CN103148809A - 石油管外锥管螺纹参数测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石油管外锥管螺纹参数测量装置，包括中空的底座，底座的一侧设有开口，开口底部设置有两个支承下爪，底座内设有扭簧，扭簧的一末端连有定位上爪，扭簧的另一末端固定在底座的底面上，底座的顶部竖直设有扭簧调节旋钮，底座的开口所在面的一侧连接有定位垫片，底座的上方设有立柱，立柱远离底座的一端通过升降装置连接有悬挂装置，悬挂装置上竖直连接有2D激光位移传感器，本发明还公开了石油管外锥管螺纹参数的测量方法。本发明测量装置结构简单，易于操作，携带方便，本发明的方法解决了现有技术下的手工测量效率低、精度不高、难以量化测量结果的问题。

Description

石油管外锥管螺纹参数测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，涉及一种石油管外锥管螺纹参数测量装置，本发明还涉及一种石油管外锥管螺纹参数的测量方法。

背景技术

石油钻探管用于石油、地质钻探，因要深入地下几千米的地层深处工作，条件极为复杂，工作时受拉、压、扭转和冲击载荷等应力的作用，要求管材具有足够的强度、硬度、耐磨性、冲击韧性和符合要求的几何尺寸精度。石油锥管螺纹是一种容易形成连接紧密、气密良好的连接螺纹，它装配容易，能得到过盈的结合，且能保证良好的密封效果，这样的效果直接依赖于锥管螺纹的尺寸加工精度，所以石油管在生产时对其螺纹参数的测量是必须的。

当前众所周知的石油管外锥管螺纹参数的测量方法基本都是用螺纹环规进行定性测量的，通过用距离的大小判断螺纹是否合格，手工测量效率低、精度不高，对于检出的参数不合格的螺纹管，其参数量值究竟是多少无法给出，因而也就无法定量反馈以改善加工过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种石油管外锥管螺纹参数测量装置，解决了现有技术下的手工测量效率低、精度不高、难以量化测量结果的问题。

本发明的另一目的是提供一种石油管外锥管螺纹参数的测量方法。

本发明所采用的技术方案是，石油管外锥管螺纹参数测量装置，包括中空的底座，底座的一侧设有开口，开口所在面靠近底部的位置水平对称设置有两个支承下爪，两个支承下爪位于同一水平面，所述底座内设有扭簧，扭簧的一末端固定在底座的底面上，扭簧的另一末端连有定位上爪，定位上爪从开口向底座的上方穿出，定位上爪靠近扭簧的一端与扭簧调节旋钮的一端连接，扭簧调节旋钮竖直设置，扭簧调节旋钮的另一端设置在底座的顶面上，定位上爪和两个支承下爪外套有定位垫片，所述底座的上方设有立柱，立柱远离底座的一端通过升降装置连接有悬挂装置，悬挂装置与定位垫片位于立柱的同侧，悬挂装置上竖直连接有2D激光位移传感器，所述定位垫片的直径不小于被测石油管的管径。

本发明的特点还在于，

升降装置包括竖直设置在立柱一侧的轨道，轨道上设有齿条，齿条上设有两个齿条锁紧旋钮，所述立柱上设有齿轮，齿轮与齿条啮合。

悬挂装置包括水平设置在齿条上的水平移动导轨，水平移动导轨上沿其伸长方向设置移动导槽，齿条上位于水平移动导轨的上方设置悬臂梁，悬臂梁远离齿条的一端与水平移动导轨远离齿条的一端连接，水平移动导轨上设有悬挂器，悬挂器的顶部设有传感器调节装置，悬挂器的底部连接有2D激光位移传感器。

本发明所采用的另一技术方案是，一种使用石油管外锥管螺纹参数测量装置进行的石油管外锥管螺纹参数测量方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，准备测量

