一种管螺纹在件测量装置

摘要

本发明一种管螺纹在件测量装置，包括测量部件和连接座部件两部分。测量部件的主回转轴系通过主轴支撑板安装于连接座部件上，其回转轴与被测件轴线平行，主回转轴系的另一端连接U型支座，该U型支座的一个侧板内侧设置有次回转轴系，次回转轴系的伸出端设置有投影成像测头部件，其另一个侧板内侧设置有轴向直线运动轴系，轴向直线运动轴系上设置有接触式可伸缩扫描测头部件。测量时，连接座部件将整个测量装置固定于被测件一端。接触式可伸缩扫描测头沿轴向扫描工件外圆锥面母线轮廓，得到所测工件的实际中心线。调整主、次回转轴的角度，使得投影成像测头部件的光路与被测件轴线在三维空间上垂直。通过投影测头测量管螺纹各项检测项目的加工误差。

权利要求

1.一种管螺纹在件测量装置，其特征在于，该管螺纹在件测量装置(Ⅰ)包括底座(1)以及设置在底座(1)上的测量部件和连接座部件两部分；其中，连接座部件用于将被测件石油管(Ⅱ)相对于测量部件的安装；测量部件包括垂直连接在底座(1)上的主轴支撑板(3)，一端与主轴支撑板(3)上方垂直连接且水平方向设置的主回转轴系(4)，主回转轴系(4)的另一端垂直连接有水平方向设置的U型支座(10)，该U型支座(10)的一个侧板内侧设置有次回转轴系(5)，次回转轴系(5)的伸出端设置有投影成像测头部件(6)，U型支座(10)的另一个侧板内侧设置有轴向直线运动轴系(7)，轴向直线运动轴系(7)上设置有接触式可伸缩扫描测头部件(8)；主回转轴系(4)包括水平方向设置的主回转轴，以及用于驱动主回转轴转动的主轴电机(9)；次回转轴系(5)包括水平方向设置且与主回转轴相对垂直的次回转轴，用于驱动次回转轴转动的次回转轴系电机(11)，以及与次回转轴的伸出端垂直连接且在垂直方向设置的次U型支座(12)，投影成像测头部件(6)设置在次U型支座(12)上。

2.根据权利要求1所述的一种管螺纹在件测量装置，其特征在于，连接座部件包括平行设置且垂直连接在底座(1)上的第一V槽支撑板(19)和第二V槽支撑板(20)，以及设置在两个V槽支撑板上方配合使用的V形夹板(2)，被测件石油管(Ⅱ)被夹持在V形夹板(2)与两个V槽支撑板之间。

3.根据权利要求1所述的一种管螺纹在件测量装置，其特征在于，投影成像测头部件(6)包括设置在次U型支座(12)下侧板内侧的CCD摄像机(13)，以及设置在次U型支座(12)上侧板与CCD摄像机(13)配合使用的平行光源(14)。

4.根据权利要求1所述的一种管螺纹在件测量装置，其特征在于，轴向直线运动轴系(7)包括平行设置在U型支座(10)另一个侧板内侧的两个直线导轨(15)，设置在两个直线导轨(15)上的滚珠丝杠(17)，与滚珠丝杠(17)螺纹连接的测头滑板(16)，以及设置在U型支座(10)上用于驱动滚珠丝杠(17)转动的驱动电机(18)，测头滑板(16)与两个直线导轨(15)均接触，并能够在滚珠丝杠(17)的驱动下沿着两个直线导轨(15)直线运动，接触式可伸缩扫描测头部件(8)设置在该测头滑板(16)上。

5.根据权利要求1所述的一种管螺纹在件测量装置，其特征在于，接触式可伸缩扫描测头部件(8)能够沿轴向扫描被测件石油管(Ⅱ)螺纹外轮廓面母线，通过主回转轴系(4)旋转实现n次母线扫描，且n≥3，扫描母线的间隔角度为圆周的n等分。

