白小亮，閆 泓，劉 青，樊治海，余 志，韓新利，艾裕豐

(1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077； 2.渤海石油裝備制造有限公司 天津 300450)

0 引 言

油氣勘探開發(fā)過程中大量使用的油井管柱由錐螺紋緊密連接而成，最新發(fā)布的API螺紋標準對螺紋加工控制提出了更高要求，螺紋參數(shù)檢驗項目翻番，而現(xiàn)有的檢測方法已沿用80多年，無法滿足生產(chǎn)線上的檢驗需求，產(chǎn)品質(zhì)量的風險顯著增加。本文以設(shè)計非接觸式的[1]、高效的、滿足API螺紋標準要求的外螺紋全參數(shù)自動測量系統(tǒng)為研究目標，提出了一種新的基于機器視覺的螺紋測量方法[2]。

1 系統(tǒng)實現(xiàn)

石油管外螺紋全自動測量系統(tǒng)(簡稱全自動測量系統(tǒng))主要包括3個子系統(tǒng)：圖像采集系統(tǒng)負責對待測接頭的螺紋牙型進行高分辨成像，生成高分辨照片以供分析；圖像處理系統(tǒng)通過特定算法對照片進行處理，獲得螺紋牙型邊緣的精確信息；參數(shù)計算系統(tǒng)則根據(jù)API螺紋標準的規(guī)定對接頭的螺紋單項參數(shù)進行計算，獲得測量結(jié)果。系統(tǒng)測量流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)測量流程圖

1.1 圖像采集及定位系統(tǒng)的設(shè)計

1.1.1 圖像采集系統(tǒng)

全自動測量系統(tǒng)采用機器視覺方式。機器視覺技術(shù)即用機器代替人眼進行測量和特征提取的技術(shù)。機器視覺系統(tǒng)通過圖像攝取裝置將被攝目標轉(zhuǎn)化為圖像信號。該信號在經(jīng)過圖像處理系統(tǒng)的處理后會將被攝物體的形態(tài)信息轉(zhuǎn)化為像素分布模式。全自動測量系統(tǒng)通過對像素分布模式的計算最終獲得被測物體的幾何信息。

在全自動測量系統(tǒng)中，待測接頭被安裝于遠心平行光源和遠心鏡頭之間的中線上。螺紋圖像通過平行光源照明、CCD加遠心鏡頭采集后被導入圖像處理系統(tǒng)，實現(xiàn)非接觸式快速采集，取代傳統(tǒng)的人工測量過程。圖像采集系統(tǒng)設(shè)計及實物圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 圖像采集系統(tǒng)設(shè)計圖

圖3 圖像采集系統(tǒng)實物圖

在該系統(tǒng)中，使用了雙遠心鏡頭作為CCD相機成像鏡頭，遠心平行照明器作為照明光源。這種檢測方式可以一次獲取到一張完整螺紋圖像，沒有運動部件，提高了檢測效率及檢測精度。雙鏡頭方式還可以實現(xiàn)大直徑螺紋的測量。

針對該系統(tǒng)要求，選擇意大利OPTO雙遠心鏡頭，型號為TCUV12080，參數(shù)為：

對應(yīng)CCD靶面型號1/1.8 in(1 in=25.4 mm)；接口類型C口；工作距離221 mm；放大倍率0.08；景深102 mm；視場88.8 mm66.9 mm。

1.1.2 空間定位方法

為了對接頭螺紋參數(shù)進行測量，在圖像采集完成后需要對接頭影像進行空間定位以確定基準坐標系。

首先根據(jù)標準設(shè)定具體規(guī)格的油管螺紋標準輪廓并置于基準位，定義為基準輪廓。對油管外螺紋輪廓線圖像處理并邊緣檢測和提取完成后，將待測螺紋的輪廓位置與基準輪廓進行比對，可看做為三維空間的兩物體之間的位置比對。由于待測螺紋放置位置固定，因此進一步轉(zhuǎn)化為待測螺紋輪廓位置在Z軸偏移及X軸偏移即能與基準位重合。找到一根定位曲線代表待測螺紋的輪廓位置，將待測螺紋的輪廓定位線與基準輪廓位置定位線進行比對，找到兩者之間的位置關(guān)系，如圖4所示。

