基于激光三角法的螺纹型面信息采集技术研究

孙兴伟，张静，王可，冯欣

(沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳 110870)

0 前言

随着机械制造业的飞速发展，对制造和检验中测量技术的要求随之提高。唯有探索出精确可靠、高效便捷的测量方法才能提高机械加工的产品质量、生产效率和技术水平。近年来，激光三角法测量技术因其非接触性、抗干扰性和稳定性越来越受到人们的关注［1］。石油管螺纹修复后的尺寸参数测量与合格性判断长期以来一直采用单项参数检测和综合检测相结合的方法［2］，操作复杂、劳动强度大、工作效率低，激光三角法测量可以弥补这些不足，但是测量值准确度受被测表面曲率、表面粗糙度、激光反射特性等因素的影响，在测量螺纹表面等特殊曲面时存在较大的误差，对特殊曲面三角法测量的数据采集与处理进行研究十分必要。

1 螺纹型面激光三角法测量的基本原理

1.1 激光三角法测量基本原理

激光测量是一种典型的非接触式测量方法，与电磁测量法和声波测量法等其他非接触测量方法相比，该方法具有响应快速、分辨能力强、受环境磁场影响小等特点［3］，可以用来进行微小位移精确测量。激光三角法是激光测量方法中常用的一种，因其工作距离大、测量精度高等优点被广泛应用于加工制造与检验检测中［4－5］。三角法因其发射的激光束与反射的激光束构成一三角形而得名，在测量过程中入射激光束经被测表面反射后通过汇聚透镜投射在光敏感知原件上形成光斑［6］，被测表面移动时光斑位置发生变化，这样，则引起光电流的变化，从而测出被测表面移动的位移。

1.2 螺纹复杂型面测量原理

螺纹型面测量的基本原理如图1所示。对螺纹应用三角法进行测量，考虑激光干涉问题，入射光线和反射光线的夹角α不能大于牙型半角［7］，因此对于测量距离需要满足角度干涉条件。激光发生器发出入射激光束照射在被测螺纹表面上形成可见的光斑，被反射或散射后，再通过透镜将光斑成像于放置在焦平面上的光敏元件接受面上［8］，激光测距仪光斑在焦平面上的移动距离l1和被测表面移动距离l2之间存在定量关系，关系表达式如下:

式中:α为入射光线和反射光线的夹角;β为经透镜折射的光线与光敏面的夹角;l1为光敏面上光斑的移动距离;l2为被测表面的移动距离;d1为被测点与透镜间的距离;d2为光敏面光斑与透镜间的距离。

图1 激光三角法测量螺纹原理图

激光束经过聚焦后照射到被测物体表面，经漫反射后光线由成像透镜成像到光敏元件接受面上，通过光电转换器转换为电信号，电信号的输出大小仅与被测点的位置有关，当测点高度发生变化，像点位置随之改变，电信号的变化反映了光斑成像的位移值l1，光斑成像位置、激光发射光束入射角度和接收元件位置可以得出β和α的大小，代入关系式 (1)中计算出被测表面移动的位移值l2。故在螺纹测量中反射光线的角度对测量值的准确度有很大影响。

2 螺纹复杂型面特征几何信息的采集

螺纹型面作为螺旋曲面表现形式中的一种，与其他大曲率螺旋曲面相比表面形式变化频繁、端截面曲线存在特征突变点。受自身型面特征和激光测距仪器特性限制，螺纹型面测量值会存在一定的偏差。先建立螺纹理论模型，再结合模型研究螺纹截面曲线及型面特征，对螺纹型面信息进行采集，结合理论廓型的性质对测得的实测数据进行分析。

2.1 圆锥管螺纹几何特征截面廓形

图2 圆锥管螺纹理论实体模型

常见的三维建模软件均有普通螺纹模型建立的相关指令，但对于用于石油工业的圆锥管螺纹尚未出现适用的螺纹创建工具。以NC50型石油圆锥管螺纹为例，以螺纹参数的理论值为依据建立螺纹三维理论模型如图2所示，对理论模型进行剖切，牙顶小倾角短小直线段、牙侧为大倾角直线段、牙底与各段连接处均由圆弧组成，螺纹剖面各段型线特征迥异，故分段进行分析。

