CN114169132A - 一种基于传感器螺纹测量数据的螺纹参数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于传感器螺纹测量数据的螺纹参数计算方法，该方法包括：步骤一，根据钻杆接头内螺纹设计参数，分段建立螺纹曲线数学模型；步骤二，通过步骤一建立的螺纹曲线数学模型对传感器测得的测量数据进行去噪，得到去噪后的测量数据；步骤三，采用螺纹曲线拟合算法对步骤二去噪后的测量数据进行螺纹曲线插值拟合得到拟合后的螺纹曲线；步骤四，根据拟合后的螺纹曲线计算螺纹参数锥度Z_e、牙高h_e、螺距e_e、牙型角α_e，牙型角β_e以及距螺纹端面距离L处的基面大径d3、基面中径d2、基面小径d1。本发明对原始数据缺失多的螺纹曲线进行有效还原，为螺纹参数计算奠定基础，提高了螺纹检测精度。

Description

一种基于传感器螺纹测量数据的螺纹参数计算方法

技术领域

本发明属于螺纹测量技术领域，涉及一种基于传感器螺纹测量数据的螺纹参数计算方法。

背景技术

螺纹因其螺纹副连接紧密，密封性好，螺纹管壁较厚传递扭矩能力与耐压性较强，在高压气体、液体传输管道、高强度钻探工具中得到广泛应用。螺纹加工过程中，螺纹检测是保证螺纹加工质量的重要环节。目前，螺纹综合测量方法包括基于视觉成像检测技术和基于激光位移检测技术等。有效的测量数据处理是螺纹检测技术精度保证的关键。为此一些学者开展大量的研究。文献(基于激光位移检测技术的螺纹检测软件系统设计与开发)采用快速傅里叶变换和零相位滤波法对采集到的螺纹牙型轮廓线数据进行数据去噪，采用一阶导数分区域法和一元线性回归拟合算法；该算法不适用与牙顶和牙底为圆弧状的螺纹牙型。利用滑动窗体自适的莱以特准则剔除数据中的跳跃点，该方法不适用于连续异常数据点的剔除。文献(螺纹参数激光检测技术研究)基于小波去噪原理，提出了层进阈值函数进行数据去噪，该方法适用于粗大误差数据点的数量很少、分布稀疏的情况。综上，如何解决由于采集到异常数据多，没有进行有效的数据处理，导致测量误差较大，仍是检测行业急需解决的关键难题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种基于传感器螺纹测量数据的螺纹参数计算方法，解决了由于传感器测得异常数据多，引起的螺纹计算参数误差较大的问题，有效提高了基于传感器螺纹测量精度。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

基于传感器螺纹测量数据的螺纹参数计算方法，包括以下步骤：

步骤一，根据钻杆接头内螺纹设计参数，分段建立螺纹曲线数学模型：

牙底圆弧曲线函数：

牙型角左侧直线函数：

y＝a_lx+b_l+id，x_c+rcos30°+id≤x≤x_c+rcos30°+(h-2r)/tan60°+id (2)

牙型角右侧直线函数：

y＝a_rx+b_r+id，x_c-rcos30°+id≤x≤x_c-rcos30°-(h-2r)/tan60°+id (3)

牙顶直线函数：

y＝a_dx+b_d+id，x_c+rcos30°+(h-2r)/tan60°+id≤x≤x_c+rcos30°+(h-2r)/tan60°+2r+id (4)

上述各式中，x_c，y_c为牙底圆弧圆心坐标，r为牙底圆弧半径，d为相邻牙底之间的距离即为螺距e，i＝0,1,2,…,t-1，t为牙底数量；a_l为牙型角左侧直线斜率，b_l为牙型角左侧直线的截距，h为牙高，a_r为牙型角右侧直线斜率，b_r为牙型角右侧直线的截距，a_d为牙顶直线斜率，b_d为牙顶直线的截距；所述内螺纹的过中心轴截面为三角形螺纹牙，内螺纹的牙高、螺距、牙型角、牙底圆弧圆心坐标和牙底圆弧半径均为已知的内螺纹设计参数；

步骤二，通过步骤一建立的螺纹曲线数学模型对测量数据进行去噪得到去噪后的测量数据；所述测量数据为传感器测得的内螺纹数据；

步骤三，采用螺纹曲线拟合算法对步骤二去噪后的测量数据进行螺纹曲线插值拟合得到拟合后的螺纹曲线；

步骤四，根据拟合后的螺纹曲线计算螺纹参数锥度Z_e、牙高h_e、螺距e_e、牙型角α_e，牙型角β_e以及距螺纹端面距离L处的基面大径d3、基面中径d2、基面小径d1。

