鉆桿管螺紋型面信息在機(jī)測(cè)量方法研究*

孫興偉, 于欣玉, 董祉序

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

鉆桿管螺紋型面信息在機(jī)測(cè)量方法研究*

孫興偉, 于欣玉, 董祉序

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

為解決因?qū)嶋H因素限制所導(dǎo)致的鉆桿管螺紋無(wú)法應(yīng)用現(xiàn)代測(cè)量方法檢測(cè)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了鉆桿管螺紋型面信息在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)?；诩す馊窃聿杉菁y型面原始數(shù)據(jù)，提出了一種將自適應(yīng)萊依特準(zhǔn)則與基于改進(jìn)小波自適應(yīng)閾值相結(jié)合的點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪方法，并應(yīng)用該方法對(duì)掃描數(shù)據(jù)降噪處理；通過(guò)抗差最小二乘法對(duì)降噪后數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，再根據(jù)擬合廓形導(dǎo)數(shù)情況對(duì)進(jìn)行分段并提取特征點(diǎn)；最后通過(guò)提取的特征點(diǎn)計(jì)算螺紋廓形參數(shù)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)螺紋的在機(jī)非接觸測(cè)量，操作簡(jiǎn)單且可以實(shí)時(shí)檢測(cè)螺紋加工質(zhì)量，提高了檢測(cè)精度和效率。

管螺紋；激光測(cè)量；小波去噪；在機(jī)檢測(cè)

0 引言

螺紋作為常見(jiàn)的連接結(jié)構(gòu)在工程中被廣泛使用，而管螺紋更是以其良好的密封、傳動(dòng)性能在石油工業(yè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。石油鉆井時(shí)，鉆桿是一根一根地用內(nèi)外錐管螺紋聯(lián)接在一起的[1]。目前各油田管子站均利用螺紋量規(guī)及螺紋檢測(cè)單項(xiàng)儀進(jìn)行接觸式測(cè)量，這種測(cè)量方式工作量大、效率低、測(cè)量結(jié)果易受人為因素影響，且只能判斷合格與否，不能綜合給出更多螺紋參數(shù)的具體數(shù)值[2-3]。

激光三角測(cè)量法能避免接觸測(cè)量過(guò)程中測(cè)頭與工件間因接觸壓力產(chǎn)生的誤差及測(cè)頭對(duì)工件表面的劃傷，有更高的檢測(cè)速度和較高的檢測(cè)精度。與其他非接觸測(cè)量相比又有更大的測(cè)量范圍和測(cè)量適應(yīng)性[4-5]。而且目前已有的螺紋測(cè)量設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)在機(jī)測(cè)量，檢測(cè)后的再加工需要重新裝夾找正，浪費(fèi)生產(chǎn)時(shí)間而且會(huì)產(chǎn)生新的裝夾誤差，難以保證精度[6]。為了解決這一難題，并充分發(fā)揮激光三角測(cè)量原理的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種安裝與SCK230型數(shù)控管螺紋修復(fù)車床上的在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，利用激光三角法和二維激光傳感器獲得螺紋軸截面輪廓數(shù)據(jù)，利用自適應(yīng)萊以特準(zhǔn)則和小波閾值去噪的方法去除隨機(jī)誤差，然后采用抗差最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)擬合，最后進(jìn)行分段進(jìn)而求出螺紋參數(shù)。并且通過(guò)利用位移傳感器與計(jì)算機(jī)結(jié)合形成的智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在實(shí)時(shí)在機(jī)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了管螺紋檢測(cè)的智能化和高精度。

1 方案及工作原理

在激光三角法的測(cè)量過(guò)程中，由激光光源發(fā)出的一束激光通過(guò)聚光鏡照射在待測(cè)物體平面上，通過(guò)待測(cè)物體表面的漫反射透過(guò)接受物鏡最后在檢測(cè)器上成像。當(dāng)螺紋移動(dòng)距離為L(zhǎng)時(shí)，光斑在也發(fā)生相應(yīng)的位移X。通過(guò)像移和實(shí)際位移之間的關(guān)系式，真實(shí)的物體位移就可以由對(duì)像移的檢測(cè)和計(jì)算得到[7]。激光三角法的原理圖如圖1所示。其中，X為光斑移動(dòng)距離，L為螺紋移動(dòng)距離，α為入射光線與反射光線的夾角，β為經(jīng)接收物鏡折射后的光線與光敏面的夾角，a為物距，b為像距。并且各參數(shù)之間具有如下關(guān)系：