1.1）将扭簧调节旋钮向下旋，使定位上爪下压，将石油管套在定位上爪和支承下爪上，并使被测石油管端口紧贴定位垫片，然后将扭簧调节旋钮向上旋，使定位上爪依靠扭簧的弹力作用顶在被测石油管的内壁上，用以固定被测石油管；

1.2）将齿条锁紧旋钮松动，调节齿轮使齿条上下移动，当2D激光位移传感器调整至离被测石油管轮廓线的距离等于该2D激光位移传感器测量范围一半的位置时，锁紧齿条锁紧旋钮，固定齿条的位置；

1.3）接通2D激光位移传感器的电源，水平移动悬挂器使其与被测石油管待测位置对应，然后调整传感器调节装置，使2D激光位移传感器水平；

步骤2，数据采集

通过步骤1中调试好的2D激光位移传感器，采集被测石油管的外锥管螺纹的一系列牙高点和牙底高数据，将采集到的第一个牙高点记为A₁(x₁，y₁)，第二个牙高点记为A₂(x₂，y₂)，第i个牙高点记为A_i(x_i，y_i)，最后一个牙高点记为A_n(x_n，y_n)；将采集到的第一个牙底高记作B₁(x₁，y₁)，第二个牙底高记作B₂(x₂，y₂)，第i个牙底高记作B_i(x_i，y_i)，最后一个牙底高记作B_n(x_n，y_n)；

步骤3，数据处理

3.1）将步骤2中采集到的所有牙高点数据进行最小二乘直线拟合，得出A₁-A_n段的拟合直线方程为：

y=b₀+bx    （1）

式（1）中， $b_0=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{n}-b\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i}{n},$ b是拟合直线方程的斜率， $b=\frac{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\right)}^2};$

设α为半锥角，则有α=arctan b，设C为锥度，则有C=2×tanα=2b，即得到被测石油管的锥度C的数值；

3.2）设从A₁到A_n这一采集范围内螺距的个数为m，l为m段螺距的长度之和，则有，

$l=\sqrt{{(x_n-x_{n-1})}^2+{(y_n-y_{n-1})}^2}+\·\·\·\·\·\·+\sqrt{{(x_i-x_{i-1})}^2+{(y_i-y_{i-1})}^2}+\·\·\·\·\·\·\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}$

l=mp    （2）

式（2）中，p为螺距，且m=n-1，则

即得到被测石油管（9）的螺距p的数值；

3.3）设H为牙型所对应的原始三角形的高度，h为牙型高度，r₁为牙顶削平高度，则有，

H=0.866p

h=0.626p-0.178

r₁=0.120p+0.051

即得到被测石油管的牙型高度h的数值；

3.3）相邻的牙顶和牙底之间是通过直线段相连，设在相邻的点A_i(x_i，y_i)和点B_i(x_i，y_i)之间的直线段上，取若干个点D_i1(x₁，y₁)，D_i2(x₂，y₂)，…，D_ii(x_i，y_i)，…，D_in(x_n，y_n)；

将上述D_i1至D_in的所有数据进行最小二乘直线拟合，得出D_i1至D_in段的拟合直线方程：

y_di=b_di0+b_dix_di   （3）

式（3）中， $b_{\mathrm{di}0}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{n}-b_{\mathrm{di}}\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i}{n},$ b_di为拟合直线方程的斜率， $b_{\mathrm{di}}=\frac{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\right)}^2};$

设在相邻的点A_i(x_i，y_i)和点B_i-1(x_i-1，y_i-1)之间的直线段上，取若干个点C_i1(x₁，y₁)，C_i2(x₂，y₂)，…，C_ii(x_i，y_i)，…，C_in(x_n，y_n)；

将上述C_i1至C_in的所有数据进行最小二乘直线拟合，得出C_i1至C_in段的拟合直线方程：

y_ci=b_ci0+b_cix_ci    （4）

式（4）中， $b_{\mathrm{ci}0}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{n}-b_{\mathrm{ci}}\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i}{n},$ b_ci为拟合直线方程的斜率， $b_{\mathrm{ci}}=\frac{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\right)}^2};$

