CN104024790B - 带螺纹的管的端部形状测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种带螺纹的管(P)的端部形状测量方法，其包括螺纹轴线检测工序、激光定位工序、激光拍摄工序以及形状计算工序。在激光定位工序中，在包含螺纹轴线(A)的面(NP)内，光源(1)的光轴(LA)以通过位于测量对象部位的螺纹轴线上的测量点(D(X1、Y1、Z1))的方式定位，并且，使光源和拍摄部件(2)一体移动，使得激光(L)在面(NP)内以狭缝状扩张。

Description

带螺纹的管的端部形状测量方法

技术领域

本发明涉及一种高精度且迅速地测量被形成于油井管等带螺纹的管的端部的螺纹部、密封部的形状的方法。

背景技术

以往以来，作为将油井管等管的端部彼此之间连结的方法，应用有这样一种方法：在管的端部外周面形成螺纹部(外螺纹部)而做成带螺纹的管，通过将一对带螺纹的管的各螺纹部(外螺纹部)分别与在内周面形成有螺纹部(内螺纹部)的接头(箱形接头)连接，从而将管的端部彼此之间连结。

当形成于管的端部的螺纹部的尺寸精度较低时，与接头的连接状态松弛，而可能导致管彼此之间的连结被解除而脱落，或在管内部流动的流体泄漏到外部。特别是，对于油井管，随着近年的油井环境的残酷化，对螺纹部的尺寸精度、质量保证水平的要求也逐年严格化。

图1是示意地表示油井管的端部形状的一例子的剖视图。图1的(a)表示端部整体的剖视图，图1的(b)表示在图1的(a)中利用附图标记X所表示的圆形区域的放大图。

如图1所示，油井管P的端部包括设有螺纹牙P1和螺纹槽P2的螺纹部P3、与螺纹部P3相邻且设于比螺纹部P3靠管端面E侧的平行部P5、以及与平行部P4相邻且设于比平行部P4靠管端面E侧的密封部P4。

而且，随着近年的油井环境的残酷化，作为油井管P，多应用有形成有螺纹部P3的管，该螺纹部P3为对螺纹部P3的各螺纹牙P1进行划分的一对齿侧面P6(连接螺纹牙P1的顶部P11和螺纹槽P2的底部P21的面)之中的位于与管端面E侧相反的一侧的齿侧面P6(在管端部彼此之间连结时，相对于螺纹轴线(螺纹部P3的中心轴线)A方向上的拉力施加负荷这一侧的齿侧面P6)、即以随着自螺纹牙P1的顶部P11朝向螺纹槽P2的底部P21而接近管端面E侧的方式倾斜的齿侧面(以下将其称为钩状齿侧面P6h)。

以往，在评价齿侧面P6的角度(与螺纹轴线A的垂线N所成的角度)α、螺纹底部R部(齿侧面P6与螺纹槽P2的底部P21相交叉的部分)P7的曲率时，使用硅橡胶等对螺纹部P3进行造型(日文：型取り)。然后，将该造型物切断为能够评价齿侧面P6的角度、螺纹底部R部P7的曲率的截面形状，使用投影仪将其截面的阴影放大投影到透明的胶片上。在透明的胶片上，图示有与齿侧面P6的角度的容许范围、螺纹底部R部P7的曲率的容许范围相对应的截面形状的容许范围，通过目视确认阴影的边缘是否位于其截面形状的容许范围内，判定齿侧面P6的角度、螺纹底部R部P7的曲率是否合格。

另外，也有时对密封部P4的顶端R部(密封部P4的台肩面P41与密封面P42相交叉的部分)P43的曲率进行与上述的螺纹部P的情况相同的检查。

对于上述这样的检查，在螺纹部P3、密封部P4的造型、将该造型物切断为截面形状等方面需要花费大量的工夫。因此，不得不进行对同一生产批量的最初和最后的油井管进行检查等的抽样检查，难以进行全数检查。

