎn)平臺上的3D激光相機(jī)可圍繞鉆桿螺紋旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)螺紋的成像掃描。

1.計算機(jī) 2.三軸控制器 3.鉆桿 4.電動直線平臺 5.3D激光相機(jī) 6.氣動三爪卡盤 7.電動旋轉(zhuǎn)平臺 8.移動車 9.固定底座 10.三爪卡盤安裝底盤 11.氣泵

2.2 檢測精度保證措施

由于鉆桿螺紋參數(shù)對檢測精度要求較高，需達(dá)到微米級，而系統(tǒng)的加工或裝配誤差會影響檢測精度。其中，3D激光相機(jī)的激光發(fā)射平面與鉆桿螺紋中心面之間的平行度公差以及3D激光相機(jī)的旋轉(zhuǎn)面和鉆桿內(nèi)孔之間的同軸度公差對系統(tǒng)檢測精度影響較大。為保證系統(tǒng)的檢測精度，檢測系統(tǒng)采用高精度旋轉(zhuǎn)平臺帶動相機(jī)旋轉(zhuǎn)保證了激光相機(jī)的激光發(fā)射平面和鉆桿螺紋的中心面之間的平行度公差；采用氣動三爪卡盤對鉆桿內(nèi)孔定心保證了激光相機(jī)的旋轉(zhuǎn)面和鉆桿內(nèi)孔之間的同軸度公差；采用高精度電動直線平臺帶動相機(jī)徑向移動保證了相機(jī)成像視野、景深、物距等參數(shù)的高精度調(diào)整。在氣動三爪卡盤安裝底盤與固定底座之間設(shè)置了四組彈簧，其連接方式變成了柔性連接，使安裝底盤能夠在一定范圍內(nèi)擺動，保證了在氣動卡盤定心過程中，其它硬件不會發(fā)生偏移或變形。

2.3 螺紋檢測系統(tǒng)工作原理

三爪卡盤與電動旋轉(zhuǎn)平臺固定安裝在安裝底盤的豎板上(見圖1)，電動直線平臺通過轉(zhuǎn)接板安裝在旋轉(zhuǎn)平臺的旋轉(zhuǎn)部分，其上方安裝激光相機(jī)。固定底座安裝在移動小車上端面，與安裝底盤之間通過鉸鏈連接，并安裝彈簧，使安裝底盤可繞固定底座在一定范圍內(nèi)擺動。通過三軸控制器控制電動旋轉(zhuǎn)平臺與電動直線平臺的旋轉(zhuǎn)與移動，實現(xiàn)相機(jī)軸向與徑向位置的調(diào)整。進(jìn)行螺紋檢測時，三爪卡盤在氣動泵作用下與鉆桿內(nèi)孔壁緊密貼合，完成鉆桿的定心。定心過程中三爪卡盤帶動安裝底盤、旋轉(zhuǎn)平臺和相機(jī)等繞固定底座擺動，定心完畢后電動旋轉(zhuǎn)平臺軸心與鉆桿軸心重合。開啟電動旋轉(zhuǎn)平臺對鉆桿螺紋進(jìn)行周向掃描，獲取螺紋圖像，經(jīng)軟件處理后即可獲得螺紋各參數(shù)數(shù)值，進(jìn)而判定螺紋是否合格。

2.4 螺紋檢測系統(tǒng)工作流程

鉆桿螺紋檢測系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 鉆桿螺紋檢測系統(tǒng)工作流程

(1)檢測系統(tǒng)移動至鉆桿螺紋處，將氣動三爪卡盤伸入鉆桿內(nèi)孔，啟動氣泵后三爪卡盤內(nèi)爪向外伸出，完成對鉆桿的夾持與定心。

(2)在計算機(jī)上設(shè)置電動旋轉(zhuǎn)平臺和電動直線平臺的運(yùn)動參數(shù)，打開3D激光相機(jī)并啟動旋轉(zhuǎn)平臺。

(3)3D激光相機(jī)隨旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)的同時發(fā)射線激光對螺紋進(jìn)行掃描，并將掃描信息傳輸至計算機(jī)。若線激光長度小于鉆桿螺紋長度，則一次掃描無法獲取完整的螺紋圖像，上位機(jī)軟件可控制直線平臺移動，調(diào)整3D激光相機(jī)的位置，進(jìn)行二次掃描。

(4)根據(jù)3D激光相機(jī)發(fā)送的信息，繪制螺紋圖像，并依靠螺紋圖像提取螺紋牙高、牙寬、螺距和錐度等參數(shù)。

(5)將上位機(jī)軟件顯示的螺紋參數(shù)數(shù)據(jù)與鉆桿螺紋標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行對比，判定鉆桿螺紋是否合格。

