基于激光位移传感器的钻具接头形位尺寸测量系统
基于激光位移传感器的钻具接头形位尺寸测量系统
作者:王元芳;黄志高;戚得众
近年来随着国内能源行业迅速发展,国家不断提高对石油行业的重视,各种钻具的消耗量也在逐年增加。有效的评估钻具形位尺寸工作情况,能够大大的节约成本,然而钻具接头形位尺寸测量一 直是困扰现代化工业生产的一 个重要的技术难题。目前在生产现场,对钻具接头形位尺寸测量大多采用人工选点的方法,利用游标卡尺和千分尺等直接测量。这些检测方法效率低下,且检测的精度远远达不到预定要求,已经无法满足日益增长的高速、精密、自动化、大批量生产的方向发展的要求。基于此设计了一 种基于激光测距传感器的测量系统,该系统具有高精度、高灵敏度、高速度及非接触式测量等特性。实践证明,该测董系统具有较高的性价比。
1 系统测量原理
该测量系统主要由高精密运动伺服控制模块、高精度激光位移传感器、高精度光栅位移传感器模块、高速信号采集及信号处理模块等4部分组成。其中激光位移传感器模块由2块激光位移传感器上下对称分布安装组成。运动伺服控制平台带动激光位移传感器作直线往返运动,同时信号采集系统对2传感器进行信号采集,信号处理系统再经过一 系列的算法对得到的信号进行分析与处理,然后提取典型信号特征,最后根据信号特征点对应光栅位移传感器位置即可计算工件的各种形位尺寸。在该系统中,激光位移传感器部分主要是对钻杆形位尺寸进行测量,信号采集与处理系统部分主要是对测量的信号进行 一 系列的预处理之后,再通过特征点的提取方法提取有效计算点;运动控制平台部分则是根据激光位移传感器部分给出的相对位移信息控制平台进行相应的位移。
2测量系统的信号处理
2.1 信号预处理
为了测量钻杆接头的形位尺寸,需要提取该工件的外部轮廓特征,由于钻杆信号在采集、传输等过程中都会有噪声的干扰,使得信号变得模糊,难以辨别信号边缘和捕捉信号特征,为了有效地提取钻杆的边缘轮廓,首先必须对原始信号进行预处理。常用的方法是采取高斯平滑高斯平滑 ( Gaussian smoothing)是一种常用的曲线平滑方法,但其在减小数字化误差及噪声的同时,引入了收缩误差(Shrinkage error)。本系统引进了 一 种自适应平滑方法即权值根据信号的连续度而改变的卷积迭代算法。
2.2 钻具形位尺寸测量采集信号分析
钻杆经激光位移传感器扫描后,可以形成钻杆外轮廓P, P为钻杆轮廓上所有点坐标P(i)的集合。即P= lP(i)= l(x(i) ,y(i)) li=0,1 .m l ,该信号收到外界噪声干扰轮廓不光滑,所以必须对其光滑处理,为后面计算提高精度作好铺垫。本系统引进了 一 种自适应平滑方法,设S(x)未经平滑的一维离散信号。
2.3 钻具形位尺寸测量采集信号特征点提取
从采集的信号中要计算出接头的长度等相关尺寸,必须找出每个部分对应信号特征。为了能准确的找到相应的点特征,提出了 一 种基于点特征提取算法这种算法受信号处理中自相关函数的启发,给出与自相关函数相联系的矩阵N。矩阵的特征值是自相关函数的一阶曲率,如果两个曲率值都高,也就是在水平、竖直2个方向上变化均较大的点,即I 元、Ir 都较大,那么就认为该点是特征点,左边圆圈区域表示特征点,右边圆圈区域表示边缘点。
切点对应的数学模式为以下4种: (1,1,1,l,1, 0,0,0,0, 0);(0,0,0,0,0 ,1,l,1,l,1);(-1,-l,-1,-1,-l,0,0,0,0,0);(0,0,0,0,0, - 1,-1,-1,-1,-1)
通过以上几种算法,找出了对应的关键点,大大地减少了计算的数据量。倒角圆的位置和耐磨带的位置都能准确找出,为计算接头长度、最小耐磨带厚度及台肩面长度等相关尺寸奠定了良好的基础。在图11信号处理图中倒角圆位置以被磨光无法用肉眼准确辨认,给测量带来特别大的困难,但是通过研究出独特的机械结构安装模式(激光位移传感器45 °角上下安装)和强有力的运行算法,找出了倒角圆消失端的位置。再利用前面介绍的测量理论,就很容易计算出各形位相关的尺寸。
3测量系统软件设计
该系统是在基千WINDOWS操作平台的基础上采用Visual C++工具编制而成,具有良好的人机界面,操作简单 。系统软件主要包括信号采集及信号处理模块、运动控制平台模块、以及激光移传感器模块等几部分组成。
4系统测量结果及误差分析
4.1 系统测量的结果
该系统关千钻杆形位尺寸做了大量的相关性测量试验,对2中127钻杆母接头长度进行测量分析,其中母接头长度示值为281.32mm。由测量的结果可知,钻杆公接头的平均值为281. 33 mm,标准偏差为0.041 7mm,其误差范围在允许的范围内,完全能够满足钻杆API标准。
4.2测量系统的误差分析
本测量系统是基于光学的测量方法,在测量的每一个环节都有一些可能影响测量精度的因素。从本测量系统来看,影响该测量仪器的误差主要取决于系统的机械结构、导轨的精度、光栅位移传感器的分辨率、激光位移传感器的分辨率、信号处理算法精度等几个因素。
在本测量系统中,首先,激光位移传感器上下两安装支架一方面要保证对准工件的中心位置,另 一 方面保证与安装底座垂直,否则会带来直接的测量误差。第二,光栅位移传感器的安装位置也对测量精度有直接的影响,因为测量的尺寸示值大小是通过光栅位移传感甜获取的,所以光栅位移传感器一定要与工作平台安装在同 一 个水平面上,尽量减少偏转角 ex'从而可以有效减少仪器带来的随机阿贝尔误差。
本测量系统采用矩形导轨的直线执行机构,它具有角刚度高、直线运动精度高、定位精度高的特点,采用它可以减小测量系统的误差。
本测量系统尺寸读数都是通过光栅位移传感器获取的,所以光栅位移传感器的精度直接影响测量的精度。本系统所选的光栅位移传感器分辨率为10 m,其误差满足系统测量的要求,另外为了能够精准获取接头外系统轮廓,本系统选用的激光位移传感器精度为5 m。
信号处理的精度对尺寸测量有直接的影响,本文采用自适应平滑方法对信号进行滤波,然后准确提取特征点,从而能减小算法对测量系统的误差;用2个激光位移传感器同时对工件进行测量,然后取它们的均值作为测量值能进一步减小单个激光位移传感器测 量带来的误差。
5 结论
该系统采用自适应平滑方法对信号进行滤波,然后准确提取特征点,从而能减小算法对测蜇系统的误差。利用 2 个激光位移传感器同时对工件进行测量,进 一 步减小单个激光位移传感器测量带来的误差。最后对测量仪器的误差进行综合分析。系统克服了传统的人工检测方法效率低下,检测精度无法达到预定要求的缺点,具有灵活可控的运动结构、稳定可靠的导轨机构、高精度的光栅位移传感器和激光位移传感器、高灵敏度信号处理算法等特性。经过 一 系列实验 ,结果表明该仪器具有较高的测量重复性和测量精度,具有很高的应用价值和广泛的应用前景。
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