(1)

圖1 激光三角法原理圖

圖2、圖3分別是檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)際安裝圖和系統(tǒng)原理圖，本文研發(fā)的管螺紋在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)由機(jī)械支架、高精度二維激光位移傳感器、控制器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)幾部分組成。傳感器具有外部信號(hào)輸入端，其通過(guò)機(jī)械支架安裝在數(shù)控刀架上，伺服電機(jī)控制的Z軸絲杠驅(qū)動(dòng)刀架運(yùn)動(dòng)的時(shí)，Z軸絲杠編碼器將一定頻率的脈沖信號(hào)入該輸入端，傳感器會(huì)在脈沖的有效邊沿觸發(fā)下向控制器同步輸出測(cè)量的模擬量數(shù)據(jù)，在控制器數(shù)據(jù)中進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換然后傳輸給上位機(jī)，待傳感器的一次掃描完成后，上位機(jī)得到螺紋軸截面輪廓在X向、Z向的坐標(biāo)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)廓形再計(jì)算出所需的螺紋參數(shù)，判定螺紋質(zhì)量，將計(jì)算結(jié)果通過(guò)RS232 串口通訊給CNC，并在其屏幕上顯示出各螺紋參數(shù)。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)際安裝圖

圖3 系統(tǒng)原理圖

2 數(shù)據(jù)處理及算法

2.1 去除數(shù)據(jù)的粗大誤差

受到螺紋表面性質(zhì)及檢測(cè)系統(tǒng)本身原理和環(huán)境因素的影響，位移傳感器采集的螺紋廓形數(shù)據(jù)可能會(huì)含有粗大和隨機(jī)誤差，其中粗大誤差是明顯與螺紋廓形不符的離群數(shù)據(jù)。

綜合測(cè)量原理和獲得數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用變系數(shù)自適應(yīng)萊以特準(zhǔn)則將粗大誤差去除。為提高準(zhǔn)確度進(jìn)行了多次測(cè)量，以減小粗大誤差，得到多個(gè)測(cè)量值，Z1，Z2，……，Zn。算數(shù)平均值：

在進(jìn)行有限次測(cè)量時(shí)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差為：

當(dāng)某些測(cè)量值的殘差大于判別系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)差之積時(shí)，即：

認(rèn)為該誤差為粗大誤差，測(cè)得數(shù)據(jù)Zd為離群數(shù)據(jù)，予以舍棄。

萊以特準(zhǔn)則將T取為3，正態(tài)分布中含有隨機(jī)誤差的數(shù)據(jù)殘差V落在±3σ以外的概率是0.27%,即認(rèn)為當(dāng)V>3σ時(shí),才判定數(shù)據(jù)是異常值。但是本次實(shí)驗(yàn)不嚴(yán)格遵守正態(tài)分布，出現(xiàn)的粗大誤差很可能在3σ之內(nèi)，因此需要對(duì)萊以特準(zhǔn)則進(jìn)行改進(jìn)。

設(shè)計(jì)變系數(shù)自適應(yīng)萊以特準(zhǔn)則，粗取T的值接近于零，后逐步擴(kuò)大T的值直至有n/3個(gè)點(diǎn)被剔除，再計(jì)算平均值Z。

2.2 數(shù)據(jù)去噪

對(duì)去除粗大誤差后的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。數(shù)據(jù)的噪聲分析借鑒信號(hào)分析思想，將數(shù)據(jù)當(dāng)做信號(hào)來(lái)進(jìn)行噪聲分析，目標(biāo)是降低噪聲的同時(shí)盡量保持原始數(shù)據(jù)的完整。傳統(tǒng)的分析方法是建立在傅里葉變換基礎(chǔ)上的全局變換，如低通濾波、中值濾波、平均濾波等，雖然可以抑制信號(hào)中含噪聲的高頻部分，但去噪的同時(shí)也會(huì)剔除一些真實(shí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，這就是傳統(tǒng)去噪方法的局限性所在。由于小波變換在時(shí)域和頻域都有良好的局部性質(zhì)，因此對(duì)信號(hào)的低頻和高頻部分有更精確的分析處理。本文應(yīng)用改進(jìn)的小波閾值去噪方法對(duì)原始數(shù)據(jù)中隨機(jī)噪聲點(diǎn)進(jìn)行去除。