说明书

一种管螺纹在件测量装置

技术领域

[0001] 本发明属于精密测量领域，适用于油气输送技术领域，具体涉及一种管螺纹在件测量装置。

背景技术

[0002] 油井管柱也就是由所说的三柱组成：钻柱、油管柱和套管柱。油井管由锥度螺纹将单根油井管连接而成，浅则数百米，深则数千米，管柱在不同井段要长时间承受拉伸、压缩、弯曲、内压、外压和热循环等复合应力的作用。螺纹连接部位是最薄弱的环节，失效事故80％以上发生在螺纹连接处，因此，螺纹的质量尤为重要，不仅决定着连接强度而且对密封性能、抗粘扣性能等的影响较大，因此对于螺纹质量的控制及检测极为重要。

[0003] 由于石油管道中对管螺纹的精度要求以及管道自身长度使得对其螺纹的测量非常困难，传统的螺纹检测主要是截取螺纹段抽样检测，或者采用工作量规进行定性检测。截取抽样不但破坏了被测工件，而且检测样本数量受限，容易出现遗漏。量规检测虽然可以大批量应用，但不能给出定量检测结果，无法指导生产进行工艺改进。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对现有测量方法的不足，提供一种方便可靠，而且高效、精确的管螺纹在件测量装置，即结合接触式测头、投影式光学测头、运动控制及数据采集系统、计算机及软件系统的管螺纹在件测量装置。

[0005] 本发明采用如下技术方案来实现的：

[0006] 一种管螺纹在件测量装置，该管螺纹在件测量装置包括底座以及设置在底座上的测量部件和连接座部件两部分；其中，

[0007] 连接座部件用于将被测件石油管相对于测量部件的安装；

[0008] 测量部件包括垂直连接在底座上的主轴支撑板，一端与主轴支撑板上方垂直连接且水平方向设置的主回转轴系，主回转轴系的另一端垂直连接有水平方向设置的U型支座，该U型支座的一个侧板内侧设置有次回转轴系，次回转轴系的伸出端设置有投影成像测头部件，U型支座的另一个侧板内侧设置有轴向直线运动轴系，轴向直线运动轴系上设置有接触式可伸缩扫描测头部件。

[0009] 本发明进一步的改进在于，连接座部件包括平行设置且垂直连接在底座上的第一V槽支撑板和第二V槽支撑板，以及设置在两个V槽支撑板上方配合使用的V形夹板，被测件石油管被夹持在V形夹板与两个V槽支撑板之间。

[0010] 本发明进一步的改进在于，主回转轴系包括水平方向设置的主回转轴，以及用于驱动主回转轴转动的主轴电机。

[0011] 本发明进一步的改进在于，次回转轴系包括水平方向设置且与主回转轴相对垂直的次回转轴，用于驱动次回转轴转动的次回转轴系电机，以及与次回转轴的伸出端垂直连接且在垂直方向设置的次U型支座，投影成像测头部件设置在次U型支座上。

[0012] 本发明进一步的改进在于，投影成像测头部件包括设置在次U型支座下侧板内侧的CCD摄像机，以及设置在次U型支座上侧板与CCD摄像机配合使用的平行光源。

[0013] 本发明进一步的改进在于，轴向直线运动轴系包括平行设置在U型支座另一个侧板内侧的两个直线导轨，设置在两个直线导轨上的滚珠丝杠，与滚珠丝杠螺纹连接的测头滑板，以及设置在U型支座上用于驱动滚珠丝杠转动的驱动电机，测头滑板与两个直线导轨均接触，并能够在滚珠丝杠的驱动下沿着两个直线导轨直线运动，接触式可伸缩扫描测头部件设置在该测头滑板上。

[0014] 本发明进一步的改进在于，接触式可伸缩扫描测头部件能够沿轴向扫描被测件石油管螺纹外轮廓面母线，通过主回转轴系旋转实现n次母线扫描，且n≥3，扫描母线的间隔角度为圆周的n等分。

