（动力机械及工程专业论文）ytg型外螺纹参数非接触检测系统的研制.pdf

，j - c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fd e n g r e s e a r c ho fn o n c o n t a c td e t e c t i o n s y s t e m f o ry t g - - t y p ee x t e r n a lt h r e a d pa r a m e t e r s c a n d i d a t e ：b a ox i a o d o n g s u p e r v i s o r ：p r o f t e n gw a n q i n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：d y n a m i c a la n dm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：j u n e ，2 010 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：j u n e ，2 010 u n i v e r s i t y ：h e i l o n g j i a n gu n i v e r s i t y i ， _ 一 耳1一： 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，f h 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人多担。 作者( 签字) ：忍。t v 正、 日期：力卯d 年多局9 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部 作者( 签字) ：彦。、，五一 日期：刎口年厂月日 鹣 编 0甘 ：彩p 澎 ：矽暑“ 一丁 p 撇三 y t g 型外螺纹参数：| f ：接触检测系统的研制 摘要 本课题来源于黑龙江大学和大庆益朗司特石油专用管有限责任公司的合 作项目。 针对目前套管螺纹参数检测效率低和可靠性低等问题，本文参照a p i 标 准( 美国石油学会) 对螺纹几何尺寸的有关规定，结合现有图像检测理论， 提出了非接触式检测螺纹参数的方法。对套管外螺纹各项几何参数进行检测， 并对其中的图像处理技术进行了分析研究。 该检测系统工作原理为：通过二自由度平台运动，利用c c d 相机采集螺 纹图像，通过图像采集卡生成图像文件，然后通过计算机对所采集到的图像进 行数字处理，得到螺纹的轮廓图像。螺纹轮廓图像( 以像素点数量表示) 与实 际尺寸之间具有一一对应的线性关系，即两者之间的测量比为常数k 。通过一 定的算法计算出螺纹的几何参数，最后与标准尺寸相比较判断是否合格。 在机械系统设计中，考虑现场情况和图像处理要求，分别进行了相机除 尘设计，暗箱设计和减振设计，同时完成了装配图。 在图像预处理过程中，采用了中值滤波进行图像降噪，同时进行图像增 强处理。实验表明，中值滤波后的图像均匀，噪声消除效果良好，能得到很 好的边界信息。 螺纹参数检测的关键在于提取边缘轮廓，本文分析了螺纹边缘轮廓的几 种提取算法，包括r o b e r t s 算子，s o b e l 算子、l a p l a c i a n 算子和c a n n y 算子， 通过分析比较，选择c a n n y 算子进行边缘检测。在得到螺纹边缘轮廓后，需 进行轮廓边缘拟合，本文分析了直线拟合和圆拟合两种方式。最后选择圆拟 合方式。 实验表明，该检测系统实现了套管螺纹参数的非接触检测，检测速度快、 精度较高，是非接触检测套管外螺纹参数的一种有效方法。 关键词：c c d ；套管螺纹参数；轮廓拟合 一 y t g 型外螺纹参数非接触检测系统的研制 a b s t r a c t t h es u b j e c tb e n e f i t sf r o mt h ec o o p e r a t i o np r o j e c tb e t w e e nh e i l o n g j i a n g u n i v e r s i t ya n dy i l a n g s i t ep e t r o l e u ms p e c i a lt h i m b l ec o l t d i nd a q i n g a i m i n ga tt h ep r o b l e m so fl o we f f i c ie n c ya n dl o wr e l i a b i l i t yi nt h ed e t e c t i o n o ft h i m b l et h r e a dp a r a m e t e r s ，a c c o r d i n gt oa p is t a