本发明还包括如下技术特征：

可选地，所述步骤二中，测量数据的数学函数为y_w＝f(x_w)，w＝1,2,3,…,m，m为测量数据的离散点数量；把测量数据代入步骤一建立的螺纹曲线数学模型以剔除测量数据中粗大连续异常点和粗大离散异常点数据，若测量数据y_w大于1.2y_e或小于0.8y_e，剔除该数据点，得到去噪后的测量数据，其中，螺纹曲线数学模型函数y_e由测量数据x_w代入螺纹曲线数学模型计算得到。

可选地，所述步骤三中，螺纹曲线拟合算法为基于NURBS曲线和最小二乘直线拟合算法对去噪后的测量数据分段进行插值拟合，其中，牙底圆弧曲线采用NURBS曲线进行插值拟合，牙型角左侧直线、牙型角右侧直线和牙顶直线采用最小二乘直线拟合算法进行插值拟合。

可选地，所述内螺纹的过中心轴截面包括上侧螺纹曲线和下侧螺纹曲线，所述步骤二中去噪后的测量数据包括去噪后的上侧螺纹曲线和去噪后的下侧螺纹曲线；步骤三对去噪后的上侧螺纹曲线中的牙顶直线和去噪后的下侧螺纹曲线中的牙顶直线在x_c+rcos30°+id≤x≤x_c+rcos30°+(h-2r)/tan60°+id范围内，采用最小二乘直线拟合算法进行插值拟合得到的牙顶拟合直线为：

上侧螺纹曲线的牙顶拟合直线y_rej上＝k_rej上x+b_rej上，式中，k_rej上为上侧螺纹曲线的牙顶拟合直线的斜率，b_rej为截距，j为内螺纹的第j个过中心轴截面；

下侧螺纹曲线的牙顶拟合直线y_rej下＝k_rej下x+b_rej下，式中，k_rej下为下侧螺纹曲线的牙顶拟合直线的斜率，b_rej为截距；

去噪后的上侧螺纹曲线中的牙底直线在x_c-r·cos30°+id≤x≤x_c+r·cos30°+id范围内与上侧螺纹曲线中的牙底圆弧曲线的切点以及去噪后的下侧螺纹曲线中的牙底直线在x_c-r·cos30°+id≤x≤x_c+r·cos30°+id范围内与下侧螺纹曲线中的牙底圆弧曲线的切点分别采用最小二乘直线拟合算法进行插值拟合，得到牙底拟合直线为：

上侧螺纹曲线的牙底拟合直线记为y_kej上＝k_ej上x+b_kej上，式中，k_ej上为上侧螺纹曲线的牙底拟合直线的斜率，b_kej为截距；

下侧螺纹曲线的牙底拟合直线记为y_kej下＝k_ej下x+b_kej下；式中，k_ej下为下侧螺纹曲线的牙底拟合直线的斜率，b_kej下为截距；

去噪后的测量数据中，牙型角左侧直线函数在x_c+rcos30°+id至x_c+rcos30°+(h-2r)/tan60°+id范围内，采用最小二乘直线拟合算法进行插值拟合得到的牙型角左侧拟合直线为：y_eljt＝k_eljtx+b_eljt，式中，k_eljt为第t个牙底的牙型角左侧直线的斜率，b_eljt为截距。

可选地，所述螺纹曲线的锥度Z_e为j个截面下螺纹曲线的锥度的平均值：Z_e＝(Z_e1+Z_e2+…+Z_ej)/j，其中，每个截面下的螺纹曲线的锥度为上侧螺纹曲线和下侧螺纹曲线的锥度平均值：Z_ej＝(Z_ej上+Z_ej下)/2，其中，Z_ej上＝(k_ej上+k_rej上)/2，Z_ej下＝(k_ej下+k_rej下)/2；

所述螺纹曲线的牙高h_e为j个截面下螺纹曲线的牙高的平均值：h_e＝(h_e1+h_e2+…+h_ej)/j，其中，每个截面下的螺纹曲线的牙高为上侧螺纹曲线和下侧螺纹曲线的牙高平均值：h_ej＝(h_ej上+h_ej下)/2，其中，

式中，x_m，y_m为牙顶拟合直线上任意一点坐标值；

所述螺纹曲线的螺距e_e为j个截面下螺纹曲线的锥度的平均值e_e＝(e_e1+e_e2+…+e_ej)/j，其中，每个截面下的螺纹曲线的螺距e_ej为相邻交点间横坐标之差的平均值e_ej＝(x_m2-x_m1)+(x_m3-x_m2)+…+(x_mt-x_m(t-1))/n，t为牙底数量，m₁、m₂…,m_t分别为同一个牙底中牙型角左侧直线和牙型角右侧直线的交点，x_m1、x_m2、…、x_mt分别为各交点的横坐标；

