基于三維點云的管螺紋自動檢測系統研發

安中望，尤睿琦，郝 剛*

(1. 中海油能源發展裝備技術有限公司 天津 300452；2. 天津理工大學 天津 300384)

0 引言

三維點云作為具有多維度信息的數據結構近些年被較廣泛應用于螺紋測量[1]。目前，國內外學者通過將二維圖像處理方法進行拓展延伸，并結合三維點云信息特性[1]針對螺紋各參數測量提出了多種處理方法[2]。其中謝張寧[3]通過擬合點云凸包對螺紋點云的軸線進行了確定；Kosarevsky S等[4]從獲得的2D點云中通過霍夫變換自動提取了螺紋的特征參數；史藝廣[5]以接觸式三坐標測量機得出的螺紋點云為基礎研究了中徑圓柱和外螺紋中徑的計算方法；He F等[6]提出了一種結合光學技術和圖像處理技術來測量管螺紋的物理尺寸的方法并進行了分析；Min J[7]使用CCD獲得螺紋基本圖像，并且通過濾波、邊緣檢測和二進制圖像生成測量了幾何參數，討論了利用機器視覺測量螺紋齒角參數的方法。因螺紋形制較多、測量參數變化較大等因素，研發對石油套管螺紋多個參數同時進行自動檢測的系統有較大難度。本文結合實際生產過程中對石油套管螺紋檢測環境限制和測量參數要求，設計開發了一套基于三維點云技術對石油套管外螺紋測量的自動檢測系統。

1 系統組成及測量流程

基于三維點云技術對石油套管外螺紋測量的自動檢測系統主要由3D掃描儀和計算機系統組成，可以安裝在螺紋加工生產線的檢測工位上。其中3D掃描儀主要用來獲得石油套管外螺紋的點云數據，計算機系統主要用來控制系統運行和對點云數據進行處理，從而得到螺紋多項參數的測量結果。

對實際生產過程中的石油套管螺紋進行參數測量不同于在實驗室測量：一是受到生產場地灰塵的影響會產生噪點；二是受到測量工位的影響使3D掃描儀只能得到待測工件螺紋的局部點云。同時，由于工件螺紋表面反光等因素也會產生大量噪點，這些因素綜合起來會嚴重影響測量結果。因此，測量系統首先要對得到的點云數據進行去噪點處理，減少噪點對測量結果的影響，從而提高螺紋錐度測量精度。被測量石油套管實物及點云數據模型如圖1所示。

圖1 被測量石油套管實物及點云數據模型Fig.1 Physical object and point cloud data model of measured oil casing

測量系統整體流程如圖2所示。自動檢測系統的軟件主要包括自動測量、手動微調、后期處理三大部分。在自動測量部分，首先是點云數據模型擺正和選擇分割平面處理。因為輸入數據是局部點云，系統設計了專門的算法來處理點云數據模型擺正，同時能夠選擇出數據比較完整的分割平面，實現了分割平面自動選取。利用分割平面的點云數據和測量參數的幾何特征就可以針對每個參數進行計算，然后得到對應參數初步測量結果和與該工件匹配的螺紋型號標準值。為提升檢測精度，系統對初步測量結果進行了二次降噪處理。得到初步測量結果后還能將輸入的點云數據、選取的分割平面和測量結果以圖形方式展示在人機交互界面中，可以通過手動調整分割平面等方法對初步測量結果進行微調。在本次測量結束后，系統會將本次測量的輸入數據和測量結果一起保 存。如果后期對某次測量結果有疑問，可以使用系統的后期處理功能對某次的測量結果進行驗證和重新計算，即利用裝入數據功能讀入以前保存的輸入數據和測量結果，重新進行測量計算和標準值匹配，也可以通過手動重選分割平面對該外螺紋的每個參數進行重新計算。

圖2 測量流程圖Fig.2 Measurement flow chart

2 系統功能

本系統的軟件部分采用QT5.14.1編程語言開發，使用了OpenCV4.11和PCL1.11.1開源庫。利用開源庫中的一些函數可以對采集到的點云數據進行輔助處理，如過濾噪聲數據中的異常值、將3D點云拼接在一起、分割場景的相關部分、提取關鍵點計算、利用點云數據進行可視化等，從而在得到低噪聲和高可靠性點云數據的同時，實現系統在某些處理步驟過程中的可視化功能。

