安中望，尤睿琦，郝 剛*

(1. 中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津 300452；2. 天津理工大學(xué) 天津 300384)

0 引言

三維點(diǎn)云作為具有多維度信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)近些年被較廣泛應(yīng)用于螺紋測量[1]。目前，國內(nèi)外學(xué)者通過將二維圖像處理方法進(jìn)行拓展延伸，并結(jié)合三維點(diǎn)云信息特性[1]針對螺紋各參數(shù)測量提出了多種處理方法[2]。其中謝張寧[3]通過擬合點(diǎn)云凸包對螺紋點(diǎn)云的軸線進(jìn)行了確定；Kosarevsky S等[4]從獲得的2D點(diǎn)云中通過霍夫變換自動提取了螺紋的特征參數(shù)；史藝廣[5]以接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)得出的螺紋點(diǎn)云為基礎(chǔ)研究了中徑圓柱和外螺紋中徑的計算方法；He F等[6]提出了一種結(jié)合光學(xué)技術(shù)和圖像處理技術(shù)來測量管螺紋的物理尺寸的方法并進(jìn)行了分析；Min J[7]使用CCD獲得螺紋基本圖像，并且通過濾波、邊緣檢測和二進(jìn)制圖像生成測量了幾何參數(shù)，討論了利用機(jī)器視覺測量螺紋齒角參數(shù)的方法。因螺紋形制較多、測量參數(shù)變化較大等因素，研發(fā)對石油套管螺紋多個參數(shù)同時進(jìn)行自動檢測的系統(tǒng)有較大難度。本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過程中對石油套管螺紋檢測環(huán)境限制和測量參數(shù)要求，設(shè)計開發(fā)了一套基于三維點(diǎn)云技術(shù)對石油套管外螺紋測量的自動檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及測量流程

基于三維點(diǎn)云技術(shù)對石油套管外螺紋測量的自動檢測系統(tǒng)主要由3D掃描儀和計算機(jī)系統(tǒng)組成，可以安裝在螺紋加工生產(chǎn)線的檢測工位上。其中3D掃描儀主要用來獲得石油套管外螺紋的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，計算機(jī)系統(tǒng)主要用來控制系統(tǒng)運(yùn)行和對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得到螺紋多項(xiàng)參數(shù)的測量結(jié)果。

對實(shí)際生產(chǎn)過程中的石油套管螺紋進(jìn)行參數(shù)測量不同于在實(shí)驗(yàn)室測量：一是受到生產(chǎn)場地灰塵的影響會產(chǎn)生噪點(diǎn)；二是受到測量工位的影響使3D掃描儀只能得到待測工件螺紋的局部點(diǎn)云。同時，由于工件螺紋表面反光等因素也會產(chǎn)生大量噪點(diǎn)，這些因素綜合起來會嚴(yán)重影響測量結(jié)果。因此，測量系統(tǒng)首先要對得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪點(diǎn)處理，減少噪點(diǎn)對測量結(jié)果的影響，從而提高螺紋錐度測量精度。被測量石油套管實(shí)物及點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型如圖1所示。

圖1 被測量石油套管實(shí)物及點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型Fig.1 Physical object and point cloud data model of measured oil casing

測量系統(tǒng)整體流程如圖2所示。自動檢測系統(tǒng)的軟件主要包括自動測量、手動微調(diào)、后期處理三大部分。在自動測量部分，首先是點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型擺正和選擇分割平面處理。因?yàn)檩斎霐?shù)據(jù)是局部點(diǎn)云，系統(tǒng)設(shè)計了專門的算法來處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型擺正，同時能夠選擇出數(shù)據(jù)比較完整的分割平面，實(shí)現(xiàn)了分割平面自動選取。利用分割平面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和測量參數(shù)的幾何特征就可以針對每個參數(shù)進(jìn)行計算，然后得到對應(yīng)參數(shù)初步測量結(jié)果和與該工件匹配的螺紋型號標(biāo)準(zhǔn)值。為提升檢測精度，系統(tǒng)對初步測量結(jié)果進(jìn)行了二次降噪處理。得到初步測量結(jié)果后還能將輸入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、選取的分割平面和測量結(jié)果以圖形方式展示在人機(jī)交互界面中，可以通過手動調(diào)整分割平面等方法對初步測量結(jié)果進(jìn)行微調(diào)。在本次測量結(jié)束后，系統(tǒng)會將本次測量的輸入數(shù)據(jù)和測量結(jié)果一起保 存。如果后期對某次測量結(jié)果有疑問，可以使用系統(tǒng)的后期處理功能對某次的測量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和重新計算，即利用裝入數(shù)據(jù)功能讀入以前保存的輸入數(shù)據(jù)和測量結(jié)果，重新進(jìn)行測量計算和標(biāo)準(zhǔn)值匹配，也可以通過手動重選分割平面對該外螺紋的每個參數(shù)進(jìn)行重新計算。

圖2 測量流程圖Fig.2 Measurement flow chart

2 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)的軟件部分采用QT5.14.1編程語言開發(fā)，使用了OpenCV4.11和PCL1.11.1開源庫。利用開源庫中的一些函數(shù)可以對采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助處理，如過濾噪聲數(shù)據(jù)中的異常值、將3D點(diǎn)云拼接在一起、分割場景的相關(guān)部分、提取關(guān)鍵點(diǎn)計算、利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化等，從而在得到低噪聲和高可靠性點(diǎn)云數(shù)據(jù)的同時，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在某些處理步驟過程中的可視化功能。