n d a r d ( a m e r i c a np e t r o l e u m i n s t i t u t e ) a b o u tt h r e a ds i z ea n de x i s t i n gi m a g ed e t e c t i o nt h e o r y , an o n - c o n t a c t d e t e c t i o n w a y f o re x t e r n a lt h r e a d p a r a m e t e r s i s p r e s e n t e d ，t h eg e o m e t r i c p a r a m e t e r s o ft h i m b l ee x t e r n a lt h r e a di sd e t e c t e da n d i m a g ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g i e sa r ed i s c u s s e di nt h ep a p e r t h ep r i n c i p l eo ft h ed e t e c t i o ns y s t e mi s ：b ya c t i o no f2 d o fp l a t f o r m ，w e t a k eat h r e a d p i c t u r eb yc c dc a m e r aa n dg e n e r a t ei m a g e f i l e b yi m a g e a c q u i s i t i o nc a r d ，a n dg e t t h et h r e a dc o n t o u rb yd i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g y t h ec o n t o u ri np i c t u r ei sp r o p o r t i o n a lt ot h ea c t u a lo n e ，a n dt h er a t i o i sac o n s t a n tkd e t e r m i n e db yc c dc a m e r am a g n i f i e dr a t i o b yc a l c u l a t i n gt h e g e o m e t r yp a r a m e t e r sa n dc o m p a r i n gw i t ht h ed e f i n i t i o ns i z e ，w ec a nj u d g e w h e t h e ri ti sq u a l i f i e d a c c o r d i n gt ot h es i t e c o n d i t i o n sa n di m a g ep r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t s ，w e d e s i g nt h ec a m e r ar e m o v i n gd u s tm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，c l o s e db o xm e c h a n i c a l s t r u c t u r ea n dr e d u c t i o nv i b r a t i o nm e c h a n i c a ls t r u c t u r e a n da s s e m b l yd r a w i n gi s c o m p l e t e d t h i sp a p e ra d o p t st h em e d i a nf i l t e rt or e d u c et h ei n t e r f e r e r s ，u s e si m a g e e n h a n c e m e n tt oe n h a n c ei m a g ec l a r i t y a c c o r d i n gt ot e s t i n g ，w ec a nm a k et h e c o n c l u s i o nt h a tt h em e d i a nf i l t e r i sb e n e rt h a no t h e rw a y s t h ei m a g ei sc l e a r e r a n dt h ec o n t o u rl i n ei sw e l lp r e s e r v e d t h ek e yo fd e t e c t i o nt h r e a dp a r a m e t e r si se x t r a