李栋栋开题报告（专业型）12215-精品文档资料整理.docx

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1、专业学位硕士学位论文开题报告论 文 题 目 螺杆钻具定子截面内轮廓 测量系统设计与结构优化 姓 名 李栋栋 学 号 2002310213 导 师 姓 名王洪喜、薛媛职称教授、讲师企业导师姓名 徐 臻 职称 高工 学 院 机电工程学院 领 域 名 称 机械 2021年 12 月 22 日说 明1.学生应在导师研究领域内选题，所选题目必须经导师指导并同意后方可开题。开题报告审批通过后，题目一般不能随意改变。如需要对题目作非实质性调整，要经导师同意，学院主管领导批准，并报研究生院备案。题目如有实质性改变，需重新作开题报告。2.开题报告正文篇幅一般不少于5000字。3.每人查阅文献资料不少于30篇，近

2、五年占50%，外文文献不少于10篇（参考文献格式西安工业大学专业硕士学位论文编写规范（2020版）。4.报告中各项内容可根据实际撰写情况加页。5.开题报告一式两份，一份由学院保存，一份由学院提交档案馆存档。学位论文题目：螺杆钻具定子内轮廓测量系统设计与结构优化论文类型（打“”）产品研发工程设计应用研究工程/项目管理调研报告1.选题背景、国内外研究动态及实践应用价值1.1 研究课题的选题背景随着我国国民经济和科学技术的发展，细长管内径测量在工业的应用日渐迫切，在机械制造、工程机械、石油机械等机械设备中广泛使用参考文献 何鲲. 大口径长管内孔的直线度、圆度测量研究D.合肥工业大学,2004.，如火

3、炮身管，螺杆钻具定子等。这类零件上的孔不但长径比(L/D)大 郑亦隆. 大长径比深孔零件几何参数检测系统D.合肥工业大学,2017.，而且尺寸和形状精度要求高，由于结构限制，使用普通的测量方法难以在全长测量细长管的内轮廓，在实际测量中往往仅以管两端的精度来判断零件是否合格，不能真实反映零件的质量。如何精确地在全长上测量细长管的内轮廓，是该类零件制造和检测中的关键问题。例如军事工业中的火炮身管、工程应用中石油钻井使用的螺杆钻具定子、石油化工工业中的大型输油管道等，都因其工作条件特殊而有不同的技术要求。目前，这一类型的深长管在生产工艺、检测方法等方面还不成熟，大多测量技术只能满足盲孔或较浅的孔测量

4、，像这种长径比大的细长管却显得无能为力，加工的细长管内径测量产品质量无法保证，亟待进行测量方法的研究和相应的检测装置出现 李继祥.火炮身管内孔测量仪自动定心装置设计J.装甲兵工程学院学报,1997(02):86-88.。本课题就是针对上述工程问题而拟定的，本课题是一项拟定的横向项目。根据石油管材研究中心的记载，胜利油田某井使用从日本进口的5in S135内外加厚螺杆钻具，在全部使用新钻具的情况下300多只螺杆钻具定子内螺纹接头，其端面压陷，以致胀裂，胀裂严重者其端面压陷深达5 mm。钻具使用时间不足1个月，钻进仅100多米；滇黔桂油田接连发生20多起钻螺杆钻具定子内螺纹接头纵裂失效事故。失效的

5、钻具系从德国进口的5in G105内外加厚螺杆钻具定子，使用时间在15个月；新疆塔里木探区多次发生从日本进口的5 inS135内外加厚新螺杆钻具内螺纹接头端面压陷及胀大失效事故，因此对于螺杆钻具定子内轮廓的检测一方面可以从生产质量的源头来把控，另一方面可以用来预判螺杆钻具的使用寿命，以次来降低巨大的经济损失。近十年来，螺杆钻具的研制工作又取得了长足的进展 刘重康,周易文.螺杆钻具的应用和发展J.石油矿场机械,1992(04):35-40.，品种不断扩大，基本满足了特殊钻井作业和各类钻头所要求的技术参数。螺杆钻具定子如图1所示。图1 螺杆钻具定子细长管内轮廓的几何尺寸、形状与位置误差的测量，是保

