基于激光位移检测技术的螺纹检测仪研制

仪器仪表学报

Chinese Journal of Scientific I nstru ment

Vol 128No 14Ap r 12007

基于激光位移检测技术的螺纹检测仪研制

王世峰,赵　馨,佟首峰,刘云清,刘　鹏,范静涛

(长春理工大学　长春　130022)

摘　要:针对内、外螺纹外形检测的特点和难点,本文提出了一种基于激光位移检测技术、光栅位移检测技术、精密机械技术和

计算机辅助数据处理技术的非接触检测方法。该系统具有2μm 的检测灵敏度,±30μm 位移检测精度,以及2kHz 的检测带宽。实验证明,该方法能够快速、高精度地测量齿高、齿顶角、螺距、锥度等多项螺纹尺寸参数。文中详细论述了系统的组成、检测原理与方法、上位机软件的数据处理,分析了系统误差产生的原因和提高精度办法。关键词:螺纹检测;激光位移传感器;误差分析

中图分类号:TG85　　文献标识码:B 　　国家标准学科分类代码:510.804

D evelopm en t of screwthread detector ba sed on

l a ser prob i n g d ispl acem en t techn i que

W ang Shifeng,Zhao Xin,T ong Shoufeng,L iu Yunqing,L iu Peng,Fan J ingtao

(Changchun U niversity of Science and Technology,Changchun 130022,China )

Abstract :A i m ing at the features and difficulties internal and external scre wthread detecti on,a non Οcontact measure 2ment syste m is p r oposed,which is based on the technol ogies of laser dis p lace ment p r obing,grating dis p lace ment in 2s pecti on,fine mechanics,computer real Οti m e contr ol and data p r ocessing .The syste m features the s oluti on of 2μm ,the p recisi on of ±30μm and the detecti on band width of 2kHz .Ex peri m ents p r ove that this device can measure many para meters,such as thread dep th,p ressure angle,p itch,and als o including taper angles of both internal and external sre wthreads quickly and accurately .I n this article,the syste m compositi on,measure ment p rinci p le,and da 2ta p r ocessing of host PC are described .The syste m err or s ources and the way t o i m p r ove the syste m p recisi on are als o analyzed .

Key words :scre wthread detect or;laser dis p lace ment sens or;err or analysis

　收稿日期:2006204　Received Date:2006204

1　引　　言

目前,对内、外螺纹的检测,国内、外业内人士都提出了多种检测方法,但大多都以接触式检测为主,接触式测量方法都有测量精度差、费时耗力、对检测人员要求高等问题。由于螺纹标准件的参数多,并且通常又需要批量检测,很难做到逐项参数的单项检测,因而多以综合检测为主。所以要对管界内螺纹进行量化测量,同时考虑到对其他检测参数的要求,本文决定采用基于激光位移传感器的数据采集处理系统来实现的内、外螺纹外形的非接触检测。

2　螺纹的非接触检测方案

通过对螺纹各种测试设备综合研究发现,各种测试设备都是以螺纹的中心轴线纵向截面齿形为主要研究对象,然后推导出所测量参量与待测螺纹参数之间的数学关系。也就是说,获取这一齿形的信息是本测量装置的核心任务。

2.1　外螺纹检测方法

在检测外螺纹时,如图1所示,首先将传感器通过机械结构与精密位移平台固定,使得传感器发出激光的延长线能够通过被测管形件的中心轴线,且与其相垂直,然后控制位移平台使传感器在平行于管形件中心轴线的X

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轴方向上移动。为了将传感器的位移量精确计量,位移

平台的移动端和固定端上固定了光栅尺。这样,传感器每移动栅距(本系统使用光栅尺栅距为20μm )的距离,光栅尺将输出一个TT L 电平的方波。与此同时光栅尺有每经过固定位移输出的方波脉冲,而控制器的主控MCU 工作于该脉冲产生的中断程序中,每产生一个中断信号即对激光位移传感器输出的模拟量进行一次采集并传送给上位机,从而使上位机获得此时Y 轴方向上的信息

。

图1　外螺纹检测示意Fig .1External sre wthread measure ment

这样,上位机每获得一个Y 轴方向上测量到的数据

时,即可知道该数据与上一个数据在X 轴方向上相差一个固定的位移(本系统使用了20μm 栅距的光栅尺),这样,使用n 对X 轴、Y 轴数据就能够合成某一截面的齿形。随后,用上位机对这n 个数据进行合理的判断、滤波、分段,找到各齿面的直线段部分,进一步求出直线段部分的交点并计算出几个基本参数,再计算出导出参数,最后进行误差补偿,把测量数据存入数据库,一个完整的测量周期结束。系统的最大检测带宽能够达到2kHz 。212　内螺纹检测方法

