基于逆向工程的石油鉆頭的研究與開發

【摘要】石油鉆頭是一種形狀較復雜的孔加工工具，特別是一些國外鉆頭，其參數不易獲取，而且鉆頭有復雜的刃溝和不同形狀的后刀面，因此，在設計和制造時，都具有一定的復雜性。利用ATOS光學測量技術對鉆頭掃描和用逆向工程軟件Imageware對鉆頭的點云數據進行處理，之后利用三維軟件UGNX進行三維造型的設計?？梢钥s短鉆頭改型和制造周期，因而在降低成本的同時減少風險、提高質量，增強了企業競爭力。

【關鍵詞】石油鉆頭；逆向工程；三維設計

一、引言

鉆頭對于石油開采進度有著至關重要的作用，鉆頭損壞是鉆井過程中產生惡性事故的主要原因之一。傳統的分析設計方法不好解決鉆頭的數據參數問題，因此提高鉆頭設計的關鍵是在應用恰當的方法建立模型，從而為鉆頭的設計提供可靠的理論依據以解決目前鉆井工程中的關鍵技術問題。

探索數字化設計石油鉆頭的方法，通過逆向工程技術，以石油PDC鉆頭外形的測量規劃、數據處理為主，結合實際針對性地對鉆頭產品進行設計開發，能使企業對現代市場產品的多樣性、復雜性、經濟性等做出迅速反應，進一步縮短鉆頭改型和制造周期，使石油PDC鉆頭產品的研發規范、科學化。

二、石油鉆頭的逆向工程研究

逆向工程是根據已有實物模型的坐標測量數據，重新建立實物的數字化模型，進行分析、修改快速原型制造和數控加工等。

Imageware是由美國EDS公司出品的逆向工程軟件，Imageware軟件具有點云數據處理能力，該軟件在讀取點云等數據時，系統工作速度較快，并且能較容易地進行點線的擬合。但通過Imageware進行面的擬合時，軟件所提供的工具及面的質量卻不如其它的CAD軟件如Pro/E、UG等。很多時候，在Imageware里做成的面，還需到UG等軟件中修改。但是，使用Pro/E、UG等軟件讀取點云數據時，卻會造成數據龐大的問題。所以在具體設計中，采用幾套軟件取長補短。文中石油鉆頭的設計采用Imageware與UG兩套軟件配套使用的方法，下面將對逆向工程具體實施過程加以介紹。

三、石油鉆頭的逆向設計

（一）石油鉆頭的數據采集

1.采集數據的設備

在逆向工程中，數據測量是極為關鍵的一步，文中使用的掃描儀是由德國GOM公司生產的ATOS光學掃描儀，由測量頭、三角架、控制器、TRITOP數碼相機系統和相應的計算機軟硬件系統組成。其測量簡單、速度快、數據信息完備，可輸出的多種數據格式：ASCII（＊.asc）、CLI（＊.cli）、DXF以及二進制 （Binary）形式的STL（＊.stl）等。測量精度0.1mm/0.5m，掃描方式:光柵原理及GPS定位原理。ATOS掃描儀在測量時，可隨意圍繞被測物體移動，利用十一幅不同寬度的光柵反射信息，再經數據影像處理系統計算處理得到實物表面點數據。整個逆向系統由測量、數據處理、CAD建模三大部分組成，具體平臺是：ATOS光學測量系統、Imageware、UG軟件。如圖1-2所示。

2.掃描前的準備

首先對產品進行剖析，確定產品結構的主要特征、合理的建模順序和設計的整體思路，其次作一些前期的準備工作，如貼參考點、物體表面噴涂顯像粉、儀器和軟件的校準等。根據鉆頭的顏色，在鉆頭表面噴涂顯像劑、貼參考點。根據所使用的掃描鏡頭類型和鉆頭實物形狀大小來減少參考點的類型以及疏密程度。鉆頭表面的噴粉是否均勻直接影響掃描的進度和點云的質量，進行儀器和軟件的校準直接決定點云數據的精度。