c t i o no fi m a g ec o n t o u lt h e 哈尔滨下程大学硕士学位论文 p a p e ra n a l y z e ss e v e r a lt h et h r e a dc o n t o u re x t r a c t i o na l g o r i t h m s ，i n c l u d i n gt o r o b e r t sa l g o r i t h m ，s o b e la l g o r i t h m ，l a p l a c i a na l g o r i t h ma n dc a n n ya l g o r i t h m w ec h o o s ec a n n yc o n t o u rd e t e c t i o na l g o r i t h mt h r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n c o n t o u rj o i n ti sn e c e s s a r ya f t e rg e t t i n gt h r e a dc o n t o u r s ot h ep a p e rp r e s e n t st w o w a y s ：l i n ej o i ma n dc i r c l ej o i n t a tl a s tw ec h o o s ec i r c l ej o i n tw a yt op r o c e s s c o n t o u r 。 a c c o r d i n gt ot e s t i n g ，t h es y s t e mr e a l i z e sn o n _ c o n t a c td e t e c t i o no ft h i m b l e j t h r e a dp a r a m e t e r s ，a n dr e s u l t st of a s td e t e c t i o n s p e e d a n dw e l l p r e c i s i o n t h e r e f o r e ，i ti sa ne f f e c tw a yf o rt h i m b l et h r e a dn o n c o n t a c td e t e c t i o n k e yw o r d s ：c c d ；t h i m b l et h r e a dp a r a m e t e r s ；c o n t o u rj o i n t y t g 型外螺纹参数非接触检测系统的研制 目录 第1 章绪论l 1 1 课题研究的目的和意义1 1 2 螺纹参数检测的国内外发展状况5 1 3 课题研究的主要内容1 0 第2 章总体方案设计1 2 2 1 套管外螺纹检测标准1 2 2 2 检测系统设计方案1 4 2 3 子系统方案设计1 6 2 3 1 机械系统1 7 2 3 2 光学系统18 2 3 3 运动控制系统2 2 2 3 4 人机交互界面2 3 2 4 本章小结2 7 第3 章机械系统设计2 8 3 1 机械系统方案2 8 3 2 关键零部件设计2 9 3 2 1 工作台设计2 9 3 2 2 暗箱设计2 9 3 2 3 导轨设计3 0 3 2 4 夹持装置设计31 3 2 5 减振装置设计3 2 3 3 本章小结3 3 第4 章套管螺纹图像处理方法3 4 4 1 螺纹图像采集3 5 哈尔滨工程大学硕十学位论文 4 2 螺纹图像预处理3 6 4 2 1 螺纹图像滤波”3 6 4 2 2 螺纹图像增强”3 9 4 3 图像边缘处理3 9 4 3 1r o b e , s 算子“4 1 4 3 2s o b e l 算子4 1 4 - 3 3l a p l a c i a n 算子4 2 4 3 4c a n n y 算子4 3 4 3 5 图像拟合”4 8 4 4 套管螺纹参数检测5 4 4 4 1 牙型高度的测量5 4 4 4 2 螺距的测量”5 6 4 4 3 锥度的测量“5 7 4 5 本章小结6 0 结论6 1 参考文献”6 3 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 7 致谢6 8 个人简历6 9 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 本课题来源于黑龙江大学和大庆益朗司特石油专用管有限责任公司的合 作项目。大庆油田是我国东北部重要的石油工业基地，在钻井采油过程中， 需要使用大量的石油套管。使用时，通过套管接箍将单根1 0 米长的石油套管 连接成长达数千米的管柱，并在井下长时间承受拉伸、弯曲、外压及内压等 复合载荷的作用。螺纹连接部位是油井管柱最薄弱的环节，其质量低劣将导 致脱扣、泄露、粘扣等失效事故，甚至导致恶性事故，造成重大经济损失。 