圖4 基準輪廓與待測螺紋輪廓的空間關(guān)系

牙側(cè)線與定位線的空間關(guān)系如圖5所示。將左右牙側(cè)線延長線交點與相鄰牙的左右牙側(cè)線延長線交點連接起來作為定位線，它作為定位線的優(yōu)勢是理論上與中徑線平行，在定位和螺紋參數(shù)的計算采用同一套數(shù)據(jù)源，減少了對精度的干擾。

圖5 牙側(cè)線與定位線的空間關(guān)系

根據(jù)幾何關(guān)系可得定位線斜率為：

(1)

待測油管輪廓需要調(diào)整的角度為：

α=|arctanks-arctanko|

(2)

式(1)、式(2)中，kx+2左為待檢測石油管外螺紋第x+2牙的左側(cè)牙側(cè)角斜率；kx+2右為待檢測石油管外螺紋第x+2牙的右側(cè)牙側(cè)角斜率；kx+1左為待檢測石油管外螺紋第x+1牙的左側(cè)牙側(cè)角斜率；kx+1右為待檢測石油管外螺紋第x+1牙的右側(cè)牙側(cè)角斜率；kx左為待檢測石油管外螺紋第x牙的左側(cè)牙側(cè)角斜率；kx右為待檢測石油管外螺紋第x牙的右側(cè)牙側(cè)角斜率；ko為基準輪廓的定位線斜率。

根據(jù)上述模型可以確定螺紋測量定位的步驟為：將待檢測油管的輪廓與基準輪廓在任意一個方向上就定位線進行比對，求出相差的角度α1，即待檢測石油管在該方向上需要調(diào)整的角度；接下來在另一方向上再次與基準輪廓進行定位線比對，獲得檢測石油管在該方向上需要調(diào)整的角度α2，完成待測外螺紋的空間定位。

1.2 圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計

圖像處理系統(tǒng)由圖像提取、圖像預處理兩個模塊組成。該系統(tǒng)主要對采集到的圖像進行存儲和調(diào)用并對圖像進行預處理。

1.2.1 圖像提取模塊

該模塊主要實現(xiàn)被采集圖像的存儲和分類，主要包括以下兩方面內(nèi)容：(1)對圖像采集系統(tǒng)采集到的待測油管輪廓進行提取并將其存儲在指定文件夾；(2)通過旋轉(zhuǎn)按鈕，調(diào)用旋轉(zhuǎn)并更名的應(yīng)用程序，對剛采集的圖像進行順時針旋轉(zhuǎn)并且更名為1、2、3、4、5；此時圖像被載入。

1.2.2 圖像預處理模塊

對原始螺紋圖像進行多幀平均濾波去噪[3]，然后圖像經(jīng)過二值化處理后通過Sobel算法提取被測物體邊緣特征信號，再對邊緣信號進行亞像素精確定位[4]，獲取更加精確的邊緣信息。圖像處理流程如圖6所示。

全自動測量系統(tǒng)中，在預處理階段，最有效的濾波方式為多幀平均濾波。

圖6 圖像處理流程

由于疊加于圖像上的噪聲是隨機非相關(guān)的、具有零均值的隨機噪聲，因此可以用幾張在相同條件下獲得的這種隨機圖像的平均值表示原圖像。若：

f(x,y)=g(x,y)+n(x,y)

(3)

式(3)中，f(x,y)為疊加了噪聲之后的圖像，g(x,y)表示無噪聲圖像，則可以用：

(4)

來估計g(x,y)。這種估計是無偏的，因為：

(5)

其估計誤差為：

σ2fp=E{(fp(x,y)-g(x,y))2}

(6)