6、证产品精度与质量的重要环节。目前，在工业生产中细长管内轮廓测量有多种检测方案，例如CCD相机法、空气塞规法、涡流法、超声法、光学单点扫描法以及光环法等 朱文娟,徐春广,周世圆.深孔内轮廓尺寸光学测量系统J.机械工程学报,2006(S1):201-204，但是大多数针对细长管内轮廓测量都只停留于理论研究，而且各测量系统存在不同程度复杂性。在机器设备中，细长管内径测量作为工业领域中不可或缺的一部分，广泛应用于火炮身管、螺杆钻具定子等领域。近年来，细长管内径测量朝着精密化和经济化的方向不断发展。为此，研究出一套高精度的细长管内轮廓测量的测量仪器，并能够应用于机械制造、磨损检测等方面，这将对于我国生产

7、制造水平，产品寿命评估与零件失效测评定有着重大意义和深远影响 Q. Chunyang, Z. Liping and L. Tao, Study on Inner Diameter Measurement of Cannon Barrel Based on Image Processing, 2011 First International Conference on Instrumentation, Measurement, Computer, Communication and Control, 2011, pp. 280-282, doi: 10.1109/IMCCC.2011.77.。1

8、.2 课题的国内外研究动态1.2.1 细长管内轮廓测量国内外研究现状细长管内轮廓的形状误差、尺寸误差和缺陷情况的检测对该类零件的质量控制和故障诊断有着十分重要的意义。由于细长管内轮廓的特殊性质，其内表面检测还存在很多困难，因此成为了仪器科学领域的研宄难点和热点。首先，细长管内轮廓的直径较小且待测表面是封闭的，要求检测设备结构紧凑直径小，因此诸如线结构光投影等己经得到广泛应用的面形测量技术由于设备难以布置而不能胜任。其次，细长管类零件 芈健,陈子琪,程强,陈世平,郭玉芳.一种深孔测量方法及装置P. 湖北省：CN107525480B,2021-06-04.孔内壁上任一点的缺陷和误差都可能导致零件失

9、效，因此需要测量手段有非常高的测点密度和测量效率以实现全长测量，这使得三坐标测量机和百分表等离散点测量技术无法满足测量需求。目前已有的测量仪器或装置只能对不太深的内孔和工件外部直径的精密测量 孟波，王圣旭，等火箭炮调炮精度智能检测系统的设计与实现J兵器装备工程学报.2019，40(1): 78-82.，对细长管这样一些特殊深长通孔长度为几米至十几米的深长管使得高精度测量仪器体积庞大、传动机构较长、易受外部环境干扰、传统测量法中的工房长度无法满足测量需求等因素对细长管内孔参数的测量3。虽然国内外对细长管状零件内孔的直径有多种检测方法，但在现有的众多研究当中，定心机构大多采用机械结构的设计，受机械

10、结构自身重力的影响导致定心偏移、定心误差较大、定心结构十分复杂，导致投入市场产品稀缺。而国内类似于火炮身管、螺杆钻具定子这样不同内径的深长管检测使定心机构根据细长管内径大小做出调整的定心机构尚不成熟 Yang T, Wang Z, Wu Z, et al. Calibration of Laser B eam Direction for Inner Diameter Measuring Device.J. Sensors, 2017, 17(2).。在细长管内径测量中，通过研究探索出测量仪器有效的自动定心机构，即克服定心机构的自身重力影响，来实现减小细长管内径测量系统定心偏差，这对研制髙精度定

11、心机构，高可靠性的测量仪器，高效率的细长管静态参数测量系统 石东昕. 基于膛内加速度测试的内弹道动态参数研究D.中北大学,2019.是十分必要的。因工作条件特殊而有不同的技术要求，目前细长管在检测方法方面还不成熟，检测结果只有定性的概念，无定量的结论，产品质量无法保证，亟待测量方法的研究和相应的检测方法。1.2.2 火炮身管内径测量研究现状火炮身管作为典型的细长管类零件 Garner J.M. M arrs T. Off the shelf technology for gun barrel trai ghtness measurement C.10th U . S. Army Gun Dyn

12、amics symposium.2001:462489.，其膛线的检测方法众多，理论研究也较为成熟。20世纪60年代，机械星型测径仪从前苏联引进，作为测量炮身内径最原始、最经典的测径仪，可测量20152 mm的各种线膛炮内径，在部队应用了40余年，目前主要在火炮生产和大修厂使用 朱建杰,郑立评,曹营修,曹进华.火炮身管内径测量现状及发展趋势J.兵器装备工程学报,2017,38(06):62-65.。随着机械工程、微电子、光电技术以及电子信息通信领域技术的飞速发展，火炮的制造精度、自动控制程度显著提高，对于火炮身管的膛线检测有助于其生产质量、可靠度的提高。进入21世纪后，新材料和新动力源的不断涌