3.鉆頭的掃描過程

根據鉆頭的形狀進行多角度不同方位的掃描，由于鉆頭的形狀較復雜，把鉆頭分成上下兩部分掃描，分別得到兩個點云文件，然后在掃描儀軟件中通過兩個點云數據的公共參考點把兩個點云文件拼合為一個文件。通過公共場所參考點自動把掃描得到的每幅照片進行拼合，最終完成整個鉆頭外形的掃描。如圖1-3所示。

(二)數據預處理技術

掃描完成后，通過ATOS掃描軟件對點云進行對齊、三角化、光順和稀化等后得到鉆頭的點云文件，這時可以輸出STL文件，以便Imageware軟件對點云進行后序處理。在此過程中一般包括以下幾項工作：

1. 刪除散亂點云噪聲數據

掃描獲取的點云包括許多噪聲（產生測量誤差數據點）。將點云放大、變換各種角度以方便看到整個三維空間內的噪聲，然后針對各個噪聲點采用軟件中的“刪除”功能進行刪除。

2. 光順處理

數據光順（即曲面上各點的曲率是連續變化的）通常采用最小二乘法、能量法和小波分析方法等實現。

3. 點云的精簡

通常采集點的數量都很大，單幅照片掃描點數最大可達到400000個點。這就需要在曲面重構之前進行精簡處理，以提高運算速度。如圖1-4為掃描精簡后鉆頭點云圖。

采用Imageware對點云進行處理：鉆頭在工作時就是依靠各個不同齒位的金剛石齒去工作，如果嚴格按照鉆頭的齒位進行擬合，則這些齒位就可以保證金剛石齒的磨損量最小、工作壽命最長，因而齒孔中心線的提取是整個逆向過程最為重要的環節，直接決定了鉆頭的使用壽命。用Imageware軟件處理點云數據的一般過程是:擬合2～3個基準面，然后用這些基準面把整個點云對齊，對齊之后再進行其它處理就可得到鉆頭外形的特征曲線和特征曲面。如圖1-5為鉆頭的特征點、線及邊界線圖。

(三) 數據分割技術

對鉆頭點云按照所劃分的曲面類型進行分割，并且把這些二次曲面擬合構造出平面、圓柱面。在擬合前把齒孔的點云分割為圓柱面和球面兩部分，然后再擬合齒孔的圓柱面和球面，擬合完之后把圓柱的中心線和球面的圓心連接起來就可以得到齒孔的中心線。之后利用Imageware中提供的直線功能，把球面的中心與圓柱面的中心線連接起來作為齒孔的中心線。當把所有在UGNX中造型要用到的特征提取完之后，結束在Imageware中的逆向工程。

四、石油鉆頭的三維設計與開發

UGNX 實體建模模塊將基于約束的特征造型功能和顯式的直接幾何造型功能無縫地集成一體，提供了業界最強大的復合建模功能，該模塊還提供了用于快速有效地進行概念設計的變量化草圖工具、尺寸驅動編輯和用于一般建模和編輯的工具，使用戶既可以進行參數化建模又可以方便地用非參數方法生成二維、三維線框模型等，可以方便地生成復雜機械零件的實體模型。

在UGNX中直接輸入Imageware中得到的IMW格式的文件，把在Imageware中擬合好的特征曲線、曲面導入到了UGNX中，把輸入的曲線、曲面作為參照基準進行造型。使用UGNX的特征造型和曲面造型功能，完成鉆頭的三維造型。如圖1-6為在軟件中去完成的三維鉆頭模型。

鉆頭的三維造型完成后，可把UGNX軟件重構的三維模型文件轉換成STL格式的文件輸入到Imageware軟件中進行誤差分析，對比分析三維模型和掃描的點云之間的偏差，如果偏差過大，重新到UG NX中對三維模型進行修改，直到達到滿意的結果。

五、小結

通過基于逆向工程石油鉆頭開發的方法、石油鉆頭的具體實踐中系統的構成、產品設計過程中的具體步驟介紹，及最終完成石油鉆頭復雜曲面的三維幾何模型逆向設計的研究，能為后續的分析、NC加工等奠定基礎，這樣就省略了80%的中間過程，對鉆頭性能指標起到極大的促進作用，極大地縮短產品的開發周期，使石油PDC鉆頭的針對性設計成功率大幅提高。

參考文獻

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