基于逆向工程的石油钻头的研究与开发 -全讯官网

　　探索数字化设计石油钻头的方法,通过逆向工程技术，以石油pdc钻头外形的测量规划、数据处理为主，结合实际针对性地对钻头产品进行设计开发，能使企业对现代市场产品的多样性、复杂性、经济性等做出迅速反应，进一步缩短钻头改型和制造周期，使石油pdc钻头产品的研发规范、科学化。

钻头对于石油开采进度有着至关重要的作用，钻头损坏是钻井过程中产生恶性事故的主要原因之一。传统的分析设计方法不好解决钻头的数据参数问题，因此提高钻头设计的关键是在应用恰当的方法建立模型，从而为钻头的设计提供可靠的理论依据以解决目前钻井工程中的关键技术问题。

　　二、石油钻头的逆向工程研究

　　逆向工程是根据已有实物模型的坐标测量数据，重新建立实物的数字化模型，进行分析、修改快速原型制造和数控加工等。

　　imageware是由美国eds公司出品的逆向工程软件，imageware软件具有点云数据处理能力，该软件在读取点云等数据时，系统工作速度较快，并且能较容易地进行点线的拟合。但通过imageware进行面的拟合时，软件所提供的工具及面的质量却不如其它的cad软件如pro/e、ug等。很多时候，在imageware里做成的面，还需到ug等软件中修改。但是，使用pro/e、ug等软件读取点云数据时，却会造成数据庞大的问题。所以在具体设计中，采用几套软件取长补短。文中石油钻头的设计采用imageware与ug两套软件配套使用的方法，下面将对逆向工程具体实施过程加以介绍。

　　三、石油钻头的逆向设计

　　（一）石油钻头的数据采集

　　1.采集数据的设备

　　在逆向工程中，数据测量是极为关键的一步，文中使用的扫描仪是由德国gom公司生产的atos光学扫描仪,由测量头、三角架、控制器、tritop数码相机系统和相应的计算机软硬件系统组成。其测量简单、速度快、数据信息完备，可输出的多种数据格式：ascii（＊.asc）、cli（＊.cli）、dxf以及二进制 （binary）形式的stl（＊.stl）等。测量精度0.1mm/0.5m,扫描方式:光栅原理及gps定位原理。atos扫描仪在测量时,可随意围绕被测物体移动,利用十一幅不同宽度的光栅反射信息,再经数据影像处理系统计算处理得到实物表面点数据。整个逆向系统由测量、数据处理、cad建模三大部分组成，具体平台是：atos光学测量系统、imageware、ug软件。如图1-2所示。

　　2.扫描前的准备

　　首先对产品进行剖析，确定产品结构的主要特征、合理的建模顺序和设计的整体思路，其次作一些前期的准备工作,如贴参考点、物体表面喷涂显像粉、仪器和软件的校准等。根据钻头的颜色，在钻头表面喷涂显像剂、贴参考点。根据所使用的扫描镜头类型和钻头实物形状大小来减少参考点的类型以及疏密程度。钻头表面的喷粉是否均匀直接影响扫描的进度和点云的质量，进行仪器和软件的校准直接决定点云数据的精度。

　　3.钻头的扫描过程

　　根据钻头的形状进行多角度不同方位的扫描，由于钻头的形状较复杂,把钻头分成上下两部分扫描,分别得到两个点云文件,然后在扫描仪软件中通过两个点云数据的公共参考点把两个点云文件拼合为一个文件。通过公共场所参考点自动把扫描得到的每幅照片进行拼合,最终完成整个钻头外形的扫描。如图1-3所示。

　　(二)数据预处理技术

　　扫描完成后，通过atos扫描软件对点云进行对齐、三角化、光顺和稀化等后得到钻头的点云文件,这时可以输出stl文件,以便imageware软件对点云进行后序处理。在此过程中一般包括以下几项工作：

　　1. 删除散乱点云噪声数据

　　扫描获取的点云包括许多噪声（产生测量误差数据点）。将点云放大、变换各种角度以方便看到整个三维空间内的噪声，然后针对各个噪声点采用软件中的“删除”功能进行删除。

　　2. 光顺处理

　　数据光顺（即曲面上各点的曲率是连续变化的）通常采用最小二乘法、能量法和小波分析方法等实现。

　　3. 点云的精简

　　通常采集点的数量都很大，单幅照片扫描点数最大可达到400000个点。这就需要在曲面重构之前进行精简处理，以提高运算速度。如图1-4为扫描精简后钻头点云图。

　　采用imageware对点云进行处理：钻头在工作时就是依靠各个不同齿位的金刚石齿去工作,如果严格按照钻头的齿位进行拟合,则这些齿位就可以保证金刚石齿的磨损量最小、工作寿命最长,因而齿孔中心线的提取是整个逆向过程最为重要的环节,直接决定了钻头的使用寿命。用imageware软件处理点云数据的一般过程是:拟合2～3个基准面,然后用这些基准面把整个点云对齐,对齐之后再进行其它处理就可得到钻头外形的特征曲线和特征曲面。如图1-5为钻头的特征点、线及边界线图。

　　 (三) 数据分割技术

　　对钻头点云按照所划分的曲面类型进行分割,并且把这些二次曲面拟合构造出平面、圆柱面。在拟合前把齿孔的点云分割为圆柱面和球面两部分,然后再拟合齿孔的圆柱面和球面,拟合完之后把圆柱的中心线和球面的圆心连接起来就可以得到齿孔的中心线。之后利用imageware中提供的直线功能,把球面的中心与圆柱面的中心线连接起来作为齿孔的中心线。当把所有在ugnx中造型要用到的特征提取完之后，结束在imageware中的逆向工程。

　　四、石油钻头的三维设计与开发

　　ugnx 实体建模模块将基于约束的特征造型功能和显式的直接几何造型功能无缝地集成一体，提供了业界最强大的复合建模功能，该模块还提供了用于快速有效地进行概念设计的变量化草图工具、尺寸驱动编辑和用于一般建模和编辑的工具，使用户既可以进行参数化建模又可以方便地用非参数方法生成二维、三维线框模型等，可以方便地生成复杂机械零件的实体模型。

　　钻头的三维造型完成后,可把ugnx软件重构的三维模型文件转换成stl格式的文件输入到imageware软件中进行误差分析，对比分析三维模型和扫描的点云之间的偏差,如果偏差过大,重新到ug nx中对三维模型进行修改,直到达到满意的结果。

　　五、小结

　　通过基于逆向工程石油钻头开发的方法、石油钻头的具体实践中系统的构成、产品设计过程中的具体步骤介绍，及最终完成石油钻头复杂曲面的三维几何模型逆向设计的研究，能为后续的分析、nc加工等奠定基础，这样就省略了80%的中间过程，对钻头性能指标起到极大的促进作用，极大地缩短产品的开发周期，使石油pdc钻头的针对性设计成功率大幅提高。