[0015] 本发明具有如下有益的技术效果：

[0016] 1.本发明所公布的测量装置可实现管螺纹的在件测量，从而解决了大型或超长管螺纹工件难于装夹检测的难题。测量过程中，被测工件无需移动、无需截取采样即可完成管螺纹相对于检测装置的安装定位及高效精密测量。

[0017] 2.采用在件测量装置对管螺纹进行测量，可检测管螺纹牙形角误差、螺距误差、大径直径误差、中径直径误差、小径直径误差、螺纹轮廓锥度等各项参数。

[0018] 3.本发明装置具有轻便、高效、精准的特点，并且受环境因素和人为因素影响较小。

[0019] 4.所述装置由主回转轴(W轴)、次回转轴(C轴)共同作用，能快速有效的确定管螺纹的零件基准，进而保证测量的准确性。

[0020] 5.所述装置通过投影式光学测头实现具体测量项目的检测，对被测工件无损伤，而且可以适应不同的油管半径。

附图说明

[0021] 图1为管螺纹在件测量示意图。

[0022] 图2为管螺纹在件测量装置结构示意图。

[0023] 图3为连接座结构示意图。

[0024] 图4为V型块夹具结构示意图。

[0025] 图5为图4中A-A截面视图为连接座的结构示意图。

[0026] 图6为测量部件的结构示意图。

[0027] 图7为接触式测头扫描示意图。

[0028] 图8为三次测得管螺纹外轮廓线拟合示意图。

[0029] 附图标记说明：Ⅰ.石油管螺纹在件测量装置，Ⅱ.被测件石油管，1——底座，2——V形夹板，3——主轴支撑板，4——主回转轴系(W轴)，5——次回转轴系(C轴)，6——投影成像测头部件，7——轴向直线运动轴系，8——接触式可伸缩扫描测头部件，9——主轴电机，10——U型支座，11——次回转轴系电机，12——次U型支座，13——CCD摄像机，14——平行光源，15——直线导轨，16——测头滑板，17——滚珠丝杠，18——驱动电机，19——第一V槽支撑板，20——第二V槽支撑板。

具体实施方式

[0030] 以下结合附图对本发明做出进一步的说明。

[0031] 如图1至图8所示，本发明提供的一种管螺纹在件测量装置，该管螺纹在件测量装置(Ⅰ)包括用测量部件和连接座部件两部分。其中，连接座部件用于实现被测件石油管(Ⅱ)相对于测量部件的安装。连接座部件由底座1、V形夹板2和主轴支撑板3组成，通过V形结构实现测量装置在被管螺纹工件一端的安装。测量部件由主回转轴系(W轴)4、次回转轴系(C轴)5、投影成像测头部件6、轴向直线运动轴系7以及接触式可伸缩扫描测头部件8组成，用于被测工件螺纹牙形的精密检测。

[0032] 主回转轴系(W轴)4通过主轴支撑板3安装于底座2上，由主轴电机9驱动其转动，U型支座10安装于W轴系轴端，由W轴带动转动。U型支座10两端分别安装次回转轴系(C轴)5和轴向直线运动轴系7。次回转轴系(C轴)5由次回转轴系电机11驱动其转动，次U型支座12安装于C轴轴端，由C轴带动转动。次U型支座12两端分别安装CCD摄像机13和平行光源14，构成光学投影测头部件6。轴向直线运动轴系7由直线导轨15、测头滑板16、滚珠丝杠17和驱动电机18组成，安装于U型支座10一端实现测头沿轴向的直线运动。接触式可伸缩扫描测头部件8安装于轴向直线运动轴系的测头滑板16上，可通过调整伸缩紧固旋钮实现测头伸出距离的改变。

