Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Vermessung eines Gewindes, insbesondere zur Vermessung eines Innengewindes an einem Muffenende eines Metallrohres oder an einer Muffe. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur optischen Vermessung eines Gewindes, insbesondere zur Vermessung eines Innengewindes an einem Muffenende eines Metallrohres oder in einer Muffe.

An Rohre, die für den Transport von unter Druck stehenden Fluiden dienen, wie beispielsweise Erdgas oder Erdöl, und die druckfest sowie gas- und flüssigkeitsdicht miteinander verschraubt werden, sind hohe Anforderungen an die Dichtigkeit zu stellen. Bei solchen OCTG Rohren als Futterrohre oder Steigrohre für Erdöl- oder Erdgas Explorationsbohrungen oder Erdgas oder Erdöl Förderleitungen finden üblicherweise konische Gewinde mit hinterschnittenen Gewindeflanken Anwendung. An die Gewinde schließt sich in der Regel stirnseitig des Rohres eine Dichtlippe an. Sowohl das Gewinde als auch die Dichtlippe müssen höchsten Präzisionsanforderungen genügen. Im Stand der Technik ist es grundsätzlich bekannt, die Gewinde zur Qualitätskontrolle der Rohre optisch zu vermessen.

Ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur optischen Vermessung des Außengewinde-Profils von Rohren ist beispielsweise aus der WO 2019/09371 A1 bekannt.

Aus der WO 2012/069154 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Inspektion des Außengewindes eines Ölfeldrohres bekannt, die einen auf einem Gestell geführten Sensor umfasst, wobei der Sensor auf einem mit Gewinde versehenen Träger angeordnet ist, dessen Gewinde entsprechend dem Gewinde des Rohres ausgebildet ist und der einen Teil des konischen Gewindes des zu inspizierenden Rohres einfasst. Der Sensor ist als konfokaler Sensor ausgebildet.

Aus der WO 2020/232041 A1 ist ebenfalls eine Vorrichtung zur Vermessung von Gewinden an Ölfeldrohren bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine Sensoreinheit, die dazu ausgebildet ist, einen Abstand zwischen dem Sensor und einem Teil des Gewindes des Metallrohres zu vermessen. Der Sensor bzw. die Sensoreinheit ist mit einer Vielzahl von Aktuatoren radial und axial bezüglich des Innengewindes des Metallrohres verstellbar, wobei eine Steuereinrichtung aus einer Vielzahl von Abstandsmessungen ein dreidimensionales Abbild des Innengewindes erzeugen kann. Die Sensoreinheit umfasst einen konfokalen chromatischen Sensor, der an einem Gestänge in das Metallrohr verbracht wird und dort mittels Tastrollen innerhalb des Metallrohres zentriert wird. Nach konzentrischer Ausrichtung der Führungsstange des Gestänges wird der Sensor innerhalb des Metallrohres sowohl translatorisch als auch rotatorisch verstellt, wobei das Gewinde abgetastet und mittels der so erhaltenen Messdaten ein dreidimensionales Abbild des Gewindes erzeugt wird.