一旦事故发生，因处理事故所造成的经济损失少则几十万，多则几百万，甚 至导致整口井报废。据有关资料统计，套管柱8 6 的失效事故发生在螺纹连 接部位。螺纹检测的目的就是将质量不合格的螺纹检查出来，防止不合格螺 纹连接，以便最大限度地避免或减少失效事故的发生。因此，石油套管的螺 纹主要应具备两个功能：结构完整性，就是螺纹啮合后应具备足够的连接强 度，不至于在外力的作用下使结构受到破坏：密封完整性，就是要能保证含 有数以百计螺纹连接接头的管柱在承受内外压差( 一般为几百个大气压) 下 长期不发生泄漏。螺纹的连接强度和密封性能是油井套管极为重要的两个技 术指标。 目前对螺纹表面质量的认定还是通过目测或触摸来判定，而对其几何尺 寸的测定基本采用单项参数测量仪进行接触式检测，主要检测参数包括螺距、 锥度和高度。如图1 1 所示为外螺纹螺距测量仪，其下面有两个测头，分别为 定测头和动测头，动测头可以绕着转轴转动，将测头卡在螺纹牙中( 8 牙或者 1 0 牙的长度) ，以定测头为中心点往复摆动即可测量螺距，然后从表盘中读取 数据。如图1 2 所示为螺距标准块，用于标定两个测头之间的长度。如图1 3 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 所示为外螺纹锥度测量仪，包含有两个测头，通过两次测量获得螺纹的锥度， 每次从表盘中读取数据。如图1 4 所示为手工检测外螺纹高度测量仪，其下面 有一个动测头，也是通过摆动测得数据。如图1 5 所示为螺纹高度标准块，用 于标定高度测量仪。如图1 6 所示为测量仪使用的测头。如图1 7 所示为锥度、 螺距和螺纹高度测量仪测量的方法。 从图中可以看出，单项参数测量仪都采用齿轮传动指针式测量仪表，测 量仪表的分辨率一般不超过0 0 2 5 m m ，其优点是操作简单、适用于现场测量， 但是标准块需要定期检测，同时普遍存在精度不高、测头容易磨损、重复性 波动大和操作繁琐等缺点，而且容易引入人为误差因素。 图1 1 外螺纹螺距测量仪 图1 2 螺距标准块一 。 2 第1 章绪论 ” j i l 八 翰测头i 】 燃豳 沙 u 参 k 。、。玎e 一 l i l l l ； 图1 3 外螺纹锥度测量仪图1 4 外螺纹高度测量仪 图1 5 高度标准块 蚤蛋釜逢 图1 6 测头 图1 7 外螺纹测量仪 随着现代工业自动化生产中各种各样检查、测量和零件识别需求的增加， 3 哈尔滨工程大学硕士学何论文 以及连续大批量生产中对产品外观质量和加工制造过程中不断提高测量精确 度要求，很多时候这些工作已经不能够靠人工检测来完成。因此，人们开始 考虑把计算机的快速性、可靠性、结果的可重复性与人类视觉的高度智能化 和抽象能力相结合，从而产生了机器视觉测量的概念。机器视觉系统是指通 过机器视觉产品( 即图像摄取装置，分c m o s 和c c d 两种) 将被摄取目标 转换成图像信号，传送给用的图像处理系统，再根据像素分布和亮度、转变 成数字信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根 据判别的结果来控制现场的设备动作。由于在大批量工业生产过程中，用人 工视觉检查产品质量效率低且精度不高，而用机器视觉检测方法可以大大提 高生产效率和生产的自动化程度。 虽然，国内机器视觉技术已经起步并且在工业现场开始得到应用。但是 由于成本高昂，通常无法满足中小企业的需求。因此，利用现有的技术，进 行适当的简化，研制一种小型、易操作、成本较低、精度满足需求的机器视 觉几何量测试系统，具有重要的实际意义。在保证一定精度前提下，使机体 小型化，进一步提高自动化和智能化程度，提高软件的品质，使之适用于工 业现场的离线检测，以期其部分功能可以代替进口产品的三维视觉系统，且 具有良好的市场前景。 本项目利用面阵c c d 在非接触式在线检测方面的显著优势，提取套管 螺纹的数字图像，应用数字图像处理技术的相关原理与方法，提取出螺纹边 缘轮廓图像，运用数字图像测量技术，以合理的算法作为支撑，实现对套管 外螺纹部分几何参数的测量。以面阵c c d 摄像机为基础的图像处理技术， 具有检测速度快、分辨率高、精度高和稳定性好等特点，对螺纹进行检测分 析，做出评定，可有效减少不合格螺纹下井，预防套管失效，从而保证油田 的高产、稳产。因此本课题的研究将是非接触式在线检测技术与生产实际相 结合的一个典型应用范例，具有极高的生产实践应用价值，还有广泛的适用 性，并可以走向产业化。 4 第1 章绪论 1 2 螺纹参数检测的国内外发展状况 为解决了石油管螺纹的互换性问题，保证螺纹接头的连接强度和密封性 能，美国石油学会在二十世纪3 0 年代定制了石油管螺纹加工和检验规范， a p i 标准规定的石油螺纹质量检验包括螺纹单项参数检测和综合检测两部分 内容，其中综合检验用a p i 螺纹量规迸行，螺距、螺纹高度、锥度等螺纹单 项参数则用石油螺纹单项参数测量仪及其他仪器进行检测。 