基于激光三角法的螺紋型面信息采集技術(shù)研究

孫興偉，張靜，王可，馮欣

(沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽 110870)

0 前言

隨著機(jī)械制造業(yè)的飛速發(fā)展，對制造和檢驗(yàn)中測量技術(shù)的要求隨之提高。唯有探索出精確可靠、高效便捷的測量方法才能提高機(jī)械加工的產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和技術(shù)水平。近年來，激光三角法測量技術(shù)因其非接觸性、抗干擾性和穩(wěn)定性越來越受到人們的關(guān)注［1］。石油管螺紋修復(fù)后的尺寸參數(shù)測量與合格性判斷長期以來一直采用單項(xiàng)參數(shù)檢測和綜合檢測相結(jié)合的方法［2］，操作復(fù)雜、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低，激光三角法測量可以彌補(bǔ)這些不足，但是測量值準(zhǔn)確度受被測表面曲率、表面粗糙度、激光反射特性等因素的影響，在測量螺紋表面等特殊曲面時(shí)存在較大的誤差，對特殊曲面三角法測量的數(shù)據(jù)采集與處理進(jìn)行研究十分必要。

1 螺紋型面激光三角法測量的基本原理

1.1 激光三角法測量基本原理

激光測量是一種典型的非接觸式測量方法，與電磁測量法和聲波測量法等其他非接觸測量方法相比，該方法具有響應(yīng)快速、分辨能力強(qiáng)、受環(huán)境磁場影響小等特點(diǎn)［3］，可以用來進(jìn)行微小位移精確測量。激光三角法是激光測量方法中常用的一種，因其工作距離大、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于加工制造與檢驗(yàn)檢測中［4－5］。三角法因其發(fā)射的激光束與反射的激光束構(gòu)成一三角形而得名，在測量過程中入射激光束經(jīng)被測表面反射后通過匯聚透鏡投射在光敏感知原件上形成光斑［6］，被測表面移動(dòng)時(shí)光斑位置發(fā)生變化，這樣，則引起光電流的變化，從而測出被測表面移動(dòng)的位移。

1.2 螺紋復(fù)雜型面測量原理

螺紋型面測量的基本原理如圖1所示。對螺紋應(yīng)用三角法進(jìn)行測量，考慮激光干涉問題，入射光線和反射光線的夾角α不能大于牙型半角［7］，因此對于測量距離需要滿足角度干涉條件。激光發(fā)生器發(fā)出入射激光束照射在被測螺紋表面上形成可見的光斑，被反射或散射后，再通過透鏡將光斑成像于放置在焦平面上的光敏元件接受面上［8］，激光測距儀光斑在焦平面上的移動(dòng)距離l1和被測表面移動(dòng)距離l2之間存在定量關(guān)系，關(guān)系表達(dá)式如下:

式中:α為入射光線和反射光線的夾角;β為經(jīng)透鏡折射的光線與光敏面的夾角;l1為光敏面上光斑的移動(dòng)距離;l2為被測表面的移動(dòng)距離;d1為被測點(diǎn)與透鏡間的距離;d2為光敏面光斑與透鏡間的距離。

圖1 激光三角法測量螺紋原理圖

激光束經(jīng)過聚焦后照射到被測物體表面，經(jīng)漫反射后光線由成像透鏡成像到光敏元件接受面上，通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號，電信號的輸出大小僅與被測點(diǎn)的位置有關(guān)，當(dāng)測點(diǎn)高度發(fā)生變化，像點(diǎn)位置隨之改變，電信號的變化反映了光斑成像的位移值l1，光斑成像位置、激光發(fā)射光束入射角度和接收元件位置可以得出β和α的大小，代入關(guān)系式 (1)中計(jì)算出被測表面移動(dòng)的位移值l2。故在螺紋測量中反射光線的角度對測量值的準(zhǔn)確度有很大影響。

2 螺紋復(fù)雜型面特征幾何信息的采集

螺紋型面作為螺旋曲面表現(xiàn)形式中的一種，與其他大曲率螺旋曲面相比表面形式變化頻繁、端截面曲線存在特征突變點(diǎn)。受自身型面特征和激光測距儀器特性限制，螺紋型面測量值會(huì)存在一定的偏差。先建立螺紋理論模型，再結(jié)合模型研究螺紋截面曲線及型面特征，對螺紋型面信息進(jìn)行采集，結(jié)合理論廓型的性質(zhì)對測得的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 圓錐管螺紋幾何特征截面廓形

圖2 圓錐管螺紋理論實(shí)體模型

常見的三維建模軟件均有普通螺紋模型建立的相關(guān)指令，但對于用于石油工業(yè)的圓錐管螺紋尚未出現(xiàn)適用的螺紋創(chuàng)建工具。以NC50型石油圓錐管螺紋為例，以螺紋參數(shù)的理論值為依據(jù)建立螺紋三維理論模型如圖2所示，對理論模型進(jìn)行剖切，牙頂小傾角短小直線段、牙側(cè)為大傾角直線段、牙底與各段連接處均由圓弧組成，螺紋剖面各段型線特征迥異，故分段進(jìn)行分析。

垂直于螺紋工件軸線剖切觀察截形，在牙頂處相當(dāng)于對圓臺進(jìn)行剖切，牙頂處對應(yīng)的螺紋截面線為簡單圓曲線的一部分，其余部分曲率半徑按順時(shí)針方向先減小后增大;過螺紋軸線進(jìn)行剖切，可以直觀地看到螺紋的牙形廓線，圖3所示的牙型廓線由平面簡單直線段和圓弧段組成，不存在多次復(fù)雜曲線，適用于最小二乘法［9］進(jìn)行對不同形態(tài)的數(shù)據(jù)段分別進(jìn)行擬合。

