孫興偉，張靜，王可，馮欣

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

0 前言

隨著機(jī)械制造業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)制造和檢驗(yàn)中測(cè)量技術(shù)的要求隨之提高。唯有探索出精確可靠、高效便捷的測(cè)量方法才能提高機(jī)械加工的產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和技術(shù)水平。近年來，激光三角法測(cè)量技術(shù)因其非接觸性、抗干擾性和穩(wěn)定性越來越受到人們的關(guān)注［1］。石油管螺紋修復(fù)后的尺寸參數(shù)測(cè)量與合格性判斷長(zhǎng)期以來一直采用單項(xiàng)參數(shù)檢測(cè)和綜合檢測(cè)相結(jié)合的方法［2］，操作復(fù)雜、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低，激光三角法測(cè)量可以彌補(bǔ)這些不足，但是測(cè)量值準(zhǔn)確度受被測(cè)表面曲率、表面粗糙度、激光反射特性等因素的影響，在測(cè)量螺紋表面等特殊曲面時(shí)存在較大的誤差，對(duì)特殊曲面三角法測(cè)量的數(shù)據(jù)采集與處理進(jìn)行研究十分必要。

1 螺紋型面激光三角法測(cè)量的基本原理

1.1 激光三角法測(cè)量基本原理

激光測(cè)量是一種典型的非接觸式測(cè)量方法，與電磁測(cè)量法和聲波測(cè)量法等其他非接觸測(cè)量方法相比，該方法具有響應(yīng)快速、分辨能力強(qiáng)、受環(huán)境磁場(chǎng)影響小等特點(diǎn)［3］，可以用來進(jìn)行微小位移精確測(cè)量。激光三角法是激光測(cè)量方法中常用的一種，因其工作距離大、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于加工制造與檢驗(yàn)檢測(cè)中［4－5］。三角法因其發(fā)射的激光束與反射的激光束構(gòu)成一三角形而得名，在測(cè)量過程中入射激光束經(jīng)被測(cè)表面反射后通過匯聚透鏡投射在光敏感知原件上形成光斑［6］，被測(cè)表面移動(dòng)時(shí)光斑位置發(fā)生變化，這樣，則引起光電流的變化，從而測(cè)出被測(cè)表面移動(dòng)的位移。

1.2 螺紋復(fù)雜型面測(cè)量原理

螺紋型面測(cè)量的基本原理如圖1所示。對(duì)螺紋應(yīng)用三角法進(jìn)行測(cè)量，考慮激光干涉問題，入射光線和反射光線的夾角α不能大于牙型半角［7］，因此對(duì)于測(cè)量距離需要滿足角度干涉條件。激光發(fā)生器發(fā)出入射激光束照射在被測(cè)螺紋表面上形成可見的光斑，被反射或散射后，再通過透鏡將光斑成像于放置在焦平面上的光敏元件接受面上［8］，激光測(cè)距儀光斑在焦平面上的移動(dòng)距離l1和被測(cè)表面移動(dòng)距離l2之間存在定量關(guān)系，關(guān)系表達(dá)式如下:

式中:α為入射光線和反射光線的夾角;β為經(jīng)透鏡折射的光線與光敏面的夾角;l1為光敏面上光斑的移動(dòng)距離;l2為被測(cè)表面的移動(dòng)距離;d1為被測(cè)點(diǎn)與透鏡間的距離;d2為光敏面光斑與透鏡間的距離。

圖1 激光三角法測(cè)量螺紋原理圖

激光束經(jīng)過聚焦后照射到被測(cè)物體表面，經(jīng)漫反射后光線由成像透鏡成像到光敏元件接受面上，通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)的輸出大小僅與被測(cè)點(diǎn)的位置有關(guān)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)高度發(fā)生變化，像點(diǎn)位置隨之改變，電信號(hào)的變化反映了光斑成像的位移值l1，光斑成像位置、激光發(fā)射光束入射角度和接收元件位置可以得出β和α的大小，代入關(guān)系式 (1)中計(jì)算出被測(cè)表面移動(dòng)的位移值l2。故在螺紋測(cè)量中反射光線的角度對(duì)測(cè)量值的準(zhǔn)確度有很大影響。

2 螺紋復(fù)雜型面特征幾何信息的采集

螺紋型面作為螺旋曲面表現(xiàn)形式中的一種，與其他大曲率螺旋曲面相比表面形式變化頻繁、端截面曲線存在特征突變點(diǎn)。受自身型面特征和激光測(cè)距儀器特性限制，螺紋型面測(cè)量值會(huì)存在一定的偏差。先建立螺紋理論模型，再結(jié)合模型研究螺紋截面曲線及型面特征，對(duì)螺紋型面信息進(jìn)行采集，結(jié)合理論廓型的性質(zhì)對(duì)測(cè)得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 圓錐管螺紋幾何特征截面廓形