目前，国内外对螺纹检测的方法分为接触式测量法和非接触式测量法。 在接触式测量法中，例如德国k o r d t 螺纹检具如图1 8 所示，能够检测包括内 外螺纹的小中大径，球螺纹，锥螺纹等各式螺纹以及各种标准的螺纹，检测 精度在0 0 2 m m 左右。 如图1 9 所示为美国环球螺纹参数测量仪，为可准确测量多项螺纹参数 的组合系统，可快速的测出有效尺寸、大径、中径、底径、锥形度及圆度等。 不像普通螺纹环规或塞规，必需加入测量者主观判断，导致质量不稳定及可 能产生废料，造成时间和材料损失。该测量仪可准确读出数据，让操作者准 确调整机台，可监控螺丝制造过程中的变异，及时调整，避免超出容许误差 界限。 图1 8 德国k o r d t 螺纹检具图1 9 美国螺纹测量仪 美国j o h n s o ng a g e 公司是螺纹测量仪器专业制造厂家，已经有6 0 年历 史，可以根据用户的不同需求，设计制造专用的螺纹零件测量仪器，螺纹综 合参数测量仪是其中一款产品如图1 1 0 所示。主要是采用指示表或数显表直 哈尔滨工程大学硕士学位论文 接测量出螺纹中径和作用中径等综合参数的实际大小，同时可以测量螺纹本 身的形状，如螺纹的锥度、螺纹的圆度、形状，还可以定性的检测螺纹的螺 距和牙形半角，检测与螺纹基准有关的其它特征的几何参数，如同轴度、锥 度、跳动、端面垂直度等其它几何尺寸和形位公差。其螺纹综合测量仪具有 以下特点：完全取代通止规的检测，有效的控制关键的螺纹配合；直接读出 中径值，间接分析出螺距和牙形半角误差；可实现以螺纹为基准，相对其他 元素的跳动、圆度和垂直度；可以检测特大螺纹和特小螺纹：可测量深孔内 螺纹；可通过数显表采集数据，输入计算机，进行数据统计分析并打印存档： 可测锥螺纹和丝杠螺纹( t 形螺纹) 。 在线手持式螺纹测量仪大外螺纹测量仪 台式指针式外螺纹测量仪手持式外螺纹测量仪 图1 1 0 美国螺纹综合参数测量仪 6 第l 章绪论 我国陕西省汉中万目仪电有限责任公司是生产管螺纹单项参数测量仪的 专业厂家，该系列产品广泛应用于石油行业，属于高精密仪器，共有2 0 多个 品种，主要用于石油油管、套管、钻杆锥形螺纹的锥度、螺距、高度等单项 参数的测量。产品设计合理，由刚性主体灵敏传动系统和高精度指示表组成， 使用方便可靠，可有效地控制和提高管螺纹的质量，是石油管螺纹加工验收 过程中不可缺少的重要检测工具，产品完全符合a p i 等国际通用标准中关于 检测仪器的规定。图1 1 到1 6 都是该公司的产品。 随着工业的发展，对螺纹连接的可靠性和互换性要求愈来愈高，对产品 质量在线检测监控技术的要求也越来越高。随着检测方法的不断改进，提出 了螺纹非接触检测方法。与接触式测量相比，非接触测试具有测试精度高、 数据多、效率高、无损伤等优点。由于工艺水平的提高，要求有速度快、柔 性强、精度高的新型传感器对所加工的产品进行在线的非接触检测，利用光 纤测螺纹则可以达到对测量的要求，并能够实现对螺纹的螺距、牙高、大径、 小径、齿厚等参数进行测量。 目前各国对于螺纹的非接触测量，在测量速度及测量精度等方而都有了 很大的提高。加拿大d a l a sc o r e o 公司研制了i p d 智能视觉系统，就是基于 视觉光学测量原理来完成检测任务的，利用高分辨率c c d 拍摄出检测螺纹 轮廓在横截面上的尺寸，并结合精密平台的x y 轴向位移和螺纹合格的判断 标准完成螺纹轮廓曲线的检测评价，此测量方法避免了接触式测量方式引起 的变形问题，提高了检测精度和检测效率。 如图1 1 1 所示为荷兰i a c 螺纹综合扫描测量仪，适用于圆柱螺纹塞规、 圆柱螺纹环规、锥螺纹塞规、锥螺纹环规、光面环规、光面塞规等各种内外 尺寸量规的作用中径、单一中径、大径、小径、螺距、牙型半角、牙型轮廓 偏差、轮廓角、锥度等参数的测量，操作简单方便快捷，应用范围广泛，具 有极高的测量不确定度，是各计量单位实验室进行此类参数检测的首选测量 仪器。仪器测量原理符合最新国际圆柱螺纹规测试规范要求v d i d e d g q 2 6 1 8 - 4 9 标准，螺纹综合扫描测量机为全自动测量，二分钟即可完成所有被 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 测参数的扫描测量，并显示所有测量结果。系统为简体中文l i n u x 操作系 统，操作方便。该螺纹扫描测量仪在中国、意大利、瑞士、英国、丹麦、荷 兰、德国、瑞典、比利时等国家实验室已经被广泛使用，在2 0 0 m m 长度范 围之内偏差为0 0 0 5 m m 。 图1 1 l 荷兰队c 螺纹综合扫描测量仪 如图1 1 2 所示为德国w e r t h 光学复合型测量仪，w e r t h 测量技术公司创 立于1 9 5 1 年，近3 0 年来w e r t h 专注于多传感器的三座标测量机的开发，主 要有三大系列( s c o p e 、v i d e o 、t o m o ) 测量仪，w e r t h 测量仪的应用范围非 常广泛，其数千个用户和上万台测量仪遍及全球，主要应用于汽车工业、航 空工业、电子工业、化工行业、医药行业、标准单位等，其测量精度达到 0 0 0 0 2 m m 。 