基于扩展虚拟三针法的螺纹中径测量方法.pdf

第 期 年 月组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 .文章编号:():./.收稿日期:修回日期:基金项目:陕西省科技攻关计划项目()作者简介:林葵()男硕士研究生研究方向为计算机图像处理技术().通信作者:陈曼龙()男教授硕士生导师研究方向为视觉几何量检测与精密仪器设计().基于扩展虚拟三针法的螺纹中径测量方法林 葵陈曼龙余智超邹滨阳景 敏(陕西理工大学.机械工程学院.陕西省工业自动化重点实验室汉中)摘要:螺纹中径是衡量螺纹联接质量的重要标志为实现利用机器视觉技术测量得到满足螺纹作用效果的中径值并进行有效评价 提出了一种扩展虚拟三针法结合理论螺纹牙廓测量螺纹中径的方法 该方法通过在轴截面上构建扩展虚拟三针法测量中径模型获取符合实际螺纹轴线作用效果的作用点并进行拟合然后利用螺纹轴线与最大实体尺寸找到与实际螺纹牙廓相配合的理论牙廓并将扩展虚拟三针法应用于理论牙廓中获取更接近实际作用效果的中径值最后以平均相对误差、标准偏差和均方根误差作为评价指标对不同实验设备测得中径值进行评价 实验数据表明该算法测得的中径值相比于螺纹综合测量仪和测长仪测得中径值的相对误差均不超过 尺寸测量的结果能稳定地满足螺纹中径测量需求关键词:机器视觉扩展虚拟三针法螺纹中径螺纹轴线中图分类号:文献标识码:(.):.:引言螺纹中径是保障螺纹联接质量的重要参数之一它也是反映螺纹零件能否满足配合性质以及判定螺纹零件制造精度的重要指标 螺纹中径检测方法多采用三针法、扫描法和影像法以上测量方法大多建立在单一轴截面上 由于每次参与测量螺纹中径的单边牙廓不超过 条其测量值只能反映单一中径不能综合反映螺纹联接时的配合性质 根据螺纹术语中作用中径的定义作用中径反映的是螺纹装配时的特性以及螺纹面上相互配合时的作用效果并且能全面的衡量螺纹联接质量 结合机器视觉直接获取螺纹轴截面全部牙廓若能用轴截面上全部牙廓来测量螺纹中径必然会获得更贴合作用中径的测量值利用机器视觉技术能高效实现螺纹参数测量近年来也得到越来越多的关注和研究 肖剑等提出一种基于改进哈里斯鹰优化算法的螺纹中径测量方法通过边缘检测算法提取螺纹波峰波谷等参数并构建中径适应度函数然后结合改进哈里斯鹰优化算法求解螺纹中径线 提出了一种利用坐标测量机()点云计算虚拟螺纹中径的方法利用三坐标测量机扫描螺纹轮廓获取到螺纹轮廓中左右牙侧面的点集然后结合中径定义获取测量值与三坐标测量机测得理论中径值进行对比进而求解出理论螺纹中径 王飞杰等提出了基于 可视化编程进行开发的方法得出了三针测量螺纹中径所用 值的计算程序以快速获取中径值 李明炜等运用形态运算学找到相邻螺纹线的外接最小矩形信息结合中径定义得到中径值 姜籍翔采用边缘检测算子提取外螺纹的边缘特征点以此来计算螺纹大径、小径、牙顶和牙底等参数根据中径的定义计算中径值 陈盛等提出了一套基于二维轮廓点云的螺纹中径计算方法该方法利用样条插值获取采样数据并采用回归滤波处理得到轮廓滤波中线通过定义相邻两段牙侧线之间距离的均方差为最小目标函数结合 算法获取中径值 等采用广义霍夫变换对点云数据进行处理获得了螺纹部分剖面的邻近直线段之间的交点并在此基础上找出与螺纹剖面相切的 圆 然 后 根 据 经 典 的 公 式 求 得 中 径采用可视化的方法获得了螺纹牙廓图像根据螺纹底径信息计算中径线与底径线的偏差利用两者相加得到螺纹中径 上述文献主要是在单一轴截面上利用螺纹牙廓求解得到螺纹单一中径其准确度依赖于螺纹轮廓中牙顶与牙底等拟合要素或理想螺距和理想牙型角等参数而未考虑螺纹中径是螺纹面上综合参数影响的结果以至于单一中径已不能全面衡量实际螺纹中径作用效果为此如何合理的获取中径作用尺寸是当下有待解决的问题针对目前螺纹检测多采用单一截面或单一参数获取螺纹的单一中径而忽略对多截面上不同牙廓间如何有效测量中径作用尺寸的问题本文提出了一种扩展虚拟三针法结合理论牙廓测量螺纹中径的方法利用理论米制螺纹牙廓模拟旋入到待测螺纹牙廓上的方法以获得更贴合作用中径的测量值 首先通过在轴截面上构建扩展虚拟三针法测量中径模型获取符合实际轴线作用效果的作用点并进行拟合然后利用螺纹轴线与最大实体尺寸找到与实际螺纹牙廓相配合的理论牙廓最后将扩展虚拟三针法应用于理论牙廓中获取符合实际作用效果的中径值最后引入平均相对误差、标准偏差和均方根误差作为评价指标对不同实验设备测得中径值进行评价以验证该算法测得中径精度的可靠性和稳定性 基于扩展虚拟三针法的螺纹中径测量原理.