13、现为火炮在军事上应用又注入了新的活力 郭振礼. 小口径身管内径测量系统参数化设计技术研究D.长春理工大学,2017.- 高金锴. 高精度炮管静态参数自动测量系统的研究D.吉林大学,2017.。因此，对火炮身管的检测技术在现代战争中不可缺少，在国防应用中发挥重要作用。国内外对火炮身管内径磨损量的测量系统存在不同程度复杂性。火炮身管内经检测是火炮发射中的必检项目，为火炮的维修与保障提供了有力支持，是检测技术 叶挺锋.火炮身管检测技术与系统设计D.浙江大学，2005.中的研究热点与难题。2000年左右，光斑法、光前传感法及激光衍射法12等检测新技术陆续被提出，利用光学的折射和反射的方法进行测量，测量

14、时测力小、无磨损、无变形。采用虽然这种光学测量方法能在保证较高的测量精度的同时，具有较高的测量速度，能实现在线检测。但是传感器的安装对测量精度影响较大，对于操作人员水平要求较高，并且光学测量法采用的检测传感器造价高、结构复杂，限制了它的应用。军械工程学院研制了伞状光栅测经仪，该测径仪应用光栅测微传感器提高了系统灵敏度按照阿贝原则，设计了新型双伞定位结构，为定心机构的高精度发展提供了基础条件。目前研究较多的是采用身管机器人结合光学、激光测距等方式进行内径测量 Lawson G, Fowler S, Halsey H, etal.The inbore chronograph laserradar

15、for interior ballistics measurementsJ. SPIE vo 1.1936 applied laserradar technology, 1993: 374-385.。激光测量以其高精度为人们熟知，其单色性、方向性、相干性好，测量时受干扰较小，可以用于精确定位。通过在定心轴上加装旋转机构，可实现单截面多达400个数据的周向测量。对于火炮身管内膛线的测量按照测量结果获得方式分为直接测量、间接测量和综合测量，按测量触头接触内壁与否分为接触式测量和非接触式测量 JiaB, Liu C, Li X, et al. A novel non-cont act measure

16、ment method of the inner diameterC/International Conference on Optical Instruments and Technology. International Society forOptics and Photonics, 20 15.，按传感器测量原理不同又分为机械式、电子式、光学式传感器测量等，分类如下图2所示。图2 分类方法1990年，从苏联引进了机械星型测径仪，该方案由带有刻度的直管、基本游标尺、定心支撑环、微调螺等组成。测量时将测径杆调整到炮膛直径的公称尺寸，游标尺归零，将仪器从炮口部装入炮膛内，移动带拉杆的手柄，拉

17、杆及锥体使测头上的量爪向外抵住内膛 苏文彦. 基于激光点云的火炮身管内膛表面重建技术研究D.南京大学,2017.壁，通过游标尺读取测量值，身管内径实际尺寸则为测量值与公称尺寸之和。由于采用固定直径的定心盘，当膛内有严重烧蚀、机械损伤和疵病时无法进行准确定心测量，其测试效率不高，也不能满足螺杆钻具定子内轮廓测量要求。机械星形测经仪器结构图如图3所示。图3 机械星型测径仪结构1993年，升泽利用探针振荡的方法提出了探针振荡进行扫描检测的方法Error! Bookmark not defined.。首先给振荡器一定的振动频率，其次振荡器使测针在被测表面的垂直方向上产生微小幅度振动，最后，当测针与被测

18、物表面临界接触时，测针和被测物之间的回路接通，敏感电路将闭合，此时电信号就可以被检测到，从而就可以反应探针与被测表面之间的距离。该方案不便对深度大于100mm的孔进行检测，并且外界的灰尘或氧化物对检测结果影响很大，最重要的是这种检测方法不能对绝缘工件进行检测。探针振荡检测技术原理图如图4所示。图4 振动扫描检测原理简图1997年，李继祥提出了火炮身管自动定心装置的机械机构原理。该装置由装在本体上的滑动体，在压簧轴向力作用下，推压固定在本体上的定位体，使得定位体上的各弹性元件径向涨开，从而实现以内孔表面为其定位基准、自动定心与支撑火炮身管内部测量装置的目。利用该定心装置设计的火炮身管内径测量仪如