图1 1 2 德国光学复合型测量仪 如图1 1 3 所示为英国b a t y 公司的v e n t u r e3 d 光学三坐标测量仪。 该系统采用高放大倍数的6 5 ：1 自动变焦镜头，高分辨率光栅尺o 1 u m ，高分 第1 章绪论 辨率1 3 ”彩色c c d 传感器，底光和顶光照明来提高零件的清晰度，其测量 精度达到0 0 0 0 5 m m 。如图1 1 4 所示为加拿大n d i 公司的便携式光学三坐标 扫描仪，采用视觉原理及激光( 或接触探针) 扫描技术，配合动态坐标系实 时测量系统，适用于现场各类工件扫描测量，在车身检查，零部件装配，模 具、夹具验正及逆向工程中广泛应用。目前为止，已有9 0 0 0 多台n d i 仪器 在全球各地为用户测量服务。该扫描仪重量轻，无光束，无关节臂的机械限 制、无限移动范围限制，可以连续手持扫描、测量范围大，针对测量对象不 同，仪器有多种不同测量头配置。 图1 1 3 英国的三坐标测量仪图1 1 4 加拿大的便携式光学三坐标扫描仪 如图1 1 5 所示为英国b a t ys m 3 5 0 型垂直光源投影仪，最适合测量平 面工具，有测量精度高、外形美观、结构紧凑的特点，其分辨率为0 0 0 1 m m ， 荧屏尺寸3 4 0 m m ，并有二条互成9 0 。的米字线，带有加紧簧片，放大倍数 为x 1 0 、x 2 0 、x 2 5 、x 5 0 、x 1 0 0 等型号，可以数字式角度测量。如图1 1 6 所示为我国思瑞测量技术( 深圳) 有限公司的s v m 系列影像测量仪，该装 置采用高精密花岗岩底座立柱，保证了机械系统的稳定性，底光和表面光采 用连续可调的l e d 冷光源，可避免造成被测物体的热变形，手摇式操作，可 切换快速移动，前置z 轴手轮，方便操作，完善的自动寻边界去毛刺功能， 减少人为误差，提高工作效率，自动聚焦指示功能，图文并茂的报表输出功 能，轻松输出检测结果。 9 哈尔滨：【程大学硕七学位论文 图1 1 5 英国垂直光源投影仪图1 1 6 深圳的影像测量仪 在螺纹参数非接触测量方面，哈尔滨工业大学进行了相关的理论和实验 研究。对锥螺纹中径的测量方法进行了研究，对图像的预处理、边缘检测、 像素细分、直线拟合等算法进行了比较研究，开发人机交互的操作界面。长 春理工大学所研制的激光内螺纹检测仪，是基于激光三角测量法研制的一种 高精度非接触全数字智能内螺纹测试仪。可以直接测试新螺纹的精确几何参 数，而且可以对有油腻、灰尘等情况下进行测试，通过计算机处理后得到螺 纹参数，可以判断螺纹的轴向损坏情况。该方法具有检测精度高，速度快， 智能化、测量范围大等突出优点，同时也可以应用于微小尺寸的高速测量如 微小机械零件的测量，高精度的产品的测量等。其他像青岛科技大学，西安 理工大学，武汉理工大学都分别进行了研究 】。 1 3 课题研究的主要内容 螺纹参数精度决定了螺纹零件的连接可靠性、装配精度和互换性，螺纹 旋接面质量的好坏也直接影响螺纹零件的承载能力。因此，对螺纹的检测不 仅要求准确获得螺纹参数也要对螺纹的形面质量做出评定，采用非接触检测 技术可以同时满足螺纹检测的两项要求。非接触检测技术能有效地控制螺纹 的加工精度，更好地保证螺纹连接的互换性和可靠性。通过轮廓扫描技术可 1 0 第1 章绪论 以直接分析螺纹加工工艺误差，评价形面加工质量，提高螺纹加工精度。 通过分析系统的工作环境和所要实现的功能，通过分析目前石油套管接 头的现阶段生产检测状况，通过检索各种参考文献，可以看出石油套管接头 的自动在线测量仍然处于研究阶段。本文主要是研制一套外螺纹参数检测系 统，在线检测外螺纹三项参数：螺距、锥度和高度。采用光学系统对外螺纹 成像，输入计算机系统进行图像处理，从而获得需要的数据，本项目涉及到 机械设计、光学、电工电子，机器视觉等技术。具体研究内容如下： l 根据现场情况和螺纹需要检测的参数，确定切实可行的总体设计方案。 包括机械结构方案、运动控制方案、光学检测系统方案和人机交互界面方案。 2 根据现场实际情况，进行系统机械结构设计，主要进行相机防尘设计， 相机夹持装置设计和减振系统设计等内容。 2 深入研究基于图像处理的非接触检测方法，并在螺纹在线检测系统中 加以应用。所设计系统包括：图像采集、预处理、边缘检测和螺纹几何参数计 算等部分，在对螺纹几何参数边缘目标提取过程中，根据图像测量的一般原 理与方法，通过几何计算提取出螺纹的几何参数，研究分析影响光测系统精 度的各种因素。 4 进行数据结果分析，联机实验，进行实验数据分析。