本螺纹检测装置在检测不同的螺纹(内螺纹和外螺纹)的情况下,传感器的机械固定方式有所不同。如图2所示,对于管形件的内螺纹的检测,由于被测管形件内径的,不能将传感器伸入内径中,所以辅助简单的光学系统来实现对内螺纹的测量。在传感器外壳上固定一个细长机械延伸支架,此支架与光电位移传感器严格垂直,并且能够深入管形工件内部。在延伸支架的顶端,放置光学三角棱镜,主动光源入射到棱镜斜面上,并被反射到内螺纹被测表面形成散射斑。设计好棱镜支架的长度,使光斑的漫反射像经过角镜折射到达传感器的最佳检测距离80mm 附近。被测表面的光斑通过漫反射将光再次反射回光学角镜,激光传感器中的CCD 检测系统接

收到棱镜折射回来的漫反射光信号,这样对于传感器和后续设备来说,

与检测外螺纹就没有什么不同了。

图2　内螺纹检测示意

Fig .2I nternal sre wthread measure ment

3　上位机的数据处理

在该系统中,光栅尺的位移已经间接给出了X 轴的数据量,而Y 轴方向上的齿形信息是通过激光位移传感

器器所探测出的螺纹被测齿面到CCD 镜头的距离而得出的,这个距离由主控MCU 采集至片内RAM 后,再通过RS232C 或RS485协议传送给上位机(串行通信波特率定为57600b /s )。

在软件的数据处理过程中,最为关键的地方即是对螺纹齿形数据的直线段的选取,直线段选取算法的优劣直接决定了整个螺纹数据测量最终结果的准确性。经过多次反复斟酌和选择,最后确定选取螺纹数据直线段的步骤如下:

(1)读取数据文件,转换为螺纹采样数据;

(2)对数据进行一阶低通滤波;(3)求取滤波后数据的导数;(4)根据导数对数据进行粗略分段;

(5)对每段数据进行线性回归,比较每组回归的方

差,以方差最小的数据点作为此段数据的直线段数据;

(6)根据要求决定是否剔除起头或结尾的数据;(7)根据选择出的螺纹标准直线段数据拟合出各段

直线的方程。

得到各个直线方程后,就可以求取各段直线的交点,进而求得螺距,再根据螺纹外形参数关系求得齿高、齿顶角、锥度等参数。对某一段锥形外螺纹的测量结果如下:

(1)对齿高的数据处理,以第3个齿高8次测量的结

果作为数据处理的对象,得到数据:

L =x -+δli m x -=(1.545±

0.0033)mm (2)对齿顶角的的数据处理,以第3个齿顶角8次测

量的结果作为数据处理的对象,得到数据:

L =x -+δli m x -=(66.9583±

0.13192)°

　第4期王世峰等:基于激光位移检测技术的螺纹检测仪研制757

　(3)在8次测量结果中,将螺距的数据提取出来,得到:L =x -+δli m x -=(2.5431±

0.00000)mm (4)在8次测量结果中,将锥度的数据提取出来,得到:L =x -+δli m x -

=(0.02494±

0.000094)从多次测量和运算的结果来看,任何一次测量都没有粗大误差的出现,各项参数的测量都得到了较小的方差。

4　螺纹检测系统误差来源分析

影响本螺纹检测系统测量精度的因素是多方面的,归纳起来,影响较大的因素主要有:

4.1　Y 轴测量误差

激光位移传感器在检测位移时将产生一定的误差,这个误差即是上位机软件在勾画螺纹外形时纵向Y 轴位移误差。能够引起该Y 轴误差包括光三角测量原理引入的误差,CCD 成像光斑信噪比不够引入的光斑位置细分误差,光斑远离动态范围引起的线性误差,模拟信号干扰误差和A /D 转换单元电路板引入的量化误差。如图3所示,激光位移传感器发射出的激光束其能量服从高斯分布,这样从透镜到被测面的距离在300～

400mm 时能够得到最佳的检测光斑,此时光斑的形状最

圆,亮度最高,即漫反射效果最佳,从而使CCD 接收到更好的光信号;而当检测距离增大或减小150mm 即在250～350mm 和400～450mm 的范围内时,由于激光光束自身的特点,此时检测光斑将稍稍变大,而且能量相对分散一些,从而不利于CCD 检测图像信号;当检测范围在200～250mm 和450～500mm 时,此时的检测光斑形状和能量分布将最差,光斑直径最大,最终将导致激光位移传感器的检测精度下降

。

图3　检测距离对检测精度的影响

Fig .3　The relati onshi p of the measure ment distance and precisi on

综上所述,激光位移传感器在距离350mm 处为中心检测范围,而中心±50mm 范围内检测精度最高,±50～

±100mm 范围内精度一般,±100～±150mm 范围时相

对来讲精度最低。

4.2　X 轴测量误差

虽说在该项目中所使用的SGC4.2型光栅尺在移动的时候每隔20μm 发出一个方波电信号,但这个电信号的产生也会含有一定的误差,这主要取决于光栅尺的栅距和后续电路的细分能力。通常对于螺纹的牙型角和螺距这两个参数,光栅尺引入的误差和激光位移传感器引起的误差相比权重要大,所以为了减小该项系统误差,需要重视轴向伺服精度。在系统改良的方案中应包含选用栅距更小的光栅尺。4.3　机械结构引起的误差