19、图5所示。图5 火炮身管内径测量仪2000年，李晏、何珊等针对细长管内径测量难以定心问题，采用了均布的三点定心。该方法通过曲柄驱动定位杆做往复运动（如图6 a）、做往复摆动（如图6 b），即可适应不同直径工件的自动定心。定位杆的末端，可以安装滚子等，使工件能定心滚动。图6 两种典型定心机构2002年，长春理工大学白素平、王也等 马宏,白素平,王也.火炮膛线尺寸光电检测技术研究J.长春理工大学学报,2002(02):35-36.人提出了一种应用数显光栅传感器和计算机数据处理技术 Forbes A B. Least squares best fit geometric elementsM/ Al

20、gorithms for Approximation II.Springer US, 1990:311-319.来检测火炮身管内膛尺寸的方法。该方法由炮膛爬行器1带动膛线 常精丰.火炮身管内膛表面自动检测方法研究D.沈阳理工大学,2021.DOI:10.27323/ki.gsgyc.2021.000348.尺寸侧头在火炮身管内移动，测头壳体2内的数显光栅尺3的触头同膛线接触，将膛线尺寸信息转变为电信号，由电缆5送入数显表6和计算机7显示与处理。其膛线内径的重复性误差小于0.006 mm。该检测设备具有实时显示、直观性强、精度较高、可靠性高等特点，可实现炮管内径的半自动检测，膛线尺寸检测原理图如

21、图7所示。图7 膛线尺寸检测原理2004年，奥地利AVL公司针对不同口径范围的身管难以满足自动定心问题，设计了B283型号测经仪。该仪器测杆前后各有一个带3个鼓状小轮的弹性支撑结构，测量时6个小轮同时滚动挤压内膛表面，以确保测杆轴线与身管轴线一致。由于其行程较短不能达到测量要求，不适合螺杆钻具 韩传军，邱亚玲，刘清友，等.螺杆钻具等壁厚衬套的设计及仿真分析J .钻采工艺,2007 ,30(6):8890.定子内轮廓测量使用。系统精度可达50 m。其结构如图8所示。图8 B283型号测经仪器2006年，朱建杰设计出了一种细长管内轮廓尺寸测量系统。环形激光发生器发出环形光束照射到扩束锥镜上，经反射

22、投射到细长管内轮廓上，在被测表面产生漫反射后再由CCD传感器感测就可以得到原始环形光斑图像。环形激光成像原理如图9所示。图9 细长管内轮廓尺寸测量系统工作示意图2008年10月，Benoit Benoit LEPAGE,Dave KATZ ,Simon LA BBE.National standard of Canada, Advanced Manual For: Eddy Current Test Method,CAN/CGSB-48.14-M86, Canadian General Standard Board, p.41.针对管状零件内径磨损检测困难，提出了涡流阵技术，通过通电线圈产生涡

23、流、两套定心轮进行定位来实现深管内径的测量。涡流阵列内径测量仪如图10所示。图10 涡流阵列内径侧侧测量仪2010年3月，李宝章、谷进军 李保章,谷进军.火炮炮管内膛窥视与测径系统开发J.传感器与微系统,2010,29(06):92-94.DOI:10.13873/j.1000-97872010.06.005.为了解决炮膛线的磨损有效检测问题，研究了炮管内膛窥视与测径系统。该系统采用微型针孔高清防抖摄像机、微米级微位移传感器、毫米级拉线位移传感器，分别采集、存储、处理炮膛表面烧蚀状况、炮膛磨损量（径向位移），实时检测位置（检测位置与炮口距离）等物理量。实际测量结果表明：该系统内膛窥视图像清晰，

24、内径测量精度为0.1 m。2010年8月，冷惠文提出了复杂火炮身管截面轮廓测量系统 Zhang Guangjun, He Junj, Li Xiuzhi.lmage processing of circlestructured light for inner surface vision inspec tionJ Opto-Electronic Engineering, 2006, 33 (2) :102-106.- Hermann,Watzig, and, et al. Inner surface properties of capillaries for electrophoresisJ.

