基于激光測(cè)量技術(shù)對(duì)外螺紋中徑測(cè)量的研究

山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院　李琳　龐學(xué)慧　鄭智貞　秦慧斌　蘇校峰

基于激光測(cè)量技術(shù)對(duì)外螺紋中徑測(cè)量的研究

山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院李琳龐學(xué)慧鄭智貞秦慧斌蘇校峰

本文鑒于外螺紋中徑在測(cè)量時(shí)的特點(diǎn)和難點(diǎn)，提出了一種對(duì)外螺紋中徑的非接觸式測(cè)量的新型方法，主要包含有激光測(cè)量技術(shù)、光柵位移傳感器檢測(cè)技術(shù)、測(cè)量裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和上位機(jī)數(shù)據(jù)處理等。該檢測(cè)裝置可以滿足多數(shù)條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)外螺紋中徑的測(cè)量，同時(shí)也能避免像接觸式那樣在測(cè)量時(shí)因接觸而導(dǎo)致的變形問(wèn)題。

螺紋中徑測(cè)量；激光測(cè)量技術(shù)；光柵位移傳感器

1引言

目前在國(guó)內(nèi)外對(duì)外螺紋中徑檢測(cè)方法有很多，均可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)檢測(cè)，其中多以接觸式的檢測(cè)方式為主，其弊端就是工作量較大、檢測(cè)時(shí)效率較低，而在特殊環(huán)境下要實(shí)現(xiàn)人工檢測(cè)相對(duì)來(lái)說(shuō)也比較困難。隨著工業(yè)4.0的提出以及螺紋在未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)上的眾多應(yīng)用，尤其是對(duì)螺紋中徑的測(cè)量技術(shù)，還有對(duì)中徑測(cè)量的效率的要求等也會(huì)越來(lái)越高［1］。為此，針對(duì)以上情形提出了一種對(duì)外螺紋中徑的非接觸式檢測(cè)的新型方法。

2測(cè)量裝置的組成

測(cè)量裝置主要包含：激光測(cè)量器、移動(dòng)平臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)、QH-200光柵尺、上位機(jī)等。光柵尺選用QH-200型，測(cè)量范圍：200mm～1000mm，柵距20μm，測(cè)量精度：±5μm，輸出信號(hào)為TTL方波。

由測(cè)量原理和測(cè)量方法［2］，并考慮到在對(duì)外螺紋中徑測(cè)量時(shí)的各項(xiàng)要求，簡(jiǎn)單、易操作等特性，決定采用用CATIA軟件，設(shè)計(jì)如圖1所示的外螺紋中徑測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)圖。

圖1　測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖1、光柵尺　2、步進(jìn)電機(jī)　3、移動(dòng)導(dǎo)軌4、絲杠　5、激光測(cè)量器發(fā)射端6、激光測(cè)量器接收端　7、螺紋工件

3測(cè)量方法

圖2　示意圖

在對(duì)螺紋中徑進(jìn)行測(cè)量時(shí)首先將激光測(cè)量裝置的發(fā)射器和接收器（如圖1中的5和6所示），固定在精密移動(dòng)平臺(tái)上，激光測(cè)量器發(fā)射端發(fā)出的平行光幕穿過(guò)被測(cè)螺紋工件的中心軸線并與中心軸線保持平行到達(dá)接收端，且螺紋工件的中心軸線與激光測(cè)量裝置發(fā)出的光幕的邊緣垂直。啟動(dòng)計(jì)算機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，控制精密移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)（激光測(cè)量器前進(jìn)的方向?yàn)閄軸），激光測(cè)量器沿螺紋中心軸線垂直的方向移動(dòng)。如圖2所示，當(dāng)光幕經(jīng)過(guò)被測(cè)螺紋時(shí)，有一部分光幕通過(guò)螺紋牙型上溝槽，有一部分光幕則被凸起擋住即：BC和CD，當(dāng)BC=CD時(shí)，可知此為螺紋中徑的第一次位置，沿X軸繼續(xù)移動(dòng)，直到再次出現(xiàn)EF=FG時(shí)，同樣此時(shí)則可以確定此位置為螺紋中徑的第二次位置，將兩次位置的讀數(shù)作差即為螺紋中徑的尺寸值。為了得到精確的位移量，將高精度的光柵位移傳感器，安裝在移動(dòng)平臺(tái)的固定端和移動(dòng)端，光柵尺在移動(dòng)平臺(tái)上移動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)應(yīng)的引起柵距變化，光柵尺的柵距變化時(shí)就會(huì)輸出一個(gè)電平方波脈沖，這些脈沖則被單片機(jī)控制器接收，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)化上傳到計(jì)算機(jī)，得到X軸方向上移動(dòng)的距離［3］。在測(cè)量時(shí)為了保證測(cè)試精度和數(shù)值的準(zhǔn)確性，測(cè)量裝置采用在每個(gè)螺距的范圍內(nèi)檢測(cè)若干個(gè)點(diǎn)進(jìn)行讀數(shù)，通常取500～800點(diǎn)。激光測(cè)量器工作頻率f、移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度v、每個(gè)螺距內(nèi)檢測(cè)點(diǎn)數(shù)n、螺距P，它們之間的關(guān)系為：v=Pf/n。

