于殿泓，張路，李琳

(西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

在石油工業(yè)鉆井和采油作業(yè)中，為保證油井管的結(jié)構(gòu)完整性、密封完整性和可靠的互換性[1]，需要對出廠石油管的管螺紋進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)。本文的研究內(nèi)容建立在非接觸式石油管螺紋測量系統(tǒng)基礎(chǔ)上。該系統(tǒng)采用了經(jīng)典的直射式激光三角法測量[2-4]，通過掃描管螺紋輪廓形狀，從而計(jì)算出管螺紋的各個(gè)參數(shù)[5-6]，通過衡量這些參數(shù)來判斷該管螺紋是否合格。而實(shí)際系統(tǒng)中，存在不可避免的影響因素。其中管螺紋的表面光潔度會對掃描光斑的漫反射造成影響，但是最主要的是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)因素，由于螺紋沿軸剖面輪廓線的法線方向與系統(tǒng)的掃描光線不共線，這就會使得接收光斑質(zhì)心產(chǎn)生偏移，從而使掃描結(jié)果存在偏差。所以要處理和分析這方面的問題才能得到理想的測量結(jié)果。

1 石油管螺紋測量方法

以非接觸式激光測量為前提[7]，測量系統(tǒng)原理圖如圖1所示。以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿實(shí)現(xiàn)激光傳感器的光束在螺紋輪廓線上的掃描運(yùn)動(dòng)，輪廓線的Y向坐標(biāo)值由激光傳感器獲取[8-9]，X向的坐標(biāo)值由絲杠和相配合的圓編碼器獲取，將所測量出的一系列坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，便可得出被測螺紋的輪廓線，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對相關(guān)螺紋參數(shù)的評定。

圖1 測量系統(tǒng)原理圖

典型的激光三角法測距光路如圖2所示。系統(tǒng)主要由激光源、會聚透鏡、接收透鏡、光敏元件(主要是PSD[10]或CCD[11])等組成。由激光源發(fā)出一束激光，經(jīng)過會聚透鏡在被測表面匯聚成一個(gè)微小光點(diǎn)，當(dāng)光點(diǎn)在被測表面位置發(fā)生變化時(shí)，光電檢測器件就可以檢測到漫反射所形成光斑位置的變化。該散射光斑的中心位置由傳感器與被測物體表面之間的距離決定。由于光斑中心位置的變化可以引起光電檢測器件輸出電信號的變化，通過分析計(jì)算處理光電檢測器件輸出的電信號，就可得知傳感器與被測表面相對位置變化的信息。

圖2 激光三角法測量原理

被測物體表面位于參考面P時(shí)，光斑在PSD或CCD中心位置O處成像，當(dāng)被測面相對于參考面位移發(fā)生變化時(shí)，PSD或CCD上接收到的光斑位移為x，x=OO′，y與x就會存在以下關(guān)系：

(1)

對于該關(guān)系式，當(dāng)被測表面位于參考面的下方時(shí)取減號，位于參考面的上方時(shí)取加號。

2 產(chǎn)生誤差的因素

由于光學(xué)部件以及機(jī)構(gòu)部件在制造過程中不可避免會存在誤差，有些誤差可以由改善生產(chǎn)工藝或使用方式等措施進(jìn)行消除，例如被測螺紋表面光潔度如果過大，會產(chǎn)生較強(qiáng)的鏡面反射，如果過小，會影響原光點(diǎn)的均勻性[12]，使光電檢測器輸出不穩(wěn)定，這就要通過改變激光器的功率或使用偏振片削光來減少光強(qiáng)變化對測量的影響。

當(dāng)被測螺紋表面光潔度處于0.32至2.5這個(gè)范圍時(shí)可不考慮此項(xiàng)誤差[13]。

本文主要針對螺紋牙型角這樣一個(gè)特定的被測參數(shù)對測量結(jié)果的誤差進(jìn)行研究與分析，這種誤差無法采用一般手段進(jìn)行消除，所以就要通過理論分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合來研究出一套補(bǔ)償方案。本系統(tǒng)中采用的是激光三角法測量中的直射式測量，要求發(fā)射光束始終與被測表面法線方向一致。而該方法的發(fā)射光束方向與石油管的軸向垂直，誤差產(chǎn)生示意圖如圖3所示。

圖3 誤差產(chǎn)生示意圖

由于螺紋牙型角度的存在，就相當(dāng)于入射光束入射到了一個(gè)有傾角的斜面。入射光束與被測螺紋表面法線夾角即為傾角α，傾角α與螺紋牙型角β的關(guān)系為：