虚拟三针法传统螺纹三针法测量螺纹中径时采用最佳量针获取中径值但在实际测量中由于相邻螺纹牙廓存在参差不齐的情况使测得中径值存在最高点和最低点等离散点在中径线拟合时难以取舍其中拟合中径线也不能反映全长范围内螺纹中径的作用效果 此时若再采取传统三针法对螺纹中径的测量必定与真值存在较大的数值误差 而虚拟三针法是三针法在机器视觉上的应用能有效避免在测量过程中长度误差和三针直径误差所引起的螺纹中径测量误差虚拟三针法测量原理图如图 所示图 虚拟三针法测量原理图图 中 为牙廓中量针跨线间的轴向距离为所选螺纹截面区域中采用虚拟三针法测得相邻牙廓的中径值 虚拟三针法测量基于三针法原理测得单一中径由于在实际螺纹各牙体间的相对位置中很难找到其符合单一中径表述的中径点 而在实际螺纹工况下螺纹间配合时起决定的是作用中径为此本文基于虚拟三针法的基础上提出了扩展虚拟三针法测量螺纹中径该方法测得中径值能综合反映配合时的作用情况也能为螺纹间的配合效果提供理论依据.扩展虚拟三针法本文在现有三针法测量相邻牙廓或多对牙廓基础上进行改良扩展至螺纹有效全长范围内提出了一种扩展虚拟三针法测量螺纹中径算法即在规定的旋合长度内同轴线两侧对应牙廓上放置同等理想量针依次获取上牙廓中量针最高两点与下牙廓中量针最低一点间的轴向距离 值结合三针法原理与泰勒原则获取螺纹中径 该测得值利用整个牙廓信息可以更加全面反映螺纹各牙廓对中径的作用情况测量原理如图 所示图 扩展虚拟三针法测量中径原理图图 中 为上牙廓中量针最高两点的公切线为下牙廓中量针最低一点的公切线 测量螺纹牙廓中径值原理是通过螺纹轴截面上的牙廓信息建立坐标方程根据螺纹标称直径和螺距确定理想量针 并找到量针与螺纹牙侧相切的圆和圆心结合圆心与相邻牙廓相切原理获得采样点中量针圆心坐标 利用与螺纹上或下牙廓间相切时的限制确定牙廓中最高两点坐标点 和 以及最低坐标点 运用相切圆中量针 直径相等可得到等式为:()根据式()求解出 为公切线的斜率和螺距利用该参数可获取公切线 表达式 为了获得牙廓中量针跨线间的轴向距离 还必须求解相应的公切线 方程 根据最大实体尺寸与泰勒原组合机床与自动化加工技术 第 期则要使得实际螺纹要素上各点必须位于最大实体边界以内只需作螺纹上截面的公切线 平行于螺纹下截面中最远量针的公切线 设 方程为 结合两直线间距离公式可得 其表达式为:()结合螺纹剖面公式对整个螺纹牙廓上中径 进行求解表达式如下:()式中:为螺纹上或下截面中两量针圆公切线的斜率和 分别为所求公切线 和 的截距可利用图像处理算法可获取参数为最佳量针直径单位 为牙型半角单位 为螺距单位 在该模型中用理想的量针代替实际的量针有助于消除在实际测量中使用近似直径量针可能产生的误差 与现有的检测算法相比本文提出的算法在测量中径方面具有更广泛的实用范围 该算法为机器视觉中测量螺纹中径提供了一种有效而可靠的手段 获取虚拟螺纹轴线如图 和图 所示无论是采用虚拟三针法还是扩展虚拟三针法都需要准确获取螺纹轴截面内的螺纹轴线区别于螺纹制造的制造基准轴线本文将其称为虚拟螺纹轴线 为此本文根据实际工况构建任意轴截面牙型轮廓和理想量针为组成要素的作用轮廓特征模型测量原理如图 所示图 虚拟螺纹轴线测量原理图模型中、和 分别为量针最值点坐标、和 分别为与上或下牙廓中量针相切的公切点坐标为实际轴线 