25、Trac Trends in Analytical Chemistry, 2003:588-604.。该系统由激光器心点L发出环形光束照到扩束锥镜上，经反射面PP1反射后投射到火炮身管内表面上的点K处，在点K产生漫反射，漫反射光线照到成像锥镜上，经反射面G1G反射后由CCD成像，C点为CCD相机镜头光学中心，在CCD的感光面上形成光敏点K即可完成火炮身管内膛线的图像。复杂内表面截面轮廓测量系统结构简图如图11所示。图11 测量系统结构图2012年6月，军械工程学院研制了伞状光栅测径仪 郑立评,祁春阳,甘霖,李涛,刘广生.火炮身管测径仪伞状定心结构设计J.火力与指挥控制,2012,37(12):

26、145-147.。该装置由双伞弹性定心结构、窥膛传感器、测径传感器、测试连接杆组、轴向定位机构等组成。通过炮尾伸进测径装置，轴向定位至各型火炮身管理论最大磨损处，依次按“米”字型转动测杆手柄，计算机检测系统界面则会显示出内径磨损数值。如图12所示图12 身管内堂检测装置2012年12月，邢书剑针对内径测量自动定心问题，提出了双椎体主轴同步定心的方法。该方法主要包括行走机构、自动定心机构和扫描机构3个组成部分。通过行走电机驱动测量系统在被测轴孔内自由移动到目标位置后，定心驱动电机实现测量系统自动定心，构建测量基准轴线，然后由扫描驱动电机带动同步扫描连接机构绕测量基准轴线旋转，利用前后2个激光位移

27、传感器对截面1、2同时进行整周扫描测量，再对采样点进行数据拟合，即可同时得到2个截面的内径等尺寸信息。该装置内径测量和定心机构如图13、图14所示。图13 内径测量系统示意图图14 内径测量系统的自动定心结构示意图2017年，郑立评，祁春阳，等人针对同口径的火炮身管自动动心，提出了伞状定心结构测量仪器，该仪器由伞状定心机构和测量机构组成。总体结构图如图15所示。图15 新型伞状测径仪结构图2017年，英纪名提出了一种检测细长钢管内径的光电检测装置 马宏,宋路车,英纪明.钢管内径光电检测装置J.半导体光电,1996(03):65-70.DOI:10.16818/j.issn1001-5868.1

28、996.03.013.。该装置利用线阵CCD作传感器，采用8031单片机作为主控制。通过牵引车带动光电测头在被测件内移动，以此保证两个测头连线在钢管的内圆柱面中心线上。如图16检测装置结构简图。图16 检测装置结构简图2017年，高金锴等人，提出了火炮身管内径测量的探测器辅助定位机构。该机构采用三个支撑摩擦轮来辅助测头实现炮管内径测量的定位工作的。辅助定位机构如图17所示。图17 测头辅助定位机构原理图2018年7月，于杨 于杨,郑立评,胡备,朱建杰.火炮身管内径激光测量系统设计J.火炮发射与控制学报,2019,40(04):81-84.DOI:10.19323/j.issn.1673-652

29、4.2019.04.017.等人针对火炮身管内径磨损量测量存在测试效率低、测试精度差等问题，利用激光位移传感器、步进电机和MSP430单片机，设计了一套无需定心装置的火炮身管内径测量系统。该装置的推进通过人工推拉推进杆实现。卡锁装置固定在炮口断面，用于锁定推进杆，示读测量位置在炮身中轴向距离，以实现对身管内部全长度检测。2019年3月，胡备 胡备,郑立评,徐润东.一种火炮身管内径测量算法的优化方法J.火炮发射与控制学报,2020,v.41;No.158(02):73-76+86.DOI:10.19323/j.issn.1673-6524.2020.02.015.等人提出了一种基于激光位移传感器

30、测量火炮身管内径的测试系统。该装置通过控制步进电机带动激光位移传感器进行测量并绘制出身管内径实际轮廓和标准圆，以此作为判别身管内壁磨损情况的依据。步进电机带动悬臂上的激光位移传感器进行转动，步进电机转动一周就完成了对火炮内轮廓进行描绘。测量系统原理图如图18所示。图18 测量系统原理图2021年，王磊、常精丰、张嘉易等 王磊,常精丰,张嘉易,郝永平.基于激光与视觉复合的火炮膛线检测方法J.兵器装备工程学报,2021,42(07):222-227.人提出了一种激光与视觉复合的火炮内膛膛线检测方法。该方法采用激光位移传感器对火炮膛线直径进行定量检测，获取火炮膛线截面位移数据后通过RANSAC算法排

31、除火炮阴阳线交错处与内膛表面弊病所产生的异点，对得到的阴线、阳线数据进行拟合与优化，计算出膛线直径。如图19、图20所示为膛线直径检测原理示意图和爬行机器人样图。图19 膛线直径检测原理示意图图20 爬行机器人样图2021年6月，中北大学张强等人 张强. 基于激光三角法的火炮身管内径自动测量系统设计D.中北大学,2021.DOI:10.27470/ki.ghbgc.2021.000691.提出了基于激光三角法 Li XQ, Wang Z, FuL H. A Fast and in- Situ Measuring Method Using Laser Triangulation Sensors

