[发明专利]钻杆管壁加厚段轮廓线的测量装置及测量方法

权利要求书

1.一种钻杆管壁加厚段轮廓线的测量装置，其特征在于：包括测量平台(21)和控制部分，在测量平台(21)上设置有拉伸位移传感器(23)、倾角传感器(24)和步进电机(11)，控制部分包括下位机(25)、上位机(26)、显示器(27)和控制面板(28)，下位机(25)分别与上位机(26)、显示器(27)和控制面板(28)同时连接；下位机(25)还同时与拉伸位移传感器(23)、倾角传感器(24)和步进电机(11)分别连接；

所述的测量平台(21)的结构是，包括导轨(9)，在导轨(9)的上表面两端各设置有一支架(2)，两个支架(2)上分别安装有皮带轮A(3)和皮带轮B(10)，皮带轮A(3)和皮带轮B(10)之间传动连接有皮带(5)，导轨(9)沿纵向的一段开有导向槽，导向槽两端分别设置有限位开关A(4)和限位开关B(8)，导轨(9)上套装有滑动拖板(7)，滑动拖板(7)与皮带(5)固定连接，滑动拖板(7)与导向槽下方的测量桥板(14)连接；皮带轮B(10)与步进电机(11)连接，滑动拖板(7)与拉伸位移传感器(23)连接，测量桥板(14)上设置有倾角传感器(24)。

2.根据权利要求1所述的钻杆管壁加厚段轮廓线的测量装置，其特征在于：在导轨(9)下表面通过夹紧螺栓(13)与夹紧件(12)连接，夹紧件(12)用于将导轨(9)与待测钻杆(1)加厚段夹紧固定。

3.根据权利要求1所述的钻杆管壁加厚段轮廓线的测量装置，其特征在于：所述的滑动拖板(7)通过燕尾导轨副与导轨(9)滑动连接，滑动拖板(7)通过连接弹簧(15)向上与压板(16)连接，在滑动拖板(7)中间开有一个通孔，通孔中穿过一连接杆(22)，压板(16)通过连接杆(22)与下方的测量桥板(14)连接，测量桥板(14)的下表面设置有行走的轮子(20)。

4.根据权利要求1所述的钻杆管壁加厚段轮廓线的测量装置，其特征在于：所述的滑动拖板(7)与导轨(9)连接的燕尾导轨副接触面设置有镶条(19)，滑动拖板(7)与导轨(9)接触面之间还设置有调节螺钉(18)。

5.一种钻杆管壁加厚段轮廓线的测量方法，其特征在于，该方法利用一套测量装置，该测量装置的结构是，

包括测量平台(21)和控制部分，在测量平台(21)上设置有拉伸位移传感器(23)、倾角传感器(24)和步进电机(11)，控制部分包括下位机(25)、上位机(26)、显示器(27)和控制面板(28)，下位机(25)分别与上位机(26)、显示器(27)和控制面板(28)同时连接；下位机(25)还同时与拉伸位移传感器(23)、倾角传感器(24)和步进电机(11)分别连接；

所述的测量平台(21)的结构是，包括导轨(9)，在导轨(9)的上表面两端各设置有一支架(2)，两个支架(2)上分别安装有皮带轮A(3)和皮带轮B(10)，皮带轮A(3)和皮带轮B(10)之间传动连接有皮带(5)，导轨(9)沿纵向的一段开有导向槽，导向槽两端分别设置有限位开关A(4)和限位开关B(8)，导轨(9)上套装有滑动拖板(7)，滑动拖板(7)与皮带(5)固定连接，滑动拖板(7)与导向槽下方的测量桥板(14)连接；皮带轮B(10)与步进电机(11)连接，滑动拖板(7)与拉伸位移传感器(23)连接，测量桥板(14)上设置有倾角传感器(24)，

所述的滑动拖板(7)通过燕尾导轨副与导轨(9)滑动连接，滑动拖板(7)通过连接弹簧(15)向上与压板(16)连接，在滑动拖板(7)中间开有一个通孔，通孔中穿过一连接杆(22)，压板(16)通过连接杆(22)与下方的测量桥板(14)连接，测量桥板(14)的下表面设置有行走的轮子(20)，

利用上述的测量装置，将测量平台(21)通过夹紧件(12)安装于被测钻杆(1)的加厚段内腔上，并使得测量桥板(14)位于加厚段内腔内，将测量平台(21)与控制部分的电源线及信号线连接好，运行测量软件使测量桥板(14)到达起始测量位置，再按照以下步骤实施，

