устройство для контроля параметров резьбовых трубных изделий

Формула изобретения

1. Устройство для контроля резьбовых трубных изделий, содержащее источник светового потока, приемник светового потока со средствами обработки информации и узел сканирования, соединенный с координатным столом и выполненный с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения, отличающееся тем, что источник светового потока и приемник светового потока со средствами обработки информации объединены в единый блок, выполненный в виде коноскопа, а узел сканирования выполнен с по меньшей мере двумя оптически связанными с коноскопом каналами и системой зеркал, обеспечивающей прохождение светового потока от коноскопа через каналы к наружной или внутренней поверхности изделия.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел сканирования оптически связан с коноскопом так, что оптическая ось одного из каналов совпадает с оптической осью коноскопа.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что узел сканирования выполнен так, что его ось вращения совпадает с оптической осью одного из каналов.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел сканирования выполнен в виде соединенной с координатным столом через узел вращения вилки, установленной с возможностью схватывания контролируемых наружной и внутренней поверхностей изделия, в зубцах которой выполнены открытые каналы, обеспечивающие прохождение светового потока от коноскопа к наружной и внутренней поверхностям изделия, а система зеркал размещена в указанных каналах с возможностью перекрывания каналов.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что каналы вилки оптически связаны с коноскопом так, что ось канала одного из ее зубцов совпадает с оптической осью коноскопа.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что ось вращения вилки совпадает с оптической осью коноскопа.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зеркала выполнены с возможностью изменения своего положения.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено блоками юстировки и калибровки.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что координатный стол оборудован системой управления, включающей модули линейного и кругового движения, для обеспечения возвратно-поступательного и кругового движения узла сканирования.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано при выполнении бесконтактного контроля качества изготовления, а также в процессе профилактической проверки резьбовых изделий, например для контроля резьбовых соединений труб, используемых в установках нефтяной и газовой промышленности.

Известны устройства бесконтактного контроля параметров резьбовых участков трубы с наружной резьбой, использующие различные оптические методы анализа светотеневой или дифракционной картин, получаемых при расположении источника света и фотоприемного устройства на противоположных сторонах исследуемого объекта. При этом применяются различные оптоэлектронные устройства, такие как источники когерентного излучения (лазеры) и фотоприемные матрицы (SU 1288501, 1985 г.; SU 1368629, 1986 г.).

Основным недостатком известных устройств является невозможность контроля геометрических параметров внутренней поверхности резьбовой трубной детали или внутренней резьбы.

Наиболее близким заявляемому техническому решению является устройство контроля параметров резьбового участка трубы с наружной резьбой, содержащее источник светового потока, приемник светового потока со средствами обработки информации и узел сканирования, соединенный с координатным столом и выполненный с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения (RU №19916, 2001 г.).

Указанное техническое решение предусматривает применение триангуляционного теневого метода контроля геометрических параметров профиля внешней резьбы и метода светового пятна при контроле внутренней поверхности резьбовой трубной детали, в котором для фиксации теневого и светового изображений, используемых в триангуляционных методах расчета геометрических параметров, используют когерентный источник излучения (лазера) и фотоприемную матрицу.

Указанное техническое решение позволяет решать задачи оценки геометрических параметров наружной резьбы, однако оно имеет ряд существенных недостатков, например необходимость в строгой ориентации светового луча вдоль ниток резьбы при осуществлении контроля внешней резьбы. Это связано с тем, что применение теневого метода приводит к повышенным требованиям к стабилизации положения контролируемой детали в процессе измерения. Кроме того, контроль внутреннего диаметра трубной детали с наружной резьбой по существу невыполним, поскольку это возможно только в ограниченной зоне непосредственно около торца трубы. Более того, триангуляционные методы оценки геометрических параметров резьбы как при анализе тени, так и светового пятна, имеют ограничения по точности выполняемых замеров и по контролю состояния поверхности материала резьбовой детали, что является одним из важных элементов контроля работоспособности резьбового соединения.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, состоит в расширении функциональных возможностей устройства за счет обеспечения контроля как наружной, так и внутренней поверхностей, в повышении точности контрольно-измерительного процесса за счет снижения зависимости точности измерения параметров резьбового изделия от точности его позиционирования относительно измерительного инструмента, а также в повышении информативности контроля за счет возможности определения таких параметров, как шероховатость поверхности резьбы, толщина стенки под или над резьбой, соосность резьбы обоих концов муфты, а также в обеспечении возможности автоматизации процесса и сокращении времени контроля.

