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激光三（sān）角法（fǎ）在錐管螺紋輪廓測量中的應用

2017-6-1 來源：長治（zhì）醫學院;西安理工大學作（zuò）者：王春雷，於殿泓，韓玲娜

摘要: 設計了基（jī）於激光（guāng）三角測量原理的錐管（guǎn）螺（luó）紋輪廓測量係統，以非接觸掃（sǎo）描的測（cè）量方法實現螺紋輪廓的自（zì）動測量。係統以 ADu C845 單片機為核心（xīn），采用激光（guāng）三角位移傳感器、精（jīng）密（mì）絲杠和（hé）編碼器分別獲取螺紋（wén）垂直( Y 軸)和（hé）水平( X 軸) 方向的原始數據，進而得到螺紋（wén）輪廓（kuò）的坐標值。對數據進行相應的濾波和處理後綜合得到螺（luó）紋輪廓，通過參數的（de）算法模型得出螺紋（wén）的牙高、螺距和錐角等參數。

關鍵（jiàn）詞: 激光三角法; 錐管螺紋; 輪廓測量; 非接觸（chù）

1.引言

在石油鑽采作業中，油管（guǎn）需連接成數千米（mǐ）進行工作，相鄰油管的連接由管螺紋實現。螺紋連接部位是（shì）鑽杆最薄弱的環節，質量（liàng）低劣將導致脫扣、泄露和粘扣等失效，甚（shèn）至造成重大經濟損失和嚴重後果［1］。因此，為保證油管結（jié）構的完整性，密封的完（wán）整性和可（kě）靠的互換性，確保油田（tián）勘（kān）探開發工程（chéng）順利進行，必須（xū）對石（shí）油管螺紋（wén）質量進行嚴格的（de）檢驗。目前世界主要石油工業國都采用美國（guó）石油協會( API)的規範設計和檢驗產品。

傳統的螺紋檢（jiǎn）測（cè）方式是利用螺（luó）紋量規進行接觸式測量（liàng）或利用萬能工（gōng）具顯微鏡進行人工測量，測量工作量大，工作效率低（dī），測量結果容易受人為因素影響。在接觸式（shì）測量中，螺紋（wén）量規容易磨損從而影響測量精度，更（gèng）換量規成本較高。此外在某（mǒu）些（xiē）工（gōng）作場合人工（gōng）難以完成檢（jiǎn）測（cè）工（gōng）作［2］。為此，許多螺紋加工企業（yè），尤其是石油套管生產（chǎn）企（qǐ）業迫切需要螺紋自動檢測設備來解決（jué）生（shēng）產問題。本文研究了一種基於（yú）激光三角測量原理的非接觸式螺紋自動檢測（cè）方法，能解決接觸應力引起的測量（liàng）誤差問題，快速（sù）反饋測量結果，對提高石油（yóu）管生產（chǎn）效率和產品合格率具有現實意義［3］。

2.石油管螺紋測量（liàng）方法和激光三角測量原理

基於激光技（jì）術的石油管螺紋輪廓測量係統原理見圖 1。測量核心是以激光束掃描軸截麵的螺紋輪（lún）廓線（xiàn），獲取輪廓線數據來實現（xiàn）參數測量。軸截麵（miàn）的螺紋輪廓（kuò）數據是二維數據，激光傳感器作為測頭在沿絲杠運動中拾取螺紋輪廓 Y 方向（xiàng）數（shù）據，測頭在絲杠上的 X 方向數（shù）據由圓編碼器拾取，絲杠（gàng）由步進電機驅（qū）動（dòng）實（shí）現測量運動。這樣，在所規劃（huá）的測量範圍內，獲取被測螺紋的輪廓數據，並據此得出相應的（de）管