Die aus der WO 2020/232041 A1 bekannte Anordnung ist nicht ohne weiteres für Rohre mit kleinem Innendurchmesser geeignet. Die taktile Zentrierung der Meßanordnung ist aufwendig und benötigt verhältnismäßig viel Bauraum. Das Sichtfeld des Sensors ist in einem vorgegebenen Winkel zur Längsachse des Metallrohres ausgerichtet und die Stange, an welcher der Sensor befestigt ist, ist mittels dreier verschiedener Aktuatoren betätigbar, wobei ein Aktuator für die Drehbewegung der Stange um ihre eigene Längsachse, ein Aktuator für eine Rotationsbewegung der Stange um die Längsachse des Metallrohres und ein Aktivator für eine Linearbewegung der Stange innerhalb des Metallrohres, d. h. parallel zur Längsachse des Metallrohres vorgesehen ist. Die Abtastung hinterschnittener und/oder konischer Gewinde ist mit dieser Anordnung schwierig. Es ist davon auszugehen, dass die vollständige Erfassung aller Abstandsinformationen zur Abbildung des Gewindes eine verhältnismäßig lange Meßzeit erfordert. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine optische Vermessung insbesondere hinterschnittener und/oder konischer Innengewinde an Muffen von Ölfeldrohren mit verhältnismäßig kurzer Meßzeit ermöglichen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Anordnung zur optischen Vermessung eines Gewindes an einem Ende eines Metallrohres, insbesondere zur Vermessung eines Innengewindes an einem Muffenende eines Metallrohres oder an einer Muffe bereitgestellt, umfassend wenigstens einen optischen Sensor, wenigstens ein weiteres optisches Element, das relativ zu dem optischen Sensor verstellbar ist und das mit einem bestimmten Abstand zu dem Sensor in einer optischen Achse auf einer optischen Bank angeordnet ist und zur optischen Abtastung des Innengewindes ausgebildet ist, sowie weiterhin umfassend Mittel zur Erfassung und/oder Speicherung und/oder Auswertung der von dem Sensor aufgenommenen Messdaten.

Durch die Kombination des Sensors mit wenigstens einem weiteren optischen Element lassen sich kleine Sensoren in abgewinkelter oder gerader Bauform verwenden. Besonders günstig ist es, wenn ein einziger Sensor in gerader Bauform vorgesehen ist, der beispielsweise in der optischen Achse des Systems ausgerichtet sein kann. Bei der Anordnung gemäß der Erfindung bilden der Sensor und das weitere optische Element ein System.

Bei einer vorteilhaften Variante der Anordnung gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die optische Bank und/oder das Gestell wenigstens linear in der Längsachse oder parallel zu einer Längsachse des Metallrohres verstellbar sind. Der Sensor kann beispielsweise als konfokaler Sensor, insbesondere als konfokaler chromatischer Sensor ausgebildet sein. Diese Sensoren sind klein. Durch die Kombination mit einem weiteren optischen Element kann dieser Sensor beispielsweise in gerader Bauform ausgebildet sein, wodurch die Anordnung kompakt wird und auch Innengewinde mit einem kleinen Innendurchmesser messbar sind.

Der Sensor kann beispielsweise als konfokaler Wegmesssensor ausgebildet sein. Bei einem konfokalen-chromatischen Messsystem wird weißes Licht über ein Linsensystem in seine Teil Wellenlängen derart zerlegt, dass jede Wellenlänge in einem anderen definierten Abstand fokussiert. Blaue Wellenzüge werden nahe am Sensor, rote weiter entfernt zum Sensor fokussiert. Das reflektierte Licht wird gesammelt und interferometrisch analysiert. Die Farbe höchster Intensität entspricht dabei dem jeweiligen Fokus und damit dem Abstand des Sensors zum Messpunkt. Durch die Erfassung einer Vielzahl von Punkten bzw. Abständen lässt sich in einfacher Art und Weise ein Gewindeprofil des zu vermessenden Gewindes erzeugen. Ein solches Gewindeprofil kann zweidimensional oder auch dreidimensional erfasst und dargestellt werden.

Bei einer vorteilhaften Variante der Anordnung gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass das optische Element einen um wenigstens eine Achse verstellbaren Spiegel umfasst.

Bei der Anordnung gemäß der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das optische Element wenigstens einen, vorzugsweise zwei Aktuatoren umfasst, mit denen der Spiegel jeweils um die eine oder andere Achse schwenkbar ist. Der Spiegel kann beispielsweise doppelt kardanisch aufgehängt sein, wobei die Kardanrahmen jeweils mittels magnetischer Aktuatoren verstellbar sein können.