3.4）设β_i为D_i1至D_in的直线段和C_i1至C_in的直线段所夹的牙型角，则有，

${\mathrm{\β}}_i=\mathrm{arcta}\left|\frac{b_{\mathrm{di}}-b_{\mathrm{ci}}}{1+b_{\mathrm{ci}}{b}_{\mathrm{di}}}\right|;\left(5\right)$

将公式（3）和公式（4）中求出的斜率b_di和b_ci带入公式（5），即得到D_i1至D_in的直线段和C_i1至C_in的直线段所夹的牙型角β_i的数值；

设2D激光位移传感器所采集的数据范围内有n个牙型角，重复步骤3.3），可以得到斜率b_d1，b_d2，…，b_dn以及b_c1，b_c2，…，b_cn，再将这些斜率对应带入公式（5），则依次求出所有的牙型角：β₁，β₂，…，β_i-1，β_i+1，…，β_n；

设β₀为被测石油管（9）的牙型角，则

${\mathrm{\β}}_0=\frac{{\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2+\·\·\·+{\mathrm{\β}}_i+\·\·\·{\mathrm{\β}}_n}{n}$

即得到被测石油管的牙型角β₀的数值；

步骤4，误差处理

根据步骤3中得到的锥度C、螺距p、牙型高度h和牙型角β₀的测量数据，生成近似于锥管螺纹的外形，再通过数字滤波，对这些测量数据的误差进行处理，剔除粗大误差，减小随机误差，对锥管螺纹进行重新生成，便求出被测锥管螺纹的锥度C、螺距p、牙型高度h和牙型角β₀的最终测量值。

本发明的有益效果是，测量装置结构简单，易于操作，携带方便；将采集到的所有测量数据送入计算机处理后，即可给出相关参数的测量值及量化评定结果；本发明的方法可以给出相关外锥管的参数量值，对其进行等级划分，能够有效保证精度，并使测量效率显著提高，而且能通过与标准值的比对，判断外锥管是否合格，进而为生产的改进提供有效的参考，解决了现有技术下的手工测量效率低、精度不高、难以量化测量结果的问题。

附图说明

图1是本发明石油管外锥管螺纹参数测量装置的结构示意图；

图2是本发明石油管外锥管螺纹参数测量装置的左视图；

图3是本发明石油管外锥管螺纹参数测量装置的俯视图；

图4是石油管外锥管螺纹的牙型示意图；

图5是本发明石油管外锥管螺纹参数的测量方法的求解牙型角原

理图；

图6是本发明石油管外锥管螺纹参数测量装置的测量示意图；

图7是求解两直线夹角的原理图。

图中，1.悬挂器，2.传感器调节装置，3.齿条，4.立柱，5.轨道，6.扭簧调节旋钮，7.底座，8.扭簧，9.石油管，10.支承下爪，11.定位上爪，12.悬臂梁，13.水平移动导轨，14.定位垫片，15.2D激光位移传感器，16.齿轮，17.齿条锁紧旋钮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种石油管外锥管螺纹参数测量装置，参见图1和图2，石油管外锥管螺纹参数测量装置，包括中空的底座7，底座7的一侧设有开口，开口所在面靠近底部的位置水平对称设置有两个支承下爪10，两个支承下爪10位于同一水平面，底座7内设有扭簧8，扭簧8的一末端固定在底座7的底面上，扭簧8的另一末端连有定位上爪11，定位上爪11从开口向底座7的上方穿出，定位上爪11靠近扭簧8的一端与扭簧调节旋钮6的一端连接，扭簧调节旋钮6竖直设置，扭簧调节旋钮6的另一端设置在底座的顶面上，定位上爪11和两个支承下爪10外套有定位垫片14，所述底座7的上方设有立柱4，立柱4远离底座7的一端通过升降装置连接有悬挂装置，悬挂装置与定位垫片14位于立柱4的同侧，悬挂装置上竖直连接有2D激光位移传感器15，定位垫片14的直径不小于被测石油管9的管径。