(7)

上式表明，當對M幀相同圖像取平均后，可把噪聲的方差減小M倍，M越大，濾波效果越明顯。

多幀平均濾波法可以有效地消除圖像中的隨機噪聲的同時，又能夠保持圖像的真實面貌，尤其是對線性光圖像，它對線性光的峰值位置影響非常小，但是由于它將同時用到幾幀圖像，占據(jù)計算機的內(nèi)存資源，同時處理數(shù)據(jù)量較大，處理的速度較慢，考慮濾波效果和運算時間，系統(tǒng)采用5幀平均濾波。

1.3 螺紋參數(shù)計算系統(tǒng)

螺紋參數(shù)計算系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)圖像處理結(jié)果對待測接頭的螺紋單項參數(shù)進行計算并輸出結(jié)果。該系統(tǒng)主要由標定測量模塊和螺紋參數(shù)測量模塊組成。

1.3.1 標定測量模塊

采用平行邊標定，具體方法為：拍攝一個固定直徑為10 mm的管子，通過平行邊標定，計算實際尺寸和圖像像素的比例系數(shù)得到標定系數(shù)，如圖7所示。

圖7 平行邊標定

1.3.2 螺紋參數(shù)測量模塊

首先獲取外螺紋邊緣輪廓特征點。使用 Harris 算子[5]提取外螺紋的特征點，首先計算圖像中每個像素的平均梯度平方矩陣：

(8)

式(8)中，I(x,y)為圖像中坐標點(x,y)的灰度，若某點對應(yīng)的平均梯度平方矩陣的兩個值較大，那么該點附近的一個微小移動將導致較大的灰度級變化，則說明該點為一個角點。

角點響應(yīng)函數(shù)為：

R=det(N)-k[trace(N)]

(9)

式(9)中，det()和trace()分別表示求矩陣的行列式和跡。

在利用上式進行特征點提取時，凡是滿足R大于某一閾值T的像素點均被認為是特征點。閾值T依賴于實際圖像的屬性，如尺寸、紋理等，但由于T不具有直觀的物理意義，其具體值難以確定，因此在實驗中采取了間接確定T的方法，給出圖像中所需提取的最多可能的特征點數(shù)目Nmax，匹配程序即對可能的特征點按R值進行排序，然后根據(jù)Nmax選取R值最大的若干像素點作為特征點。

采用Harris算子提取特征點后的圖像如圖8所示，從圖中可以看出，使用 Harris算子能夠很好地提取外螺紋接頭的邊緣特征點，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供了較好的基礎(chǔ)。

圖8 Harris算子提取特征點

API 5B標準中對套管圓螺紋尺寸的規(guī)定如圖9所示。其中，螺紋的單項參數(shù)主要包括中徑、錐度、螺距p、齒高hs及牙側(cè)角α等。上述參數(shù)的定義詳見標準，本文不再贅述。

圖9 API 5B標準中對套管圓螺紋尺寸的規(guī)定

首先需要確定錐度，通過對采集到的牙頂點進行線性擬合，得到的斜率即為錐度；計算相鄰頂點間的距離即可得到螺距p。為了減小誤差，選取連續(xù)十個螺紋牙型，最后求螺距的平均值作為最終結(jié)果；進一步對牙底點進行線性擬合，計算其與牙頂點擬合直線的距離得到齒高的計算結(jié)果[6]。

根據(jù)每一牙螺紋左右邊界的擬合直線計算牙側(cè)角[7]。其表達式為：

(10)

式(10)中，ki左和ki右分別為第i個齒的左邊界擬合直線和右邊界擬合直線的斜率。

螺紋中徑的計算較為復雜，由于一般情況下錐度不為0，因此中徑的計算等效為對中徑線的計算。根據(jù)API 5B標準，螺紋中徑線與齒頂軸線間的交點處的齒寬應(yīng)該與相鄰的槽寬相等。根據(jù)上述條件可以建立中徑線的迭代計算模型[8]。根據(jù)1.1.2節(jié)中空間定位方法可知，采集到的牙型曲線中過每個牙頂點的軸線為z軸方向，接頭中心線為y軸方向，如圖10所示。