Поставленная задача решается путем создания устройства для контроля параметров резьбовых трубных изделий, содержащего источник светового потока, приемник светового потока со средствами обработки информации и узел сканирования, связанный с координатным столом и выполненный с возможностью возвратно-поступательного и вращательного движения, которое отличается тем, что источник светового потока и приемник светового потока со средствами обработки информации функционально объединены в единый блок, выполненный в виде коноскопа, а узел сканирования выполнен с по меньшей мере двумя оптически связанными с коноскопом каналами, и системой зеркал, обеспечивающей прохождение светового потока от коноскопа через каналы к наружной или внутренней поверхности изделия. При этом узел сканирования оптически связан с коноскопом так, что оптическая ось одного из каналов совпадает с оптической осью коноскопа. Кроме того, узел сканирования может быть выполнен так, что его ось вращения совпадает с оптической осью одного из каналов.

Задача решается также тем, что узел сканирования выполнен в виде соединенной с координатным столом через узел вращения вилки, установленной с возможностью схватывания контролируемых наружной и внутренней поверхностей изделия, в зубцах которой выполнены открытые каналы, обеспечивающие прохождения светового потока от коноскопа к наружной и внутренней поверхностям изделия, а система зеркал размещена в указанных каналах с возможностью перекрывания каналов.

Задача решается также тем, что каналы вилки оптически связаны с коноскопом так, что ось канала одного из ее зубцов совпадает с оптической осью коноскопа, а также тем, что ось вращения вилки совпадает с оптической осью коноскопа. При этом зеркала выполнены с возможностью изменения своего положения.

Задача решается также тем, что устройство для контроля параметров резьбовых трубных изделий снабжено блоками юстировки и калибровки, а координатный стол оборудован системой управления, включающей модули линейного и кругового движения, для обеспечения возвратно-поступательного и кругового движения узла сканирования.

В изобретении использован коноскоп, известный как прибор для измерения линейных параметров различных объектов, основанный на анализе рефлектограмм, полученных при прохождении отраженного когерентного света в двухлучепреломляющем кристалле (см. патент США 6953137, НКИ 359/30, патент США 4976504 и ЕР 0376837 по МКИ G 03 H 1/06).

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлено заявляемое устройство в разрезе.

Устройство для контроля параметров резьбовых трубных изделий состоит из узла сканирования и средства для съема информации. Узел 1 сканирования соединен через узел 2 вращения и корпус 3 с координатным столом 4, обеспечивающим ему возвратно-поступательное движение. Средство для съема информации выполнено в виде коноскопа 5, объединяющего функционально в едином блоке источник и приемник светового потока со средствами обработки информации. Коноскоп позволяет осуществить бесконтактный метод измерения параметров контролируемого изделия фокусированным лучом лазера, благодаря чему отпадает необходимость в раздельном применении источника излучения и приемника. Корпус 3 жестко связан с координатным столом 4, обеспечивающим возвратно-поступательное движение коноскопа 5 и узла 1 сканирования относительно контролируемого изделия 6, установленного на узле базирования изделия, который на чертеже не показан. Узел 2 вращения обеспечивает вращательное движение узла 1 сканирования относительно контролируемого изделия 6. Узел 2 вращения связан с приводом и необходимыми системами контроля вращения и перемещения узла 1 сканирования (на схеме не показаны), что обеспечивает последнему контролируемое возвратно-поступательное и вращательное движение относительно изделия.

Как один из вариантов, узел 1 сканирования выполнен в виде вилки с по меньшей мере двумя зубцами 7 и 8, в которых выполнены открытые световые каналы 9 и 10. Система зеркал 11 и 12 обеспечивает прохождение светового потока от коноскопа 5 через отверстия 13 и 14 в зубцах 7 и 8 вилки к контролируемому изделию 6, точнее к его наружной или внутренней поверхности. Световой канал в одном из зубцов, например канал 10, выполнен так, что его оптическая ось совпадает с осью вращения узла 1 сканирования и с оптической осью 15 коноскопа 5. Продольная ось 16 изделия 6 может совпадать с осью вращения узла 1 сканирования и оптической осью 15 коноскопа 5. Световой поток из коноскопа 5 посредством зеркала 12 может быть направлен по световому каналу 9 к наружной поверхности контролируемого изделия 6, как показано на чертеже. При изменении положения зеркала 12 световой поток направляется по каналу 10 к внутренней поверхности изделия 6. Таким образом, зеркало 12 выполнено подвижным относительно оптической оси 15 коноскопа 5 и имеет два рабочих положения, а именно в положении (а) зеркало 12 выводится из светового потока коноскопа 5, в этом случае световой поток направляют по световому каналу 10 к внутренней поверхности изделия 6. В положении (б) зеркало 12 перекрывает канал 10 и устанавливается под углом к оптической оси 15 коноскопа 5 и световой поток направляется к наружной стороне изделия 6 по световому каналу 9. Механизм поворота зеркала 12 на чертеже не показан. Зеркала 11 и 12 выполнены с возможностью изменения своего положения. На координатном столе 4 размещена также система управления, содержащая модули линейного и кругового движения для обеспечения возвратно-поступательного и кругового движения узла сканирования, а также блоки юстировки и калибровки (на чертеже не показаны).