所述螺纹曲线的牙型角α_e为j个截面下螺纹曲线的牙型角的平均值α_e＝(α_e1+α_e2+…+α_ej)/j，其中，每个截面下的螺纹曲线的牙型角α_ej＝90°-arccotk_elj，其中，k_elj为t个牙底的牙型角左侧直线的斜率平均值：k_elj＝(k_elj1+k_elj2+…+k_eljt)/t；三角形螺纹牙的牙型角α_e＝β_e。

可选地，所述步骤四中，距螺纹端面距离L处的基面大径d3、基面中径d2、基面小径d1通过对上侧螺纹曲线和下侧螺纹曲线进行螺纹轮廓数据拼接计算得到。

可选地，所述基面中径d2为j个截面下基面中径的平均值d2＝(d2₁+d2₂+…+d2_j)/j，其中，每个截面下的基面中径d2_j为上侧螺纹曲线的螺纹中径直线y_zej上＝Z_ej上x+b_zej上和下侧螺纹曲线的螺纹中径直线y_zej下＝Z_ej下x+b_zej下与直线x＝k的两个交点C1(b，c1)和C2(b，c2)的纵坐标差值d2_j＝c1-c2；

距螺纹端面距离L处的基面大径d3为j个截面下基面大径的平均值d3＝(d3₁+d3₂+…+d3_j)/j，其中，每个截面下的基面大径d3_j为上侧螺纹曲线的牙底拟合直线和下侧螺纹曲线的牙底拟合直线与直线x＝k的两个交点U1(b，u1)和U2(b，u2)的纵坐标差值d3_j＝u1-u2；

距螺纹端面距离L处的基面小径d1为j个截面下基面小径的平均值d1＝(d1₁+d1₂+…+d1_j)/j，其中，每个截面下的基面小径d1_j为上侧螺纹曲线的牙顶拟合直线和下侧螺纹曲线的牙顶拟合直线与直线x＝k的两个交点R1(b，r1)和R2(b，r2)的纵坐标差值d1_j＝r1-r2。

可选地，所述上侧螺纹曲线的螺纹中径直线y_zej上＝Z_ej上x+b_zej上的拟合过程为：

在x_c+rcos30°+id≤x≤x_c+rcos30°+(h-2r)/tan60°+id和x_c-rcos30°+id≤x≤x_c-rcos30°-(h-2r)/tan60°+id范围内，寻找以Z_ej上为斜率的直线分别与牙型角左侧拟合直线和牙型角右侧拟合直线的交点组对(p_1上、q_1上)，(p_2上、q_2上)…(p_t上、q_t上)，且满足x_p1上-x_q1上、x_p2上-x_q2上、…x_pt上-x_qt上均等于e_e/2，其中，x_p1上、x_q1上、x_p2上、x_q2上、x_pt上、x_qt上分别为点p_1上、q_1上、p_2上、q_2上、p_t上、q_t上的横坐标值，将q_1上、p_1上、q_2上、p_2上、…、p_t上、q_t上，2t个点采用最小二乘直线拟合算法进行线性拟合从而得到上侧螺纹曲线的螺纹中径直线y_zej上＝Z_ej上x+b_zej上；

所述下侧螺纹曲线的螺纹中径直线y_zej下＝Z_ej下x+b_zej下的拟合过程为：

在x_c+rcos30°+id≤x≤x_c+rcos30°+(h-2r)/tan60°+id和x_c-rcos30°+id≤x≤x_c-rcos30°-(h-2r)/tan60°+id范围内，寻找以Z_ej下为斜率的直线分别与牙型角左侧拟合直线和牙型角右侧拟合直线的交点组对(p_1下、q_1下)，(p_2下、q_2下)…(p_t下、q_t下)，且满足x_p1下-x_q1下、x_p2下-x_q2下、…x_pt下-x_qt下均等于e_e/2，其中，x_p1下、x_q1下、x_p2下、x_q2下、x_pt下、x_qt下分别为点p_1下、q_1下、p_2下、q_2下、p_t下、q_t下的横坐标值，将q_1下、p_1下、q_2下、p_2下、…、p_t下、q_t下，2t个点采用最小二乘直线拟合算法进行线性拟合从而得到下侧螺纹曲线的螺纹中径直线y_zej下＝Z_ej下x+b_zej下。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(1)本发明的基于传感器螺纹测量数据的螺纹参数计算方法给出了基于螺纹曲线数学模型匹配和阈值设定的数据去噪算法，对异常数据点多的螺纹测量数据有效地进行了剔除，提高螺纹测量精度。

(2)本发明还针对原始数据缺多导致不能真实拟合螺纹曲线，从而影响检测精度的问题，提出了融合螺纹曲线数学模型和NURBS函数的数据拟合算法，对原始数据缺失多的螺纹曲线进行有效还原，为螺纹参数计算奠定基础，提高了螺纹检测精度。