由于机械结构在设计及加工时而产生形位的误差,机械装夹结构引起平行度误差、倾角误差已及整个设备的随机振动误差。其中,平行度误差、倾角误差为系统误差。它使得激光位移传感器最后的装夹位置及角度产生一定的误差,从而引起激光束不能垂直入射被测面。

(1)YO Z 面内的倾角

如图4所示,激光位移传感器检测外螺纹时延OX 轴平移,假设在YO Z

面内产生了倾角误差。

图4　传感器在YO Z 面内的倾角示意

Fig .4　The obliquity of sens or on YO Z p

lane

图5　YO Z 面内有时倾角检测距离与检测结果的关系

Fig .5　The relati onshi p of the measure ment distance and the out put anal og signal when existing the

obliquity of sens or on YO Z p lane

如图5所示,将该倾角误差放大至±30°时,通过试

验,此时的模拟量输出在最大可测量范围处将相差±25mV 。即模拟量输出将得到原有真实值的一个正比

758　仪　器　仪　表　学　报第28卷

例放大K 1,而激光束与被测面的垂直偏离量Δθ1和这个

放大系数K 1又是成正比例关系。所以说最后测得的Y

轴位移数据量将与该倾角Δθ1成二次方比例的关系。

(2)YOX 面内的倾角

如图6所示,激光位移传感器沿OX 轴平移,假设在

YOX 面内产生倾角误差

。

图6　传感器在YOX 面内的倾角示意

Fig .6The obliquity of sens or on YOX p lane

如图7所示,将该倾角误差放大至±30°时,此时的

模拟量输出在最大可测量范围处将相差±20mV 。即模拟量输出将得到原有真实值的一个正比例放大K 2,而激

光束与被测面的垂直偏离量Δθ3和这个放大系数K 2又是成正比例关系。所以说最后测得的Y 轴位移数据量将与

该倾角Δθ2成二次方比例的关系

。

图7　Y OX 面内有时倾角检测距离与检测结果的关系

Fig .7The relati onshi p of the measurement distance and the output anal og signal when existing the

obliquity of sens or on YOX p lane

5　结　　论

该项非接触螺纹检测技术具有精度高、速度快、可在线检测等优点。截至到现在所做的工作,已经实现了对螺纹的齿高、齿顶角、螺距、锥度的参数的检测,并取得了较为理想的测试结果,经过对上位机算法的进一步研究和改进还能够得出螺纹中径、齿顶截距、齿根截距等参数。但需要改进的地方主要集中在机械装夹方案上,高精度、高效率的机械装夹方案是尽一步提高系统的检测

精度的重要因素。　　参考文献

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作者简介

王世峰,男,1978年9月出生,分别于

2002年和2005年在长春理工大学获得学

士和硕士学位,现为长春理工大学博士研究生,长春理工大学光电工程学院讲师,主要研究方向为光电检测技术及仪器。地址:吉林春市卫星路70号长春理

工大学光电工程学院,130022

电话:0431285583350;E Οmail:wangshifeng0823@163.com 　W ang Sh i feng,male,born in Sep.1978,received BSc and MSc

　第4期王世峰等:基于激光位移检测技术的螺纹检测仪研制

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　fr om Changchun University of Science and Technicol ogy,in 2002and 2005,res pectively .Now he is a lecturer and Ph D candidate in Changchun University of Science and Technicol ogy .H is main re 2search field is op t o 2electr onic measuring technol ogy and device .Address:Op t o 2Elecctr onic Enginerring Changchun University of Science and Technol ogy,No .70of W eixing Road,Changchun 130022,J ilin p r ovince,China

Tel:+862431285583350;E 2mail:wangshifeng0823@163.

com

赵馨,男,1977年11月出生,分别于

2002年和2005年在长春理工大学获得学

士和硕士学位,现为长春理工大学光电工程学院讲师,主要研究方向为光电检测技术及仪器。

地址:吉林春市卫星路70号,长春理

工大学光电工程学院,130022

电话:0431285583350;E Οmail:zx marvel ous@163.com

　Zhao x i n ,male,born in Nov .1977,received BSc andMSc fr om

Changchun University of Science and Technicol ogy,in 2002and 2005,Res pectively .Now he is a lecturer in Changchun University of Science and Technicol ogy .H is main research field is op t o 2elec 2tr onic measuring technol ogy and device .

Address:Op t o 2Elecctr onic Engineering Changchun University of Science and Technol ogy,No .70of W eixing Road,changchun 130022,J ilin p r ovince,China

Tel:+862431285583350;E 2mail:zx marvel ous@163.com