基于油管标识码的刻码和识别技术研究及设计

张 剑 牛爱梦 刘传镇

（1.胜利油田胜利自动化开发有限责任公司，东营 257100；2.东营市诚诺机械有限责任公司，东营 257100）

随着我国大多数油田企业都进入了中后期开发阶段，作为油水井生产的重要组成部分，油管的管理水平直接关系着油水井免修期长短和作业成本的高低[1]。油管缺乏必要的标记、识别技术，难以区分油管的新旧，导致许多油井常常因为个别超期服役的旧油管断脱造成生产事故。由于作业现场同一口井油管新旧混用，使用年限、疲劳程度和材质各不相同[2]。在相同的井内环境和受力作用下，往往使用年限长、疲劳程度高、材质差的油管容易出现问题[3]，形成“寿命短板”。因此，油管全生命周期管理至关重要。油管全生命周期管理的前提是给每一根油管赋予标识码，为每一根油管建立“户口”档案，以便对油管从入库、发放、入井、回收、修复直至报废进行全生命周期管理[4]。现有的标识码在油田井下作业恶劣环境中应用存在各种缺陷。本文将研究一种油管标识码方案可以在油田井下作业中使用，并配套设计相应的刻码设备和识别设备。

1 油管的标识码

1.1 油管标识码的设计原则

第一，不影响油管强度与质量，制作简单，容易清理和识别；第二，油管标识码附着在油管本体，抗震、抗磨、抗碰、抗腐以及抗遮覆；第三，包含信息量大，保证编码位数能够涵盖足够数量的油管。

1.2 油管标识码的设计方案

结合油管在油水井作业的实际情况，设计了以下油管标识码方案，如图1所示。

油管识别码刻录在距离接箍一端500 mm处，便于刻码设备的刻码操作。图1中，从左往右分别是起始位回字定位标识、26位数据位、结束位回字定位标识。26位数字位代表26位二进制数据，每一位的宽度为2 mm。当此位数据为1时，2 mm立铣刀走“Ⅰ”字铣削；当此位数据为0时，2 mm铣刀不进行铣削，铣削深度为0.3～0.5 mm。26位数据位从左往右，第1～3位代表油管生产厂家，第4～5位代表油管规格，第6位代表材质，第7位代表油管类别，第8～10位代表油管使用的油田管理区，第11～26位为数据累加位。在第1～10位信息确定后，第11～26位数据自动加1累加，这样每一根油管都可以有唯一的标识码，最多可以产生6700余万个不同标识码，足够用于各油田新入库油管的标识。

2 刻码装置

2.1 刻码装置的结构及工作原理

当油管进入刻码传输线，刻码装置的让位气缸伸出，同时定位气缸伸出，油管通过传输线经导向轮机构穿过工作台组件预留口与定位气缸挡盘接触，同时定位气缸电磁阀打到放气状态，油管通过定位气缸减速到零，同时油管接箍到铣刀位置固定，让位气缸收回。夹持机构Ⅰ、Ⅱ和传输线上的油管举升气缸同时伸出将油管举起，夹持机构Ⅰ、Ⅱ的上下夹具块将油管夹紧。同时，行程开关检测到油管被夹紧，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）发出脉冲信号控制X轴伺服电机，带动X轴直线模组滑台水平移动到铣刀距离油管接箍500 mm的位置。Y轴伺服电机带动Y轴直线模组滑台移动到铣刀位于油管轴向中心线上方。Z轴伺服电机切换成力矩模式带动铣刀往下，碰到油管后停止，此时完成油管标识码的刻码起点定位。Z轴伺服电机带动铣刀往下走设定的刻码深度，X轴伺服电机和Y轴伺服电机带动铣刀分别走相应距离，完成起始位回字刻码标识。Z轴伺服电机将铣刀抬起，Y轴伺服电机带动铣刀到达26位数据位区域。此时，如果第一位数据为1，那么Y轴伺服电机带动铣刀沿Y轴负向走 16 mm再往正向走16 mm；如果第一位数据为0，那么Y轴伺服电机不动作，X轴伺服电机带动铣刀沿X轴正向走2 mm进入第二位数据区，第二位数据刻码同第一位，往后依此类推直到第26位。当数据位完成刻码，重复起始位回字刻码过程完成结束位回字刻码。整个油管标识码刻码结束，夹持机构Ⅰ、Ⅱ和传输线上的油管举升气缸收回，油管落下，传输机将油管传出刻码装置。油管刻码装置三维结构如图2 所示。