附图说明

图1是本发明传感器采集原始数据曲线图。

图2是本发明经数据去噪后的数据点。

图3是本发明拟合后的螺纹曲线图。

图4是本发明锥螺纹计算原理图。

图5是本发明锥螺纹的牙型曲线拼接原理图。

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

本实施例提供一种基于传感器螺纹测量数据的螺纹参数计算方法，包括以下步骤：

步骤一，根据钻杆接头内螺纹设计参数，分段建立螺纹曲线数学模型，具体是对过钻杆接头中心轴线的截面一侧螺纹曲线进行建模，更具体的，上述螺纹曲线数学模型是根据不同螺纹牙截面的几何特征，确定不同的螺纹曲线数学模型方法，本实施例中是以截面为三角形的螺纹牙为例建立的螺纹曲线数学模型：

牙底圆弧曲线函数：

牙型角左侧直线函数：

y＝a_lx+b_l+id，x_c+rcos30°+id≤x≤x_c+rcos30°+(h-2r)/tan60°+id (2)

牙型角右侧直线函数：

y＝a_rx+b_r+id，x_c-rcos30°+id≤x≤x_c-rcos30°-(h-2r)/tan60°+id (3)

牙顶直线函数：

y＝a_dx+b_d+id，x_c+rcos30°+(h-2r)/tan60°+id≤x≤x_c+rcos30°+(h-2r)/tan60°+2r+id (4)

上述各式中，x_c，y_c为牙底圆弧圆心坐标，r为牙底圆弧半径，d为相邻牙底之间的距离即为螺距e，i＝0,1,2,…,t-1，t为牙底数量；a_l为牙型角左侧直线斜率，b_l为截距，h为牙高，a_r为牙型角右侧直线斜率，b_r为截距，a_d为牙顶直线斜率，b_d为截距；所述内螺纹的过中心轴截面为三角形螺纹牙，内螺纹的牙高、螺距、牙型角、牙底圆弧圆心坐标和牙底圆弧半径均为已知的内螺纹设计参数；

步骤二，通过步骤一建立的螺纹曲线数学模型对测量数据进行去噪得到去噪后的测量数据；所述测量数据为传感器测得的内螺纹数据，如图1所示为传感器采集到的原始数据曲线，图2是经去噪后的数据点；

步骤三，采用螺纹曲线拟合算法对步骤二去噪后的测量数据进行螺纹曲线插值拟合得到拟合后的螺纹曲线；图3是本发明拟合后的螺纹曲线图；

步骤四，根据拟合后的螺纹曲线计算螺纹参数锥度Z_e、牙高h_e、螺距e_e、牙型角α_e，牙型角β_e以及距螺纹端面距离L处的基面大径d3、基面中径d2、基面小径d1。

具体的，图4中示意了各内螺纹设计参数，其中，x_c，y_c为牙底圆弧圆心坐标，r为牙底圆弧半径，d为相邻牙底之间的距离即为螺距e，h为牙高，α和β为牙型角；

具体的，步骤二中，测量数据的数学函数为y_w＝f(x_w)，w＝1,2,3,…,m，m为测量数据的离散点数量；把测量数据代入步骤一建立的螺纹曲线数学模型以剔除测量数据中粗大连续异常点和粗大离散异常点数据，若测量数据y_w大于1.2y_e或小于0.8y_e，剔除该数据点，得到去噪后的测量数据，其中，螺纹曲线数学模型函数y_e由测量数据x_w代入螺纹曲线数学模型计算得到。

具体的，步骤三中，螺纹曲线拟合算法为基于NURBS曲线和最小二乘直线拟合算法对去噪后的测量数据分段进行插值拟合，其中，牙底圆弧曲线采用NURBS曲线进行插值拟合，牙型角左侧直线、牙型角右侧直线和牙顶直线采用最小二乘直线拟合算法进行插值拟合。具体的，本实施方式的数据处理算法可以对不同原理传感器采集到的螺纹牙型曲线数据进行有效处理，也可以对不同原理的接触式螺纹测量仪采集到的螺纹牙型曲线数据进行有效处理，本方法具有更大范围的普适性。

内螺纹的过中心轴截面包括上侧螺纹曲线和下侧螺纹曲线；步骤三中，去噪后的牙顶直线在x_c+rcos30°+id≤x≤x_c+rcos30°+(h-2r)/tan60°+id范围内，采用最小二乘直线拟合算法进行插值拟合得到的牙顶拟合直线为：

上侧螺纹曲线的牙顶拟合直线y_rej上＝k_rej上x+b_rej上，式中，k_rej上为上侧螺纹曲线的牙顶拟合直线的斜率，b_rej为截距，j为内螺纹的第j个过中心轴截面；下侧螺纹曲线的牙顶拟合直线y_rej下＝k_rej下x+b_rej下，式中，k_rej下为下侧螺纹曲线的牙顶拟合直线的斜率，b_rej为截距。

去噪后的牙底直线在x_c-r·cos30°+id≤x≤x_c+r·cos30°+id范围内与牙底圆弧曲线的切点采用最小二乘直线拟合算法进行插值拟合，得到牙底拟合直线为：