其中的升降装置包括竖直设置在立柱4一侧的轨道5，轨道5上设有齿条3，齿条3上设有两个齿条锁紧旋钮17，所述立柱4上设有齿轮16，齿轮16与齿条3啮合。

参见图1和图3，其中的悬挂装置包括水平设置在齿条3上的水平移动导轨13，水平移动导轨13上沿其伸长方向设置移动导槽，齿条上位于水平移动导轨13的上方设置悬臂梁12，悬臂梁12远离齿条3的一端与水平移动导轨13远离齿条3的一端连接，水平移动导轨13上设有悬挂器1，悬挂器1的顶部设有传感器调节装置2，悬挂器1的底部连接有2D激光位移传感器15。

扭簧调节旋钮6则控制着定位上爪11的升降，在开始及结束时，向下旋转扭簧调节旋钮6，使定位上爪11不与石油管内壁接触，方便装置的安装及拆除；测量时，适当向上旋扭簧调节旋钮6，使定位上爪11与石油管上壁接触，产生一定的预紧力，可以保证测量装置的可靠装卡。

该测量装置应保证两个支承下爪10所形成的平面与水平面重合，定位垫片14紧靠石油管端口，同时，应保证两个支承下爪10与底座7侧面的垂直度以及两支承下爪10的平行度，水平移动导轨13的对称中心与两个支承下爪10的对称中心相对应，以保证整个装置的测量精度。

本发明还提供一种使用上述石油管外锥管螺纹参数测量装置进行的石油管外锥管螺纹参数测量方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，准备测量

1.1）将扭簧调节旋钮6向下旋，使定位上爪11下压，将石油管套在定位上爪11和支承下爪10上，并使被测石油管9端口紧贴定位垫片14，然后将扭簧调节旋钮6向上旋，使定位上爪11依靠扭簧的弹力作用顶在被测石油管9的内壁上，用以固定被测石油管9；

1.2）将齿条锁紧旋钮17松动，调节齿轮16使齿条3上下移动，当2D激光位移传感器15调整至离被测石油管9轮廓线的距离等于该2D激光位移传感器15测量范围一半的位置时，锁紧齿条锁紧旋钮17，固定齿条3的位置；

1.3）接通2D激光位移传感器15的电源，水平移动悬挂器1使其与被测石油管9待测位置对应，然后调整传感器调节装置2，使2D激光位移传感器15位于水平位置；

步骤2，数据采集

通过步骤1中调试好的2D激光位移传感器15，采集被测石油管9的外锥管螺纹的一系列牙高点和牙底高数据，参见图4，将采集到的第一个牙高点，记为A₁(x₁，y₁)，第二个牙高点，记为A₂(x₂，y₂)，第i个牙高点记为A_i(x_i，y_i)，最后一个牙高点记为A_n(x_n，y_n)；参见图5，将采集到的第一个牙底高记作B₁(x₁，y₁)，第二个牙底高记作B₂(x₂，y₂)，第i个牙底高记作B_i(x_i，y_i)，最后一个牙底高记作B_n(x_n，y_n)；

参见图6，若2D激光位移传感器15发射的面型光或称光刀，未覆盖到被测石油管9上靠近螺纹部分的起始端，可水平移动2D激光位移传感器15，直到光刀完全覆盖石油管9上靠近螺纹部分的起始端，这样就确定出所采集的数据中有效数据的起始点；若2D激光位移传感器15在石油管9母线上投射的面型光长度小于石油管9螺纹相关参数评定所需的长度，可水平移动2D激光位移传感器一定距离，继续采集，直到完成所需数据的采集；

步骤3，数据处理

3.1）将步骤2中采集到的所有牙高点数据进行最小二乘直线拟合，得出A₁-A_n段的拟合直线方程为：

y=b₀+bx    （1）

式（1）中， $b_0=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{n}-b\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i}{n},$ b是拟合直线方程的斜率， $b=\frac{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\right)}^2};$