另外，由于不过是通过与容许范围的比较而判定是否合格，因此，难以对螺纹部P3、密封部P4的形状进行定量的评价。

为了解决这样的问题，在专利文献1、专利文献2中，提案有这样一种方法(光投影法)：向螺纹槽P2照射平行的光，检测通过螺纹部P3的光，从而测量螺纹部P3的外形(螺纹部P3表面的凹凸形状，称为螺纹轮廓)。若利用该光投影法能够高精度地测量螺纹部P3的螺纹轮廓，则认为也能够根据螺纹轮廓高精度地计算出齿侧面P6的角度、螺纹底部R部P7的曲率。

然而，由于螺纹轮廓描绘为曲线，因此，在检测平行光的上述光投影法中，有时因齿侧面P6隐藏于螺纹牙P1的棱线的阴影中而无法准确检测齿侧面P6。特别是，在齿侧面P6为钩状齿侧面P6h的情况下，无法忽视因钩状齿侧面P6h隐藏于螺纹P1的棱线的阴影中而产生的误差。

于是，如专利文献3所述，本申请人们提案了一种使用接触探头测量与螺纹部P3的齿侧面P6相关的形状的方法。

然而，在专利文献3所述的方法中，使接触探头依次移动，而使安装于顶端的球状的触头与齿侧面P6接触从而进行测量，因此，必然地测量时间变长，并且无法充分地获得测量个数。因此，有时无法高精度地测量齿侧面P6的角度。

另外，由于触头具有规定的尺寸，因此，难以高精度地测量螺纹底部R部P7的曲率。

另外，在上述专利文献3、专利文献4中，提案有一种检测螺纹轴线的方法。

专利文献1：日本国特许第3552440号公报

专利文献2：日本国特开昭63-212808号公报

专利文献3：日本国特许第4486700号公报

专利文献4：日本国特许第4457370号公报

发明内容

发明要解决的问题

本发明即是为了解决上述以往技术的问题而做成的，其课题在于提供一种能够高精度且迅速地测量被形成于油井管等带螺纹的管的端部的螺纹部、密封部的形状的方法。

用于解决问题的方案

为了解决上述课题，本发明人们认真进行了讨论，其结果得出：为了测量螺纹部、密封部的形状，若是应用使用狭缝状的激光的光切断法，则能够迅速地测量。而且，研究出如果以射出狭缝状的激光的光源的光轴通过螺纹轴线上的点且狭缝状的激光在包含螺纹轴线的面内扩张的方式定位激光，则能够高精度地测量螺纹部的形状，从而完成了本发明。

即，本发明为一种带螺纹的管的端部形状测量方法，其特征在于，其包括以下的(1)～(4)的各工序。

(1)螺纹轴线检测工序：检测带螺纹的管的螺纹轴线。

(2)激光定位工序：使射出狭缝状的激光的光源、和具有与该光源的光轴不同的方向的视轴的拍摄部件一体地移动并定位至自上述光源射出的激光能够照射于上述带螺纹的管的测量对象部位、即螺纹部或密封部的位置；

(3)激光拍摄工序：自上述光源向上述测量对象部位照射激光，利用上述拍摄部件对该照射的激光进行拍摄。

(4)形状计算工序：通过对在上述激光拍摄工序中获得的拍摄图像施加图像处理，从而计算出上述测量对象部位的形状。

而且，在上述(2)的激光定位工序中，在包含上述螺纹轴线的面内，上述光源的光轴以通过位于上述测量对象部位的上述螺纹轴线上的测量点的方式定位，并且，使上述光源和上述拍摄部件一体移动，使得上述激光在上述面内以狭缝状扩张。

根据本发明，在螺纹轴线检测工序中，检测带螺纹的管的螺纹轴线。螺纹轴线能够使用上述的专利文献3、专利文献4所述那样的公知的方法进行检测。例如，在使用专利文献4所述的方法的情况下，利用具备三个以上的接触传感器的端面仿形机构，能够检测管端面E的方向，进一步能够检测与管端面E正交的螺纹轴线A的倾斜角θ1、θ2(参照图2)。另外，通过利用端面仿形机构测量管端面E的位置，利用尺寸测量机构测量密封直径，从而能够检测管端面E与螺纹轴线A的交点C(X0，Y0，Z0)(参照图2)。若能够这样地检测出交点C(X0，Y0，Z0)、和倾斜角θ1、θ2，则螺纹轴线A能够唯一确定。