上侧螺纹曲线的牙底拟合直线记为y_kej上＝k_ej上x+b_kej上，式中，k_ej上为上侧螺纹曲线的牙底拟合直线的斜率，b_kej为截距；下侧螺纹曲线的牙底拟合直线记为y_kej下＝k_ej下x+b_kej下；式中，k_ej下为下侧螺纹曲线的牙底拟合直线的斜率，b_kej下为截距。

去噪后的牙型角左侧直线函数在x_c+rcos30°+id至x_c+rcos30°+(h-2r)/tan60°+id范围内，采用最小二乘直线拟合算法进行插值拟合得到的牙型角左侧拟合直线为：y_eljt＝k_eljtx+b_eljt，式中，k_eljt为第t个牙底的牙型角左侧直线的斜率，b_eljt为截距。

具体的，步骤四中根据拟合后的螺纹曲线计算螺纹参数锥度Z_e、牙高h_e、螺距e_e、牙型角α_e，牙型角β_e计算方法如下：

螺纹曲线的锥度Z_e为j个截面下螺纹曲线的锥度的平均值：Z_e＝(Z_e1+Z_e2+…+Z_ej)/j，其中，每个截面下的螺纹曲线的锥度为上侧螺纹曲线和下侧螺纹曲线的锥度平均值：Z_ej＝(Z_ej上+Z_ej下)/2，其中，Z_ej上＝(k_ej上+k_rej上)/2，Z_ej下＝(k_ej下+k_rej下)/2。

螺纹曲线的牙高h_e为j个截面下螺纹曲线的牙高的平均值：h_e＝(h_e1+h_e2+…+h_ej)/j，其中，每个截面下的螺纹曲线的牙高为上侧螺纹曲线和下侧螺纹曲线的牙高平均值：h_ej＝(h_ej上+h_ej下)/2，其中，

式中，x_m，y_m为牙顶拟合直线上任意一点坐标值。

螺纹曲线的螺距e_e为j个截面下螺纹曲线的锥度的平均值e_e＝(e_e1+e_e2+…+e_ej)/j，其中，每个截面下的螺纹曲线的螺距e_ej为相邻交点间横坐标之差的平均值e_ej＝(x_m2-x_m1)+(x_m3-x_m2)+…+(x_mt-x_m(t-1))/n，t为牙底数量，m₁、m₂…,m_t分别为同一个牙底中牙型角左侧直线和牙型角右侧直线的交点，x_m1、x_m2、…、x_mt分别为各交点的横坐标。

螺纹曲线的牙型角α_e为j个截面下螺纹曲线的牙型角的平均值α_e＝(α_e1+α_e2+…+α_ej)/j，其中，每个截面下的螺纹曲线的牙型角α_ej＝90°-arccotk_elj，其中，k_elj为t个牙底的牙型角左侧直线的斜率平均值：k_elj＝(k_elj1+k_elj2+…+k_eljt)/t；三角形螺纹牙的牙型角α_e＝β_e。在其他实施例中，实际加工过程两个角度不一定相等，但是可以通过α_e的求解方法同理求得β_e。

具体的，步骤四中，距螺纹端面距离L处的基面大径d3、基面中径d2、基面小径d1通过对上侧螺纹曲线和下侧螺纹曲线进行螺纹轮廓数据拼接计算得到。螺纹轮廓数据拼接的坐标基准是通过传感器扫描螺纹止口处的内圆，确定了螺纹中心轴线位置，将传感器中心点位置与螺纹中心位置进行距离补偿，确定了螺纹曲线数据拼接的坐标基准。

基面中径d2为j个截面下基面中径的平均值d2＝(d2₁+d2₂+…+d2_j)/j，其中，每个截面下的基面中径d2_j为上侧螺纹曲线的螺纹中径直线y_zej上＝Z_ej上x+b_zej上和下侧螺纹曲线的螺纹中径直线y_zej下＝Z_ej下x+b_zej下与直线x＝k的两个交点C1(b，c1)和C2(b，c2)的纵坐标差值d2_j＝c1-c2；

距螺纹端面距离L处的基面大径d3为j个截面下基面大径的平均值d3＝(d3₁+d3₂+…+d3_j)/j，其中，每个截面下的基面大径d3_j为上侧螺纹曲线的牙底拟合直线和下侧螺纹曲线的牙底拟合直线与直线x＝k的两个交点U1(b，u1)和U2(b，u2)的纵坐标差值d3_j＝u1-u2；

距螺纹端面距离L处的基面小径d1为j个截面下基面小径的平均值d1＝(d1₁+d1₂+…+d1_j)/j，其中，每个截面下的基面小径d1_j为上侧螺纹曲线的牙顶拟合直线和下侧螺纹曲线的牙顶拟合直线与直线x＝k的两个交点R1(b，r1)和R2(b，r2)的纵坐标差值d1_j＝r1-r2。