Рабочий процесс контроля параметров резьбовых трубных изделий с применением заявляемого устройства состоит из следующих этапов. Контролируемое резьбовое трубное изделие 6 закрепляется в узле базирования (на чертеже не показан).

Узел базирования и устройство контроля устанавливаются в непосредственной близости друг от друга. Конструкция устройства благодаря использованию коноскопа позволяет получать высокую точность измерения параметров даже тогда, когда продольная ось изделия 6, ось вращения узла 1 сканирования и направление возвратно-поступательного движения узла 1 сканирования смещены друг относительно друга, в то время как в известных устройствах при нахождении приемника и источника светового потока по разные стороны от изделия к точности их позиционирования применяются жесткие требования.

В начале измерения устройство для контроля находится в одном из крайних положений, удаленном от контролируемого изделия, которое находится вне габаритов устройства и, собственно, узла 1 сканирования. Сканирование резьбового трубного изделия выполняют в следующей последовательности.

В процессе измерения параметров резьбы контролируемого изделия 6 перемещают вдоль продольной оси 16 узел 1 сканирования в сторону контролируемого изделия 6. В процессе движения координатного стола 4 выполняют сканирование внутренней поверхности изделия 6, если зеркало 12 находится в положении (а), или ее наружной поверхности, если зеркало 12 находится в положении (б). На чертеже в качестве примера показан момент сканирования наружной поверхности изделия 6, когда оно находится в крайнем рабочем положении относительно устройства в процессе контроля резьбового участка L изделия 6.

Затем выполняют возвратное движение узла 1 сканирования в исходное положение. В процессе возвратного движения выполняют сканирование другой поверхности изделия при переводе зеркала 12 в положение (а), т.к. исходным было положение (б).

Преимущество заявляемого устройства перед всеми известными состоит в том, что точность измерения не зависит от точности ориентирования положения продольной оси 16 изделия 6, оси вращения узла 1 сканирования и направления возвратно-поступательного движения узла 1 и допускается их отклонение. Конструкция устройства предполагает их соосность, но допустимо и отклонение от нее.

Последующие циклы сканирования внутренней и наружной поверхностей контролируемого изделия 6 выполняют при последовательном повороте узла 1 сканирования на определенный угол вокруг продольной оси 16 изделия. Сканирование двух поверхностей контролируемого изделия по одной секущей плоскости за один цикл возвратно-поступательного движения и последовательный пошаговый поворот оптического инструмента на 360° обеспечивают возможность создания математической модели контролируемого участка резьбового трубного изделия. При этом математическая модель контролируемого изделия может быть создана при некотором отступлении от соосного расположения контролируемого изделия относительно оптической оси заявляемого устройства, что позволяет снизить требования к позиционированию контролируемого изделия и автоматизировать процесс контроля.

Программное и математическое обеспечение ЭВМ, которой оснащено заявляемое устройство, обеспечивает сравнение математической модели контролируемого резьбового трубного изделия с виртуальным калибром, составленным в соответствии с ГОСТом на конкретное резьбовое соединение. Качественное и количественное сравнение виртуальных моделей калибра и контролируемого изделия и является главным конечным результатом контроля параметров резьбовых трубных изделий с применением заявляемого устройства.

Данное изобретение может быть использовано для контроля полного набора параметров, характеризующих качество резьбовых соединений согласно действующим ГОСТам. Заявляемое устройство позволяет автоматизировать процессы контроля, повысить точность контроля, что в свою очередь повысит надежность работы установок, использующих резьбовые изделия.

Заявляемое устройство может найти широкое применение при промышленном производстве труб различного сортамента, в частности при производстве обсадных, бурильных и насосно-компрессорных труб, используемых в нефте- и газоразработках. Кроме того, изобретение позволяет оперативно осуществлять профилактическую проверку работоспособности этих труб на трубных базах буровых и нефтегазодобывающих производств практически в полевых условиях.