接着，根据本发明，在激光定位工序中，使射出狭缝状的激光L的光源1、和具有与光源1的光轴LA不同的方向的视轴VA的拍摄部件2一体地移动并定位至自光源1射出的激光L能够照射于带螺纹的管P的测量对象部位、即螺纹部P3或密封部P4的位置(参照图2)。

并且，在激光拍摄工序中，自光源1向测量对象部位照射激光L，利用拍摄部件2对照射的激光L进行拍摄(参照图2)。然后，在形状计算工序中，通过对在上述激光拍摄工序中获得的拍摄图像施加图像处理(例如，利用图2所示的图像处理部件3施加图像处理)，从而计算出测量对象部位的形状(例如，计算与齿侧面P6的角度α、螺纹底部R部P7的曲率以及顶端R部P43的曲率之中的至少一个相关的测量值)。

即，利用使用了狭缝状的激光L的光切断法，能够计算出测量对象部位的形状。

在上述激光定位工序中，具体而言，在包含螺纹轴线A的面NP内，光源1的光轴LA以通过位于测量对象部位(螺纹部P3或密封部P4)的螺纹轴线A上的测量点D(X1、Y1、Z1)的方式定位，并且，使光源1和拍摄部件2一体移动(包含转动)，使得激光L在面NP内以狭缝状扩张(参照图2)。

由此，自光源1射出的激光L沿以包含螺纹轴线A的面NP切断带螺纹的管P时获得的截面的外缘照射。即，光切断线沿包含螺纹轴线A的带螺纹的管P的截面的外缘照射。另外，由于激光L沿包含螺纹轴线A的带螺纹的管P的截面的外缘照射，因此，通过适当调整拍摄部件2的视轴VA，即使在齿侧面P6为钩状齿侧面P6h的情况下，钩状齿侧面P6h也不会隐藏在螺纹P1的棱线的阴影中，而能够对所照射的激光L进行拍摄。因此，在形状计算工序中，可期待能够高精度地测量螺纹部P3、密封部P4的形状(以包含螺纹轴线A的面NP切断的情况下的截面形状)。另外，由于使用光切断法，相比于使用接触探头测量的情况，测量不会需要较长时间，能够快速地测量出测量对象部位的形状。

另外，光源1的光轴LA在包含螺纹轴线A的面NP内通过测量点D(X1、Y1、Z1)，并且，使光源1和拍摄部件2一体移动，使得激光L在面NP内以狭缝状扩张，为此，例如，只要将光源1和拍摄部件2借助能够分别沿X方向、Y方向以及Z方向位移以及能够绕各方向转动的公知的驱动台安装于专利文献4所述的尺寸测量机构即可。

发明的效果

采用本发明，能够高精度且快速地测量被形成于油井管等带螺纹的管的端部的螺纹部、密封部的形状。

附图说明

图1是示意性地表示油井管的端部形状的一例子的剖视图。

图2是说明本发明的一实施方式的带螺纹的管的端部形状测量方法的说明图。

图3是表示测量出带螺纹的管的螺纹底部R部的形状的结果的一例子的图。

图4是表示测量出带螺纹的管的齿侧面的形状的结果的一例子的图。

图5是表示测量出带螺纹的管的顶端R部的形状的结果的一例子的图。

具体实施方式

以下，适当参照附图说明本发明的一实施方式的带螺纹的管(油井管)的端部形状测量方法。

图2是说明本发明的一实施方式的带螺纹的管(油井管)的端部形状测量方法的说明图。图2的(a)是概略地表示用于测量带螺纹的管的端部形状的装置结构的图。图2的(b)～图2的(d)是示意性地说明测量带螺纹的管的端部形状的顺序的说明图，图2的(b)表示自图2的(a)所示的Y方向看到的图，图2的(c)表示自图2的(a)所示的X方向看到的图，图2的(d)表示自图2的(a)所示的Z方向看到的图。另外，图2所示的Z方向为铅垂方向，X方向和Y方向分别表示与Z方向正交并且彼此正交的方向。X方向与带螺纹的管P的径向大致相同，Y方向与带螺纹的管P的长度方向(螺纹轴线A的方向)大致相同。但是，因带螺纹的管P的弯曲等的影响，带螺纹的管P的径向自X方向偏移，带螺纹的管P的螺纹轴线A的方向自Y方向偏移。图2的(b)中用虚线表示的圆表示没有偏移的情况下的管端面E的位置。另外，为了方便说明，图2的(b)～图2的(d)所示的带螺纹的管P利用完全的矩形表示，但实际上，端部的直径随着靠近管端面而变小。