[0033] 开始测量前，V形夹板2通过螺钉安装在第一V槽支撑板19和第二V槽支撑板20上方，通过四个拧紧螺钉使V形夹板2夹紧被测件石油管Ⅱ，将整个石油管螺纹在件测量装置Ⅰ固定于被测件石油管Ⅱ一端的螺纹外径之上。此时，接触式可伸缩扫描测头部件8缩至最短位置，测头滑板16位于主回转轴系4一端，投影成像测头部件6光路与主回转轴系4轴线垂直。调整接触式可伸缩扫描测头部件8的伸出长度，使得当接触式可伸缩扫描测头部件8与被测管螺纹牙顶接触时，接触式可伸缩扫描测头部件8压缩量在测头量程的中间位置。电机驱动接触式可伸缩扫描测头部件8沿轴向运动，完成螺纹外轮廓面沿轴向的母线扫描，然后回到初始位置(即靠近主回转轴系一端)，主回转轴系(W轴)4旋转一定角度，接触式可伸缩扫描测头部件8再次沿轴向扫描，至少完成3次轴向外圆锥面母线轮廓的测量，扫描母线的间隔角度为根据测量次数的360°的等分。

[0034] 该测量数据由采集卡发送给计算机，由软件系统进行计算处理。即采用具有该管螺纹设计尺寸和锥度的圆锥面，基于空间匹配原则调整设计圆锥面的中心线，使其与所有测的母线的包络面误差最小，其所得圆锥轴线即为所测管螺纹的实际中心线。调整主回转轴(W轴)和次回转轴(C轴)的角度，使得接触式可伸缩扫描测头部件8的光路与被测管螺纹轴线在三维空间上垂直。

[0035] 在由主回转轴与接触式可伸缩扫描测头部件8运动轴线构成的OXYZ圆柱坐标系中，设管螺纹中心线在OXZ平面中投影线的坐标方程为：

[0036] z＝k1x+C1  (1)

[0037] 设管螺纹中心线在OYZ平面中投影线的坐标方程为：

[0038] z＝k2y+C2  (2)

[0039] 设光学测头光路中心线在OXZ平面中投影线的坐标方程为：

[0040] z＝k3x+C3  (3)

[0041] 设光学测头光路中心线在OYZ平面中投影线的坐标方程为：

[0042] z＝k4y+C4  (4)

[0043] 主回转轴(W轴)旋转角度θ1，使得式(1)与式(3)所表示的直线在坐标系OXZ中垂直，则主回转轴(W轴)旋转角度θ1＝a tan k3-a tan k1

[0044] 次回转轴(C轴)旋转角度θ2，使得式(2)与式(4)所表示的直线在坐标系OYZ中垂直，则次回转轴(C轴)旋转角度θ2＝a tan k4-a tan k1

[0045] 以上各式中，k1、k2由接触式可伸缩扫描测头沿轴向扫描得到的被测管螺纹母线数据分析得到，k3、k4由光学测投测量标准圆柱零件计算分析得到，在得到如上旋转角度后，软件系统向控制系统发出指令，主、次回转轴转动相应角度，使得投影式光学测头的光路方向与管螺纹实际中心线垂直。接下来，通过投影测头测量管螺纹牙形尺寸，并分析得到牙形角误差、螺距误差、大径直径误差、中径直径误差、小径直径误差、螺纹轮廓锥度等各项加工误差，完成测量。

[0046] 该测量装置采用航空超硬铝材料，使测量仪器同时满足刚度和轻便的特点，具有能够保证设备稳定性好、变形量小、温度变化小等优势特点。

[0047] 本发明的工作过程如下：

[0048] 将测量仪安装完成后，接触式测头进给，沿轴向扫描一定距离的管螺纹端的外形轮廓，如图7所示。完成后，主回转轴转动一定角度，接触式测头再次沿轴向扫描，至少完成3次轴向外圆锥面母线轮廓的测量，用具有理想尺寸和锥度的圆锥包络所扫描的三条测量线，如图8所示。其所得圆锥轴线即为所测管螺纹的中心线。该测量数据由采集卡发送给计算机，按照上述的方法算出旋转角度值，软件向控制系统发出指令，由电机驱动主回转轴、次回转轴共同作用，使得投影式光学测头的光路方向与管螺纹实际中心线垂直。接下来，通过投影测头测量管螺纹牙形尺寸，并分析加工误差，完成测量。