Bei einer besonders bevorzugten Variante der Anordnung gemäß der Erfindung ist das optische Element als sogenannter Galvo-Scanner ausgebildet, dessen Spiegel relativ zu der optischen Achse drehbar und schwenkbar ausgebildet ist, sodass wenigstens ein Teilumfang des Innengewindes des Metallrohres optisch gescannt werden kann. Das von dem Spiegel des optischen Elements erfasste Signal wird in der optischen Achse der Anordnung an den Sensor übertragen.

Der Sensor umfasst zweckmäßigerweise ein Linsensystem und eine Steuereinrichtung, die die Signale des Linsensystems interferometrisch auswertet. Der Sensor kann beispielsweise mittels einer geeigneten Verkabelung, beispielsweise mittels Glasfaserkabel, mit der Steuereinrichtung verbunden sein.

Zweckmäßigerweise ist die optische Bank und/oder das Gestell mittels wenigstens eines Linearantriebs verstellbar.

Die Anordnung kann weiterhin Mittel zur Zentrierung der optischen Bank innerhalb des Metallrohres umfassen, die berührungslos arbeiten. Die Signalerfassung und Signalverarbeitung kann sowohl einkanalig als auch mehrkanalig erfolgen.

Wenn die Anordnung wenigstens einen um 90° abgewinkelten Sensor umfasst, kann mittels dieses Sensors eine Innenzentrierung der Anordnung innerhalb des Metallrohres bewerkstelligt werden.

Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Vermessung eines Gewindes an einem Ende eines Metallrohres, insbesondere ein Verfahren zur Vermessung eines Innengewindes an einem Muffenende eines Metallrohres oder an einer Muffe, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

A) Bereitstellen eines optischen Systems mit wenigstens einem optischen Sensor und wenigstens einem weiteren optischen Element, die in einer optischen Achse mit einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind, B) Verstellen des optischen Systems in der Längsachse des Metallrohres oder parallel zur Längsachse des Metallrohres, vorzugsweise innerhalb des Metallrohres, oder Verstellen des Metallrohres relativ zu dem ortsfest angeordneten System in der Längsachse oder parallel zu der Längsachse des Metallrohres und

C) Abtasten des Innengewindes während einer Linearverstellung des optischen Systems und/oder während einer Drehung des optischen Elements in einem Winkel zu der optischen Achse und

D) Erfassen und/oder Speichern und/oder Verarbeiten der von dem Sensor erfassten Messwerte. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung können mit einer einzigen Messfahrt zwei Innengewinde eines Metallrohres oder die beiden gegenüberliegenden Innengewinde einer Muffe vermessen werden.

Das Gewinde kann über seine Länge und/oder über wenigstens einen Teilumfang von dem Sensor abgetastet werden, wobei der Sensor vorzugsweise Abstandswerte erfasst, die in ein zwei- oder dreidimensionales Messbild umgesetzt werden und die entsprechend zwei -oder dreidimensional dargestellt werden.

Der optische Sensor umfasst vorzugsweise einen optisch passiven Sensor, der ein Linsensystem und eine Steuereinrichtung umfasst. Vorzugsweise werden die von dem Sensor empfangenen Messsignale der Steuereinrichtung zugeführt, die eine interferometrische Auswertung der Messsignale durchführt. Die Daten der Steuereinrichtung können über eine Schnittstelle an eine Recheneinheit, beispielsweise in Form eines Computers (PC), weitergegeben werden.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der optische Sensor und das weitere optische Element, beispielsweise in Form eines Spiegels, eine optische Achse bilden. Während beispielsweise einer Linearverstellung des optischen Sensors kann das optische Element um wenigstens eine, vorzugsweise zwei vorzugsweise senkrecht zueinander ausgerichtete Achsen verstellbar sein, sodass während einer Messfahrt des optischen Systems das vollständige Gewinde abgetastet werden kann. Hierzu sind vorzugsweise der optische Sensor und das weitere optische Element relativ zueinander verstellbar in der optischen Achse angeordnet.