2.1)数据采集：上位机(26)发送测量命令给下位机(25)，下位机(25)启动步进电机(11)，步进电机(11)驱动滑动拖板(7)实现水平运动，测量桥板(14)在加厚段内表面上随滑动拖板(7)一起沿被测母线移动，这时拉伸位移传感器(23)所拾取的线位移原始数据和倾角传感器(24)所拾取的角位移原始数据，由下位机(25)定时采集、存储并实时显示；

2.2)数据传输：待测量范围内指定被测母线的原始数据采集完毕，步进电机(11)停止运动；上位机(26)发送原始数据传输命令，下位机(25)将本次被测母线的测量原始数据传输给上位机(26)并显示传送状态；

2.3)数据处理：上位机(26)将线位移-角位移原始数据组成的坐标换算为直角坐标，采用最小二乘法分段进行直线拟合，得出被测钻杆(1)的加厚段的被测母线的轮廓线，并显示在显示器(27)的屏幕上。

6.根据权利要求5所述的钻杆管壁加厚段轮廓线的测量方法，其特征在于：步骤2.3)的数据处理的具体过程包括以下步骤：

2.3.1)将线位移-角位移坐标转换为位置直角坐标

第一步，测量软件对原始测量数据进行分段处理，选择合理的判据标准，确定转折点B和C，该判据就是倾角传感器(24)各点采样值的变化率为分组标志，在图中的AB、BC、CD段内，角度值变化率基本恒定，但在转折点B点和C点处变化较大，据此来确定转折点B和C，从而将原始数据分为三组，即AB段{(x_A，y_A)，…，(x_B，y_B)}，BC段{(x_B+1，y_B+1)，…，(x_C，y_C)}，CD段{(x_C+1，y_C+1)，…，(x_D，y_D)}，

第二步，对各段原始数据进行转换，即将(x_n，α_n)转换为(x_n，y_n)相邻两点位置坐标，后一点坐标与前一点坐标满足如下公式：

xn+1=xn+dyn+1=yn+d·tanαn---(a)]]>

x_n是第n个采样时刻拉伸位移传感器(23)的原始数据采样值，

α_n是第n个采样时刻倾角传感器(24)的原始数据采样值，

d是相邻采样时刻之间的轴向测量位移，

根据公式(a)，就将全部原始数据(x_n，α_n)转换为被测轮廓的位置坐标(x_n，y_n)，数据处理过程中，起始点A的原始数据值和转换坐标值均设为(0，0)；

2.3.2)线性拟合，利用最小二乘法对AB、BC、CD三段上的位置坐标数据进行线性拟合，

第一步，在全量程范围内获取原始数据(x_i，α_i)，其中i＝1，2，…，B，B+1，…，C，C+1，…，N；N为采样总点数，B、C为转折点；

第二步，经转换得到位置坐标数据序列{(x_i，y_i)}，其数据总数仍为N；

第三步，将数据序列{(x_i，y_i)}(i＝0，1，2，…，N)以转折点B、C为界分为三组，第一组为AB段，即{(x_i，y_i)，i＝1，2，…，B}；第二组为BC段，即{(x_i，y_i)i＝B+1，B+2，…，C}；第三组为CD段，即{(x_i，y_i)i＝C+1，C+2，…，N}；

第四步，将上述三组数据分别进行最小二乘直线拟合，得出各段拟合直线方程：

AB段方程为：y＝b₁₀+b₁x    (b)

BC段方程为：y＝b₂₀+b₂x    (c)

CD段方程为：y＝b₃₀+b₃x    (d)

式中b1=B·Σi=1Bxiyi-Σi=1BxiΣi=1ByiB·Σi=1Bxi2-(Σi=1Bxi)2,]]>b10=Σi=1ByiB-b1Σi=1BxiB;]]>b2=(C-B)·Σi=B+1Cxiyi-Σi=B+1CxiΣi=B+1Cyi(C-B)·Σi=B+1Cxi2-(Σi=B+1Cxi)2,]]>b20=Σi=B+1CyiC-B-b2Σi=B+1CxiC-B;]]>b3=(N-C)·Σi=C+1Nxiyi-Σi=C+1NxiΣi=C+1Nyi(N-C)·Σi=C+1Nxi2-(Σi=C+1Nxi)2,]]>b30=Σi=C+1NyiN-C-b3Σi=C+1NxiN-C.]]>

根据方程(b)、(c)、(d)，求出直线AB与BC的交点B，直线BC与CD的交点C，以及直线AB与BC的夹角θ，BC与CD的夹角，进而计算得出钻杆管壁加厚段的轮廓参数。