设α为半锥角，则有α=arctan b，设C为锥度，则有C=2×tanα=2b，即得到被测石油管的锥度C的数值；

3.2）设从A₁到A_n这一采集范围内螺距的个数为m，l为m段螺距的长度之和，则有，

$l=\sqrt{{(x_n-x_{n-1})}^2+{(y_n-y_{n-1})}^2}+\·\·\·\·\·\·+\sqrt{{(x_i-x_{i-1})}^2+{(y_i-y_{i-1})}^2}+\·\·\·\·\·\·\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}$

l=mp（2）

式（2）中，p为螺距，且m=n-1，则

即得到被测石油管（9）的螺距p的数值；

3.3）设H为牙型所对应的原始三角形的高度，h为牙型高度，r₁为牙顶削平高度，则有，

H=0.866p

h=0.626p-0.178

r₁=0.120p+0.051

即得到被测石油管9的牙型高度h的数值；

3.3）参见图5，相邻的牙顶和牙底之间是通过直线段相连，设在相邻的点A_i(x_i，y_i)和点B_i(x_i，y_i)之间的直线段上，取若干个点D_i1(x₁，y₁)，D_i2(x₂，y₂)，…，D_ii(x_i，y_i)，…，D_in(x_n，y_n)；

将上述D_i1至D_in的所有数据进行最小二乘直线拟合，得出D_i1至D_in段的拟合直线方程：

y_di=b_di0+b_dix_di    （3）

式（3）中， $b_{\mathrm{di}0}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{n}-b_{\mathrm{di}}\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i}{n},$ b_di为拟合直线方程的斜率， $b_{\mathrm{di}}=\frac{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\right)}^2};$

设在相邻的点A_i(x_i，y_i)和点B_i-1(x_i-1，y_i-1)之间的直线段上，取若干个点C_i1(x₁，y₁)，C_i2(x₂，y₂)，…，C_ii(x_i，y_i)，…，C_in(x_n，y_n)；

将上述C_i1至C_in的所有数据进行最小二乘直线拟合，得出C_i1至C_in段的拟合直线方程：

y_ci=b_ci0+b_cix_ci    （4）

式（4）中， $b_{\mathrm{ci}0}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{n}-b_{\mathrm{ci}}\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i}{n},$ b_ci为拟合直线方程的斜率， $b_{\mathrm{ci}}=\frac{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\right)}^2};$

3.4）参见图7，在平面直角坐标系xoy中，设直线l₁的倾斜角为α₁，直线l₂的倾斜角为α₂，θ为直线l₁和l₂所成的夹角，θ不能为90°，

则θ=α₂-α₁，

$\tan \mathrm{\θ}=\tan ({\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1)=\frac{\tan {\mathrm{\α}}_2-\tan {\mathrm{\α}}_1}{1+\tan {\mathrm{\α}}_1\tan {\mathrm{\α}}_2}$

又因平面上两条相交且互不垂直的直线夹角β的范围是(0°，90°)，则tanβ>0，

$\tan \mathrm{\θ}=\left|\tan \mathrm{\β}\right|=\left|\tan ({\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1)\right|=\left|\frac{\tan {\mathrm{\α}}_2-\tan {\mathrm{\α}}_1}{1+\tan {\mathrm{\α}}_1\tan {\mathrm{\α}}_2}\right|=\left|\frac{b_2-b_1}{1+b_1{b}_2}\right|$

即，平面上直线l₁与直线l₂的夹角为，

$\mathrm{\β}=\arctan \left|\frac{b_2-b_1}{1+b_1{b}_2}\right|---\left(5\right)$

设β_i为D_i1至D_in的直线段和C_i1至C_in的直线段所夹的牙型角，将公式（3）和公式（4）中求出的斜率b_di和b_ci带入公式（5），则有，

${\mathrm{\β}}_i=\arctan \left|\frac{b_{\mathrm{di}}-b_{\mathrm{ci}}}{1+b_{\mathrm{ci}}{b}_{\mathrm{di}}}\right|;\left(6\right)$

