基于激光测量技术对外螺纹中径测量的研究

山西中北大学机电工程学院　李琳　庞学慧　郑智贞　秦慧斌　苏校峰

基于激光测量技术对外螺纹中径测量的研究

山西中北大学机电工程学院李琳庞学慧郑智贞秦慧斌苏校峰

本文鉴于外螺纹中径在测量时的特点和难点，提出了一种对外螺纹中径的非接触式测量的新型方法，主要包含有激光测量技术、光栅位移传感器检测技术、测量装置总体结构设计和上位机数据处理等。该检测装置可以满足多数条件下实现对外螺纹中径的测量，同时也能避免像接触式那样在测量时因接触而导致的变形问题。

螺纹中径测量；激光测量技术；光栅位移传感器

1引言

目前在国内外对外螺纹中径检测方法有很多，均可实现精准检测，其中多以接触式的检测方式为主，其弊端就是工作量较大、检测时效率较低，而在特殊环境下要实现人工检测相对来说也比较困难。随着工业4.0的提出以及螺纹在未来工业生产上的众多应用，尤其是对螺纹中径的测量技术，还有对中径测量的效率的要求等也会越来越高［1］。为此，针对以上情形提出了一种对外螺纹中径的非接触式检测的新型方法。

2测量装置的组成

测量装置主要包含：激光测量器、移动平台、步进电机、QH-200光栅尺、上位机等。光栅尺选用QH-200型，测量范围：200mm～1000mm，栅距20μm，测量精度：±5μm，输出信号为TTL方波。

由测量原理和测量方法［2］，并考虑到在对外螺纹中径测量时的各项要求，简单、易操作等特性，决定采用用CATIA软件，设计如图1所示的外螺纹中径测量装置的结构图。

图1　测量装置结构图1、光栅尺　2、步进电机　3、移动导轨4、丝杠　5、激光测量器发射端6、激光测量器接收端　7、螺纹工件

3测量方法

图2　示意图

在对螺纹中径进行测量时首先将激光测量装置的发射器和接收器（如图1中的5和6所示），固定在精密移动平台上，激光测量器发射端发出的平行光幕穿过被测螺纹工件的中心轴线并与中心轴线保持平行到达接收端，且螺纹工件的中心轴线与激光测量装置发出的光幕的边缘垂直。启动计算机、步进电机，控制精密移动平台移动（激光测量器前进的方向为X轴），激光测量器沿螺纹中心轴线垂直的方向移动。如图2所示，当光幕经过被测螺纹时，有一部分光幕通过螺纹牙型上沟槽，有一部分光幕则被凸起挡住即：BC和CD，当BC=CD时，可知此为螺纹中径的第一次位置，沿X轴继续移动，直到再次出现EF=FG时，同样此时则可以确定此位置为螺纹中径的第二次位置，将两次位置的读数作差即为螺纹中径的尺寸值。为了得到精确的位移量，将高精度的光栅位移传感器，安装在移动平台的固定端和移动端，光栅尺在移动平台上移动时会对应的引起栅距变化，光栅尺的栅距变化时就会输出一个电平方波脉冲，这些脉冲则被单片机控制器接收，经过数模转化上传到计算机，得到X轴方向上移动的距离［3］。在测量时为了保证测试精度和数值的准确性，测量装置采用在每个螺距的范围内检测若干个点进行读数，通常取500～800点。激光测量器工作频率f、移动平台运动速度v、每个螺距内检测点数n、螺距P，它们之间的关系为：v=Pf/n。

4 LS-7030激光测量器的工作原理

通过外螺纹牙型上沟槽的平行光幕，有一部分光幕就会被上沟槽的凸起挡住不能到达测量器的接收端，有一部分光幕则未被遮挡通过沟槽后到达接收器。激光测量器的参数：测量范围：0.3mm～30mm；发射装置和接收装置之间的距离：160± 40mm；测量精度：2μm。其工作原理为：Gan.LED辐射光通过散射件后再通过准直仪镜头，这样就会形成均匀的平行光，形成均匀的平行光后通过被测螺纹工件，螺纹工件的影像经过远心光学系统就可以在HL-CCD上实现，HL-CCD输出的信号由中央处理器和控制器中的DE处理器进行处理，就可以得到被测目标的参数［4］，其工作原理如图3所示。

图3　激光测量器工作原理图1、Gan.LED辐射光　2、散射组件3、准直仪镜头发射器　4、螺纹工件5、远心光学系统　6、高速线性CCD 7、控制输入　8、控制输出9、模拟通道输出　10、RS-232C端口

5计算机的数据处理

得到这些数据的过程最关键的地方就是外螺纹中径位置的确定。经过多次的思考，在确定中径尺寸值时通过做差取绝对值。在螺纹的任意位置选取螺纹牙型凸起的宽度为τ，选取沟槽的宽度为ξ，当平行光幕经过螺纹牙型时，计算机显示器上会对应的出现τ和ξ的值。设T为两次读数的差值的绝对值即：T=|τ-ξ|。

启动计算机，及相对应的软件，控制步进电机和精密移动平台的移动，当计算机上将T值的变化收集后可知，在确定外螺纹中径的位置时就是当T值最小时，此时光栅尺记录下对应的位移数据Ψ，并将数据及时上传到上位机；继续移动移动平台，当再次出现最小T值时，计算机上则会再次得到光栅尺传回的数据x，通过多次测量，就可以得到n个Ψ值和n个x值，定义外螺纹中径的尺寸值为R，取平均值后得：R=Ψ￣-x¯。

6结语

非接触式测量外螺纹中径时，因为不接触被测螺纹工件，从而消除了因接触产生应力而导致的测量误差［5］，非接触式测量方式的优点是易操作、测量精度高、对被测螺纹工件表面要求较低、测量参数速度快等。

［1］左建中，刘峰，张定昭.机器视觉技术在螺纹检测中的应用［J］.机械设计与制造，2006，4（4）：113-114.

［2］张广玉，简继红，陈志刚，王蔡健.测量锥螺纹中径的图像“三针法”［J］.工具技术，2006，40（12）：73-76.

［3］王世峰，赵馨，佟首峰，刘云清，刘鹏，范静涛.基于激光位移检测技术的螺纹检测仪研制［J］.仪器仪表学报，2007，28（4）：755-759.

［4］李吉成，黄惟公，王萌.LS-7000测量位移的应用 ［J］.机电信息，2010，（18）：77-78.

［5］徐爱群，项占琴，陈子辰.非接触式自动螺纹检测仪的研制［J］.浙江大学学报（工学版），2005，39（8）：1179-1183.

李琳，河北省唐山市人，硕士研究生，研究方向：几何精密测量技术。