上侧螺纹曲线的螺纹中径直线y_zej上＝Z_ej上x+b_zej上的拟合过程为：

在x_c+rcos30°+id≤x≤x_c+rcos30°+(h-2r)/tan60°+id和x_c-rcos30°+id≤x≤x_c-rcos30°-(h-2r)/tan60°+id范围内，寻找以Z_ej上为斜率的直线分别与牙型角左侧拟合直线和牙型角右侧拟合直线的交点组对(p_1上、q_1上)，(p_2上、q_2上)…(p_t上、q_t上)，且满足x_p1上-x_q1上、x_p2上-x_q2上、…x_pt上-x_qt上均等于e_e/2，其中，x_p1上、x_q1上、x_p2上、x_q2上、x_pt上、x_qt上分别为点p_1上、q_1上、p_2上、q_2上、p_t上、q_t上的横坐标值，将q_1上、p_1上、q_2上、p_2上、…、p_t上、q_t上，2t个点采用最小二乘直线拟合算法进行线性拟合从而得到上侧螺纹曲线的螺纹中径直线y_zej上＝Z_ej上x+b_zej上；

下侧螺纹曲线的螺纹中径直线y_zej下＝Z_ej下x+b_zej下的拟合过程为：

在x_c+rcos30°+id≤x≤x_c+rcos30°+(h-2r)/tan60°+id和x_c-rcos30°+id≤x≤x_c-rcos30°-(h-2r)/tan60°+id范围内，寻找以Z_ej下为斜率的直线分别与牙型角左侧拟合直线和牙型角右侧拟合直线的交点组对(p_1下、q_1下)，(p_2下、q_2下)…(p_t下、q_t下)，且满足x_p1下-x_q1下、x_p2下-x_q2下、…x_pt下-x_qt下均等于e_e/2，其中，x_p1下、x_q1下、x_p2下、x_q2下、x_pt下、x_qt下分别为点p_1下、q_1下、p_2下、q_2下、p_t下、q_t下的横坐标值，将q_1下、p_1下、q_2下、p_2下、…、p_t下、q_t下，2t个点采用最小二乘直线拟合算法进行线性拟合从而得到下侧螺纹曲线的螺纹中径直线y_zej下＝Z_ej下x+b_zej下。

试验论证：

接触式测量方法具有测量精度高等优点，测量精度可达0.1um，在测定本方法和现有插值法的计算精度过程中，拟定以接触式测量方法测量结果为基准，对计算方法进行精度验证。采用本发明方法和现有插值法计算基于传感器测量的某锥螺纹牙型数据，得到某规格锥螺纹测量参数结果如下表：

表1螺纹参数计算结果

Claims (8)

1.基于传感器螺纹测量数据的螺纹参数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，根据钻杆接头内螺纹设计参数，分段建立螺纹曲线数学模型：

牙底圆弧曲线函数：

牙型角左侧直线函数：

y＝a_lx+b_l+id，x_c+rcos30°+id≤x≤x_c+rcos30°+(h-2r)/tan60°+id (2)

牙型角右侧直线函数：

y＝a_rx+b_r+id，x_c-rcos30°+id≤x≤x_c-rcos30°-(h-2r)/tan60°+id (3)

牙顶直线函数：

y＝a_dx+b_d+id，x_c+rcos30°+(h-2r)/tan60°+id≤x≤x_c+rcos30°+(h-2r)/tan60°+2r+id (4)

上述各式中，x_c，y_c为牙底圆弧圆心坐标，r为牙底圆弧半径，d为相邻牙底之间的距离即为螺距e，i＝0,1,2,…,t-1，t为牙底数量；a_l为牙型角左侧直线斜率，b_l为牙型角左侧直线的截距，h为牙高，a_r为牙型角右侧直线斜率，b_r为牙型角右侧直线的截距，a_d为牙顶直线斜率，b_d为牙顶直线的截距；所述内螺纹的过中心轴截面为三角形螺纹牙，内螺纹的牙高、螺距、牙型角、牙底圆弧圆心坐标和牙底圆弧半径均为已知的内螺纹设计参数；

步骤二，通过步骤一建立的螺纹曲线数学模型对测量数据进行去噪得到去噪后的测量数据；所述测量数据为传感器测得的内螺纹数据；

步骤三，采用螺纹曲线拟合算法对步骤二去噪后的测量数据进行螺纹曲线插值拟合得到拟合后的螺纹曲线；

步骤四，根据拟合后的螺纹曲线计算螺纹参数锥度Z_e、牙高h_e、螺距e_e、牙型角α_e，牙型角β_e以及距螺纹端面距离L处的基面大径d3、基面中径d2、基面小径d1。