垂直于螺纹工件轴线剖切观察截形，在牙顶处相当于对圆台进行剖切，牙顶处对应的螺纹截面线为简单圆曲线的一部分，其余部分曲率半径按顺时针方向先减小后增大;过螺纹轴线进行剖切，可以直观地看到螺纹的牙形廓线，图3所示的牙型廓线由平面简单直线段和圆弧段组成，不存在多次复杂曲线，适用于最小二乘法［9］进行对不同形态的数据段分别进行拟合。

图3 石油圆锥管外螺纹理论牙形

2.2 圆锥管螺纹型面几何信息的采集

圆锥管螺纹型面几何信息的采集流程如图4所示。螺纹型面信息采集以SCK230型数控管螺纹修复机床为实验平台，利用激光测距仪获取螺纹型面几何信息，通过R232模块和串口通信单元进行数据传输。根据激光测距仪自身测量特性与尺寸参数设计测量安装方案，完成了NC50型石油管螺纹的激光测量。螺纹修复加工完毕后，机床主轴平稳停转时，激光测距仪移动至由干涉角度、测量范围、光束过中心等测量要求计算出的预定位置，激光测距仪沿工件轴线向远离工件方向缓慢运动，丝杠旋转带动脉冲编码器开始触发读取数据，测量结果存入计算机，为数据可用性判断、数据滤波与曲线拟合做准备。

图4 螺纹型面信息采集流程

3 数据处理

3.1 测量的螺纹截面廓形

应用前述的螺纹型面激光三角法测量基本原理，对NC50型石油圆锥管外螺纹型面几何特征进行数据采集，采集到的螺纹型面数据以文本文档的形式存于计算机中，通过坐标转换得到的螺纹截面廓形如图5所示。

图5 数据处理前型值点

3.2 数据处理算法

测量数据中存在对数据分析、曲线拟合、螺纹参数测量及合格性判定有影响的散乱点，其余数据出现不同幅度的波动。为去除散乱点及异常波动提高数据可操作性，应进行畸变数据段识别和滤波处理。针对螺纹牙顶、牙侧、牙底的曲线性质不同，依据一阶导数总体变化趋势提取出数据分段点，并识别出测量数据中螺纹牙侧上的畸变跳跃数据，使其与螺纹牙侧数据段进行融合，保留数据位置剔除数据值信息，等待螺纹牙侧有效数据点拟合后赋值。

经数据滤波与分段后，将每一分段区域内按窗口顺序降低数据扰动幅度，进行波动点识别。设某一分段区域有N个数据点，每一窗口包含M个数据点(M位奇数)，将第i个窗口中的数据点代入式 (2)中，窗口每次移动1个数据点，每一分段区域进行(N－M+1)次均方差阈值判断，对第 (N－M+1)个中间点进行标准差判别。当σi超出设定阈值σ0则判定为波动点，经多次试验σ0=0.1最适合用于本试验中螺纹测量数据的波动点判别，以插值点替代波动点，显著改善数据质量，减小数据异常波动。

拟合后的螺纹廓型由简单的直线段与圆弧构成，应用断点连续的最小二乘法在保证各分段区域线性拟合去除随机误差的基础上保证了分段点处的连续性。

3.3 数据处理结果

应用断点连续的最小二乘法进行数据处理，数值偏移量小，能较准确地表示螺纹型面的真实形态，由于数据点数目过多，表1中仅截取了一段牙侧测量数据点的测量值和拟合值为例进行对比。依据螺纹参数测量标准，在牙侧拟合线的基础上计算出最佳量针半径，通过计算及编程对螺纹型面测量数据拟合曲线应用虚拟的螺纹三针法，将量针球心距代入公式计算出所需的螺纹型面参数，最终通过螺纹测量系统的人机交互界面直观呈现处各项测量参数值。

表1 断点连续最小二乘法数据处理结果

4 结论

在对螺纹型面特征进行研究的基础上设计了基于激光三角法的螺纹测量方案，然后针对螺纹廓型及螺纹测量数据的特殊性通过一阶导数的变化趋势实现对测量数据的分段点与畸变点识别，用插值点替代以标准差阈值法判断出波动点，减少异常波动，最后应用基于断点连续的最小二乘法分段进行数据拟合，从螺纹测量拟合廓型中通过计算得出所需参数，实现螺纹测量的自动化，达到了较为理想的效果。

［1］董桦.基于PSD的激光位移检测中位移信号处理系统的研究［D］.长春:长春理工大学，2010.

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