4 LS-7030激光測(cè)量器的工作原理

通過(guò)外螺紋牙型上溝槽的平行光幕，有一部分光幕就會(huì)被上溝槽的凸起擋住不能到達(dá)測(cè)量器的接收端，有一部分光幕則未被遮擋通過(guò)溝槽后到達(dá)接收器。激光測(cè)量器的參數(shù)：測(cè)量范圍：0.3mm～30mm；發(fā)射裝置和接收裝置之間的距離：160± 40mm；測(cè)量精度：2μm。其工作原理為：Gan.LED輻射光通過(guò)散射件后再通過(guò)準(zhǔn)直儀鏡頭，這樣就會(huì)形成均勻的平行光，形成均勻的平行光后通過(guò)被測(cè)螺紋工件，螺紋工件的影像經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)就可以在HL-CCD上實(shí)現(xiàn)，HL-CCD輸出的信號(hào)由中央處理器和控制器中的DE處理器進(jìn)行處理，就可以得到被測(cè)目標(biāo)的參數(shù)［4］，其工作原理如圖3所示。

圖3　激光測(cè)量器工作原理圖1、Gan.LED輻射光　2、散射組件3、準(zhǔn)直儀鏡頭發(fā)射器　4、螺紋工件5、遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)　6、高速線性CCD 7、控制輸入　8、控制輸出9、模擬通道輸出　10、RS-232C端口

5計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理

得到這些數(shù)據(jù)的過(guò)程最關(guān)鍵的地方就是外螺紋中徑位置的確定。經(jīng)過(guò)多次的思考，在確定中徑尺寸值時(shí)通過(guò)做差取絕對(duì)值。在螺紋的任意位置選取螺紋牙型凸起的寬度為τ，選取溝槽的寬度為ξ，當(dāng)平行光幕經(jīng)過(guò)螺紋牙型時(shí)，計(jì)算機(jī)顯示器上會(huì)對(duì)應(yīng)的出現(xiàn)τ和ξ的值。設(shè)T為兩次讀數(shù)的差值的絕對(duì)值即：T=|τ-ξ|。

啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，及相對(duì)應(yīng)的軟件，控制步進(jìn)電機(jī)和精密移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)，當(dāng)計(jì)算機(jī)上將T值的變化收集后可知，在確定外螺紋中徑的位置時(shí)就是當(dāng)T值最小時(shí)，此時(shí)光柵尺記錄下對(duì)應(yīng)的位移數(shù)據(jù)Ψ，并將數(shù)據(jù)及時(shí)上傳到上位機(jī)；繼續(xù)移動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)，當(dāng)再次出現(xiàn)最小T值時(shí)，計(jì)算機(jī)上則會(huì)再次得到光柵尺傳回的數(shù)據(jù)x，通過(guò)多次測(cè)量，就可以得到n個(gè)Ψ值和n個(gè)x值，定義外螺紋中徑的尺寸值為R，取平均值后得：R=Ψ￣-xˉ。

6結(jié)語(yǔ)

非接觸式測(cè)量外螺紋中徑時(shí)，因?yàn)椴唤佑|被測(cè)螺紋工件，從而消除了因接觸產(chǎn)生應(yīng)力而導(dǎo)致的測(cè)量誤差［5］，非接觸式測(cè)量方式的優(yōu)點(diǎn)是易操作、測(cè)量精度高、對(duì)被測(cè)螺紋工件表面要求較低、測(cè)量參數(shù)速度快等。

［1］左建中，劉峰，張定昭.機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在螺紋檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006，4（4）：113-114.

［2］張廣玉，簡(jiǎn)繼紅，陳志剛，王蔡健.測(cè)量錐螺紋中徑的圖像“三針?lè)ā保跩］.工具技術(shù)，2006，40（12）：73-76.

［3］王世峰，趙馨，佟首峰，劉云清，劉鵬，范靜濤.基于激光位移檢測(cè)技術(shù)的螺紋檢測(cè)儀研制［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2007，28（4）：755-759.

［4］李吉成，黃惟公，王萌.LS-7000測(cè)量位移的應(yīng)用 ［J］.機(jī)電信息，2010，（18）：77-78.

［5］徐愛(ài)群，項(xiàng)占琴，陳子辰.非接觸式自動(dòng)螺紋檢測(cè)儀的研制［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2005，39（8）：1179-1183.

李琳，河北省唐山市人，碩士研究生，研究方向：幾何精密測(cè)量技術(shù)。