2.如权利要求1所述的基于传感器螺纹测量数据的螺纹参数计算方法，其特征在于，所述步骤二中，测量数据的数学函数为y_w＝f(x_w)，w＝1,2,3,…,m，m为测量数据的离散点数量；把测量数据代入步骤一建立的螺纹曲线数学模型以剔除测量数据中粗大连续异常点和粗大离散异常点数据，若测量数据y_w大于1.2y_e或小于0.8y_e，剔除该数据点，得到去噪后的测量数据，其中，螺纹曲线数学模型函数y_e由测量数据x_w代入螺纹曲线数学模型计算得到。

3.如权利要求1所述的基于传感器螺纹测量数据的螺纹参数计算方法，其特征在于，所述步骤三中，螺纹曲线拟合算法为基于NURBS曲线和最小二乘直线拟合算法对去噪后的测量数据分段进行插值拟合，其中，牙底圆弧曲线采用NURBS曲线进行插值拟合，牙型角左侧直线、牙型角右侧直线和牙顶直线采用最小二乘直线拟合算法进行插值拟合。

4.如权利要求3所述的基于传感器螺纹测量数据的螺纹参数计算方法，其特征在于，所述内螺纹的过中心轴截面包括上侧螺纹曲线和下侧螺纹曲线，所述步骤二中去噪后的测量数据包括去噪后的上侧螺纹曲线和去噪后的下侧螺纹曲线；步骤三对去噪后的上侧螺纹曲线中的牙顶直线和去噪后的下侧螺纹曲线中的牙顶直线在x_c+rcos30°+id≤x≤x_c+rcos30°+(h-2r)/tan60°+id范围内，采用最小二乘直线拟合算法进行插值拟合得到的牙顶拟合直线为：

上侧螺纹曲线的牙顶拟合直线y_rej上＝k_rej上x+b_rej上，式中，k_rej上为上侧螺纹曲线的牙顶拟合直线的斜率，b_rej为截距，j为内螺纹的第j个过中心轴截面；

下侧螺纹曲线的牙顶拟合直线y_rej下＝k_rej下x+b_rej下，式中，k_rej下为下侧螺纹曲线的牙顶拟合直线的斜率，b_rej为截距；

去噪后的上侧螺纹曲线中的牙底直线在x_c-r·cos30°+id≤x≤x_c+r·cos30°+id范围内与上侧螺纹曲线中的牙底圆弧曲线的切点以及去噪后的下侧螺纹曲线中的牙底直线在x_c-r·cos30°+id≤x≤x_c+r·cos30°+id范围内与下侧螺纹曲线中的牙底圆弧曲线的切点分别采用最小二乘直线拟合算法进行插值拟合，得到牙底拟合直线为：

上侧螺纹曲线的牙底拟合直线记为y_kej上＝k_ej上x+b_kej上，式中，k_ej上为上侧螺纹曲线的牙底拟合直线的斜率，b_kej为截距；

下侧螺纹曲线的牙底拟合直线记为y_kej下＝k_ej下x+b_kej下；式中，k_ej下为下侧螺纹曲线的牙底拟合直线的斜率，b_kej下为截距；

去噪后的测量数据中，牙型角左侧直线函数在x_c+rcos30°+id至x_c+rcos30°+(h-2r)/tan60°+id范围内，采用最小二乘直线拟合算法进行插值拟合得到的牙型角左侧拟合直线为：y_eljt＝k_eljtx+b_eljt，式中，k_eljt为第t个牙底的牙型角左侧直线的斜率，b_eljt为截距。

5.如权利要求4所述的基于传感器螺纹测量数据的螺纹参数计算方法，其特征在于，所述螺纹曲线的锥度Z_e为j个截面下螺纹曲线的锥度的平均值：Z_e＝(Z_e1+Z_e2+…+Z_ej)/j，其中，每个截面下的螺纹曲线的锥度为上侧螺纹曲线和下侧螺纹曲线的锥度平均值：Z_ej＝(Z_ej上+Z_ej下)/2，其中，Z_ej上＝(k_ej上+k_rej上)/2，Z_ej下＝(k_ej下+k_rej下)/2；

所述螺纹曲线的牙高h_e为j个截面下螺纹曲线的牙高的平均值：h_e＝(h_e1+h_e2+…+h_ej)/j，其中，每个截面下的螺纹曲线的牙高为上侧螺纹曲线和下侧螺纹曲线的牙高平均值：h_ej＝(h_ej上+h_ej下)/2，其中，

式中，x_m，y_m为牙顶拟合直线上任意一点坐标值；

所述螺纹曲线的螺距e_e为j个截面下螺纹曲线的锥度的平均值e_e＝(e_e1+e_e2+…+e_ej)/j，其中，每个截面下的螺纹曲线的螺距e_ej为相邻交点间横坐标之差的平均值e_ej＝(x_m2-x_m1)+(x_m3-x_m2)+…+(x_mt-x_m(t-1))/n，t为牙底数量，m₁、m₂…,m_t分别为同一个牙底中牙型角左侧直线和牙型角右侧直线的交点，x_m1、x_m2、…、x_mt分别为各交点的横坐标；