螺紋參數。

激光三角位移傳感器［4，5］測量原理圖見（jiàn）圖 2。係統主要由（yóu）激光發生器、會（huì）聚透鏡、成像（xiàng）透鏡和光敏（mǐn）元（yuán）件( PSD 或 CCD) 等組成。激光源發出一束激光( 方向與被測表麵（miàn）的法線（xiàn）方（fāng）向一致) ，經過會聚透鏡在被測表麵匯（huì）聚成一個微小光點，當光點在被（bèi）測表麵的位置（zhì）發生（shēng）變化時，光電檢測器件上接收到的光斑位置也會隨之變化。該散射光斑的中心（xīn）位置由傳感器（qì）與（yǔ）被測物體表麵之間的距離決定。由於光斑中心位置的變化可引起光（guāng）電檢測器件輸出電信號的變化，通過（guò）分析計算（suàn）處理這類電信號，可得到傳感器（qì）與被測表麵相對位置變化的信息［6］。

圖 1 管螺紋輪廓測量係統（tǒng）原理圖

圖 2 激（jī）光三角（jiǎo）法直射式基本測量原理

為提高測量精度，θ 和 γ 必須滿足 Scheimp-flug［7，8］條件，即

對於該關係式（shì），當被測表麵位於參考麵下方時取減號，反之則取（qǔ）加號。按激光三角測量（liàng）法設計時，使被測曲麵的位置變化與電荷耦合器件( CCD) 上被測光點的位移成線性關係，隻要測出 CCD 上被測光點的（de）位移，即可計算出被測麵上（shàng）對應點（diǎn）的（de）坐標。

3.測量係（xì）統總體方案及係統設計（jì）

基於激光技術的錐（zhuī）管螺紋測量係統的總（zǒng）體測量方案見圖 3。

圖 3 基於激光技術的螺紋參數測量方案

測量係統主要由以下模塊（kuài）組成: 基於精密位移平（píng）台的橫向（xiàng）( 軸向或 X 方向) 位移測量（liàng）模塊; 采用激光三（sān）角位移傳感器的縱向( 徑向或 Y 方向) 檢測模塊; 下位機（jī）電路模塊及上位機數據處理模塊等（děng）。精密位移平台由精密絲杠、編碼器和步進電機等組成。編碼器選用成都（dōu）遠（yuǎn）恒公司（sī）的 YG1 型（xíng）編碼器，輸出兩路（lù）正交的 TTL 波形，旋轉一周輸出 250 個脈衝; 縱向（xiàng）檢（jiǎn）測模塊采用KENYENCE公司的（de） IL － S065 激光三角（jiǎo）位移傳感器［9］，基準距離為 65mm，測（cè）量距離為55 － 75mm，重複精度 2μm，在滿量程時的線性度達到 ± 0．05% ，其（qí）光斑為橢圓光斑，采樣周期有0. 33ms、1ms、2ms 和 5ms。

係統的（de）控製核心采（cǎi）用 ADI 公司（sī）的 ADu C845 單片機，其內部（bù）集成有兩個高分（fèn）辨率的∑-△ADC、10 /8 通道輸入多路複用器、一個（gè） 8 位 MCU 和程序 / 數據閃速（sù）/電（diàn）擦除存儲器。同時可提供 62k 字（zì）節（jiē）的閃速/電（diàn）擦除程（chéng）序存儲器，4k 字節閃速/電擦除數據存儲器和 2304 字節的數據ＲAM。選取（qǔ）主 A/D 作為縱向檢測模塊激光三角位移傳（chuán）感器的電壓采集通道。數據傳輸采用ＲS232 串行總線發送至上位機，係統的主要模塊（kuài）設計如（rú）下。