考慮到復(fù)檢和檢測數(shù)據(jù)遷移需求，系統(tǒng)針對單個螺紋檢測設(shè)計了數(shù)據(jù)載入功能。自動測量功能可在選擇點(diǎn)云數(shù)據(jù)后自動得出該螺紋的多個參數(shù)檢測值。裝入數(shù)據(jù)功能可在裝載測量數(shù)據(jù)后針對上一次檢測參數(shù)值進(jìn)行顯示，同時顯示對應(yīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。作為實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)的測量結(jié)果還要與生產(chǎn)系統(tǒng)的工件型號和工件生產(chǎn)序號相關(guān)聯(lián)，通過分步實(shí)現(xiàn)保證了工件生產(chǎn)序號的唯一性和因測量次數(shù)不同產(chǎn)生的實(shí)際差異。

系統(tǒng)在讀取數(shù)據(jù)后會自動得出多個待檢測螺紋參數(shù)，在體現(xiàn)三維點(diǎn)云特性的同時還能對待測工件進(jìn)行多角度檢測及糾偏處理。

2.1 待測參數(shù)自動測量

系統(tǒng)依據(jù)待測工件型號、工件生產(chǎn)序號、工件掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動進(jìn)行擺正和分割平面選擇，得到該工件螺紋的多個參數(shù)檢測值。若本次測量為該工件首次測量，系統(tǒng)會將本次測量的輸入數(shù)據(jù)和測量結(jié)果一起保存起來，同時顯示本次測量結(jié)果，并將原始點(diǎn)云和分割平面示意顯示在整個點(diǎn)云顯示區(qū)域，輪廓線和輔助線顯示在可視化區(qū)域，測量結(jié)果顯示在參數(shù)顯示區(qū)域。若本次測量為該工件再次測量，系統(tǒng)會重新計算，并覆蓋原測量的輸入數(shù)據(jù)和測量結(jié)果。

2.2 重選分割平面

得到初步測量結(jié)果后，系統(tǒng)能將輸入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、選取的分割平面和測量結(jié)果以圖形方式展示在人機(jī)交互界面中，這時可手動調(diào)整分割平面滑塊，選擇不同的繞z軸旋轉(zhuǎn)平面對螺紋點(diǎn)云進(jìn)行分割，從而實(shí)現(xiàn)對單個工件多個角度的多參數(shù)測量。每次調(diào)整結(jié)束后會立刻計算各項(xiàng)參數(shù)，并同步參數(shù)顯示區(qū)域與可視化顯示區(qū)域中的數(shù)據(jù)與圖形。

2.3 手動調(diào)整參數(shù)計算基準(zhǔn)位置

基于三維點(diǎn)云技術(shù)的管螺紋測量系統(tǒng)要測量螺紋的多個參數(shù)，每個參數(shù)計算都要根據(jù)具體的幾何位置(基準(zhǔn)位置)才能得到測量結(jié)果。為減少系統(tǒng)自動測量產(chǎn)生的誤差，在極少數(shù)情況下需要手動對參數(shù)計算的基準(zhǔn)位置進(jìn)行微調(diào)以得到更為精確的結(jié)果。在人機(jī)交互界面中點(diǎn)擊各調(diào)整按鈕(斜率、尺高、螺距)，并按操作提示手動操作就可以對基準(zhǔn)位置進(jìn)行微調(diào)。手動調(diào)整后，系統(tǒng)就對該參數(shù)進(jìn)行重新計算，參數(shù)的新計算結(jié)果會同步顯示在人機(jī)交互界面中。

2.4 數(shù)據(jù)保存

螺紋的全部參數(shù)計算完成后，最后一次選中的分割平面將會被記錄，對應(yīng)的自動測量結(jié)果和系統(tǒng)參數(shù)也會被記錄，參數(shù)顯示區(qū)域數(shù)值記錄為最終測量結(jié)果。點(diǎn)擊保存按鈕，這些數(shù)據(jù)就會被保存起來，系統(tǒng)則會自動回到系統(tǒng)初始頁面。

以上功能均預(yù)留api接口，按順序調(diào)用即可對油套管螺紋參數(shù)進(jìn)行自動測量并保存結(jié)果。

3 測量結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)對基于三維點(diǎn)云的管螺紋自動檢測系統(tǒng)的可行性和檢測準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，如圖3所示?？梢钥闯鱿到y(tǒng)能夠針對工件的多個螺紋參數(shù)進(jìn)行測量并自動與工件螺紋參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。

圖3 系統(tǒng)驗(yàn)證圖Fig.3 System verification diagram

通過多次實(shí)驗(yàn)并與標(biāo)準(zhǔn)值比較分析，本系統(tǒng)得到的螺紋參數(shù)平均測量精度如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于三維點(diǎn)云的管螺紋自動檢測系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對螺紋參數(shù)的測量，而且能得到比較滿意的測量精度，可以滿足石油套管外螺紋加工企業(yè)的檢測需求。

表1 檢測精度表Tab.1 Detection accuracy table

4 總 結(jié)

基于三維點(diǎn)云的測量是產(chǎn)品質(zhì)量檢測的重點(diǎn)研究方向，與柔性測量和自動測量互相結(jié)合的技術(shù)更是目前亟待解決的技術(shù)難題之一。本文設(shè)計了管螺紋的檢測流程，開發(fā)了可以對多種尺寸石油套管外螺紋參數(shù)進(jìn)行自動測量的計算機(jī)系統(tǒng)。但該系統(tǒng)在點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)噪點(diǎn)處理、參數(shù)計算模型、測量精度和處理全自動化方面還有進(jìn)一步提升的空間，這也是下一步研究工作的重點(diǎn)。