所述螺纹曲线的牙型角α_e为j个截面下螺纹曲线的牙型角的平均值α_e＝(α_e1+α_e2+…+α_ej)/j，其中，每个截面下的螺纹曲线的牙型角α_ej＝90°-arccotk_elj，其中，k_elj为t个牙底的牙型角左侧直线的斜率平均值：k_elj＝(k_elj1+k_elj2+…+k_eljt)/t；三角形螺纹牙的牙型角α_e＝β_e。

6.如权利要求5所述的基于传感器螺纹测量数据的螺纹参数计算方法，其特征在于，所述步骤四中，距螺纹端面距离L处的基面大径d3、基面中径d2、基面小径d1通过对上侧螺纹曲线和下侧螺纹曲线进行螺纹轮廓数据拼接计算得到。

7.如权利要求6所述的基于传感器螺纹测量数据的螺纹参数计算方法，其特征在于，所述基面中径d2为j个截面下基面中径的平均值d2＝(d2₁+d2₂+…+d2_j)/j，其中，每个截面下的基面中径d2_j为上侧螺纹曲线的螺纹中径直线y_zej上＝Z_ej上x+b_zej上和下侧螺纹曲线的螺纹中径直线y_zej下＝Z_ej下x+b_zej下与直线x＝k的两个交点C1(b，c1)和C2(b，c2)的纵坐标差值d2_j＝c1-c2；

距螺纹端面距离L处的基面大径d3为j个截面下基面大径的平均值d3＝(d3₁+d3₂+…+d3_j)/j，其中，每个截面下的基面大径d3_j为上侧螺纹曲线的牙底拟合直线和下侧螺纹曲线的牙底拟合直线与直线x＝k的两个交点U1(b，u1)和U2(b，u2)的纵坐标差值d3_j＝u1-u2；

距螺纹端面距离L处的基面小径d1为j个截面下基面小径的平均值d1＝(d1₁+d1₂+…+d1_j)/j，其中，每个截面下的基面小径d1_j为上侧螺纹曲线的牙顶拟合直线和下侧螺纹曲线的牙顶拟合直线与直线x＝k的两个交点R1(b，r1)和R2(b，r2)的纵坐标差值d1_j＝r1-r2。

8.如权利要求7所述的基于传感器螺纹测量数据的螺纹参数计算方法，其特征在于，所述上侧螺纹曲线的螺纹中径直线y_zej上＝Z_ej上x+b_zej上的拟合过程为：

在x_c+rcos30°+id≤x≤x_c+rcos30°+(h-2r)/tan60°+id和x_c-rcos30°+id≤x≤x_c-rcos30°-(h-2r)/tan60°+id范围内，寻找以Z_ej上为斜率的直线分别与牙型角左侧拟合直线和牙型角右侧拟合直线的交点组对(p_1上、q_1上)，(p_2上、q_2上)…(p_t上、q_t上)，且满足x_p1上-x_q1上、x_p2上-x_q2上、…x_pt上-x_qt上均等于e_e/2，其中，x_p1上、x_q1上、x_p2上、x_q2上、x_pt上、x_qt上分别为点p_1上、q_1上、p_2上、q_2上、p_t上、q_t上的横坐标值，将q_1上、p_1上、q_2上、p_2上、…、p_t上、q_t上，2t个点采用最小二乘直线拟合算法进行线性拟合从而得到上侧螺纹曲线的螺纹中径直线y_zej上＝Z_ej上x+b_zej上；

所述下侧螺纹曲线的螺纹中径直线y_zej下＝Z_ej下x+b_zej下的拟合过程为：

在x_c+rcos30°+id≤x≤x_c+rcos30°+(h-2r)/tan60°+id和x_c-rcos30°+id≤x≤x_c-rcos30°-(h-2r)/tan60°+id范围内，寻找以Z_ej下为斜率的直线分别与牙型角左侧拟合直线和牙型角右侧拟合直线的交点组对(p_1下、q_1下)，(p_2下、q_2下)…(p_t下、q_t下)，且满足x_p1下-x_q1下、x_p2下-x_q2下、…x_pt下-x_qt下均等于e_e/2，其中，x_p1下、x_q1下、x_p2下、x_q2下、x_pt下、x_qt下分别为点p_1下、q_1下、p_2下、q_2下、p_t下、q_t下的横坐标值，将q_1下、p_1下、q_2下、p_2下、…、p_t下、q_t下，2t个点采用最小二乘直线拟合算法进行线性拟合从而得到下侧螺纹曲线的螺纹中径直线y_zej下＝Z_ej下x+b_zej下。

Images