基于激光三角法的螺紋量規(guī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

胡曉東

(浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)字控制工程分院，浙江 312000)

基于激光三角法的螺紋量規(guī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

胡曉東

(浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)字控制工程分院，浙江 312000)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)螺紋量規(guī)大徑、小徑、中徑、螺距、牙型角(牙型半角)等螺紋參數(shù)的快速檢測(cè)，全面反應(yīng)螺紋實(shí)際情況，并提高檢測(cè)質(zhì)量、減少檢測(cè)成本，設(shè)計(jì)了一種基于激光三角法的螺紋量規(guī)非接觸式自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)方法。著重研究了該系統(tǒng)基于激光三角檢測(cè)原理的非接觸式檢測(cè)螺紋量規(guī)各參數(shù)的設(shè)計(jì)思路、工作原理和實(shí)現(xiàn)方法等內(nèi)容。設(shè)計(jì)了由三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為位移模塊、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)為旋轉(zhuǎn)模塊、激光位移傳感器為檢測(cè)模塊以及控制裝置數(shù)控處理、控制、評(píng)價(jià)模塊等組成的檢測(cè)系統(tǒng)，并給出了螺紋主要參數(shù)的算法以及數(shù)據(jù)采集、處理等手段。研制了相應(yīng)的專用檢測(cè)軟件，進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能全面反應(yīng)出螺紋量規(guī)實(shí)際情況，測(cè)試精度高、檢測(cè)成本低、工作效率高。

螺紋量規(guī);螺紋參數(shù);數(shù)據(jù)處理;檢測(cè)系統(tǒng)

0 引言

螺紋連接是工程結(jié)構(gòu)中最為常見的一種連接方式，螺紋牙型的參數(shù)決定了螺紋件的連接強(qiáng)度、可靠性、互換性及使用壽命。目前，對(duì)螺紋件的檢測(cè)主要是螺紋量規(guī)，而計(jì)量單位對(duì)螺紋量規(guī)的檢測(cè)只能采用三針法檢驗(yàn)螺紋塞規(guī)和校對(duì)規(guī)檢驗(yàn)螺紋環(huán)規(guī)的方法，工作效率低，檢測(cè)結(jié)果易受人為因素的影響;而且在螺紋量規(guī)檢測(cè)中，三針和校對(duì)規(guī)易磨損從而影響檢測(cè)精度，更換三針和校對(duì)規(guī)的成本較高;另外，計(jì)量單位配套全套的三針和校對(duì)規(guī)難以實(shí)現(xiàn)。為此，許多螺紋量規(guī)企業(yè)，尤其是計(jì)量單位迫切需要能全面反應(yīng)螺紋量規(guī)參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備來解決檢測(cè)效率和質(zhì)量瓶頸問題，以提高企業(yè)、計(jì)量單位檢測(cè)成本。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于螺紋參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的研究和開發(fā)已經(jīng)得到了初步應(yīng)用。歐美日等國(guó)家由于制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)的綜合發(fā)展較快，在螺紋非接觸自動(dòng)檢測(cè)研究領(lǐng)域，一直處于世界領(lǐng)先位置［1-3］。荷蘭IAC生產(chǎn)的 MSXP螺紋綜合掃描儀，可以檢測(cè)螺紋的各項(xiàng)綜合參數(shù)，檢測(cè)精度可達(dá)1.0μm;意大利生產(chǎn)的DMS680螺紋檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)精度可達(dá)0.2μm;日本制造螺紋自動(dòng)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，可以測(cè)量單一中徑、半角、螺距等誤差，精度可達(dá)0.1μm;國(guó)內(nèi)許多學(xué)者將基于面陣CCD本視覺檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到螺紋參數(shù)非接觸檢測(cè)系統(tǒng)中，利用光學(xué)成像、圖像處理、邊緣檢測(cè)、亞像素提取以及攝像機(jī)標(biāo)定等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)螺紋參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)，現(xiàn)常熟標(biāo)準(zhǔn)件廠、西安同視機(jī)電科技有限責(zé)任公司研制的螺紋自動(dòng)檢測(cè)儀主要用于外螺紋參數(shù)的檢測(cè)［4-6］。但由于這些螺紋自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備受到制造、被測(cè)螺紋表面質(zhì)量較高等影響，實(shí)際使用時(shí)會(huì)遇到一定限制。激光三角檢測(cè)法是近些年興起的檢測(cè)手段，具有檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性高、響應(yīng)速度快、對(duì)被測(cè)物體表面要求不高的特性。本文提出了一種基于激光三角檢測(cè)原理的非接觸式螺紋量規(guī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，利用激光三角原理的激光位移傳感器作為掃描測(cè)頭，結(jié)合精密三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)等設(shè)備，檢測(cè)出螺紋輪廓在軸切面上的各項(xiàng)參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)處理得到螺紋的各項(xiàng)綜合參數(shù)指標(biāo)，同時(shí)與理論參數(shù)相比較，判定螺紋是否符合，從而實(shí)現(xiàn)螺紋的快速檢測(cè)校準(zhǔn)。該檢測(cè)系統(tǒng)能夠解決接觸應(yīng)力、人為因素等造成的檢測(cè)誤差，從而提高螺紋量規(guī)的檢測(cè)精度，工作效率，較低檢測(cè)成本。

