【行业应用】光谱共焦-油气管道螺纹表面自动测量

手工几何测量方法是目前油气管道制造商面临的最大问题之一。卡尺和其他特殊量规通常需要进行表面定期清理和校验。这增加了非质量生产和维护成本的成本。人为因素的问题、性能和精度的要求催生了三坐标测量机的发展。

测量几何中的各种挑战决定了坐标测量技术和方法的多样性。在创建几何测量系统的过程中，开发人员的任务是选择最优的方法和设备。因此，针对各种操作条件、表面特征和性能要求需要比较专业的技术能力。

来自俄罗斯乌拉尔联邦大学的LavrinovDS等人对油气管道螺纹的自动化测量需求进行了不同测量方案的对比，油气管道螺纹的截面图如图1所示。

图1. 管道螺纹示例图

目前，所有的管道和接头制造商都采用两轮几何检测。第一轮是通过手动量规和管径对螺纹进行全检，第二级是使用铸模对工件尺寸进行抽检。第一轮大约需要1分钟，但不提供有关齿的几何形状和螺纹粗糙度的信息。第二轮提供有关齿的几何形状和螺纹的粗糙度的信息，但需要大约20分钟。随着具有密封圈、特殊几何形状的沟槽和螺纹的优质联轴器的出现，接触方法不再提供所需参数的检测能力。根据标准，测量精度应为5微米，性能为每秒10万点。还应考虑到，大多数产品的直径都超过70毫米。目前生产线操作人员采用人工螺纹量规或铸件形成螺纹表面，并且这些方法无法将测量结果集成到数据采集与监控系统 (SCADA)中。

光谱共焦位移传感器是一种快速、精确的几何测量方法。光线通过透镜聚焦在被测物体上，由其反射并返回传感器。在单色共焦传感器中，使用单色光，传感器和物体必须机械地相互移动，以保持物体在透镜的焦点上。这使得该技术非常缓慢，不适合在车间测量管道和联轴器。相比之下，白光共聚焦传感器使用的是由多种颜色组成的光。这种透镜将每种颜色聚焦在略微不同的位置，通过测量返回光的颜色，我们可以以纳米级的精度评估距离，见图2。文章采用的光谱共焦位移传感器包含192个测量通道，实现5毫米长度的2D线扫描，采样频率为每秒2 000次(或每秒384 000点)，接收角度高达45°，便于测量螺纹齿等斜坡结构。由于探头的高数值孔径和传感器的动态范围，几乎可以对所有材料进行测量。然而，线阵的光谱共焦位移传感器非常笨重。它们不能安装在可转位的头部，比较适用于外螺纹。而针对内螺纹，则可以考虑采用点式的光谱共焦位移传感器。

图2. 光谱共焦位移传感器原理图

论文标题：Comparative Analysis of Automatic Methods forMeasuring Surface of Threads of Oil and Gas Pipes