圖10 中徑計算模型的坐標系建立

設(shè)第i牙的頂點Pi的坐標為(Pyi,Pzi),相鄰牙底點Qi的坐標為(Qyi,Qzi)。過Pi軸線與中徑線的交點為MPi=(Myi,Mzi)=(Pyi,Mzi)。這樣，對中徑線的求解就轉(zhuǎn)化為對每一個牙求Mzi，具體步驟為：

第一步，定位齒i的頂點Pi并開始迭代，對時間步t定義尋址坐標Zi(t)滿足：

Zi(t)=Pzi-δ·t

(11)

式(11)中，δ為迭代增量，一般取較小值，與特征點的采樣頻率相關(guān)。

第二步，根據(jù)每個尋址坐標計算該位置上的齒寬1Li(t)和相鄰槽寬2Li(t)。

第三步，計算齒寬及相鄰槽寬的誤差：

ΔLi(t)=1Li(t)-2Li(t)

(12)

注意到ΔLi(t*)=0時齒寬與相鄰槽寬相等，此時的尋址坐標Zi(t*)即為中徑線對應(yīng)的位置。根據(jù)上述模型確認迭代終止條件為：

Θ=ΔLi(t*)·ΔLi(t*+1)0

(13)

根據(jù)式(13)可以計算出中徑線位置為：

(14)

對所有螺紋牙的中徑線位置作線性擬合即可得到待測接頭的中徑線。確定中徑線后可以進一步計算出第i牙的牙頂高和牙底高分別為：

(15)

2 系統(tǒng)實驗驗證

利用新研制的石油管外螺紋全自動測量系統(tǒng)與IAC螺紋綜合掃描儀對同一螺紋接頭分別進行測量，對新系統(tǒng)的有效性和測量精度進行驗證。

全自動測量系統(tǒng)采集的螺紋圖片如圖11所示?？梢钥吹?，該系統(tǒng)的圖像采集及處理模塊能夠生成邊緣清晰的螺紋牙型。

圖11 圖像灰度238的螺紋圖像

采用全自動測量系統(tǒng)與IAC螺紋綜合測量儀對同一樣品分別進行連續(xù)10次測量，平均結(jié)果如表1所示。

表1 全自動測量系統(tǒng)測量結(jié)果與IAC實驗結(jié)果對比

注：E1中徑在標準中無公差要求，表中公差通過緊密距換算取得。

兩套系統(tǒng)測量偏差最大的項目來自于E1中徑測量，考慮到該測量系統(tǒng)是針對產(chǎn)品螺紋的測量，且E1中徑測量項目的標準偏差不足產(chǎn)品公差的10%，整體分析，石油管外螺紋全自動測量系統(tǒng)測量結(jié)果與IAC螺紋綜合測量儀的測量結(jié)果基本一致，該系統(tǒng)能夠?qū)κ凸芡饴菁y的單項參數(shù)進行準確測量，能夠滿足API螺紋標準的檢測要求。

3 結(jié)束語

本文對石油管外螺紋全自動測量系統(tǒng)進行了設(shè)計與開發(fā)，其測量效率、測量精度可滿足API螺紋標準的檢測要求。相較于傳統(tǒng)檢測方法，該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)自動化高效檢測，并且未來還可實現(xiàn)生產(chǎn)線上螺紋接頭的快速檢測及數(shù)據(jù)分析調(diào)用。然而也應(yīng)該看到,該系統(tǒng)目前尚不能對內(nèi)螺紋進行檢測，后續(xù)將進一步對其進行優(yōu)化并完成內(nèi)螺紋檢測硬件的開發(fā)，實現(xiàn)油套管接頭及接箍螺紋的自動化高效檢測。