本实施方式的端部形状测量方法包括(1)螺纹轴线检测工序、(2)激光定位工序、(3)激光拍摄工序、以及(4)形状计算工序。以下依次说明各工序。

1.螺纹轴线检测工序

在本工序中，检测带螺纹的管P的螺纹轴线A。作为螺纹轴线A的检测方法，能够应用各种公知的方法，例如，也能够使用所述专利文献4记载的方法。在使用专利文献4所述的方法的情况下，能够利用具备三个以上的接触传感器的端面仿形机构(未图示)检测管端面E的方向。因而，能够检测与管端面E正交的螺纹轴线A的倾斜角θ1、θ2。θ1是在自Z方向看到的情况(图2的(d))下Y方向与螺纹轴线A的方向所成的角度。θ2是在自X方向看到的情况(图2的(c))下Y方向与螺纹轴线A的方向所成的角度。

另外，通过利用端面仿形机构测量管端面E的位置，利用尺寸测量机构(未图示)测量密封直径(平行部P5的外径)，从而能够检测管端面E与螺纹轴线A的交点C(X0，Y0，Z0)。即，通过测量管端面E的位置，能够计算在XYZ坐标中的管端面E的方程式，进一步通过测量密封直径，能够计算出管端面E的中心坐标。该计算出的管端面E的中心坐标(X0，Y0，Z0)可以认为是管端面E与螺纹轴线A的交点C的坐标。

若能够如上所述检测出交点C(X0，Y0，Z0)和倾斜角θ1、θ2，则能够唯一确定螺纹轴线A(XYZ坐标中的螺纹轴线A的方程式)。

2.激光定位工序

在本工序中，使射出狭缝状的激光L的光源1、和具有与光源1的光轴LA不同的方向的视轴VA的拍摄部件2一体地移动(包括转动)并定位至自光源1射出的激光L能够照射于带螺纹的管P的测量对象部位、即螺纹部P3或密封部P4的位置。光源1和拍摄部件2借助能够分别沿X方向、Y方向以及Z方向位移以及能够绕各方向转动的公知的驱动台安装于专利文献4所述的尺寸测量机构(未图示)，通过驱动该驱动台，光源1和拍摄部件2能够一体移动至测量对象部位。

具体而言，在本工序中，在包含螺纹轴线A的面(在本实施方式中，包含螺纹轴线A和与螺纹轴线交叉的铅直线(沿Z方向延伸的直线)的面)NP内，光源1的光轴LA以通过位于测量对象部位(螺纹部P3或密封部P4)的螺纹轴线A上的测量点D(X1，Y1，Z1)的方式定位，并且，使光源1和拍摄部件2一体移动，使得激光L在面NP内以狭缝状扩张。

更具体如以下所述。

首先，最开始，将光源1的光轴LA的方向设定为铅垂方向(Z方向)，狭缝状的激光L设定为沿Y方向延伸。然后，将螺纹轴线A上的在Y方向上距管端面E上的交点C(X0，Y0，Z0)的距离为L1的点D指定为测量点。如上所述，利用螺纹轴线检测工序，使XYZ坐标中的螺纹轴线A的方程式唯一确定，因此，螺纹轴线A上的在Y方向上距交点C(X0，Y0，Z0)的距离为L1的测量点D的坐标(X1，Y1，Z1)也唯一确定。

然后，驱动驱动台，使光源1和拍摄部件2一体沿X方向和Y方向移动，使得光源1的光轴LA通过测量点D(X1，Y1，Z1)。接着，驱动驱动台，使光源1和拍摄部件2一体绕Z方向转动角度θ1，使得激光L在面NP内以狭缝状扩张(从图2的(d)所示的Z方向看，沿螺纹轴线A延伸)。

最后，驱动驱动台，使光源1和拍摄部件2一体绕X方向转动，使得光源1的光轴LA相对于螺纹轴线A成角度θ3。例如，在角度θ3为90°的情况下，使光源1和拍摄部件2一体绕X方向转动角度θ2。为了对照射的激光L进行拍摄，通过实验等预先确定最佳的角度，将该确定的角度用作角度θ3即可。