Bei einer bevorzugten Variante des Verfahrens kann das optische System wenigstens einen Galvo-Scanner-Scanner umfassen, der während einer Linearverstellung des optischen Systems wenigstens einen Teilumfang des Innengewindes abtastet.

Dabei wird vorzugsweise die Kontur der Gewindegänge zweidimensional und/oder dreidimensional erfasst und/oder dargestellt.

Bei einer besonders zweckmäßigen Variante des Verfahrens ist eine Selbstzentrierung der optischen Achse des optischen Systems innerhalb des Metallrohres oder innerhalb der Muffe vorgesehen. Bei einer Messfahrt kann vorgesehen sein, dass entweder das optische System ortsfest angeordnet ist und die Muffe oder das Muffenende über dem System verfahren wird oder dass das Metallrohr oder die Muffe ortsfest angeordnet ist und dass die Messsensorik bzw. das optische System relativ zur Längsachse des ortsfest angeordneten Metallrohres oder der ortsfest angeordneten Muffe verstellt wird.

Bei einer vorteilhaften und zweckmäßigen Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung ist ein Dunkelabgleich bzw. eine Dunkelkalibrierung des Sensors vorgesehen. Der Dunkelabgleich kann beispielsweise durch Einfahren in ein abgedunkeltes Gehäuse automatisiert erfolgen.

Weiterhin kann eine Sensorkalibrierung mit einem Referenzbauteil vorgesehen sein, das bekannte Abmessungen und ein bekanntes Gewindeprofil aufweist. Weiterhin kann zusätzlich durch Vergleich mit abgelegten Referenzwerten der Lichtsignalstärke eine Verschmutzung des optischen Systems erkannt werden.

Bei einer besonders vorteilhaften Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die von dem Sensor erfassten Messdaten zur Ableitung von Steuerbefehlen für die Steuerung und/oder Regelung einer Werkzeugmaschine, beispielsweise einer CNC Maschine, verwendet werden, die zur Herstellung eines Innengewindes an wenigstens einem Ende eines Metallrohres oder in einer Muffe durch spanende Bearbeitung ausgebildet ist. Die Anordnung kann beispielsweise in einer Fertigungslinie mit einer Gewindeschneidanlage angeordnet sein und mit der Steuerung- und Regeleinrichtung der Gewindeschneidanlage gekoppelt sein.

Optische Steuerbefehle können beispielsweise die folgenden sein:

Verschleißerkennung der Werkzeuge und abgeleiteter Aufruf zum Werkzeugwechsel

Nachstellen der Werkzeugposition bei z.B. falschen Einstellparametern oder zur Verschleißkompensation von Werkzeugen

Korrektur der Werkzeuge auf Grund geometrischer Anordnung der Schneidplatten (z.B. wenn nach dem Werkzeugwechsel eine Stufe erkennbar ist)

Korrektur der Werkzeuge auf Grund von Verschleiß (z.B. wenn die Schneidplatten anfangen zu schmieren)

Korrektur der Werkzeuge auf Grund von äußeren Einflüssen (z.B. wenn sich die Umgebungstemperatur ändert)

Korrektur der Werkzeuge auf Grund von anderen Rohlingen (z.B. wenn das Material des Rohres ein anderes wird oder die Wandstärke größer oder kleiner wird)

Verschleißerkennung der Werkzeuge, um die Standzeit zu optimieren (z.B. wenn man Schnittgeschwindigkeit, Schneidengeometrie, Vorschübe und Messergebnis aufeinander abstimmen) Verschleißerkennung der Werkzeuge, um Werkzeugbruch vorherzusagen Verschleißerkennung der Werkzeuge, um Werkzeugbestand zu optimieren Verschleißerkennung der Werkzeuge, um die Produktivität zu erhöhen (z.B. in dem man die Werkzeuge frühzeitig austauscht und weniger Schrott produziert)