圖2 圓錐管螺紋理論實(shí)體模型

常見的三維建模軟件均有普通螺紋模型建立的相關(guān)指令，但對(duì)于用于石油工業(yè)的圓錐管螺紋尚未出現(xiàn)適用的螺紋創(chuàng)建工具。以NC50型石油圓錐管螺紋為例，以螺紋參數(shù)的理論值為依據(jù)建立螺紋三維理論模型如圖2所示，對(duì)理論模型進(jìn)行剖切，牙頂小傾角短小直線段、牙側(cè)為大傾角直線段、牙底與各段連接處均由圓弧組成，螺紋剖面各段型線特征迥異，故分段進(jìn)行分析。

垂直于螺紋工件軸線剖切觀察截形，在牙頂處相當(dāng)于對(duì)圓臺(tái)進(jìn)行剖切，牙頂處對(duì)應(yīng)的螺紋截面線為簡(jiǎn)單圓曲線的一部分，其余部分曲率半徑按順時(shí)針方向先減小后增大;過螺紋軸線進(jìn)行剖切，可以直觀地看到螺紋的牙形廓線，圖3所示的牙型廓線由平面簡(jiǎn)單直線段和圓弧段組成，不存在多次復(fù)雜曲線，適用于最小二乘法［9］進(jìn)行對(duì)不同形態(tài)的數(shù)據(jù)段分別進(jìn)行擬合。

圖3 石油圓錐管外螺紋理論牙形

2.2 圓錐管螺紋型面幾何信息的采集

圓錐管螺紋型面幾何信息的采集流程如圖4所示。螺紋型面信息采集以SCK230型數(shù)控管螺紋修復(fù)機(jī)床為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用激光測(cè)距儀獲取螺紋型面幾何信息，通過R232模塊和串口通信單元進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)激光測(cè)距儀自身測(cè)量特性與尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)測(cè)量安裝方案，完成了NC50型石油管螺紋的激光測(cè)量。螺紋修復(fù)加工完畢后，機(jī)床主軸平穩(wěn)停轉(zhuǎn)時(shí)，激光測(cè)距儀移動(dòng)至由干涉角度、測(cè)量范圍、光束過中心等測(cè)量要求計(jì)算出的預(yù)定位置，激光測(cè)距儀沿工件軸線向遠(yuǎn)離工件方向緩慢運(yùn)動(dòng)，絲杠旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)脈沖編碼器開始觸發(fā)讀取數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果存入計(jì)算機(jī)，為數(shù)據(jù)可用性判斷、數(shù)據(jù)濾波與曲線擬合做準(zhǔn)備。

圖4 螺紋型面信息采集流程

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 測(cè)量的螺紋截面廓形

應(yīng)用前述的螺紋型面激光三角法測(cè)量基本原理，對(duì)NC50型石油圓錐管外螺紋型面幾何特征進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集到的螺紋型面數(shù)據(jù)以文本文檔的形式存于計(jì)算機(jī)中，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到的螺紋截面廓形如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理前型值點(diǎn)

3.2 數(shù)據(jù)處理算法

測(cè)量數(shù)據(jù)中存在對(duì)數(shù)據(jù)分析、曲線擬合、螺紋參數(shù)測(cè)量及合格性判定有影響的散亂點(diǎn)，其余數(shù)據(jù)出現(xiàn)不同幅度的波動(dòng)。為去除散亂點(diǎn)及異常波動(dòng)提高數(shù)據(jù)可操作性，應(yīng)進(jìn)行畸變數(shù)據(jù)段識(shí)別和濾波處理。針對(duì)螺紋牙頂、牙側(cè)、牙底的曲線性質(zhì)不同，依據(jù)一階導(dǎo)數(shù)總體變化趨勢(shì)提取出數(shù)據(jù)分段點(diǎn)，并識(shí)別出測(cè)量數(shù)據(jù)中螺紋牙側(cè)上的畸變跳躍數(shù)據(jù)，使其與螺紋牙側(cè)數(shù)據(jù)段進(jìn)行融合，保留數(shù)據(jù)位置剔除數(shù)據(jù)值信息，等待螺紋牙側(cè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合后賦值。