α=90°-β/2

(2)

這會導(dǎo)致入射光點(diǎn)產(chǎn)生的散射光空間分布相對于入射光束與法線方向一致時(shí)發(fā)生變化，使得光電接收面上單位時(shí)間接收的光能量產(chǎn)生變化，從而光斑質(zhì)心相對于其幾何中心出現(xiàn)偏移，由于光電檢測元件(PSD或CCD)檢測的是投射到其上的光斑的光能質(zhì)心的位置，而不是幾何中心位置，就會使測量的結(jié)果與三角法測量原理公式的計(jì)算結(jié)果有偏差量[14]。

3 誤差補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

對于所測平面傾角對測量結(jié)果所產(chǎn)生的誤差，本文根據(jù)圓(球)的弓高-弦長的嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì)了以萬能工具顯微鏡為實(shí)驗(yàn)平臺，用標(biāo)準(zhǔn)球?qū)す鈧鞲衅靼匆?guī)劃路徑進(jìn)行標(biāo)定測量，將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理得出補(bǔ)償規(guī)律。

本系統(tǒng)中所用傳感器是基恩士公司的IL-S065激光位移傳感器，該傳感器對于特定的被測表面(傾角一定)，能夠表現(xiàn)出很好的重復(fù)性，因此可對不同傾角的被測面進(jìn)行測量得到測量值并與理想值作比較得出誤差規(guī)律，從而對測量結(jié)果進(jìn)行修正。這種方法可以顯著地提高測量精度。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置包括萬能工具顯微鏡、激光位移傳感器(型號：基恩士IL-S065)、標(biāo)準(zhǔn)鋼柱(R柱= 9 mm)、標(biāo)準(zhǔn)鋼球(R球= 13 mm)等組成。

將激光位移傳感器固定到萬能工具顯微鏡的立柱上，以鋼球或鋼柱作為掃描對象，進(jìn)行多次掃描實(shí)驗(yàn)。對鋼柱或鋼球徑向進(jìn)行的掃描就相當(dāng)于掃描一個(gè)傾角從0°到90°變化的被測面，從而通過一次掃描就可以得到當(dāng)被測表面傾角變化時(shí)所產(chǎn)生誤差的大小。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。圖5為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)物圖。

圖4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理圖

圖5 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

3.2 實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)

將激光位移傳感器固定在萬能工具顯微鏡的立柱上，調(diào)整立柱的高度，確保整個(gè)掃描過程中的掃描深度在該傳感器的量程范圍(-10 mm至10 mm)。將鋼柱或鋼球置放于萬能工具顯微鏡的工作臺上，由于激光位移傳感器是固定的，所以通過工作臺在X方向上的移動(dòng)來完成掃描過程，相當(dāng)于掃描一個(gè)傾角從0°到90°變化的平面。以鋼球或鋼柱輪廓弧頂為原點(diǎn)，在X方向上每進(jìn)給0.5 mm，在傳感器上讀取一個(gè)值。完成一次掃描，就可以通過得到的位移數(shù)據(jù)來擬合出掃描面的輪廓，其中鋼球的極限進(jìn)給量為-11.5 mm至11.5 mm，鋼柱的極限進(jìn)給量為-8 mm至8 mm。

對鋼柱和鋼球分別進(jìn)行三次正方向掃描和三次負(fù)方向的掃描，然后對掃描結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并計(jì)算。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

誤差分析示意圖如圖6所示。

圖6 誤差分析示意圖

傳感器光斑投射在鋼柱或鋼球最高點(diǎn)A1點(diǎn)時(shí)，激光傳感器的讀數(shù)值為y1。當(dāng)光斑在X方向進(jìn)給Δx時(shí)，相當(dāng)于其掃描表面傾角為α：

(3)

此時(shí)光斑位于A2點(diǎn)，激光傳感器的讀數(shù)值為y2。由此可知，在測量進(jìn)給為Δx時(shí)，激光傳感器的兩次讀數(shù)的差值h1為：

h1=|y2-y1|

(4)

實(shí)際上，該差值h1即為實(shí)際測量中相應(yīng)圓弧的弓高。而理論上該段圓弧的弓高h(yuǎn)2為：

(5)

由此可知，當(dāng)被測表面傾角為α?xí)r，激光傳感器產(chǎn)生的測量誤差δ為：

δ=h2-h1

(6)