2.2 刻码装置的主要技术参数

刻码装置的主要技术参数，如表1所示。

2.3 刻码装置主要零部件设计计算

刻码装置主要受力部件为Z轴伺服电机带动滚珠丝杠上滑台固定的主轴电机做铣削运动，其主要参数计算如下。

滚珠丝杠的轴向负载：

式中：F0为铣削所受轴向力，值为15.625×9.8 N；m为工作台主轴电机的总质量，约为15 kg；α为滚珠丝杠与水平面的夹角，这里滚珠丝杠垂直安装，夹角为90°；μ为滚珠丝杠的摩擦系数，查手册取0.05。将上述数值代入式（1），有F=300.125 N。

滚珠丝杠的负载转矩：

式中：TL为滚珠丝杠负载转矩；PB为滚珠丝杠导程间距，值为5 mm；μ0预紧帽摩擦系数，查手册值为0.3；F0为滚珠丝杠预负载F/3，值为100 N。将上述数值代入式（2），有TL≈0.324 N·m。

伺服电机输出转矩：

式中：TM为电机输出转矩；i为减速比，因伺服电机与滚珠丝杠通过联轴器连接，所以值为1；ηL为联轴器机械效率，值取0.85；取安全系数为2。将上述数值代入式（3），有TM=0.381 N·m。2TM为0.762 N·m， 所以伺服电机输出扭矩选择0.762 N·m以上。

滚珠丝杠的惯性惯量和负载的惯性惯量为：

将相关数值代入式（4）和式（5），有JB=0.102× 10-4kg·m2和JM=0.095×10-4kg·m2。

联轴器的惯性惯量查手册，有JC=0.096×10-4kg·m2。

于是，总负载惯性惯量为：

式中：JB为滚珠丝杠的惯性惯量；JM为负载的惯性惯量；JC为联轴器的惯性惯量；JL为总负载惯性惯量；ρ为丝杠材料密度，取值为7.9×103kg·m-3；L为丝杠行程，取值200 mm；P为一转滚珠丝杠移动的距离，取值为5 mm。

伺服电机的惯性惯量要大于3倍总负载惯性惯量，因此伺服电机的惯性惯量选择0.879×10-4kg·m2以上。

3 识别装置的设计

3.1 识别装置的结构及工作原理

给夹持旋转机构活塞筒内供气，气体在腔中推动活塞筒运动，活塞筒带动卡盘卡爪收紧，夹持油管接箍。导向举升机构Ⅰ、Ⅱ的三轴气缸、夹持旋转机构座上的顶升气缸和传输线上的举升气缸同时伸出，将夹持旋转机构和油管举起，油管头部被扶正轮夹持。伺服电机接收PLC的脉冲信号从原点运动到指定位置，使识别激光感测头的检测范围可以覆盖油管标识码。步进电机匀速转动，夹持旋转机构带动油管匀速转动，同时控制识别激光感测头通过柱面物镜将激光扩散为线激光后投射到油管表面形成漫反射，反射光通过感测头接收后在互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）上成像，再由控制器经后台算法形成3D图像。将油管标识码的样图注册到后台控制器，新识别的油管识别码3D图像与样图对比，起始位回字定位标识相似度超过70%可以确定起始位回字。起始回字定位后分别提取26位数据位区域的深度，深度值在0.1～0.5 mm范围的数值输出为1，深度值小于 0.1 mm的数值输出为0。识别完将数据通过通信协议上传上位机数据库，识别结束三轴气缸、顶升气缸和举升气缸同时落下，各气缸复位，油管退出识别设备。油管识别装置三维结构如图3所示。夹持旋转机构剖面示意图，如图4所示。

3.2 识别技术应用在油管标识码上的研究

目前主流的识别技术采用2D机器视觉图像传感器。由于2D视觉测量物体的对比度，意味着它特别依赖于光照、颜色及灰度变化，测量精度易受变量照明条件的影响[5]。新刻油管标识码对比度明显，2D机器视觉图像传感器可以准确识别。但是，油管工业识别码修井作业回收后，由于码和油管本体颜色对比度低且受环境光照的影响，识别难度较新刻油管的识别难度要大。采用3D识别激光传感器可直接测量油管标识码的刻深，不受油管颜色和环境光源的影响，相比2D机器视觉传感器各数据码位读取准确率更高。

4 结语

现场证明，本油管标识码安全可靠，以不影响油管结构强度质量为前提，制作简单、容易清理、容易识别，满足油管在高温、油污、磨损、震荡环境下使用的要求。三轴立铣运动控制刻码技术定位精准，精度达到0.1 mm可以准确完成油管标识码的刻录，刻码效率高，使用成本低。采用先进的3D识别技术配套识别装置可有效完成油管标识码立体图像采集，根据刻码深度判定数据位的有无，比2D识别技术准确率更高。在油管编码刻码的基础上，实现油管的“一管一码”管理，使每根油管有了唯一的身份识别码，通过油管分级分类管理系统建立油管统一的数据库，解决油管精细化管理的难题，具有降本减费、资源优化、管理创新的重大意义。