设2D激光位移传感器15采集的数据范围内有n个牙型角，重复步骤3.3），可以得出斜率b_d1，b_d2，…，b_dn以及b_c1，b_c2，…，b_cn，再将这些斜率对应带入公式（6），便可依次求出所有的牙型角：β₁，β₂，…，β_i-1，β_i+1，…，β_n；

设β₀为被测石油管9的牙型角，则

${\mathrm{\β}}_0=\frac{{\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2+\·\·\·{\mathrm{\β}}_i+\·\·\·{\mathrm{\β}}_n}{n}$

即得到被测石油管9的牙型角β₀的数值。

步骤4，误差处理

根据步骤3中得到的锥度C、螺距p、牙型高度h和牙型角β₀的测量数据，可以生成近似于锥管螺纹的外形，再通过数字滤波，对这些测量数据的误差进行处理，剔除粗大误差，减小随机误差，对锥管螺纹进行重新生成，便求出被测锥管螺纹的锥度C、螺距p、牙型高度h和牙型角β₀的最终测量值。

实施例

用石油管外锥管螺纹参数测量装置测量标准的螺纹牙型为V-0.038R的锥管外螺纹，该锥管的参数标称值见表1，

锥度	螺距	牙型高度	牙型角
				1:6	6.35mm	3.095mm	60°

表1

将该被测锥管悬空水平置于测量支架上，将扭簧调节旋钮6向下旋，使定位上爪11下压，将被测锥管套在定位上爪11和支承下爪10上，并使被测锥管端口紧贴定位垫片，然后将扭簧调节旋钮6向上旋，使定位上爪11依靠扭簧8的弹力作用顶在被测锥管的内壁上，用以固定被测锥管，将齿条锁紧旋钮17松动，调节齿轮16使齿条3上下移动，将2D激光位移传感器15与被测锥管的螺纹轮廓线的距离调整为100mm，锁紧齿条锁紧旋钮17，固定齿条的位置，再调整2D激光位移传感器15的水平位置，使光刀覆盖螺纹的一端，然后启动2D激光位移传感器15，由2D激光位移传感器15发出的光刀直接采集被测锥管螺纹上连续的牙高点和牙底高的坐标，以及相邻牙高点和牙底高之间直线段上的点的坐标集合，并输入计算机，按照步骤2至步骤4的方法，对测量数据的座标点的集合进行处理，即可获得被测锥管的螺纹的锥度C、螺距p、牙型高度h和牙型角β₀的测量值，见表2，

锥度	螺距	牙型高度	牙型角
				1:6.012	6.346mm	3.092mm	59.997°

表2

将表2的测量值与表1的标称值进行比较，可以看出本发明石油管外锥管螺纹参数测量装置实现了对被测螺纹的锥度C、螺距p、牙型高度h和牙型角β₀的量化测量，并且其线位移测量精度为可达到5μm，测量精度高。

本发明的测量装置结构简单，操作方便，既经济又便携，而且测量效果满足测量要求，效率高，本发明的方法可以同时满足多种规格的石油管外锥管螺纹参数的测量，所有测量数据的拾取均由2D激光位移传感器来实现，将拾取的数据送入计算机处理，便可以给出相关参数的测量值，解决了现有技术下的手工测量效率低、精度不高、难以量化测量结果的问题。

另外，将测得的测量值与同型号的石油管外锥管螺纹参数的标称值进行比较，可以判断被测的外锥管螺纹是否合格，对其进行等级划分，最终给出被测石油管外锥管螺纹的精度评价结果，为生产的改进提供有效的参考。

Claims (4)