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)每一次掃描結(jié)果可以計(jì)算出相應(yīng)傾角所對應(yīng)的誤差，采用三次多項(xiàng)式擬合法將所得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合。其中兩組數(shù)據(jù)擬合結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 傾角-誤差關(guān)系圖(鋼柱)

圖8 傾角-誤差關(guān)系圖(鋼球)

由圖7和圖8可見，不管采用何種實(shí)驗(yàn)樣件(鋼柱或鋼球)，傾角-誤差關(guān)系曲線的變化趨勢是一致的，但樣件不同，數(shù)值有所差別。主要原因在于：所研究的激光位移傳感器的光斑為橢圓光斑，而非圓光斑，這樣，在對鋼球樣件掃描過程中，通過調(diào)整工作平臺X和Y方向上位置，找出激光位移傳感器掃描鋼球的最大讀數(shù)，此時(shí)光斑位置視為鋼球頂點(diǎn)，這時(shí)不論在X還是Y方向上移動(dòng)平臺，光斑都始終沿著鋼球的圓心截面。但是對于鋼柱而言，找到其最高點(diǎn)之前應(yīng)該保證鋼柱軸線方向、工作平臺X位移方向以及光斑長軸方向平行，如果不平行則會引入使曲線變化趨勢加大的誤差。在實(shí)驗(yàn)中我們采用各種輔助工具來盡可能地保證這三者的平行，但是還是不可能保證完全平行，因此可以推斷掃描到同一傾角時(shí)鋼柱對應(yīng)的誤差會稍大。通過對比圖7與圖8發(fā)現(xiàn)，在傾角為40°時(shí)鋼球?qū)?yīng)的誤差只有0.07 mm左右，而鋼柱對應(yīng)的誤差卻達(dá)到了0.09 mm，這一差別就是由上述原因造成的，理論而言，鋼球樣件的掃描結(jié)果更具有參考價(jià)值。將所有擬合好的曲線都放在一張圖上的效果如圖9所示。

圖9 誤差-傾角關(guān)系圖

將擬合好的所有曲線分別離散化，他們的橫坐標(biāo)范圍為(-65°～65°)，對鋼球樣件實(shí)驗(yàn)得出的5條曲線同一橫坐標(biāo)所對應(yīng)的5個(gè)縱坐標(biāo)值求均值，最后以統(tǒng)一后的橫坐標(biāo)為橫坐標(biāo)以所求均值為縱坐標(biāo)對其再次進(jìn)行擬合就得到了這5條曲線的等效曲線，如圖10所示。

圖10 誤差補(bǔ)償曲線

這就是最終的誤差補(bǔ)償曲線，橫坐標(biāo)是傾角大小，當(dāng)橫坐標(biāo)值為零時(shí)表示被掃描平面法線方向與掃描光線方向共線，其誤差為零。隨著被掃描面的逐漸變大，測量系統(tǒng)的誤差值也就隨之變大。

4 誤差補(bǔ)償方案

根據(jù)等效曲線所顯示出的誤差與傾角關(guān)系圖，在實(shí)際測量過程中就可以針對不同斜面的傾角來推算出所對應(yīng)的誤差并加以補(bǔ)償，這對非接觸式螺紋測量系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛程度是具有實(shí)際意義的。

在掃描牙型角為60°的管螺紋時(shí)，相當(dāng)于被測表面傾角為60°，可以通過查詢“誤差補(bǔ)償曲線”就可以對掃描得到的螺紋左輪廓數(shù)據(jù)和右輪廓數(shù)據(jù)分別進(jìn)行補(bǔ)償。這樣，在計(jì)算螺紋螺距、牙高等其他參數(shù)時(shí)所得的結(jié)果就可以更為精確。

由本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以得出：由被測表面傾角產(chǎn)生的誤差隨傾角的增大而增大，偏差的正負(fù)和傾角α的正負(fù)相同，這與文獻(xiàn)[15]中所做的理論分析計(jì)算得出的結(jié)論相一致。所以根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的補(bǔ)償參數(shù)可以進(jìn)一步提高非接觸式螺紋測量系統(tǒng)的測量精度。

5 結(jié) 語

本文針對非接觸式螺紋參數(shù)測量方案所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了深入分析，針對螺紋輪廓面法線方向與激光入射方向存在夾角的問題，通過搭建實(shí)驗(yàn)對測量結(jié)果進(jìn)行修正，計(jì)算出相應(yīng)傾角時(shí)對應(yīng)的具體誤差，由此可以在實(shí)際應(yīng)用過程中進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償，使該系統(tǒng)測量精度進(jìn)一步提高。

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