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章总体方案设计 螺纹件在企业中应用非常广泛，因此螺纹参数检测是必要的工作，特别 是作为精密定位和测量元件的微动螺丝等，更占有重要地位。多年来国内外 研究出许多成熟的测量方法，并在生产中得到了广泛的应用，但主要采用接 触式检测手段，易导致工件表面损伤，检测速度慢，检测精度不高，而且引 入了人为误差。采用非接触在线检测消除了上述的缺点，是较好的检测方法。 因此，本文根据套管螺纹检测标准，以面阵c c d 为敏感元件，以图像检测 为基本原理，2 自由度运动平台为机体，采用v c + + 编程技术，设计一套非 接触在线螺纹参数检测系统方案，对螺纹实现在线检测。 2 1 套管外螺纹检测标准 目前我国油田生产使用的套管螺纹的检测标准为g b t 9 2 5 3 2 1 9 9 9 标准，是根据美国石油学会a p is p e c 5 b 套管油管和管线管螺纹的加工测 量和检验( 美国惯用单位制) ( 1 9 9 6 年第1 4 版) 编写而成的，该标准主要 使用在石油天然气工业的套管、油管和管线管螺纹加工测量和检验等方面。 本文设计的套管螺纹参数检测系统检测直径为1 3 9 m m 螺纹的三项参数： 螺距、锥度和牙型高度。如图2 1 所示为该套管螺纹系列的牙型，其具体尺 寸如表2 1 所示，根据g b t 9 2 5 3 2 1 9 9 9 检测标准，检测要求如表2 2 所 示。 1 2 第2 章总体方案设计 直径上锥度为6 2 5m m m 图2 1 套管螺纹牙型 表2 1 牙型高度尺寸单位：i l l r n 螺纹参数8 牙2 5 4 m m p = 3 1 7 5 h = 0 8 6 6 p 2 7 5 0 饥= 吃= 0 6 2 6 p 一0 1 7 8 1 8 1 0 s 。= s 。= 0 1 2 0 p + 0 0 5 1 0 4 3 2 s c s = s 。= q 。1 2 0 p + 0 1 2 7 0 5 0 8 注：h ，h ，h 。是根据对称圆柱螺纹而不是对称圆锥螺纹公式计算的，但其结果偏差对螺 距为3 1 7 5 m m 、锥度为6 2 5 m m m 或更小的螺纹来说可忽略不计。 表2 2 三项尺寸极限偏差 螺纹参数极限偏差 每2 5 4 m m 长度上直径偏差 + o 1 3 2 m m 锥度：6 2 5 m m m ( 8 牙) 一0 0 6 6 m m 螺距：每2 5 4 m m ( 8 牙)0 0 7 6 m m + o 0 5 l m m 牙型高度： 而，h 。 o 1 0 2 m m 在实际现场检测中，为了保证螺纹连接的可靠性和稳定性，大庆油田将 表2 2 中三项参数的极限偏差绝对值都进行缩小，因此其实际极限偏差要求变 为如表2 3 所示。本文设计的检测系统将以表2 3 所示的数据为为标准进行检测 e 6 - 9 1o 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 表2 3 实际三项尺寸极限偏差 螺纹参数极限偏差 + 0 0 6 4 m m 锥度：6 2 5 m n ：1 m 每2 5 4 m m 长度上直径偏差 一0 0 1 2 r a m 螺距：每2 5 4 m m0 0 5 0 r a m + 0 0 2 5 r n m 牙型高度： h 。，h 。 0 0 7 5 m m 2 2 检测系统设计方案 如图2 2 所示为外螺纹检测现场，套管的长度为1 0 m 左右，直径为1 5 0 m m 左右，两端都需要加工。套管首先从车间外面经过生产线推送机构进入车间， 到达车床旁边，等候指令进行加工，加工过程为套管旋转，因此产生很大的 振动，加工完成后，经过生产线上的液压机构运送到一侧，等待检验人员进 行检测。从实际情况可以看出，现场工作环境恶劣，振动大，灰尘多，套管 很长，轴向定位基准不是很容易确定，因此成像比较困难。 图2 2 外螺纹检测现场 1 4 第2 章总体方案设计 根据实际情况，现场检测过程中会有下面影响因素： 1 ) 由于存在螺纹升角，生成的照片可能对测量结果产生影响； 2 ) 由于现场震动和灰尘，可能导致获取的图像不清晰； 3 ) 由于套管轴向定位不能准确捕捉，图像的清晰程度可能影响算法的实 现，并有可能产生测量结果的不准确。 根据上述影响因素，拟采取如下解决措施： 1 ) 计算出螺纹升角对结果的影响程度，要是在可忽略的范围内，就 可以不用考虑，要是不可忽略，采取一定的理论算法进行纠正； 2 ) 可以在算法程序中判断前后获取的照片是否受到现场震动的影 响，或者采取一定的装置，避免震动的影响，现场的灰尘可以通过一定的 装置清除，来保证图像的清晰程度； 3 ) 在像机的调试过程中使获取的图片尽量清晰，同时提高算法的适 应性。 根据上述内容，整体设计方案包括四个模块：机械系统，控制系统，光 学系统，人机交互界面。整体方案流程如下。 