1.石油管外锥管螺纹参数测量装置，其特征在于，包括中空的底座（7），底座（7）的一侧设有开口，开口所在面靠近底部的位置水平对称设置有两个支承下爪（10），两个支承下爪（10）位于同一水平面，所述底座（7）内设有扭簧（8），扭簧（8）的一末端固定在底座（7）的底面上，扭簧（8）的另一末端连有定位上爪（11），定位上爪（11）从开口向底座（7）的上方穿出，定位上爪（11）靠近扭簧（8）的一端与扭簧调节旋钮（6）的一端连接，扭簧调节旋钮（6）竖直设置，扭簧调节旋钮（6）的另一端设置在底座的顶面上，所述定位上爪（11）和两个支承下爪（10）外套有定位垫片（14），所述底座（7）的上方设有立柱（4），立柱（4）远离底座（7）的一端通过升降装置连接有悬挂装置，悬挂装置与定位垫片（14）位于立柱（4）的同侧，悬挂装置上竖直连接有2D激光位移传感器（15），所述定位垫片（14）的直径不小于被测石油管（9）的管径。

2.如权利要求1所述的石油管外锥管螺纹参数测量装置，其特征在于，所述的升降装置包括竖直设置在立柱（4）一侧的轨道（5），轨道（5）上设有齿条（3），齿条（3）上设有两个齿条锁紧旋钮（17），所述立柱（4）上设有齿轮（16），齿轮（16）与齿条（3）啮合。

3.如权利要求1或2所述的石油管外锥管螺纹参数测量装置，其特征在于，所述的悬挂装置包括水平设置在齿条（3）上的水平移动导轨（13），水平移动导轨（13）上沿其伸长方向设置移动导槽，齿条上位于水平移动导轨（13）的上方设置悬臂梁（12），悬臂梁（12）远离齿条（3）的一端与水平移动导轨（13）远离齿条（3）的一端连接，水平移动导轨（13）上设有悬挂器（1），悬挂器（1）的顶部设有传感器调节装置（2），悬挂器（1）的底部连接有2D激光位移传感器（15）。

4.一种使用权利要求1所述装置进行的石油管外锥管螺纹参数测量方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，准备测量

1.1）将扭簧调节旋钮（6）向下旋，使定位上爪（11）下压，将石油管套在定位上爪（11）和支承下爪（10）上，并使被测石油管（9）端口紧贴定位垫片（14），然后将扭簧调节旋钮（6）向上旋，使定位上爪（11）依靠扭簧的弹力作用顶在被测石油管（9）的内壁上，用以固定被测石油管（9）；

1.2）将齿条锁紧旋钮（17）松动，调节齿轮（16）使齿条（3）上下移动，当2D激光位移传感器（15）调整至离被测石油管（9）轮廓线的距离等于该2D激光位移传感器（15）测量范围一半的位置时，锁紧齿条锁紧旋钮（17），固定齿条（3）的位置；

1.3）接通2D激光位移传感器（15）的电源，水平移动悬挂器（1）使其与被测石油管（9）待测位置对应，然后调整传感器调节装置（2），使2D激光位移传感器（15）水平；

步骤2，数据采集

通过步骤1中调试好的2D激光位移传感器（15），采集被测石油管（9）的外锥管螺纹的一系列牙高点和牙底高数据，将采集到的第一个牙高点记为A₁(x₁，y₁)，第二个牙高点记为A₂(x₂，y₂)，第i个牙高点记为A_i(x_i，y_i)，最后一个牙高点记为A_n(x_n，y_n)；将采集到的第一个牙底高记作B₁(x₁，y₁)，第二个牙底高记作B₂(x₂，y₂)，第i个牙底高记作B_i(x_i，y_i)，最后一个牙底高记作B_n(x_n，y_n)；

步骤3，数据处理

3.1）将步骤2中采集到的所有牙高点数据进行最小二乘直线拟合，得出A₁-A_n段的拟合直线方程为：

y=b₀+bx    （1）

式（1）中， $b_0=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{n}-b\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i}{n},$ b是拟合直线方程的斜率， $b=\frac{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\right)}^2};$