32、for the P ar ameters of the Connecting RodJ. Sensors, 2016, 16(10):1679.的火炮身管内径测量系统。该系统由步进电机旋转带动激光传感器转动，实现对身管内壁360度测量。测量结构示意图如图21所示。图21 测量结构示意图1.2.3 螺杆钻具定子内轮廓测量现状当前国内对于火炮膛线的测量在理论上研究较多，有较多的应用和产品。由于火炮的膛线细且螺距较小，而螺杆钻具定子内轮廓的螺纹较粗且螺距较大，因此对于火炮内膛线的测量仪器无法适用于螺杆钻具定子内轮廓的测量，但是定心机构的设计原则不变。国内暂时还没有螺杆钻具定子内轮廓的测量相关理论研究

33、。螺杆钻具自1955年诞生以来，美国Smith internation Incs已在多国钻井工业中得到应用 曾义金，刘建立.深井超深井钻井技术现状和发展趋势J.石油钻探技.术,2005,33(5):15.。经过几十年的发展，形成了成熟的钻井工艺，一方面在定向井、大斜度井、水平井、多分支井和大位移井等复杂井眼施工中发挥重要作用，另一方面在常规钻井中显著提高机械钻速，实现钻井提速，节约生产成本 李萌,于兴胜,罗西超,黄衍福,刘凤,王宇鹏.螺杆钻具的前沿技术J.石油机械,2011,39(09):19-22+46.DOI:10.16082/ki.issn.1001-4578.2011.09.007.。

34、随着油气田开发的不断进步，及深孔瓦斯矿井规模的不断扩大，一批高效能、低成本的钻井新装备得到了迅猛发展。这使得螺杆钻具在油、气、煤炭钻采行业有了非常广泛的应用前景，螺杆钻具作为油气钻采行业使用最为广泛的一种井下动力工具，是当前国内、外钻进技术中应用最为广泛的钻井器具之一，因此其性能直接决定着现场钻井作业的生产效率。但是目前螺杆钻具 朱杰,李涛,于广海,程贵华,骆亚敏,焦晓龙,王华建. 一种带有工程参数测量装置的螺杆钻具P. 山东省：CN212337170U,2021-01-12.的使用带有较大的盲目性，主要是对螺杆钻具的动力部件螺杆螺杆钻具定子的使用条件不够了解，对螺杆钻具定子内轮廓测量的相关研

35、究不够充分。如图22为螺杆钻具的结构简图和马达结构图。因此对螺杆钻具定子内轮廓测量的研究具有重要的理论与实际意义。图22 螺杆钻具的结构简图美国Qi2公司针对螺杆钻具定子内轮廓测量研发的LOTISQC-40测量仪器，该仪器对螺杆钻具定子内轮廓提供了高精度的横截面尺寸轮廓的测量。LOTISQC-40测量仪器能够有效地测量螺杆钻具定子内径的复杂几何形状。操作员通过将激光探头及测量仪器插入螺杆钻具定子中并用膨胀的定心靴锁定其位置来进行某一截面的测量。一旦锁定，它只是一个旋转探头的过程。激光头收集测量数据，并通过系统软件即时处理。收集到的数据显示在用户直观的控制台上，以数值形式为操作员提供关于测量的即

36、时视觉反馈，并以图形显示螺杆钻具定子的几何形状。测量系统图如图23所示。图23 测量系统图1.2.4 总结虽然国内外学者在细长管内轮廓测量方面做出了较多的研究工作，但是对于螺杆钻具定子内轮廓的测量，尤其是在国内，到目前为止尚未有理论研究和产品设备。典型的测量仪器对比如表1所示。表1 部分典型测量仪器对比细长管内轮廓测量系统定心机构结构测量精度传感器优点不足涡流阵技术8个周向均布滚轮支撑0.03 mm涡流电流阵列精度较高接触面积小伞状光栅测径仪双伞弹性定心结构0.02 mm窥膛传感器满足阿贝原则精度较高接触面积小伞状定心结构测量仪双伞定心结构0.1 mm光栅测量测量仪器两头有锥孔，便于延长接触面

