基于激光測(cè)量的圓錐螺紋檢測(cè)方法研究

張 犇，孫興偉，王迎春

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

0 前言

傳統(tǒng)的錐螺紋檢測(cè)方法主要分為兩種：接觸式和非接觸式[1]，非接觸式主要通過萬能工具顯微鏡等光學(xué)儀器對(duì)錐度進(jìn)行測(cè)量，存在的問題主要是人眼目視瞄準(zhǔn)，自動(dòng)化程度低，效率低，長時(shí)間使用容易造成視力疲勞[2]。近年來，機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)逐漸成為檢測(cè)行業(yè)的一項(xiàng)熱點(diǎn)技術(shù)，機(jī)器視覺測(cè)量方法屬于非接觸式測(cè)量方式，具有單次測(cè)量螺紋幾何參數(shù)多、效率高的特點(diǎn)[3]，這可以大大提高檢測(cè)效率。但這種測(cè)量由于價(jià)格昂貴不能被廣泛應(yīng)用[4]，在實(shí)際測(cè)量中很多非接觸激光測(cè)量裝置未能夠考慮到錐螺紋結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，沒有很好地解決測(cè)量距離不斷變化引起的修正問題，造成測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確性[5]，在實(shí)際生產(chǎn)中傳統(tǒng)的螺紋檢測(cè)已經(jīng)不能滿足提高產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)率的要求，而引進(jìn)國外成套設(shè)備成本高昂[6],因此基于螺紋測(cè)量的基本方法和原理,采用計(jì)算機(jī)處理技術(shù)自行研制開發(fā)了錐度螺紋檢測(cè)裝置,可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定心、快速、高效的測(cè)量被測(cè)件的輪廓，可實(shí)現(xiàn)高效率、低成本的自動(dòng)化檢測(cè)[7]。

1 檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)和原理

測(cè)量系統(tǒng)由激光測(cè)頭、測(cè)頭控制器、錐螺紋夾緊裝置、計(jì)算機(jī)、以及輸出設(shè)備組成。主要包括測(cè)量、夾緊定心、調(diào)節(jié)等三大部分。

1.1 測(cè)量部分

測(cè)量部分主要包括激光測(cè)頭、步進(jìn)電機(jī)、滑塊。

1.2 夾緊定心部分

夾緊定心部分主要由旋緊機(jī)構(gòu)、拉緊螺母、軸套和夾緊面組成。三個(gè)夾緊面均勻分布在軸套上，對(duì)錐螺紋的夾緊起到定心的作用，拉緊螺母拉動(dòng)連桿，在支點(diǎn)的支撐下，夾緊面可以有一定的角度擺動(dòng)，當(dāng)擺動(dòng)角度與錐螺紋錐度相同時(shí)，被測(cè)工件被夾緊。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 錐螺紋夾緊定心結(jié)構(gòu)圖

1.3 調(diào)節(jié)部分

調(diào)節(jié)部分主要包括平行架和豎直導(dǎo)軌。平行架主要保證測(cè)頭運(yùn)動(dòng)軌跡與圓錐紋軸線共面；豎直導(dǎo)軌用于調(diào)節(jié)測(cè)頭激光發(fā)射點(diǎn)至圓錐螺紋輪廓點(diǎn)的距離，可以保證其在測(cè)頭的測(cè)量范圍內(nèi)，進(jìn)而可以測(cè)量不同尺寸范圍的錐螺紋，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)

2 檢測(cè)裝置的工作原理

旋轉(zhuǎn)左端旋緊機(jī)構(gòu)基本工作流程：旋轉(zhuǎn)左端旋緊機(jī)構(gòu)，使拉緊螺母拉動(dòng)連桿沿著平行于拉緊螺母軸線方向移動(dòng)，連桿拉動(dòng)夾緊面使其夾緊被測(cè)工件，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊使其帶動(dòng)測(cè)頭沿著平行于錐螺紋軸線的方向移動(dòng)，通過測(cè)頭完成輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集，通過計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行處理，得到錐螺紋輪廓圖，計(jì)算出錐螺紋的參數(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而確定其是否符合標(biāo)準(zhǔn)[8]。

當(dāng)采集螺紋輪廓點(diǎn)時(shí)，由于存在螺紋升角，為了保證測(cè)頭移動(dòng)方向垂直于錐螺紋外輪廓線，避免測(cè)出來的數(shù)據(jù)點(diǎn)有偏差[9]，在兩夾緊面的中間位置安裝了平行架，平行架機(jī)構(gòu)可確保測(cè)頭的位移方向與錐螺紋的軸線方向平行，從而消除測(cè)頭位置偏差引起測(cè)量的不準(zhǔn)確點(diǎn)，三爪夾緊機(jī)構(gòu)可確保錐螺紋軸線與軸套軸心重合，可確保測(cè)頭移動(dòng)軌跡與螺紋軸線在同一平面內(nèi)，進(jìn)而確保測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

在同一平面內(nèi)，測(cè)頭可以在一定的測(cè)量范圍內(nèi)沿著導(dǎo)軌上下移動(dòng)，可測(cè)量不同尺寸的錐螺紋的輪廓，可確保測(cè)量范圍的廣泛性。測(cè)量流程如圖3所示。

圖3 測(cè)量流程圖

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 粗大誤差濾波

螺紋牙型輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集和處理是實(shí)現(xiàn)螺紋檢測(cè)任務(wù)的關(guān)鍵[10]，在處理數(shù)據(jù)的過程中，最重要的是獲取錐螺紋準(zhǔn)確的輪廓點(diǎn)，降噪過程可以得到用于計(jì)算準(zhǔn)確的輪廓點(diǎn)，通過濾波分析，可保證圖像不失真，最終實(shí)現(xiàn)螺紋幾何參數(shù)的檢測(cè)[11]，由于粗大誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響最大，所以采用粗大濾波的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，除了手動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行剔除，對(duì)于疑似偏移的區(qū)域可進(jìn)行3σ準(zhǔn)則剔除[12]，方差σ的計(jì)算公式為

(1)

3.2 數(shù)據(jù)擬合

數(shù)據(jù)擬合的方法有很多，試驗(yàn)結(jié)果表明加權(quán)總體最小二乘法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)平面擬合效果較好[14]，通過粗大數(shù)據(jù)濾波獲得輪廓的數(shù)據(jù)點(diǎn)，利用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。擬合獲取的輪廓曲線如圖4、圖5所示。

圖4 粗大濾波前擬合

圖5 粗大誤差濾波后擬合

通過對(duì)疑似的輪廓圖進(jìn)行多次測(cè)量計(jì)算，將計(jì)算的錐螺紋參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而確定所測(cè)零件是否符合標(biāo)準(zhǔn)[15]。

4 結(jié)論

錐螺紋檢測(cè)方法有很多，本文所探討的方法可減少安裝定位時(shí)螺紋軸線和測(cè)量軸線不重合所帶來的誤差，此裝置可測(cè)量不同尺寸的錐螺紋，更具有廣泛性，測(cè)量過程簡單方便，在實(shí)際應(yīng)用中滿足要求,在節(jié)約成本的同時(shí),保證了高精度測(cè)量,具有推廣使用價(jià)值。