3.激光拍摄工序

在本工序中，自光源1向测量对象部位照射激光L，利用拍摄部件2对所照射的激光L进行拍摄。

4.激光拍摄工序

在本工序中，利用图像处理部件3，通过对由拍摄部件2拍摄而得到的拍摄图像施加对几何校正、二值化处理、近似圆、近似直线进行计算等公知的图像处理，计算出测量对象部位的形状(例如，计算与齿侧面P6的角度α、螺纹底部R部P7的曲率以及顶端R部P43的曲率中的至少一者相关的测量值)。

根据包含以上说明的各工序的本实施方式的端部形状测量方法，自光源1射出的激光L沿以包含螺纹轴线A的面NP内切断带螺纹的管P的情况下获得的截面的外缘照射。即，光切断线沿包含螺纹轴线A的带螺纹的管P的截面的外缘照射。另外，由于激光L沿包含螺纹轴线A的带螺纹的管P的截面的外缘照射，因此，通过适当调整拍摄部件2的视轴VA，即使在齿侧面P6为钩状齿侧面P6h的情况下，钩状齿侧面P6h也不会隐藏于螺纹P1的棱线的阴影内，而能够对照射的激光L进行拍摄。因此，在形状计算工序中，能够期待高精度地测量螺纹部P3、密封部P4的形状(以包含螺纹轴线A的面NP切断的情况下的截面形状)。另外，由于使用光切断法，相比于使用接触探头测量的情况，测量不需要较长时间，而能够快速地测量出测量对象部位的形状。

以下，说明利用本实施方式的端部形状测量方法测量出具有钩状齿侧面的带螺纹的管P的端部形状的结果。

图3是表示测量出带螺纹的管的螺纹底部R部的形状的结果的一例子的图。图3的(a)是表示将照射于螺纹部P3且在拍摄部件2拍摄而得到的激光L的拍摄图像利用图像处理部件3进行几何校正、二值化而获得的光切断线的例子的图。具体而言，图3的(a)所示的光切断线是根据光源1的光轴LA与拍摄部件2的视轴VA的位置关系将利用拍摄部件2拍摄所得到的拍摄图像几何校正为自与面NP垂直的方向看到的拍摄图像且进行二值化而获得的。图3的(b)是放大表示图3的(a)所示的螺纹底部R部P7附近的数据(构成光切断线的像素数据)的图和表示自该数据获得的近似圆的图。图3的(c)表示对相同的螺纹部P3反复测量螺纹底部R部P7的曲率半径时的相对于设计值的误差。另外，图3的(a)、图3的(b)所示的第1方向表示与面NP平行的方向，第2方向表示与面NP平行且与第1方向正交的方向。

如图3所示，在构成通过钩状齿侧面P6h、螺纹底部R部P7以及底部P21的光切断线的数据中，抽取螺纹底部R部P7附近的数据，利用最小自乘法等计算出近似圆，将该近似圆的半径评价为螺纹底部R部P7的曲率半径。如图3的(c)所示，即使进行反复测量，相对于设计值的误差也较小。即，可知：根据本实施方式的端部形状测量方法，能够高精度地测量螺纹底部R部P7的曲率(曲率半径)。

图4是表示测量出带螺纹的管的齿侧面的形状的结果的一例子的图。图4的(a)是表示从图3的(a)所示的光切断线中抽取钩状齿侧面P6h和底部P21附近的数据(构成光切断线的像素数据)且放大表示的图和表示自该数据获得的近似直线的图。图4的(b)表示对相同的螺纹部P3反复测量出钩状齿侧面P6h和底部P21所成的角度β时的相对于设计值的误差。另外，图4的(a)所示的第1方向和第2方向的意思与图3的情况相同。

如图4所示，从构成通过钩状齿侧面P6h、螺纹底部R部P7以及底部P21的光切断线的数据中，抽取钩状齿侧面P6h和底部P21附近的数据，且利用最小自乘法等计算出一对近似直线，将该一对近似直线所成的角度β设为评价对象。如图4的(b)所示，即使对角度β反复进行测量，相对于设计值的误差也较小。该结果虽然不是直接评价钩状齿侧面P6h的角度(与螺纹轴线A的垂线所成的角度)α的结果，但采用本实施方式的端部形状测量方法，能够期待高精度地测量钩状齿侧面P6h的角度。