圖3 石油圓錐管外螺紋理論牙形

2.2 圓錐管螺紋型面幾何信息的采集

圓錐管螺紋型面幾何信息的采集流程如圖4所示。螺紋型面信息采集以SCK230型數(shù)控管螺紋修復(fù)機(jī)床為實(shí)驗(yàn)平臺，利用激光測距儀獲取螺紋型面幾何信息，通過R232模塊和串口通信單元進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)激光測距儀自身測量特性與尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)測量安裝方案，完成了NC50型石油管螺紋的激光測量。螺紋修復(fù)加工完畢后，機(jī)床主軸平穩(wěn)停轉(zhuǎn)時(shí)，激光測距儀移動(dòng)至由干涉角度、測量范圍、光束過中心等測量要求計(jì)算出的預(yù)定位置，激光測距儀沿工件軸線向遠(yuǎn)離工件方向緩慢運(yùn)動(dòng)，絲杠旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)脈沖編碼器開始觸發(fā)讀取數(shù)據(jù)，測量結(jié)果存入計(jì)算機(jī)，為數(shù)據(jù)可用性判斷、數(shù)據(jù)濾波與曲線擬合做準(zhǔn)備。

圖4 螺紋型面信息采集流程

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 測量的螺紋截面廓形

應(yīng)用前述的螺紋型面激光三角法測量基本原理，對NC50型石油圓錐管外螺紋型面幾何特征進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集到的螺紋型面數(shù)據(jù)以文本文檔的形式存于計(jì)算機(jī)中，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到的螺紋截面廓形如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理前型值點(diǎn)

3.2 數(shù)據(jù)處理算法

測量數(shù)據(jù)中存在對數(shù)據(jù)分析、曲線擬合、螺紋參數(shù)測量及合格性判定有影響的散亂點(diǎn)，其余數(shù)據(jù)出現(xiàn)不同幅度的波動(dòng)。為去除散亂點(diǎn)及異常波動(dòng)提高數(shù)據(jù)可操作性，應(yīng)進(jìn)行畸變數(shù)據(jù)段識別和濾波處理。針對螺紋牙頂、牙側(cè)、牙底的曲線性質(zhì)不同，依據(jù)一階導(dǎo)數(shù)總體變化趨勢提取出數(shù)據(jù)分段點(diǎn)，并識別出測量數(shù)據(jù)中螺紋牙側(cè)上的畸變跳躍數(shù)據(jù)，使其與螺紋牙側(cè)數(shù)據(jù)段進(jìn)行融合，保留數(shù)據(jù)位置剔除數(shù)據(jù)值信息，等待螺紋牙側(cè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合后賦值。

經(jīng)數(shù)據(jù)濾波與分段后，將每一分段區(qū)域內(nèi)按窗口順序降低數(shù)據(jù)擾動(dòng)幅度，進(jìn)行波動(dòng)點(diǎn)識別。設(shè)某一分段區(qū)域有N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每一窗口包含M個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(M位奇數(shù))，將第i個(gè)窗口中的數(shù)據(jù)點(diǎn)代入式 (2)中，窗口每次移動(dòng)1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每一分段區(qū)域進(jìn)行(N－M+1)次均方差閾值判斷，對第 (N－M+1)個(gè)中間點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差判別。當(dāng)σi超出設(shè)定閾值σ0則判定為波動(dòng)點(diǎn)，經(jīng)多次試驗(yàn)σ0=0.1最適合用于本試驗(yàn)中螺紋測量數(shù)據(jù)的波動(dòng)點(diǎn)判別，以插值點(diǎn)替代波動(dòng)點(diǎn)，顯著改善數(shù)據(jù)質(zhì)量，減小數(shù)據(jù)異常波動(dòng)。

擬合后的螺紋廓型由簡單的直線段與圓弧構(gòu)成，應(yīng)用斷點(diǎn)連續(xù)的最小二乘法在保證各分段區(qū)域線性擬合去除隨機(jī)誤差的基礎(chǔ)上保證了分段點(diǎn)處的連續(xù)性。

3.3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

應(yīng)用斷點(diǎn)連續(xù)的最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)值偏移量小，能較準(zhǔn)確地表示螺紋型面的真實(shí)形態(tài)，由于數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目過多，表1中僅截取了一段牙側(cè)測量數(shù)據(jù)點(diǎn)的測量值和擬合值為例進(jìn)行對比。依據(jù)螺紋參數(shù)測量標(biāo)準(zhǔn)，在牙側(cè)擬合線的基礎(chǔ)上計(jì)算出最佳量針半徑，通過計(jì)算及編程對螺紋型面測量數(shù)據(jù)擬合曲線應(yīng)用虛擬的螺紋三針法，將量針球心距代入公式計(jì)算出所需的螺紋型面參數(shù)，最終通過螺紋測量系統(tǒng)的人機(jī)交互界面直觀呈現(xiàn)處各項(xiàng)測量參數(shù)值。

表1 斷點(diǎn)連續(xù)最小二乘法數(shù)據(jù)處理結(jié)果

4 結(jié)論

在對螺紋型面特征進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于激光三角法的螺紋測量方案，然后針對螺紋廓型及螺紋測量數(shù)據(jù)的特殊性通過一階導(dǎo)數(shù)的變化趨勢實(shí)現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的分段點(diǎn)與畸變點(diǎn)識別，用插值點(diǎn)替代以標(biāo)準(zhǔn)差閾值法判斷出波動(dòng)點(diǎn)，減少異常波動(dòng)，最后應(yīng)用基于斷點(diǎn)連續(xù)的最小二乘法分段進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，從螺紋測量擬合廓型中通過計(jì)算得出所需參數(shù)，實(shí)現(xiàn)螺紋測量的自動(dòng)化，達(dá)到了較為理想的效果。

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