基于激光测量的圆锥螺纹检测方法研究

张 犇，孙兴伟，王迎春

(沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)

0 前言

传统的锥螺纹检测方法主要分为两种：接触式和非接触式[1]，非接触式主要通过万能工具显微镜等光学仪器对锥度进行测量，存在的问题主要是人眼目视瞄准，自动化程度低，效率低，长时间使用容易造成视力疲劳[2]。近年来，机器视觉检测技术逐渐成为检测行业的一项热点技术，机器视觉测量方法属于非接触式测量方式，具有单次测量螺纹几何参数多、效率高的特点[3]，这可以大大提高检测效率。但这种测量由于价格昂贵不能被广泛应用[4]，在实际测量中很多非接触激光测量装置未能够考虑到锥螺纹结构的不对称性，没有很好地解决测量距离不断变化引起的修正问题，造成测量结果的不准确性[5]，在实际生产中传统的螺纹检测已经不能满足提高产品质量以及生产率的要求，而引进国外成套设备成本高昂[6],因此基于螺纹测量的基本方法和原理,采用计算机处理技术自行研制开发了锥度螺纹检测装置,可实现准确定心、快速、高效的测量被测件的轮廓，可实现高效率、低成本的自动化检测[7]。

1 检测装置的结构和原理

测量系统由激光测头、测头控制器、锥螺纹夹紧装置、计算机、以及输出设备组成。主要包括测量、夹紧定心、调节等三大部分。

1.1 测量部分

测量部分主要包括激光测头、步进电机、滑块。

1.2 夹紧定心部分

夹紧定心部分主要由旋紧机构、拉紧螺母、轴套和夹紧面组成。三个夹紧面均匀分布在轴套上，对锥螺纹的夹紧起到定心的作用，拉紧螺母拉动连杆，在支点的支撑下，夹紧面可以有一定的角度摆动，当摆动角度与锥螺纹锥度相同时，被测工件被夹紧。结构如图1所示。

图1 锥螺纹夹紧定心结构图

1.3 调节部分

调节部分主要包括平行架和竖直导轨。平行架主要保证测头运动轨迹与圆锥纹轴线共面；竖直导轨用于调节测头激光发射点至圆锥螺纹轮廓点的距离，可以保证其在测头的测量范围内，进而可以测量不同尺寸范围的锥螺纹，具体结构如图2所示。

图2 测量装置结构

2 检测装置的工作原理

旋转左端旋紧机构基本工作流程：旋转左端旋紧机构，使拉紧螺母拉动连杆沿着平行于拉紧螺母轴线方向移动，连杆拉动夹紧面使其夹紧被测工件，步进电机驱动滑块使其带动测头沿着平行于锥螺纹轴线的方向移动，通过测头完成轮廓数据点的采集，通过计算机对数据点进行处理，得到锥螺纹轮廓图，计算出锥螺纹的参数，与标准参数进行对比，进而确定其是否符合标准[8]。

当采集螺纹轮廓点时，由于存在螺纹升角，为了保证测头移动方向垂直于锥螺纹外轮廓线，避免测出来的数据点有偏差[9]，在两夹紧面的中间位置安装了平行架，平行架机构可确保测头的位移方向与锥螺纹的轴线方向平行，从而消除测头位置偏差引起测量的不准确点，三爪夹紧机构可确保锥螺纹轴线与轴套轴心重合，可确保测头移动轨迹与螺纹轴线在同一平面内，进而确保测量的数据点。

在同一平面内，测头可以在一定的测量范围内沿着导轨上下移动，可测量不同尺寸的锥螺纹的轮廓，可确保测量范围的广泛性。测量流程如图3所示。

图3 测量流程图

3 数据处理

3.1 粗大误差滤波

螺纹牙型轮廓数据点的采集和处理是实现螺纹检测任务的关键[10]，在处理数据的过程中，最重要的是获取锥螺纹准确的轮廓点，降噪过程可以得到用于计算准确的轮廓点，通过滤波分析，可保证图像不失真，最终实现螺纹几何参数的检测[11]，由于粗大误差对实验的影响最大，所以采用粗大滤波的方法对数据进行滤波，除了手动对数据点进行剔除，对于疑似偏移的区域可进行3σ准则剔除[12]，方差σ的计算公式为

(1)

3.2 数据拟合

数据拟合的方法有很多，试验结果表明加权总体最小二乘法对点云数据平面拟合效果较好[14]，通过粗大数据滤波获得轮廓的数据点，利用最小二乘法对数据进行拟合。拟合获取的轮廓曲线如图4、图5所示。

图4 粗大滤波前拟合

图5 粗大误差滤波后拟合

通过对疑似的轮廓图进行多次测量计算，将计算的锥螺纹参数与标准参数进行比对，进而确定所测零件是否符合标准[15]。

4 结论

锥螺纹检测方法有很多，本文所探讨的方法可减少安装定位时螺纹轴线和测量轴线不重合所带来的误差，此装置可测量不同尺寸的锥螺纹，更具有广泛性，测量过程简单方便，在实际应用中满足要求,在节约成本的同时,保证了高精度测量,具有推广使用价值。