1 激光三角檢測(cè)原理

激光三角法原理如圖1所示，激光器1發(fā)出的激光經(jīng)會(huì)聚透鏡2垂直投射到被測(cè)物體表面3上的O1點(diǎn)，會(huì)聚透鏡2的光軸與接收透鏡4的光軸交于參考面上的O點(diǎn)，接收透鏡4接收來自入射光O1處的散射光，并將其成像在探測(cè)器5(如PSD、CCD)，敏感面上O'1點(diǎn)，O點(diǎn)經(jīng)透鏡4成像在探測(cè)器敏感面上O'點(diǎn)。當(dāng)物體移動(dòng)或表面高度發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)致入射光點(diǎn)將沿入射光軸移動(dòng)，而像點(diǎn)在探測(cè)器敏感面上發(fā)生位移［7］。

圖1 激光三角檢測(cè)原理

設(shè)橫向放大率為A，且應(yīng)滿足Scheimpflug條件:

式中:α為成像光軸與被測(cè)面法線之間的夾角，γ為投影光軸與被測(cè)面法線之間的夾角，β為探測(cè)器基線與成像光軸之間的夾角。由圖1所示，可得:

式中:x為被測(cè)表面與參考面的位移，x'光電在成像表面的位移。若待測(cè)面位于參考面上方，則式(3)分母取“+”。由式(3)可知，在激光三角測(cè)量中，只要測(cè)出探測(cè)器敏感面上被測(cè)光電的位移，就可以計(jì)算出被測(cè)上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的位移。

2 螺紋量規(guī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)思路

為實(shí)現(xiàn)螺紋量規(guī)多參數(shù)的自動(dòng)化檢測(cè)，提高檢測(cè)精度及效率，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路為:以基于激光三角原理的激光位移傳感器為掃描檢測(cè)頭，結(jié)合三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)、控制裝置及專用檢測(cè)軟件等儀器設(shè)備，組建成螺紋量規(guī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測(cè)螺紋量規(guī)牙型輪廓的數(shù)據(jù)掃描、采集、計(jì)算、處理、擬合、判別等功能［8］。

2.2 工作原理

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)1控制系統(tǒng)控制X、Y、Z軸移動(dòng)并使得裝有激光位移傳感器4的Z軸定位到螺紋量規(guī)3軸中心位置，找到被測(cè)螺紋軸切面，激光位移傳感器通過Z軸由上至下或由下至上位移，實(shí)現(xiàn)螺紋當(dāng)前角度位置牙型輪廓的掃描。一個(gè)軸切面位置牙型輪廓掃描完畢后，數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)2帶動(dòng)螺紋量規(guī)旋轉(zhuǎn)至另一軸切面位置，激光位移傳感器重復(fù)上述掃描步驟，得到該軸切面位置螺紋牙型輪廓的掃描數(shù)據(jù)。以此重復(fù)，獲得n個(gè)軸切面螺紋牙型輪廓的掃描數(shù)據(jù)，并經(jīng)螺紋檢測(cè)專用軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、擬合成螺紋實(shí)際輪廓，計(jì)算得到螺紋的各項(xiàng)綜合參數(shù)指標(biāo)，同時(shí)與數(shù)據(jù)庫(kù)理論螺紋參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較，判定螺紋是否符合要求作出評(píng)價(jià)［9］。結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)原理圖

2.3 系統(tǒng)組成

螺紋量規(guī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主要采用激光位移傳感器作為掃描頭的檢測(cè)模塊、基于精密三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)做三維(X、Y、Z)方向位移的直線運(yùn)動(dòng)模塊、基于精密數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊、控制裝置的數(shù)據(jù)采集、處理、控制、評(píng)價(jià)模塊及專用檢測(cè)軟件等組成。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)由三維的精密位移平臺(tái)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、光柵位移傳感器、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器等組成，其結(jié)構(gòu)形式采用工作臺(tái)固定，X、Y、Z框架移動(dòng)的橋式結(jié)構(gòu)，最大工作行程為600mm×600mm×200mm，定位精度為(2+3L/1000)μm，以滿足精密位移的需要。

螺紋量規(guī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊采用臥式帶封閉環(huán)控制的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作轉(zhuǎn)臺(tái)，工作臺(tái)面直徑大于φ400mm，承載能力大于300kg，定位精度為±2'。

