２０１３年４月 宇航计测技术 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ａｐｒ．，２０１３ Ｖｏ１．３３，Ｎｏ．２ 第３３卷第２期 文章编号：１０００－７２０２（２０１３）０２—００２２—０５ 中图分类号：ＴＧ８５ 文献标识码：Ａ 大尺寸螺纹检测技术研究 佟 岩 马 宇 李 琳 梁海龙 （四川航天计量测试研究所，成都６１０１００） 摘 要 针对型号产品中大尺寸螺纹检测的难题，以激光三角法为理论基础，开展了螺纹参数的激光三角 法应用方法、数据处理算法等研究，突破了螺纹牙型完整轮廓的检测技术，构建了螺纹检测校准装置，实现了非接 触检测螺纹参数目的，可满足型号产品使用的大尺寸螺纹检测需求。 关键词 大尺寸螺纹参数间接测量 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｔｏ Ｔｈｒｅａｄ ｏｆ ｔｈｅ Ｌａｒｇｅ Ｓｉｚｅ ＴＯＮＧ Ｙａｎ ＭＡ Ｙｕ ＬＩ Ｌｉｎ ＬＩＡＮＧ Ｈａｉ—ｌｏｎｇ （Ｓｉｃｈｕａｎ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｔｅｓｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１０１００） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｆｉｆｃｕｌｔｙ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｈｒｅａｄ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｓｉｚｅ，ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｎ ｔｈｒｅａｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｄａｔａ—ｐｒｏ— ｃｅｓｓｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ，ｍａｄｅ ａ ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈ ｉｎ ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｃｏｎｔｏｕｒ ｏｆ ｔｈｒｅａｄ ｆｏｒｍ，ｂｕｉｌｔ ａ ｄｅｖｉｃｅ ｗｉｈ ｔｔｈｒｅａｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ ｃａｌｉｂｒａｔｉｎｇ ＳＯ ｔｈａｔ ａｃｈｉｅｖｉｎｇ ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ ｔｅｓｔｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｒｅａｄ ａｎｄ ｍｅｅｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄｓ ｏｆ ｈｅ ｌｔａｒｇｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｒｅａｄ ｔｅｓｔｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｌａｒｇｅ ｓｉｚｅ Ｔｈｒｅａｄ ｐａｒａｍｅｎｔｅｒ Ｉｎｄｉｒｅｃｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ １ 引 言 在科研生产中，螺纹连接有着不可替代的广泛 应用。对于公称直径在 ｌ一 １８５范围的螺纹，常 校准装置，并开展了非接触检测螺纹参数的技术研 究。 ２螺纹检测校准装置的研制 为实现大尺寸螺纹件的检测，在硬件配置上既 规的检测方法基本都可以满足，而型号产品中用到 的大尺寸螺纹连接件（大于Ｍ２００），则是检测难点。 传统的校对规检测方式人为误差大，并且容易造成 要满足空间要求，同时也能实现螺纹牙型轮廓的全 扫描需求，借鉴于三坐标测量机及轮廓仪的结构思 路，研制的螺纹检测校准装置主要由激光位移传感 螺纹扣卡死现象，增加成本。为了解决这一检测难 题，我们以激光三角法为理论基础，研制了螺纹检测 收稿日期：２０１３—０２—２５ 作者简介：佟岩（１９７６一），女，硕士，高级工程师，主要研究方向：几何量计量技术。 宇航计测技术 ２Ｏｌ３年 规）的每一点均由机械坐标系的绝对坐标及激光位 移传感器的相对坐标构成，即每点的坐标值为（ ，Ｙ， ｚ，６），从而产生的距离也是绝对坐标值与相对坐标 值的综合数据。虽然激光位移传感器的零点与激光 出射点间的距离在空间坐标系中未知，但因是固定 值，对检测结果没有影响，故不考虑该因素的影响。 ３．３扫描数据的处理 通过设置合理的激光位移传感器误差范围，剔 除扫描过程中红色报警数据。选定一个合适小波基 函数，对含有粗大误差的测量数据进行小波分解，粗 大误差数据点就可通过小波分解后的高频信号进行 准确定位，高频信号有一个明显的脉冲突变，利用这 个突变脉冲可以准确地检测到粗大误差点的位置， 并将其剔除。 