设α为半锥角，则有α=arctan b，设C为锥度，则有C=2×tanα=2b，即得到被测石油管的锥度C的数值；

3.2）设从A₁到A_n这一采集范围内螺距的个数为m，l为m段螺距的长度之和，则有，

$l=\sqrt{{(x_n-x_{n-1})}^2+{(y_n-y_{n-1})}^2}+\·\·\·\·\·\·+\sqrt{{(x_i-x_{i-1})}^2+{(y_i-y_{i-1})}^2}+\·\·\·\·\·\·\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}$

l=mp    （2）

式（2）中，p为螺距，且m=n-1，则

即得到被测石油管（9）的螺距p的数值；

3.3）设H为牙型所对应的原始三角形的高度，h为牙型高度，r₁为牙顶削平高度，则有，

H=0.866p

h=0.626p-0.178

r₁=0.120p+0.051

即得到被测石油管（9）的牙型高度h的数值；

3.3）相邻的牙顶和牙底之间是通过直线段相连，设在相邻的点A_i(x_i，y_i)和点B_i(x_i，y_i)之间的直线段上，取若干个点D_i1(x₁，y₁)，D_i2(x₂，y₂)，…，D_ii(x_i，y_i)，…，D_in(x_n，y_n)；

将上述D_i1至D_in的所有数据进行最小二乘直线拟合，得出D_i1至D_in段的拟合直线方程：

y_di=b_di0+b_dix_di    （3）

式（3）中， $b_{\mathrm{di}0}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{n}-b_{\mathrm{di}}\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i}{n},$ b_di为拟合直线方程的斜率， $b_{\mathrm{di}}=\frac{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\right)}^2};$

设在相邻的点A_i(x_i，y_i)和点B_i-1(x_i-1，y_i-1)之间的直线段上，取若干个点C_i1(x₁，y₁)，C_i2(x₂，y₂)，…，C_ii(x_i，y_i)，…，C_in(x_n，y_n)；

将上述C_i1至C_in的所有数据进行最小二乘直线拟合，得出C_i1至C_in段的拟合直线方程：

y_ci=b_ci0+b_cix_ci    （4）

式（4）中， $b_{\mathrm{ci}0}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{n}-b_{\mathrm{ci}}\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i}{n},$ b_ci为拟合直线方程的斜率，

$b_{\mathrm{ci}}=\frac{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{n\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\right)}^2};$

3.4）设β_i为D_i1至D_in的直线段和C_i1至C_in的直线段所夹的牙型角，则有，

${\mathrm{\β}}_i=\mathrm{arcta}\left|\frac{b_{\mathrm{di}}-b_{\mathrm{ci}}}{1+b_{\mathrm{ci}}{b}_{\mathrm{di}}}\right|;\left(5\right)$

将公式（3）和公式（4）中求出的斜率b_di和b_ci带入公式（5），即得到D_i1至D_in的直线段和C_i1至C_in的直线段所夹的牙型角β_i的数值；

设2D激光位移传感器（15）所采集的数据范围内有n个牙型角，重复步骤3.3），可以得到斜率b_d1，b_d2，…，b_dn以及b_c1，b_c2，…，b_cn，再将这些斜率对应带入公式（5），则依次求出所有的牙型角：β₁，β₂，…，β_i-1，β_i+₁，…，β_n；

设β₀为被测石油管（9）的牙型角，则

${\mathrm{\β}}_0=\frac{{\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2+\·\·\·+{\mathrm{\β}}_i+\·\·\·{\mathrm{\β}}_n}{n}$

即得到被测石油管（9）的牙型角β₀的数值；

步骤4，误差处理

根据步骤3中得到的锥度C、螺距p、牙型高度h和牙型角β₀的测量数据，生成近似于锥管螺纹的外形，再通过数字滤波，对这些测量数据的误差进行处理，剔除粗大误差，减小随机误差，对锥管螺纹进行重新生成，便求出被测锥管螺纹的锥度C、螺距p、牙型高度h和牙型角β₀的最终测量值。

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