3. 1 傳感器信號采集（jí）電路設計

激光三角位移（yí）傳感器的模擬量輸（shū）出有（yǒu）四種類型:0 － 5V、－ 5V － 5V、1 － 5V、4 － 20m A。選（xuǎn）擇電壓輸出時其輸出電阻 100Ω，重複性 ± 1m V，滿刻度時的準確性 ±0． 05% ，滿（mǎn）刻（kè）度時溫度特性（xìng） ± 0. 005% /℃，因此（cǐ）在係統中選擇 0 －5V 的電壓輸出。在測（cè）量係統中，選用 ADu C845 的內部 A/D，其基準電壓為 1． 25V，因此在 A/D 采集時需要通過運算放大器將輸出電壓信（xìn）號做相應的電壓（yā）轉化和阻抗變換。傳感器（qì）的信號采集電路見圖 4。Ｒ11、Ｒ15、Ｒ9、Ｒ16 分別決定了兩個運放的放大倍數; Ｒ7 和Ｒ6是阻（zǔ）抗匹配電阻，傳感器（qì）的輸出電壓信號（hào）經（jīng） 1 /4 倍反（fǎn）相放大，然後經反相器實現從（cóng） 0 － 5V 至 0 － 1． 25V的電壓轉化。轉化後的電壓信號可直接送入單片（piàn）機的（de）內部 24 位高精度 A/D 進行處理。

圖 4 激（jī）光三角位移傳感器信號采集電路

3. 2 編碼（mǎ）器的信號采集電路設計

在測量係統中，編碼器（qì）［10］安裝在精密絲杠的一端，絲杠的（de）轉動帶動了編碼器旋轉，根據編碼器的輸出脈衝數量獲得橫向模塊的位移。精密絲（sī）杠螺距（jù）1mm，編碼器旋轉（zhuǎn）一周輸出 250 個脈衝，即每個脈衝能夠分辨的最小位移為 0． 004mm，不能滿足精度要求。因此需（xū）要將編碼（mǎ）器的輸出脈衝進行（háng）細分（fèn），四細分的結（jié）果能滿足實際要求。TTL 輸出脈衝細分選用 HP 公司的 HCTL －2020 四（sì）細分辨向集成 IC。它是一（yī）個（gè）抗幹擾（rǎo）能力（lì）強的（de） 16 位計數器，正交解碼的三態口輸出，支持向上和向下計數。編碼器的信號采集電路（lù）見圖 5。編碼器（qì）的（de）脈衝信號經過四細分辨（biàn）向後在 8 位的三態數據口輸出，可（kě）直接輸入單片機進行（háng）數據（jù）處理（lǐ）。在實際應用中考慮到單片機資源的使用情況，選取 IIC 擴展 I/O 口的方法，節省（shěng）了單片機的資源。PCF8574是 PHILIPS 公司完全符合 IIC 協議（yì） IIC 至 8 位並（bìng）行I / O 的擴展器，其操作（zuò）電壓範圍為 2． 5 － 6V，電流消耗在 10μA 以下，操作時序（xù）簡單，可直接與單片（piàn）機相連。單片機能（néng）夠實時獲取到編碼器的（de）信號，從而進行對應的控製數據處理。

圖 5 編碼器信號采集電路

3. 3 控製及驅動模塊（kuài）

單片機控製是整個係統完成相（xiàng）應功能的核心和關鍵部分。根據工業現場要求（qiú）和激光（guāng）三角位移傳感器本身的反應速度，選擇適當的（de）工作頻（pín）率，按照一定的時序控製各個（gè）硬件功能模塊，如步進電機驅動、液晶（jīng）顯示、聲光報警、數據處理和按鍵等功能模塊。步進電機是一種將電脈衝轉化為角位移或線位移的開環數字控製（zhì）執行機構，其機械角位移和（hé）轉（zhuǎn）速僅取決於輸入電機繞組的脈衝個數和脈衝頻率，因此適合於單片機控製。作為係統的機械結構移動的動力來（lái）源，步進電機的選取對於機構的良好運轉和係統的穩定性有著重要作用。本係統采用 L6208 作為驅（qū）動單元來控製通電（diàn）換相順序及步進電（diàn）機的正反轉。驅動電路見圖 6。

圖 6 L6208 步（bù）進（jìn）電機驅動電路

其中，CLOCK 信號為脈衝輸入端（duān），控製輸出脈衝的個數和頻率; CW 控（kòng）製電機的正（zhèng）轉與反轉（zhuǎn）; EN信號控製橋（qiáo） A 和橋 B 上的 MOSFET 開關，當輸入為低電平時，所有的開關關斷; ＲESET 信號用來複位相位序列發生器。