当扫描数据在图像上出现明显的偏移、变形时 应考虑采集数据出现系统误差。造成系统误差的原 因多与硬件结构的误差、螺纹的安装、环境条件有 关。通过分析图像的整体趋势，分析产生偏移、变形 的原因，如果重新检测后消除此误差，则以新数据为 有效数据。当不能消除时，则需找到统一修正系数， 对整体的偏移、变形数据进行修正，以修正后的数据 做作为有效数据进行后期的拟合、计算。在去除粗 大误差和系统误差后，扫描数据的处理主要针对其 随机误差，常用的两种方法是滑动平均滤波和零相 位滤波。滑动平均滤波计算过程简单，滤波的过程 中仅使用了当前采样的数据和之前采样的数据，所 以滑动滤波可以实现数据采集实时滤波。零相位滤 波是将输入信号按顺序通过滤波器后将所得结果反 向再次通过滤波器，再将此次滤波之后所得的结果 逆序输出，便能得到精确零相位失真的输出序列。 从图３可以清楚地观察到，滑动平均滤波曲线相对 原始牙型轮廓曲线发生了明显的延时。然而，零相 位数字滤波曲线与原始输入信号的基本重合，没有 在时域内发生延时现象，实现了对螺纹牙型轮廓数 据的滤波处理，这无疑对于后续数据处理是至关重 要的。 ４螺纹参数计算 ４．１扫描数据的坐标系换算 因被测螺纹处于检测校准装置的空间坐标系 内，而螺纹参数是相对于螺纹轴心线而定义。由此 可见，螺纹扫描数据需要统一于相对螺纹轴心线的 三坐标测量机ｚ方向／ｍｍ 图３螺纹Ｍ７２￣４－５ｇＴＴ滑动平均滤波与 零相位滤波局部示意图 零件坐标系中。 激光位移传感器固定在框架ｚ轴上面，激光坐 标系的零点位置与机械坐标系存在一个固定的坐标 变换数据，此参数在后期计算螺纹的参数时可消元 处理。通过求取标准圆柱反求圆柱信息，可间接求 出转台的中心（ ，Ｙ）在机械框架下特定ｚ值的坐标 值，此时在机械结构下面相当于是一个圆柱的坐 标。 ４．２ 扫描数据的拟合 的螺纹牙型轮廓扫描曲线实际上是激光位 移传感器的激光人射点相对ｚ向基准运动轴线的测 距变量６ ，根据螺纹的实际情况，其波型为周期的三 角波型，测距变量 是螺距Ｐ、牙型半角ｏ１＂２的函数 ６ ＝，（Ｐ， ），见图４。三角波型的直线部分是函 数的关键，通过一阶线性拟合计算直线的斜率可以 确定Ｐ，ｏ１＇２等重要参数，同时中径的定义也是基于 正确的直线部分中点。 图４ 螺纹牙型轮廓函数关系示意图 ・２６・ 宇航计测技术 ２０１３正 ｙ ｆ—ｒｓｔ．—￣，／ ＩＬ：３１。３２ ４８”ｌｌＲ：３１。３３ ３９”Ｉ ＼、／——＿＿／＼、，——＿－／ 图８ 牙型半角计算示意图 图９螺纹参数计算结果图 相应位置中，见图９。 规，在重复的条件下进行５次测量，按式（１）分别计 ５螺纹参数检测结果验证 用螺纹检测校准装置对Ｍ２００ｘ６－６ｇ（Ｔ）螺纹环 算中径、牙型半角、螺距的测量重复性，验证结果见 表１。 尺一一Ｒ ｉ — （１） Ｉ＝ｉ表１测量重复性验证 测量值 Ｓ ｌ ｄ＾／ｒａｍ Ｐ，ｌｌｌｍ １９６．０３０ ６ ５．９９９ ４ ２ １９６．０３１ ０ ６．００ｏ １ ３ １９６．０３０ ４ ５．９９９ ６ ４ １９６．０３４ ９ ５．９９９ ６ ５ １９６．０３４ ７ ５．９９９ ６ ０．００ｌ ９ ０．０ｏｏ ３ ａ／２（左） ２９。５４ ２８” ２９。５２ ０６” ２９。５４ ３９” ２９。５１ ４９ ２９ｏ５２ ２７” １．２ ａ／２（右） ２９ｏ５６ １４ ２９。５６ ０２ ２９。５７ ５４ ２９。５８ １４ ２９。５８ ０６ １．０ 对Ｍ４００ｘ６－６ｇ（ＴＺ）螺纹塞规、Ｍ２００ｘ６－６ｇ（Ｔ）螺 ６结束语 项目开展了螺纹综合参数的激光三角法应用方 纹环规进行测量，获得各参数，并将中径、牙型半角和 螺距的测量结果与其它检测方法结果进行比较，按式 （２）分别计算各参数的Ｅ 值，验证结果见表２。 Ｅ ： Ｕ ＋Ｕ乞 表２参数结果验证 法、数据处理算法等研究，突破了螺纹牙型完整轮廓的 （２） 检测技术，构建了螺纹检测校准装置，实现了非接触检 测，可满足型号产品使用的大尺寸螺纹检测需求。 参考文献 型号 Ｍ４｜Ｄ０ｘ６ 参数 测量值 ３９６．０１３ ８ 参考值 ３９６．０１１ ５ ６．００１ ６ ３０。０３ Ｅ Ｏ．２８ ０．４９ ０．７１ 朱正辉等．几何量计量．北京：原子能出版社，２００２． 徐爱群，项占琴等．非接触式螺纹自动检测仪的研制． 浙江大学学报，２００５，３９（８）． Ｐ —６．０００ ５ ２９。５９ ６ｇ（ｒＩＺ） ａ／２ 邓雪漫，廖俊必等．三坐标测量机非接触式测量在丝 杆测量中的应用．中国测试技术，２００６，３２（１）． ｄ２ １９６．０３２ ３ ５．９９９ ７ ２９。５５’ １９６．０３３ ４ ０．１５ ５．９９９ ８ ２９。５５’ ０．０６ Ｏ．００ 冯俊艳，冯其波等．高精度激光三角位移传感器的技 术现状．应用光学，２００４，２５（３）． 周强，张慧慧．基于动态线性回归的一阶导数分段法 Ｍ２０ｏｘ６ Ｐ —６ｇ（Ｔ） ｄ２ 在螺纹检测数据处理中的应用．北京工业大学学报， ２０００，２６（４）． 由表２可知，Ｅ 值均小于１，满足设计使用要 求，可以开展大尺寸螺纹参数的检测工作。 ＪＪＦ１０５９—１９９９．测量不确定度的评定与表示．国家质 量技术监督局，１９９９．