图5是表示测量出带螺纹的管的顶端R部的形状的结果的一例子的图。图5的(a)是表示将照射于密封部P4且利用拍摄部件2拍摄而得到的激光L的拍摄图像利用图像处理部件3几何校正且二值化而获得的光切断线的例子的图。具体而言，图5的(a)所示的光切断线是根据光源1的光轴LA与拍摄部件2的视轴VA的位置关系将利用拍摄部件2拍摄而得到的拍摄图像几何校正为从与面NP垂直的方向看到的拍摄图像且二值化而获得的。图5的(b)是表示将图5的(a)所示的顶端R部P43附近的数据(构成光切断线的像素数据)放大表示的图和表示自该数据获得的近似圆的图。另外，图5的(a)、图5的(b)所示的第3方向表示与面NP平行的方向，第4方向表示与面NP平行且与第3方向正交的方向。

如图5所示，在构成通过台肩面P41、顶端R部P43以及密封面P42的光切断线的数据中，抽取顶端R部P43附近的数据，且利用最小自乘法等计算出近似圆，将该近似圆的半径评价为顶端R部P43的曲率半径。如图5的(b)所示，相对于设计值的误差较小。即，可知：采用本实施方式的端部形状测量方法，能够以高精度测量顶端R部P43的曲率(曲率半径)。

附图标记说明

1、光源；2、拍摄部件；3、图像处理部件；A、螺纹轴线；LA、光源的光轴；NP、包含螺纹轴线的面；P、带螺纹的管(油井管)；P3、螺纹部；P4、密封部；VA、拍摄部件的视轴。

Claims (1)

1.一种带螺纹的管的端部形状测量方法，其特征在于，

该带螺纹的管的端部形状测量方法包括：

螺纹轴线检测工序，在该工序中，检测带螺纹的具有齿侧面的管的螺纹轴线；

激光定位工序，在该工序中，使射出狭缝状的激光的光源和具有与该光源的光轴不同的方向的视轴的拍摄部件一体地移动并定位至螺纹部或密封部的位置，该螺纹部或密封部是自上述光源射出的激光能够照射于上述带螺纹的管的测量对象部位；

激光拍摄工序，在该工序中，自上述光源向上述测量对象部位照射激光，利用上述拍摄部件对该照射的激光进行拍摄；以及

形状计算工序，通过对在上述激光拍摄工序中获得的拍摄图像施加图像处理，从而计算出上述测量对象部位的形状，

在上述激光定位工序中，在包含上述螺纹轴线的面内，上述光源的光轴以通过位于上述测量对象部位的上述螺纹轴线上的测量点的方式定位，并且，使上述光源和上述拍摄部件一体移动，使得上述激光在上述面内以狭缝状扩张，

在上述形状计算工序中，计算(i)与上述螺纹部的齿侧面的角度、(ii)与螺纹底部R部的曲率、以及(iii)与上述密封部的顶端R部的曲率这三者中的至少一者相关的测量值，上述螺纹底部R部为上述螺纹部的齿侧面与螺纹槽的底部相交叉的部分，上述顶部R部为上述密封部的台肩面与密封面相交叉的部分，其中：

在计算(i)的与齿侧面的角度相关的测量值的情况下，从构成通过齿侧面、螺纹底部R部以及底部的光切断线的数据中，抽取齿侧面和底部附近的数据，计算出一对近似直线，将该一对近似直线所成的角度设为评价对象；

在计算(ii)的与螺纹底部R部的曲率相关的测量值的情况下，在构成通过齿侧面、螺纹底部R部以及底部的光切断线的数据中，抽取螺纹底部R部附近的数据，计算出近似圆，将该近似圆的半径评价为螺纹底部R部的曲率半径；

在计算(iii)的与密封部的顶端R部的曲率相关的测量值的情况下，在构成通过密封部的台肩面、顶端R部以及密封面的光切断线的数据中，抽取顶端R部附近的数据，且计算出近似圆，将该近似圆的半径评价为顶端R部的曲率半径。