小波閾值去噪的主要方法是先設(shè)定一個(gè)邊界閾值λ，若小波系數(shù)大于λ，就認(rèn)為這個(gè)系數(shù)主要是由信號(hào)引起，則對(duì)這部分系數(shù)進(jìn)行保留[8]。如果小波系數(shù)不大于λ，就認(rèn)定該系數(shù)主要是由噪聲引起，則對(duì)這部分系數(shù)進(jìn)行去除；再對(duì)得到的小波系數(shù)進(jìn)行小波逆變換就得到經(jīng)小波閾值去噪后的信號(hào)。具體步驟為:

(1)對(duì)含噪信號(hào)s(k)進(jìn)行小波變換，得到一組小波分解系數(shù)Wj,k;

根據(jù)小波降噪方法的數(shù)學(xué)模型，疊加了高斯白噪聲的信號(hào)可表示為：

s(k)=f(k)+e(k)

式中：f(k)為原始信號(hào)；e(k)為高斯白噪聲，方差為σ2，服從N(0，σ2)分布。

因?yàn)樵肼曅盘?hào)一般為高頻信號(hào)，而測(cè)量數(shù)據(jù)通常表現(xiàn)為較平穩(wěn)或低頻信號(hào)，所以可通過(guò)小波方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行多層分解。即將噪聲部分通過(guò)計(jì)算s(k)的N層小波分解，將其分離在高頻部分，然后應(yīng)用閾值算法對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行處理；再對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)就可以達(dá)到降低隨機(jī)噪聲的目的。對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行處理的軟閾值算法為：

(2)

硬閾值算法為：

(3)

經(jīng)典的軟、硬閾值降噪方法雖然起到了降噪的作用，但仍有其弊端。軟閾值算法計(jì)算的小波系數(shù)整體光滑性、連續(xù)性好，但是它的導(dǎo)數(shù)不連續(xù)，因此會(huì)難以求高階導(dǎo)數(shù)，由于大于閾值的小波系數(shù)采取恒定值壓縮，會(huì)丟失真實(shí)的高頻信號(hào)，因此影響重構(gòu)信號(hào)的真實(shí)性。硬閾值算法雖然可以避免軟閾值的恒定偏差，但會(huì)產(chǎn)生間斷點(diǎn)，得不到理想的降噪效果。為改進(jìn)經(jīng)典小波閾值降噪的缺點(diǎn)，在此提出并應(yīng)用了一種新的改進(jìn)過(guò)的閾值處理函數(shù)，表達(dá)式為：

(4)

2.3 數(shù)據(jù)擬合

只有對(duì)螺紋的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合才能對(duì)螺紋進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，進(jìn)而得到螺紋廓形和螺紋參數(shù)。本文采用抗差最小二乘法對(duì)降噪后的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

測(cè)量數(shù)據(jù)的處理中使用最廣泛的方法是經(jīng)典最小二乘原理，但經(jīng)典的最小二乘法不具備抵御誤差的能力[10]。傳統(tǒng)的最小二乘法權(quán)值是先驗(yàn)，而抗差最小二乘法權(quán)值是殘差的函數(shù)。權(quán)函數(shù)體現(xiàn)了聯(lián)合抗差的理念，對(duì)正常的觀測(cè)值進(jìn)行保權(quán)處理, 對(duì)非正常但又可利用的可疑值實(shí)行降權(quán)處理, 對(duì)于差異過(guò)大的粗差將其權(quán)值降為零使其淘汰，通過(guò)上述方法來(lái)達(dá)到去除誤差的目的。應(yīng)用抗差最小二乘法建立的理想的模型為：

(5)

(6)

式中，Z為軸向測(cè)量數(shù)據(jù)，V為殘差向量。

設(shè)權(quán)矩陣為：

P=diagpi

最小二乘估計(jì)原理為：

(7)

(8)

(9)

由式(9)可解得參數(shù)向量的抗差估值，即：

(10)

其中，P為迭代權(quán)。根據(jù)式(6)求取殘差：

VK=ZMK-X

求得權(quán)矩陣：

計(jì)算公式：

(11)

選擇Huber權(quán)函數(shù)：

(12)

式中，c通常為2.0。通過(guò)過(guò)迭代求解,直至MK前后兩次解的差值符合某一限差為止。

對(duì)經(jīng)小波降噪后的螺紋輪廓數(shù)據(jù)應(yīng)用抗差最小二乘法逼近擬合，再根據(jù)擬合曲線的導(dǎo)數(shù)情況對(duì)曲線進(jìn)行分段，得到各段曲線方程后，就可以求得曲線間的交點(diǎn)，進(jìn)而求得螺距，再根據(jù)螺紋外型參數(shù)關(guān)系求得牙高，牙型角，牙底圓弧半徑等參數(shù)，最后結(jié)合螺紋參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)所檢測(cè)的螺紋是否合格做出評(píng)價(jià)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用本測(cè)量系統(tǒng)對(duì)NC50型石油鉆桿螺紋進(jìn)行測(cè)量原始測(cè)量數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 原始數(shù)據(jù)圖