Erhöhung der Produktivität durch Taktzeitoptimierung (z.B. kann man erkennen ob verschiedene Funktionen den gehofften Mehrwert bringen) Erhöhung der Produktivität durch Verbesserung des Materialflusses (z.B. kann man Bottlenecks an anderen Stellen früher erkennen und dann Werkzeuge wechseln oder Reinigungsarbeiten durchführen)

Erhöhung der Qualität durch frühzeitige Problemerkennung (z.B. wenn man bestimmte Schwingungen in der Gewindeschneidmaschine misst und diese dann im Prozess unterbindet, Lynette schließt oder Fertigschnitt wiederholt) Erhöhung der Qualität durch Vergleich der Messergebnisse mit Drehmoment am Muffenaufschrauber.

Erhöhung der Qualität durch Vergleich der Messergebnisse mit den Messergebnissen anderer Maschinen (NDT (non-destructive testing): hier Magnetpulverprüfung)

Die gesammelten Daten können außerdem zur Qualitätsauswertung und - dokumentation sowie für nachgeschaltete Prozesse verwendet werden und mit den Daten dieser Maschinen mittels z.B. entsprechender Regelalgorithmen oder Kl korreliert werden. Diese nachgeschalteten Prozesse und Korrelationen können sein:

Erkennung von Verschmutzung der Muffe und Unterscheidung zu Fehlem Korrelation der Messdaten mit vorherigen gesammelten Daten um z.B. zu detektieren wo Spannungen in der Muffe herkommen, welche zu einer Ovalität nach dem Gewindeschneiden führen. So evtl. Verbesserung der Abschreckstrategie

Erhöhung der Qualität durch Vergleich der Messergebnisse mit Drehmoment am Muffenaufschrauber

Erhöhung der Qualität durch Vergleich der Messergebnisse mit den

Messergebnissen anderer Maschinen (NDT: hier Magnetpulverprüfung)

Weiterhin kann das Messgerät über einen mechanischen und/oder optischen Kollisionsschutz verfügen.

Zur Erfassung besonderer Gewindekonturzonen (z.B. Hinterschnittkontur) kann der Sensor an bestimmten Stellen innerhalb des Innengewindes positioniert und mit dem Galvo-Scanner kann ein Teilbereich abgetastet werden.

Alternativ oder zusätzlich kann eine Mehrfachfahrt durch das Gewinde mit verschiedenen Abwinklungen des Lichtes durch den Galvo-Spiegel (z.B. 90° Abwinklung, dann 100°, danach 110° oder auch 70° oder 80°) und eine Überlagerung der Kurven der Messsignale vorgesehen sein. Ziel ist es, jede Gewindekonturzone mit ausreichend starkem Lichtsignal zu messen.

Obwohl die Erfindung vorstehend überwiegend auf die Vermessung von Innengewinden abstellt, ist für den Fachmann erkennbar, dass die Anordnung und das Verfahren gemäß der Erfindung selbstverständlich auch für die Vermessung von Außengewinden vorgesehen sein können.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung der Anordnung gemäß der Erfindung, Figur 2 das weitere optische Element der Anordnung gemäß der Erfindung als sogenannter Galvo-Scanner,

Figur 3 eine Darstellung, die die Anordnung des optischen Elements und des Sensors zueinander veranschaulicht,

Figur 4 ein zweidimensionales Gewindeprofil, das aufgrund der Messdaten der Anordnung erstellt wurde und

Figur 5 eine schematische Darstellung der Anordnung in Bezug auf ein Muffenende eines Metallrohres.