37、积小美国Qi2公司3个周向均布支撑杆0.05 mm激光位移传感器满足阿贝原则接触面积大接触面积大针对定心机构定心时其支撑杆与螺杆钻具定子内轮廓接触位置悬空的问题，研究了增大接触面积的方法。在调研火炮身管内膛线检测技术的基础上，发现火炮身管内膛线比螺杆钻具定子缠线细，螺距小。在研究中发现，当满足定心机构支撑杆长2倍的螺距时，就可以实现螺杆钻具定子定心机构的精确定心。单点支撑（接触面积小）如图24与多点支撑（接触面积大）对比如图25所示。图24 单点支撑（接触面积小）图25 多点支撑（接触面积大）1.3 研究课题的实践应用价值1.3.1 螺杆钻具定子内轮廓检测技术的应用价值螺杆钻具定子内径测量技术

38、在螺杆钻具生产制造过程中起着至关重要的作用 何鲲. 大口径长管内孔的直线度、圆度测量研究D.合肥工业大学,2004.。几何精度测量项目主要包括定子内径、内轮廓、圆度、直线度及圆柱度等。近几十年来，螺杆钻具定子内轮廓的机械加工精度作为工业技术快速发展的内在需求也在急剧提升。螺杆钻具定子内轮廓表面加工质量成为工业设备精度的主要因素，其检测要求也越来越高。因此，针螺杆钻具定子内轮廓的高精度测量对于提升工件轮内廓表面加工质量具有重要意义，对提升我国先进制造能力及国民经济发展具有极大的推动作用。随着工业的发展，一方面使用普通的测量方法满足不了在全长上测量螺杆钻具定子内轮廓的测量需求。另一方面，立式或卧式

39、的测量机对长达几米到几十米的螺杆钻具全长测量在空间上更难以满足如今制造业对检测的要求。与之相比，可插入式测量仪器可以直接插入螺杆钻具定子内孔的待测位置，可以在全长多个截面进行测量。近年来，螺杆钻具伴随着工业加工的不断发展，并广泛应用于工业制造、深井钻井等行业，因而在测量应用领域越来越受人关注。为了弥补目前市场上对螺杆钻具定子内轮廓检测仪器的不足，有必要利用定心机构结合激光位移传感技术对螺杆钻具定子内径测量进一步探究。长期以来，螺杆钻具定子内径测量加工检测一直作为先进制造业中的主要组成部分，但是目前国内这项技术的研究还不成熟Error! Bookmark not defined.，暂时没有产品化

40、的设备。在螺杆钻具定子内径测量加工过程中，基于定心机构结合激光位移传感技术的螺杆钻具定子内径测量测量技术的深入研究能够快速提高实际生产检测效率，从而有效促进产品加工精度及实现螺杆钻具定子内径测量寿命的预估。因此，提出这种定心机构和激光位移传感技术的测量结构和原理，为机械加工行业所大量需要的螺杆钻具定子内轮廓测量的自动定心机构提供了一种新的选择 齐寰宇. 基于机器视觉的大口径火炮身管指向测量技术研究D.石家庄铁道大学,2021.。该课题螺杆钻具定子内轮廓的测量采用的机械式定心机构与激光位移传感器相结合的螺杆钻具定子内轮廓测量技术具有非常广阔的应用前景，具体主要体现在以下几方面：(1) 实现对螺杆

41、钻具定子内孔的自动定心以达到精确测量在螺杆钻具定子内轮廓测量中，自动定心机构的设计直接影响着测量结果的精度41。(2) 在螺杆钻具定子生产制造中实现产品质量检测在螺杆钻具定子的加工制造过程中 郑华林,郭高垒,马建禄.新型等壁厚螺杆钻具定子结构设计及力学分析J.石油矿场机械,2011,40(08):74-77.- 陈涛. 深腔多台阶孔精密加工技术D.大连理工大学,2013.，其内轮廓测量能够大幅度地提高产品的质量和可靠性，保证了生产的速度。如勘探与生产使用的螺杆钻具定子内轮廓的检测技术有力的保障了产品的质量和零件的可靠性。(3) 实现磨损、锈斑、零件缺陷检测螺杆钻具定子寿命是其保持钻井能力的重要