在選擇輸入（rù）脈衝頻率時，應首先考慮步進電機的（de）空載啟動頻率，即（jí）步進電（diàn）機在空載情況下（xià）能夠正常啟動的脈衝頻率（lǜ）。如果脈衝頻率高於該值，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉，並伴有嘯叫聲; 在有負載的情況下，啟動頻率應更低。測試使（shǐ）用的步進電機型號為 42BYG016，頻率在 1． 5k Hz 以下均可正常轉動，不同頻率對應不同轉速，但頻率過高會導致電流增大過（guò）快，影響電機和 L6208 的性能，甚至燒（shāo）壞。測試的電機占（zhàn）空比在 0． 2 － 0． 7 之間可正（zhèng）常工作，選用 0． 4 的占空比時電機工作狀態最佳。參考（kǎo）電壓是用來控製輸出峰值電流的主要指標。本電路中 L6208 使用的驅動電壓是通過電機的工作電壓（yā）分壓得來，同一個驅動電路應用在不同型號的電機上時，需要檢查參（cān）考電壓的大（dà）小是否在0 －1V 之間，根（gēn）據實際調試得知，參考電壓（yā）在 0．4V 左右比較合適，超（chāo）過 0．8V 則會變得不穩定。

3. 4 係統試驗及結果（guǒ）分析

設計了上述（shù）下位（wèi）機係統，再結合所規劃的機械係統、軟件係統等（děng）組成了完整的試驗平台，在此平台上進（jìn）行試驗研究（jiū）。這裏僅對型號為 1． 315EU(油管) 的螺紋進行輪廓測（cè）量( 此油管為製造廠家（jiā）生產的合格（gé）品) ，獲得原始測量數據後（hòu），經濾波（bō）處理，剔除螺紋（wén）輪廓麵的高頻幹擾和粗大誤差，得到較為（wéi）客觀的螺紋輪廓數據。圖 7 為用所（suǒ）測得的數據經上位機軟件處理後（hòu）給出的（de）該油管螺紋的輪（lún）廓圖形。測量範圍（wéi）: 軸向長度（dù） 17mm，步距 0． 05mm。

圖 7 所用測（cè）數據構成的螺紋輪廓形狀圖

在此基礎上，根據錐管螺紋螺距和牙（yá）高兩參數的（de）理論（lùn）公（gōng）式，用該（gāi）係統所開發的軟件對參數進行評定。表 1 為被測參數的標稱值和評定( 測量) 值。

表（biǎo） 1 被測油管( 1． 315EU) 螺距和牙高的（de）標稱值與測量值

對比螺距、牙高兩參數的標稱值（zhí）和評定( 測量)值（zhí），可看出（chū）該被（bèi）測件是（shì）合格（gé）的，這與該產品的實際狀況符合。這樣的測試試驗進行多次，其重複性、穩定性等均具有較（jiào）為滿意的效果（guǒ），說明該係統對螺距、牙高等參數的評定是可行的（de），測量方（fāng）案可行。

4.結語

本文探索了一種基於激光三角法的石油（yóu）管螺紋輪廓測量方法，設計了包括傳感模塊、驅（qū）動模塊、單片機處理（lǐ）模塊、顯示模塊、機構平台及乳間模塊等在內的係統試驗方案（àn），搭建了（le）試驗平台，並進行了試驗研究。實現了對被（bèi）測（cè）螺紋輪廓數（shù）據的采集及處理，且對螺距、牙高（gāo）兩個（gè）螺紋參數（shù）進行了（le）評定; 試驗研究結果表明，該測量方案（àn）的合理（lǐ）性與可行性，研究對於進一步豐富石油管（guǎn）螺紋的測量方法（fǎ）、提高測量精度及其測量效率具有重（chóng）要的實際（jì）意義。

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