套管运动到指定的位置，车间生产线p l c 发出信号，检测系统沿着螺纹 轴向x 方向运动，如图2 3 所示，同时系统传感器实时检测螺纹位置，到达 指定位置后检测系统停止运动；2 个面阵c c d 像机运动到指定位置拍照螺纹 最上端位置l ，拍照完成后沿着z 轴运动，拍照螺纹最下端位置2 ，拍照完 成后面阵c c d 像机复位；向生产线发出指令，套管退出检测系统；系统对 图像进行处理，获得需要数据：螺距、锥度和牙型高度；操作者输入车间数 据，并将获得的数据输入车间以太网。运动控制流程如图2 4 所示。 】匹 程 通 讯 哈尔滨工程大学硕十学位论文 图2 3 检测系统结构原理图 图2 4 运动控制流程图 2 3 子系统方案设计 根据检测系统整体设计方案，将该系统划分为四个模块：机械系统模块， 1 6 第2 章总体方案设计 光学系统模块，控制系统块模块，人机交互界面模块，系统构成如图2 5 所示 2 3 1 机械系统 图2 5 系统结构 机械系统的设计主要考虑以下几方面因素：选择几自由度平台的设计； 地面和套管螺纹震动的隔震设计；像机和光源安装的机构设计；去除镜头灰 尘的机构设计。 考虑到套管的轴向位置随意性较大，以及需要检测套管螺纹的锥度，因 此机械系统选择为x 轴和z 轴二自由度运动平台，x 轴沿着套管轴向方向运 动，保证c c d 系统走到套管螺纹位置，z 轴沿着套管螺纹方向运动，即垂直 套管轴向上下运动，为了保证系统的精度，二自由度运动平台为外购部件； 为防止地面传来的震动，将该平台和地面采用隔震垫隔开；套管在生产线上 传送，其自身也会产生震动，如果采用线阵c c d ，在线阵c c d 沿着轴线扫 描螺纹的过程中，套管螺纹的震动会导致扫描的图像模糊，因此采用面阵 c c d 进行一次成像，同时保证面阵c c d 系统刷新频率高于套管自身震动频 率；在检测螺纹的螺距和锥度时，需要检测相距8 个螺纹牙的两个位置，如 果采用覆盖8 个螺纹牙距离的面阵c c d 一次成像，成本太扁，因此选择覆 盖2 5 个螺纹牙的2 个面阵c c d ，其中心距离为8 个螺纹牙的距离，面阵c c d 首先到达螺纹最上端位置1 后进行拍照成像，然后沿着z 轴向下运动到螺纹 哈尔滨工程大学硕十学位论文 i rl i 宣i i 置i i i i i i i i i 葺萱宣i 每i i i i i i 葺i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i 宣宣i 萱宣i 萱i i i i i i i i i i 宣i i i i i 葺i 萱i 萱 最下端位置2 ，再次成像，将两次成像的图片拼成一个完整图片，从而得到 螺距和锥度，因此需要2 个面阵c c d 和2 个光源，由于面阵c c d 像机的本 身尺寸较大，因此在设计过程中，将其对面交叉放置；为保证像机在拍照过 程中没有灰尘，在拍照过程中设计吹风机构。 u 0 - 1 1 该检测系统的实物如图2 6 所示。 2 3 2 光学系统 本课题利用照明光源照射套管螺纹，通过面阵c c d 像机接收光源对套 图2 6 检测系统 管螺纹成像，拍摄到的螺纹图片输入图像采集卡进行图像处理q 即将连续的 b m p 图像处理为数字图像，然后对图像进行二值化、中值滤波及边缘检测处 理，提取出螺纹的轮廓，并通过一定的算法，计算出螺纹的几何参数，最后 通过人机交互软件将其与标准螺纹参数相比较，检测螺纹是否合格，因此该 1 8 第2 苹总体方案设计 系统硬件包括c c d 像机、照明光源和图像采集卡。为保证螺纹的检测精度， 要求c c d 像机分辨率高，图像清晰，照明光源好，采集数据卡数据存取容 量大，实时传输速率快，软件便于和数据采集卡接口。其工作原理如图2 7 所示。 交酶r f 计算机1 。么 厂、 面阵c c d 。j r 匕萨 七穆工作台 t， v 介 j 步迸逛橇p，| 运勃控制卡 图2 7 光2 - 7 。 - 系统工作原理 1 c c d 像机 c c d 是英文c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ( 电荷耦合器件) 的缩写，它是一种 特殊半导体器件，上面有很多一样的感光元件，能把光线转变成电荷，每个 感光元件叫一个像素，一般情况下像素数越多，画面就会越清晰，但像素数 的增加会使制造成本以及成品率下降，而且像素数增j n 至u 某一数量后，再增 加对拍摄画面清晰度的提高效果变得不明显。像机内部有模数转换器芯片， 能将光线转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由像机内部的闪速存储器 或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计 算机的处理手段，根据需要来修改图像。当c c d 表面受到光线照射时，每 个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起， 就构成了一幅完整的画面。 c c d 根据应用可以分为点阵