3 螺紋檢測系統(tǒng)控制軟件設(shè)計

螺紋檢測系統(tǒng)的控制系統(tǒng)可分為三部分：運(yùn)動平臺控制部分、成像部分和人機(jī)交互部分。運(yùn)動平臺控制部分主要控制電動旋轉(zhuǎn)平臺和電動直線平臺運(yùn)動，包括運(yùn)動平臺的啟動與停止、運(yùn)動速度、運(yùn)動方向及運(yùn)動狀態(tài)的設(shè)定等，另外還包括運(yùn)動平臺的初始化、旋轉(zhuǎn)平臺復(fù)位、旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)臺與上位機(jī)的通信以及旋轉(zhuǎn)臺急停等功能模塊的控制。成像部分主要是對3D激光相機(jī)螺紋圖像的獲取與成像的控制，包括3D激光相機(jī)的開啟與初始化、圖像繪制、螺紋參數(shù)計算以及螺紋參數(shù)判定等。人機(jī)交互部分是對系統(tǒng)硬件下達(dá)指令、顯示螺紋圖像、顯示螺紋參數(shù)數(shù)值以及最終結(jié)果判定的控制。

3.1 運(yùn)動平臺控制系統(tǒng)設(shè)計

美國NI公司開發(fā)的Labview軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力[13]。本文運(yùn)動平臺控制部分采用Labview軟件進(jìn)行開發(fā)。運(yùn)動平臺控制程序主界面主要分為兩部分：基本運(yùn)動控制界面和運(yùn)動方案控制界面?；具\(yùn)動控制界面包括運(yùn)動狀態(tài)顯示區(qū)、運(yùn)動控制區(qū)和速度設(shè)置區(qū)。運(yùn)動狀態(tài)顯示區(qū)顯示各軸的運(yùn)動狀態(tài)信息；運(yùn)動控制區(qū)用于設(shè)置軸的運(yùn)動距離和運(yùn)動方式；速度設(shè)置區(qū)用于設(shè)置各軸的速度參數(shù)。運(yùn)動方案控制界面主要是設(shè)置電動平臺的運(yùn)動參數(shù)和運(yùn)動方式。基本運(yùn)動控制與運(yùn)動控制界面分別見圖3和圖4。

圖3 基本運(yùn)動控制界面

圖4 運(yùn)動方案控制界面

圖5為軟件的主程序框圖，控制程序的主程序采用平鋪式順序結(jié)構(gòu)，順序結(jié)構(gòu)總共4幀，由數(shù)個子虛擬儀器(Virtual Instrumentation，VI)組成，分別是菜單初始化、讀取參數(shù)、隊列初始化、底層初始化、刷新、控制隊列、基本控制界面、運(yùn)行方案界面與方案解析。在軟件運(yùn)行后，前3幀子VI均執(zhí)行一次結(jié)束，第4幀的子VI為循環(huán)多線程執(zhí)行，方便用戶設(shè)置參數(shù)。

圖5 主程序

各子VI主程序框圖見圖6。在程序沒有隊列消息進(jìn)入時刷新子VI，給控制隊列子VI執(zhí)行刷新動作的消息，便于后續(xù)程序運(yùn)行?？刂脐犃凶覸I包含對刷新、常速度、加速度、減速度、坐標(biāo)設(shè)置、保存參數(shù)、定長運(yùn)動、連續(xù)運(yùn)動、絕對位置移動、用戶原點歸零、光電歸零以及停止運(yùn)動的操作；基本控制界面子VI所對應(yīng)的前面板界面為基本運(yùn)動控制界面，此子VI主要對旋轉(zhuǎn)平臺和3D激光相機(jī)進(jìn)行控制，如連接設(shè)備、斷開設(shè)備、速度設(shè)置、啟動、運(yùn)行、定長前進(jìn)、定長后退、連續(xù)前進(jìn)、連續(xù)后退以及用戶歸零等基本功能；運(yùn)行方案界面子VI主要完成對指令類型分揀、不同模式指令的處理工作，及對運(yùn)動方案的操作功能，如方案添加、方案插入以及方案保存等事件的處理。

(a)刷新子VI

3.2 3D成像程序設(shè)計

德國MVtec公司開發(fā)的Halcon機(jī)器視覺軟件是一套完整、標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器視覺算法包，擁有應(yīng)用廣泛的機(jī)器視覺集成開發(fā)環(huán)境。本系統(tǒng)的3D成像程序采用Halcon軟件編寫而成，主要對3D激光相機(jī)、旋轉(zhuǎn)平臺和直線平臺的動作進(jìn)行控制，包括3D激光相機(jī)的打開、3D激光相機(jī)初始化、旋轉(zhuǎn)平臺和直線平臺的初始化、旋轉(zhuǎn)平臺復(fù)位、繪制按鈕啟動、旋轉(zhuǎn)臺與上位機(jī)的通信、旋轉(zhuǎn)臺急停、螺紋參數(shù)計算以及螺紋參數(shù)判定等功能模塊。其中，界面初始化程序?qū)πD(zhuǎn)平臺、直線平臺、相機(jī)初始位置、相機(jī)采集指令與通信等功能進(jìn)行初始化操作，使系統(tǒng)進(jìn)行初始位置調(diào)整，為圖像采集作準(zhǔn)備；繪制按鈕啟動程序主要是調(diào)用繪制按鈕相關(guān)的啟動程序，使系統(tǒng)繪制螺紋圖像；螺紋參數(shù)計算程序是本系統(tǒng)開發(fā)的核心程序，用于提取和計算螺紋參數(shù)；螺紋參數(shù)判斷程序是在螺紋各參數(shù)提取與計算完畢后，判定螺紋是否合格，并輸出最終結(jié)果。