圖4中明顯可見(jiàn)螺紋左側(cè)廓形出現(xiàn)尖峰，主要是因?yàn)榧す庠谡丈渎菁y左側(cè)光路可能會(huì)受到螺紋的阻礙，導(dǎo)致激光在螺紋牙內(nèi)多次反射消耗影響測(cè)量結(jié)果。去除粗大誤差后的數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 去除粗大誤差后的數(shù)據(jù)圖

去除尖峰誤差后的數(shù)據(jù)含有噪聲，按改進(jìn)后的小波閾值函數(shù)降噪后的數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 降噪后的數(shù)據(jù)圖

圖6所示降噪后的數(shù)據(jù)已經(jīng)很接近螺紋廓形，然后對(duì)其利用抗差最小二乘法對(duì)曲線進(jìn)行擬合，再對(duì)擬合曲線進(jìn)行求導(dǎo)，按照曲線的斜率特性來(lái)將曲線分段。劃分結(jié)果如圖7、圖8所示。得到各段曲線方程后，就可以根據(jù)曲線方程和曲線交點(diǎn)計(jì)算出各種螺紋外型參數(shù)。圖9所示為采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)管螺紋進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)。

圖7 牙側(cè)數(shù)據(jù)曲線

圖8 牙頂和牙底數(shù)據(jù)曲線

為了驗(yàn)證本文所研究的測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量能力，分別用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、螺紋單項(xiàng)儀和本檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)螺紋的螺距P、牙型高度h、牙型半角α/2、牙底圓弧半徑r進(jìn)行檢測(cè)，然后與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的相應(yīng)理論公稱值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)量結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

基于激光三角原理研究了一種石油鉆桿螺紋的在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用已有的管螺紋加工條件和良好的數(shù)控資源，并結(jié)合本文改進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法，解決了因場(chǎng)地條件和鉆桿尺寸等實(shí)際因素限制所導(dǎo)致的石油鉆桿螺紋無(wú)法應(yīng)用現(xiàn)代測(cè)量方法實(shí)時(shí)在機(jī)檢測(cè)的問(wèn)題，以較低的成本及時(shí)地檢測(cè)出不合格工件，并迅速修正。設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)提高了管螺紋檢測(cè)的實(shí)時(shí)性、精確性、經(jīng)濟(jì)性及便捷性。該系統(tǒng)已經(jīng)投入實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)，可以滿足大尺寸螺紋檢測(cè)智能化的要求。

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(編輯 李秀敏)

Research on Method of On Machine Inspection for Profile Information of Drill Pipe Thread

SUN Xing-wei, YU Xin-yu，DONG Zhi-xu

(School of Mechanical Engineering,Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to solve the problem that the oil drill pipe thread can't detected by the modern measurement method due to practical factors, design and implementation the drill pipe thread profile information on machine measurement system. The original data of the thread profile are collected by the laser triangulation method. This paper proposes a new method for the of the cloud data noise reduction with by combining the adaptive Laiyite criterion with the improved wavelet adaptive threshold, and the method is applied to noise reduction the scanned data, the data were fitted by robust least squares. Then, the feature points are segmented and extracted according to the fitting profile derivative. Finally, the profile of the thread is obtained, used it to calculate the thread parameters, and judge real-time processing quality. This measurement allows in-machine non-contact measurement and detection of threads, easy to operate and can be real-time detection thread processing quality. The accuracy and efficiency of the detection was improved.

pipe thread; laser triangulation method; wave-let noise reduction; on machine inspection

1001-2265(2017)08-0085-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.08.021

2017-02-28；

2017-03-22

國(guó)家自然科學(xué)基金(50475170)；省百千萬(wàn)人才工程項(xiàng)目(2015-47)

孫興偉(1970—)，女，遼寧朝陽(yáng)人，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)教授，工學(xué)博士，研究方向?yàn)閺?fù)雜曲面測(cè)量與數(shù)控加工軌跡優(yōu)化、數(shù)控技術(shù)與智能制造、CAD/CAM/CAE技術(shù)，(E-mail)sunxingw@126.com。

TH161；TG506

A