42、性能特点。螺杆钻具定子内径通常面临较严峻的磨损、振动和热环境，因此其内壁容易发生裂纹等缺陷，这些因素是螺杆钻具定子寿命最重要的评价标准之一。而螺杆钻具定子内轮廓测量技术对螺杆钻具的寿命预估所需要的评价参数和故障诊断有着十分重要的意义 朱烨. 细长管内径测量内表面三维综合测量技术的研究D.中国科学技术大学,2018.。2.研究内容及拟解决的工程实践问题2.1 研究课题的主要内容本文主要研究内容预计分为以下几个方面：(1) 测量系统的总体方案在全面考察国内外螺杆钻具定子内轮廓测量技术发展历程的基础上，提出螺杆钻具定子内轮廓测量系统的总体设计方案。(2) 研究螺杆钻具定子测量系统定心机构的设计通过换

43、径调节环初次调节弹簧的预紧力；定心机构在细长管内进行力的分析，主要是通过弹簧的预紧力使支撑杆与螺杆钻具定子内轮廓有可靠的接触；优化定心机构的结构；定心机构的详细设计。(3) 传感器部分传感器的周向测量通过其支架的旋转实现；测量精度达到0.05 mm，径向位移30 mm，据此对传感器选型，拟采用激光位移传感器；采用编码器控制传感器采样。(4) 实验部分螺杆钻定子内轮廓测量系统对螺杆钻具定子内轮廓进行实验测量，并对测量结果进行分析。2.2 研究课题拟解决的工程实践问题根据前期的调研分析，目前的研究工作拟解决以下工程实践问题：(1) 在螺杆钻具定子生产制造中实现产品质量检测。(2) 实现磨损、锈斑、

44、零件缺陷检测，为螺杆钻具定子寿命预估提供评估参数。3.研究方案（技术路线、研究方法、实验手段等）3.1技术路线首先通过阅读国内外有关细长管内轮廓测量的典型测量机构火炮身管膛线检测的相关文献，了解国内外螺杆钻具定子内轮廓测量的发展现状，其次，分析总结国内外火炮身管内膛线检测系统的优缺点，在此基础上提出螺杆钻具定子内轮廓测量系统的总体设计方案。根据总体设计方案，研究定心机构的结构设计、力学分析、定心机构的结构参数优化及自动定心机构的详细设计。最后，通过实验进行螺杆钻具定子内轮廓测量，对实验结果进行分析。结合实际设计了整个课题的技术路线，使得课题研究有序可循。技术路线如图26所示。图26 研究课题的

45、技术路线3.2研究方法螺杆钻具定子内轮廓测量系统的研究与设计采用文献综合研究法，通过查阅细长管内轮廓测量相关文献，以火炮身管内膛线的检测系统作为细长管内轮廓测量系统的典型对螺杆钻具定子内轮廓测量系统的关键结构定心机构的研究与设计进行文章的构思。在定心机构力学分析和结构参数优化的理论基础上展开论述。3.2.1 系统总体设计与测量方法系统的总体设计与测量方案如图27所示。该系统主要由激光位移传感器、中心轴、支撑杆、支撑臂、弹簧、调节环和手柄组成。在测量螺杆钻具定子内轮廓的过程中，将测量系统进行换径调节后手动插入螺杆钻具定子内孔某一待测位置，手柄只带动激光位移传感器周向旋转。编码器控制激光位移传感器

46、每旋转一个角度进行一次采样，手柄旋转一周后采集到的数据就是当前截面的测量数据，以此完成测量。图27 螺杆钻具定子内轮廓测量系统示意图3.2.2 系统自动定心机构设计方法螺杆钻具定子内轮廓测量系统的关键是自动定心机构的结构设计，尤其是对与常用螺杆钻具定子不同内径（直径100200 mm）的定心。螺杆钻具定子如图28所示。1）定心机构的设计原则定心机构的设计原则是不论身管内径如何变化，定心机构都能保证测量装置的轴线与身管的轴线保持重合，进而保证测点与内堂直径重合。在理想状态下，可以采用与螺杆钻具定子内径相同直径的的圆柱体作为定心装置，但是圆柱体与螺杆钻具定子内径之间有间隙，会造成定心装置与螺杆钻具定子内径的轴线不可能重合；随着螺杆钻具定子内径的磨损，定心装置的轴线与身管的轴线偏差会越来越大；针对不同内径的螺杆钻具定子必须设计不同的定心装置。为此，设计了三组“平行四边形同步”定心装置模拟圆柱体，通过调节换径调节环能够同时适应不同口径的螺杆钻具定子，解决了以上提出的3个问题。如图29所示。2）定心机构工作原理先根据待测内径大小调节好换径调节环并锁定，然后插入螺杆钻具定子内径中，弹簧预紧力会根据内径大小自动以合适的摩擦力使支撑