Die in Figur 1 dargestellte Anordnung 1 stellt einen Testaufbau dar und umfasst ein Gestell 2 mit einer optischen Bank 3, welches auf einer Fahrschiene 4 linear verstellbar ist. Auf der optischen Bank 3 sind ein chromatisch konfokaler Sensor 5 und ein optisches Element in Form eines Galvo-Scanners 6 in einer optischen Achse 7 angeordnet. Der Galvo-Scanner 6 ist als Spiegel 9 ausgebildet, der doppelt kardanisch gelagert ist und in Kardanelementen 10 um zwei senkrecht zueinander ausgerichtete Achsen mittels Aktuatoren verstellbar ist. Der Galvo- Scanner 6 und der optische Sensor 5 sind jeweils an Haltern 8 verstellbar auf der optischen Bank 3 angeordnet. Die Verstellbarkeit des Galvo-Scanner 6 und des optischen Sensors 5 dient zum Zwecke der Justierung. Während einer Messfahrt kann der Abstand des optischen Sensors 5 zu dem Galvo-Scanner 6 in der optischen Achse 7 festgelegt und konstant sein. Zweckmäßigerweise sind sowohl der Halter 8 für den Galvo-Scanner 6 als auch der Halter 8 für den optischen Sensor in ihrer Höhe verstellbar im Sinne einer Justierbarkeit senkrecht zur optischen Achse 7.

Der Galvo-Scanner 6 ist schematisch in Figur 2 dargestellt, aus der erkennbar ist, dass dieser einen kreisrunden Spiegel 9 mit einem verhältnismäßig kleinen Durchmesser aufweist, der in zwei Kardanelementen 10 schwenkbar gelagert ist. Figur 3 zeigt die relative Anordnung des optischen Sensors 5 und des Galvo- Scanner 6 in der optischen Achse 7 des Systems.

Figur 4 zeigt einen zweidimensionalen Messschrieb einer Aufzeichnung, die aus einer Messfahrt entlang der Längsachse eines Metallrohres 11 (siehe Figur 5) erhalten wurde.

Wie dies aus Figur 5 ersichtlich ist, kann beispielsweise das Metallrohr 11 mit einem Innengewinde 12 ortsfest in einem nicht dargestellten Messstand angeordnet sein, während die optische Bank 3 auf der Fahrschiene 4 in das Innere des Metallrohres 11 verfahren wird und Messdaten des Innengewindes 12 während einer Linearbewegung der optischen Bank 3 aufzeichnet. Dabei kann der Spiegel 9 des Galvo-Scanners jeweils in einem bestimmten Winkel zur optischen Achse 7 ausgerichtet sein. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, den Spiegel 9 während einer Messfahrt relativ zur Längsachse des Metallrohres 11 zu verstellen, um eine Abtastung eines Teilumfangs des Innengewindes 12 durchzuführen.

Obwohl sich das vorstehend beschriebene Beispiel auf ein Metallrohr 11 mit einem Muffenende bezieht, ist die Erfindung so zu verstehen, dass das Verfahren auch an einer Muffe mit zwei gegenüberliegend angeordneten Innengewinden durchgeführt werden kann.

Auch ist ohne weiteres für den Fachmann erkennbar, dass das Verfahren auch an einem Außengewinde durchgeführt werden kann.

Wie aus der Kombination der Figuren 4 und 5 erkennbar ist, ist das Innengewinde 12 als konisches Innengewinde mit hinterschnittenen Gewindeflanken ausgeführt.

Die von der Anordnung 1 bzw. von dem optischen Sensor 5 erfassten Messdaten werden der mit 13 bezeichneten Steuereinrichtung zugeführt, die eine interferometrische Auswertung der optischen Signale vornimmt. Die Steuereinrichtung 13 gibt die ausgewerteten Abstandsdaten an eine auf einem Computer 14 betriebene Software zwecks Darstellung eines zwei- oder dreidimensionalen Profils weiter. Auf dem Computer 14 kann ein digitaler Zwilling des zu vermessenden Metallrohres 11 abgebildet sein.

Bezugszeichenliste

1 Anordnung

2 Gestell 3 optische Bank

4 Fahrschiene

5 optischer Sensor

6 Galvo-Scanner

7 optische Achse 8 Halter

9 Spiegel

10 Kardanelemente

11 Metallrohre

12 Innengewinde 13 Steuereinrichtung

14 Computer