根據(jù)被測(cè)螺紋量規(guī)直徑尺寸，激光位移傳感器的有效行程為±5mm，線性誤差為±0.05%，能消除漫反射影響的高準(zhǔn)確度、小光點(diǎn)類型［10］。在檢測(cè)系統(tǒng)中，激光位移傳感器是實(shí)現(xiàn)非接觸掃描檢測(cè)螺紋并最終準(zhǔn)確度指標(biāo)的關(guān)鍵所在，故選用LK-G30型激光位移傳感器作為掃描測(cè)頭，并通過USB或RS232接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

螺紋量規(guī)專用檢測(cè)軟件是基于Windows操作系統(tǒng)平臺(tái)，采用C++Buider6.0編制而成［11］。軟件由準(zhǔn)備功能模塊、檢測(cè)功能模塊、數(shù)計(jì)算判定功能模塊等組成，如圖3所示。其中準(zhǔn)備功能模塊主要包括開機(jī)、坐標(biāo)回零、輸入螺紋信息、判斷螺紋應(yīng)用模塊以及激光校準(zhǔn)等功能。檢測(cè)功能模塊主要包括尋找螺紋軸截面、螺紋牙型掃描、轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)等功能。計(jì)算判定功能模塊主要包括螺紋參數(shù)計(jì)算判定以及結(jié)束等功能，能實(shí)現(xiàn)硬件的驅(qū)動(dòng)控制、掃描測(cè)頭的校準(zhǔn)、螺紋掃描數(shù)據(jù)的采集、螺紋量規(guī)參數(shù)的計(jì)算判定以及數(shù)據(jù)的存貯調(diào)用等基本功能。

圖3 螺紋量規(guī)專用檢測(cè)軟件的組成

3 螺紋基本參數(shù)檢測(cè)

螺紋基本檢測(cè)參數(shù)主要包括大徑、中徑、小徑、牙型高度、牙頂高、牙底高、牙型角以及螺距等參數(shù)，這些參數(shù)均可以在螺紋自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中檢測(cè)出來。下面主要介紹中徑、螺距、牙型角重要參數(shù)的檢測(cè)方法，螺紋參數(shù)檢測(cè)示意圖如圖4所示。

圖4 螺紋參數(shù)計(jì)算示意圖

(1)中徑d2的檢測(cè)。螺紋牙型軸截面內(nèi)溝槽和凸起寬度一致地方，即為螺紋中徑所在的假想圓柱母線位置。在直角坐標(biāo)系下，假設(shè)三個(gè)傾斜面的直線方程為f1、f2和f3，當(dāng)縱坐標(biāo)中一點(diǎn)y，滿足x1-x2=x2-x3時(shí)，即為中徑d2所在的直線位置。為保證數(shù)據(jù)的正確性，應(yīng)求多個(gè)中徑d2的平均值。

(2)螺距P的檢測(cè)。根據(jù)圖4所示，當(dāng)測(cè)定x1、x2、x3點(diǎn)后，則螺距 P=x1-x3或 P/2=x1-x2=x2-x3。

(3)牙型角a的檢測(cè)。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分段回歸分析，根據(jù)螺紋牙型曲線把屬于同一側(cè)面的采樣數(shù)據(jù)劃分出來，然后挑選出線性度最好的測(cè)量數(shù)據(jù)擬合出一條直線，并設(shè)該直線的斜率為 k1，同樣得到另一側(cè)擬合直線的斜率k2，則牙型半角為:

4 數(shù)據(jù)采集及處理

數(shù)據(jù)采集由三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)X、Y、Z三個(gè)光柵信號(hào)(RS232接口)、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)光柵信號(hào)(RS232接口)和一個(gè)掃描信號(hào)(USB接口)將采集的數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)，經(jīng)過一定細(xì)分處理后傳給螺紋量規(guī)專業(yè)檢測(cè)軟件。

激光位移傳感器掃描螺紋牙型輪廓如果得到的光斑像點(diǎn)是單個(gè)圓滑的圓點(diǎn)，就可以得到一個(gè)二值化的光順矩形脈沖，脈沖的中心就是像點(diǎn)的中心［12］。在實(shí)際檢測(cè)中，由于螺紋的表面質(zhì)量、系統(tǒng)裝置的精度、螺紋安裝的誤差、采集過程中環(huán)境的影響等因素，造成采集數(shù)據(jù)中含有不合理的數(shù)據(jù)誤差點(diǎn)。例如電氣元件存在電子噪聲使得圖像上出現(xiàn)隨機(jī)分布的噪聲點(diǎn);當(dāng)螺紋表面出現(xiàn)毛刺、雜物時(shí)，像點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度分布會(huì)產(chǎn)生毛刺，使得二值化的矩形脈沖寬度出現(xiàn)尖峰狀，故采集數(shù)據(jù)必須經(jīng)過濾波、降噪等前置處理［13］。