考慮到復檢和檢測數據遷移需求，系統針對單個螺紋檢測設計了數據載入功能。自動測量功能可在選擇點云數據后自動得出該螺紋的多個參數檢測值。裝入數據功能可在裝載測量數據后針對上一次檢測參數值進行顯示，同時顯示對應點云數據結構。作為實際應用系統，檢測系統的測量結果還要與生產系統的工件型號和工件生產序號相關聯，通過分步實現保證了工件生產序號的唯一性和因測量次數不同產生的實際差異。

系統在讀取數據后會自動得出多個待檢測螺紋參數，在體現三維點云特性的同時還能對待測工件進行多角度檢測及糾偏處理。

2.1 待測參數自動測量

系統依據待測工件型號、工件生產序號、工件掃描得到的點云數據自動進行擺正和分割平面選擇，得到該工件螺紋的多個參數檢測值。若本次測量為該工件首次測量，系統會將本次測量的輸入數據和測量結果一起保存起來，同時顯示本次測量結果，并將原始點云和分割平面示意顯示在整個點云顯示區域，輪廓線和輔助線顯示在可視化區域，測量結果顯示在參數顯示區域。若本次測量為該工件再次測量，系統會重新計算，并覆蓋原測量的輸入數據和測量結果。

2.2 重選分割平面

得到初步測量結果后，系統能將輸入的點云數據、選取的分割平面和測量結果以圖形方式展示在人機交互界面中，這時可手動調整分割平面滑塊，選擇不同的繞z軸旋轉平面對螺紋點云進行分割，從而實現對單個工件多個角度的多參數測量。每次調整結束后會立刻計算各項參數，并同步參數顯示區域與可視化顯示區域中的數據與圖形。

2.3 手動調整參數計算基準位置

基于三維點云技術的管螺紋測量系統要測量螺紋的多個參數，每個參數計算都要根據具體的幾何位置(基準位置)才能得到測量結果。為減少系統自動測量產生的誤差，在極少數情況下需要手動對參數計算的基準位置進行微調以得到更為精確的結果。在人機交互界面中點擊各調整按鈕(斜率、尺高、螺距)，并按操作提示手動操作就可以對基準位置進行微調。手動調整后，系統就對該參數進行重新計算，參數的新計算結果會同步顯示在人機交互界面中。

2.4 數據保存

螺紋的全部參數計算完成后，最后一次選中的分割平面將會被記錄，對應的自動測量結果和系統參數也會被記錄，參數顯示區域數值記錄為最終測量結果。點擊保存按鈕，這些數據就會被保存起來，系統則會自動回到系統初始頁面。

以上功能均預留api接口，按順序調用即可對油套管螺紋參數進行自動測量并保存結果。

3 測量結果

通過實驗對基于三維點云的管螺紋自動檢測系統的可行性和檢測準確性進行了驗證，如圖3所示。可以看出系統能夠針對工件的多個螺紋參數進行測量并自動與工件螺紋參數的標準值進行比較。

圖3 系統驗證圖Fig.3 System verification diagram

通過多次實驗并與標準值比較分析，本系統得到的螺紋參數平均測量精度如表1所示。實驗結果表明，基于三維點云的管螺紋自動檢測系統能實現對螺紋參數的測量，而且能得到比較滿意的測量精度，可以滿足石油套管外螺紋加工企業的檢測需求。

表1 檢測精度表Tab.1 Detection accuracy table

4 總 結

基于三維點云的測量是產品質量檢測的重點研究方向，與柔性測量和自動測量互相結合的技術更是目前亟待解決的技術難題之一。本文設計了管螺紋的檢測流程，開發了可以對多種尺寸石油套管外螺紋參數進行自動測量的計算機系統。但該系統在點云數據采集、數據噪點處理、參數計算模型、測量精度和處理全自動化方面還有進一步提升的空間，這也是下一步研究工作的重點。