經(jīng)數(shù)據(jù)濾波與分段后，將每一分段區(qū)域內(nèi)按窗口順序降低數(shù)據(jù)擾動(dòng)幅度，進(jìn)行波動(dòng)點(diǎn)識(shí)別。設(shè)某一分段區(qū)域有N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每一窗口包含M個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(M位奇數(shù))，將第i個(gè)窗口中的數(shù)據(jù)點(diǎn)代入式 (2)中，窗口每次移動(dòng)1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每一分段區(qū)域進(jìn)行(N－M+1)次均方差閾值判斷，對(duì)第 (N－M+1)個(gè)中間點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差判別。當(dāng)σi超出設(shè)定閾值σ0則判定為波動(dòng)點(diǎn)，經(jīng)多次試驗(yàn)σ0=0.1最適合用于本試驗(yàn)中螺紋測(cè)量數(shù)據(jù)的波動(dòng)點(diǎn)判別，以插值點(diǎn)替代波動(dòng)點(diǎn)，顯著改善數(shù)據(jù)質(zhì)量，減小數(shù)據(jù)異常波動(dòng)。

擬合后的螺紋廓型由簡(jiǎn)單的直線段與圓弧構(gòu)成，應(yīng)用斷點(diǎn)連續(xù)的最小二乘法在保證各分段區(qū)域線性擬合去除隨機(jī)誤差的基礎(chǔ)上保證了分段點(diǎn)處的連續(xù)性。

3.3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

應(yīng)用斷點(diǎn)連續(xù)的最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)值偏移量小，能較準(zhǔn)確地表示螺紋型面的真實(shí)形態(tài)，由于數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目過多，表1中僅截取了一段牙側(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)的測(cè)量值和擬合值為例進(jìn)行對(duì)比。依據(jù)螺紋參數(shù)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，在牙側(cè)擬合線的基礎(chǔ)上計(jì)算出最佳量針半徑，通過計(jì)算及編程對(duì)螺紋型面測(cè)量數(shù)據(jù)擬合曲線應(yīng)用虛擬的螺紋三針法，將量針球心距代入公式計(jì)算出所需的螺紋型面參數(shù)，最終通過螺紋測(cè)量系統(tǒng)的人機(jī)交互界面直觀呈現(xiàn)處各項(xiàng)測(cè)量參數(shù)值。

表1 斷點(diǎn)連續(xù)最小二乘法數(shù)據(jù)處理結(jié)果

4 結(jié)論

在對(duì)螺紋型面特征進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于激光三角法的螺紋測(cè)量方案，然后針對(duì)螺紋廓型及螺紋測(cè)量數(shù)據(jù)的特殊性通過一階導(dǎo)數(shù)的變化趨勢(shì)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分段點(diǎn)與畸變點(diǎn)識(shí)別，用插值點(diǎn)替代以標(biāo)準(zhǔn)差閾值法判斷出波動(dòng)點(diǎn)，減少異常波動(dòng)，最后應(yīng)用基于斷點(diǎn)連續(xù)的最小二乘法分段進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，從螺紋測(cè)量擬合廓型中通過計(jì)算得出所需參數(shù)，實(shí)現(xiàn)螺紋測(cè)量的自動(dòng)化，達(dá)到了較為理想的效果。

［1］董樺.基于PSD的激光位移檢測(cè)中位移信號(hào)處理系統(tǒng)的研究［D］.長(zhǎng)春:長(zhǎng)春理工大學(xué)，2010.

［2］佟巖，馬宇，李琳.大尺寸螺紋檢測(cè)技術(shù)研究［J］.宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2013，33(2):22－26.

［3］白林.基于激光位移檢測(cè)技術(shù)的螺紋檢測(cè)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)［D］.成都:電子科技大學(xué)，2012.

［4］郝娟，盛東良，肖定國.激光三角法內(nèi)孔測(cè)頭固有幾何參數(shù)標(biāo)定方法［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2013(8):124－127.

［5］譚海艷，趙小軍.基于激光三角法的零件表面粗糙度在線測(cè)量［J］.機(jī)床與液壓［J］，2010，38(6):67－69.

［6］雷霆，秦東，興胡峰.基于CMOS激光位移傳感器的板厚測(cè)量系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2012(5):144－145.

［7］景敏，陳曼龍，楊帆.基于機(jī)器視覺的螺紋參數(shù)綜合測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.測(cè)控技術(shù)，2013，32(11):35－38.

［8］嚴(yán)索，李頂根，于召亮.三角法激光位移傳感器的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2011，35(10):24－27.

［9］王可，唐忠輝，孫興偉.一種點(diǎn)云數(shù)據(jù)曲線光順處理算法［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013(2):64－66，69.