采集數(shù)據(jù)的處理主要包括數(shù)據(jù)的濾波、擬合、計(jì)算、各螺紋參數(shù)的合格判定等。按一定的閥值去除原始數(shù)據(jù)中的粗大誤差、系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差等數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾波處理后，按基于動(dòng)態(tài)線性回歸的一階導(dǎo)數(shù)分段法對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性判斷、分段，找出齒形線性最好的部分作為數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)［14-15］;運(yùn)用數(shù)學(xué)工具對(duì)處理后的若干條(一般要求4條以上)獨(dú)立牙型輪廓曲線按擬合成螺紋整體輪廓曲面，得到空間位置數(shù)據(jù);按照最小二乘法、線性回歸法等原則，計(jì)算出被測(cè)螺紋表面的二維輪廓曲線;根據(jù)螺紋參數(shù)的定義，計(jì)算得到螺紋的各項(xiàng)參數(shù);根據(jù)螺紋數(shù)據(jù)庫(kù)，調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)螺紋數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判定螺紋是否符合。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的螺紋量規(guī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，選取了M125×3-6h T標(biāo)準(zhǔn)螺紋環(huán)規(guī)進(jìn)行檢測(cè)。通過對(duì)M125×3-6h T螺紋環(huán)規(guī)5個(gè)螺紋牙型的數(shù)據(jù)采集，并選取前三個(gè)螺紋牙型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在選取的每個(gè)牙型上取6個(gè)點(diǎn)，每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)擬合一條直線，計(jì)算牙型半角、螺距、大徑、小徑及中徑等螺紋參數(shù)。處理得到的原始螺紋牙型輪廓時(shí)域波形，差分、小波消噪等波形如圖5所示，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

圖5 螺紋環(huán)規(guī)M125×3-6h T的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表1 M125×3-6h T標(biāo)準(zhǔn)螺紋環(huán)規(guī)螺紋參數(shù)檢測(cè)結(jié)果

由表1中可以看出，M125×3-6h T螺紋環(huán)規(guī)實(shí)測(cè)各項(xiàng)主要參數(shù)符合理論計(jì)算值，都控制在公差范圍之內(nèi)，檢測(cè)結(jié)果合格，如圖6所示。

圖6 螺紋量專用規(guī)檢測(cè)軟件的檢測(cè)主界面

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)采用基于激光三角法螺紋量規(guī)自動(dòng)檢測(cè)方式，能自動(dòng)檢測(cè)螺紋量規(guī)各項(xiàng)綜合參數(shù)指標(biāo)，并判斷檢測(cè)結(jié)果是否符合參數(shù)指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)螺紋的快速檢測(cè)校準(zhǔn)。

(2)由于采用激光非接觸檢測(cè)方法，檢測(cè)頭與被測(cè)表面非接觸，系統(tǒng)能夠消除由于接觸應(yīng)力、人為因素等造成的檢測(cè)誤差，從而提高螺紋量規(guī)的檢測(cè)精度、工作效率以及降低檢測(cè)成本。

(3)螺紋量規(guī)專用檢測(cè)軟件由于在開發(fā)、試用階段，其穩(wěn)定性、可靠性后續(xù)需進(jìn)一步驗(yàn)證。

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Design of Automatic Test System for Thread Gauges Based on Laser Triangulation

HU Xiao-dong
(College of Numerical Control Engineering，Zhejiang Industry Polytechnic College，Shaoxing 312000，China)

In order to realize rapid measurement of thread parameters of thread gauges，such as large diameter of thread，small diameter of thread，pitch diameter of thread，screw pitch，thread angle etc.To reflect the actual situation of the thread in the round.To improve the measurement quality and reduce measurement costs，a method of non-contact automatic test system for thread gauges based on laser triangulation has been designed.The paper mainly research the design thoughts，working principle and implementation method of the system.The measurement system which has been designed has several component parts，including displacement part，revolving part，measurement part，NC part，evaluation part etc.The displacement part is three-coordinate measuring machine，the revolving part is CNC rotary table，the measurement part is laser displacement sensors.The paper also proposed the algorithm of main thread parameters and the method of data acquisition and processing.The dedicated measurement software has been developed，and the relevant experiment has been done.The experiment result indicated that the software has several advantages.It can reflect the actual situation of thread，have high measurement precision，low measurement costs and high efficiency.

thread gauges;thread parameter;data processing;measurement system

TH16;TG65

A

1001-2265(2012)12-0068-04

2012-04-18

浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)項(xiàng)目(102340109201264)

胡曉東(1978—)，男，浙江新昌人，浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)字控制工程分院高級(jí)技師，碩士研究生，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造研究等，(E-mail)zj_hxd@163.com。

(編輯 李秀敏)