3.3 人機(jī)交互軟件

圖7為人機(jī)交互軟件界面，由C#軟件編寫而成，通過調(diào)用運(yùn)動平臺控制程序和3D成像程序編譯生成的動態(tài)鏈接庫(Dynamic Link Library，DLL)，完成人機(jī)交互界面的設(shè)計，實現(xiàn)集圖像顯示、數(shù)據(jù)處理分析、控制以及結(jié)果判定輸出為一體的人機(jī)交互軟件。

圖7 人機(jī)交互軟件界面

人機(jī)交互軟件的界面可分為四部分，左上角顯示采集的2D螺紋圖像，右上角為運(yùn)動平臺控制區(qū)，左下角為螺紋參數(shù)數(shù)據(jù)顯示區(qū)，右下角為螺紋判定結(jié)果輸出區(qū)，“NG”代表螺紋不合格，“Pass”代表螺紋合格。

4 現(xiàn)場試驗

4.1 不同視野成像試驗

通常選用API標(biāo)準(zhǔn)中的NC(數(shù)字型螺紋)系列標(biāo)準(zhǔn)鉆桿螺紋，現(xiàn)場試驗時選用NC50型號的鉆桿螺紋作為試驗對象，分別開展了大視野與小視野成像試驗，新螺紋與舊螺紋成像檢測試驗。大視野成像試驗螺紋見圖8，小視野成像試驗螺紋見圖9。由圖8與圖9可知，在不同視野條件下，均能實現(xiàn)螺紋輪廓的精確成像，且滿足檢測要求。

圖8 大視野2D螺紋圖像

圖9 小視野2D螺紋圖像

4.2 螺紋參數(shù)提取與檢測效率試驗

分別開展了鉆桿新螺紋與舊螺紋的成像檢測試驗，現(xiàn)場試驗見圖10。

圖10 現(xiàn)場試驗

本次試驗提取了牙型高度、牙頂寬度及螺距這3個對公差要求較高的參數(shù)數(shù)據(jù)，其中系統(tǒng)檢測和人工檢測的對比結(jié)果分別見表1與表2。由試驗結(jié)果可知，新螺紋各參數(shù)數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)值相差不大，都在標(biāo)準(zhǔn)公差范圍之內(nèi)。而舊螺紋在鉆桿使用過程中螺紋發(fā)生了磨損、變形等變化，其參數(shù)數(shù)值比標(biāo)準(zhǔn)值小，但仍在規(guī)定的范圍之內(nèi)。從檢測數(shù)據(jù)來看，系統(tǒng)檢測的螺紋參數(shù)較人工檢測更接近標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，更加精準(zhǔn)，數(shù)據(jù)波動范圍更小，表明螺紋自動檢測系統(tǒng)具有較高的檢測精度，滿足現(xiàn)場檢測使用要求。

表1 新螺紋參數(shù)提取結(jié)果 (mm)

表2 舊螺紋參數(shù)提取結(jié)果 (mm)

驗證螺紋檢測系統(tǒng)精度能達(dá)到使用要求后，開展數(shù)次大批量試驗，試驗結(jié)果見表3。由試驗結(jié)果可知，螺紋系統(tǒng)對新、舊螺紋檢測效率均遠(yuǎn)高于人工檢測的效率。

表3 現(xiàn)場試驗對比

5 結(jié)語

(1)通過分析現(xiàn)有鉆桿螺紋檢測技術(shù)存在的問題，提出了基于3D成像的螺紋檢測技術(shù)，研制了鉆桿螺紋自動化檢測裝置。該裝置采用高精度電動平臺帶動3D激光相機(jī)旋轉(zhuǎn)成像及氣動三爪卡盤定心的方式，保證了檢測精度，實現(xiàn)了鉆桿螺紋自動化掃描與檢測。

(2)基于Halcon 、Labview 及C#三款軟件開發(fā)了螺紋檢測系統(tǒng)的控制軟件、成像軟件與人機(jī)交互軟件。

(3)開展了現(xiàn)場試驗，對裝置的檢測精度與檢測功能進(jìn)行了驗證，對牙型高度、牙頂寬度及螺紋參數(shù)進(jìn)行了提取與判定。試驗結(jié)果表明，鉆桿螺紋檢測系統(tǒng)檢測速度快，測量精度高，操作方法方便快捷，滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。