基于扩展虚拟三针法原理利用可编程化环境下获取各点坐标各坐标点表示为:()()()()()()()()()()()由于虚拟螺纹轴线作用点位于螺纹轴截面上有效牙廓区域内的几何中心处以此为基础利用各牙廓中坐标点信息将各采样点横坐标记为轴线作用点的横坐标以上截面和下截面中相邻对应采样点纵坐标绝对差的一半作为轴线作用点的纵坐标通过对轴截面上获取连续 组作用点记坐标为()()()根据各作用点拟合得到虚拟螺纹轴线表达式为:()式中:为虚拟螺纹轴线的斜率和 分别为虚拟螺纹轴线的截距 根据螺纹作用轮廓与理想量针为组成要素确定虚拟螺纹轴线位置该方法可近似反映实际螺纹轴线在有效牙型区域内的作用效果 中径评价方法为了合理的评价测量螺纹中径时的作用效果使测得中径值的综合误差稳定在最小范围内根据/螺纹术语对各中径定义中径和单一中径都是存在于假想圆柱或圆锥中在实际测量时不能保证螺纹相邻牙侧任意位置处使得牙厚与牙槽宽度相等 为说明问题图 中将螺纹牙廓间作用效果适当放大为了获取更接近螺纹作用效果的中径值 由图可知在满足相邻牙廓间的中径值 相等时并不能保证 与 或 与 相等其上述表征结果只能按表述中的定义去实施和定位但在实际加工中存在牙型角误差和螺距误差使得实际螺纹与理想螺纹配合时无法确定其牙廓间接触点位置也无法确定中径作用点的位置 而作用中径明确了在规定旋合长度内检测的限定规避了利用多组牙廓数据测量螺纹中径的不稳定性若在测量螺纹参数时确保牙顶与牙底不发生干涉为前提获取包容实际螺纹牙廓的虚拟理论牙廓面作为检测参考面即可减少牙型上形貌误差的影响 对于虚拟理想螺纹作用中径与中径尺寸相同所测得的中径值更能接近实际中径作用尺寸也便于反映螺纹装配时的质量这区别于单一中径的表述也为检测螺纹参数提供了理论支持图 螺纹牙廓面上形位误差效果图.螺纹牙廓重合分析螺纹的工作面为牙侧面由于内、外螺纹相互配合时各螺旋曲面上形貌各异难以对它们的实际作用效果进行量化分析 为此引入虚拟理论米制螺纹牙廓模拟旋入到待测螺纹牙廓上的方法间接反映实际螺纹中径作用情况根据螺纹国标获取理论螺纹参数如表 所示表 理论螺纹基本参数()公称直径螺距牙高中径小径.由于采集的螺纹轴截面图像轮廓存在完整牙廓和部分牙廓为了使重合区域稳定在螺纹图像有效牙型 年 月 林 葵等:基于扩展虚拟三针法的螺纹中径测量方法轮廓内结合 对螺纹图像进行边缘检测将检测结果进行霍夫线变换并根据螺纹特征筛选出有效边界得到有效牙廓螺纹图像效果如图 所示 为了将机器视觉处理得到的图像尺寸与实际零件的理论尺寸对应还需要进行图像的标定和测量 标定时利用工业 相机在标定板或标尺上获取已知螺纹件的像素坐标信息结合相机畸变参数和世界坐标系中位置等信息建立坐标数学模型进而获取图像中像素坐标与世界坐标系中真实尺寸坐标的转换关系 在测量过程中根据相机焦距和图像像素大小进行比例计算以确定图像中每个像素所代表的实际尺寸值 为保证图像处理结果的准确性还需对图像进行旋转校正处理图 完整螺纹图像与提取有效牙廓螺纹图像为了使实际轴线与理论轴线重合通过采用旋转变换矩阵的方法来实现 利用式()中实际轴线方程记为 其中结合表 的理论螺纹参数获取理论轴线记为 设实际轴线与理论轴线在牙廓中相交于一点并存在夹角 其中实际轴线的方向向量为 理论轴线的方向向量为 利用旋转矩阵()根据旋转矩阵可得:()将上式实际轴线的方向向量 通过旋转矩阵()进行旋转得到旋转后的向量 即:()为了使得旋转后的实际轴线方向向量 与理论轴线方向向量 重合需要计算旋转矩阵的角度 由于两个向量的夹角可以通过它们的内积和长度计算得到从而推导出旋转矩阵的角度 的表达式:()从公式可以看出通过旋转矩阵使轴线重合的关键在于实际轴线与理论轴线方程的获取以减少偏转角度的误差提高重合算法的稳定性.螺纹牙廓接触点分析利用上述轴线重合的方式可固定两牙型轮廓位置但是两牙廓姿态间接触点在存在动态变化 为确保理论牙廓包络于实际牙廓配合时与实际螺纹的牙顶和牙底处不发生干涉利用螺纹二值化图像中有效区域内使两牙廓相交于一点并逐行遍历牙廓图像获取螺纹上牙廓边界像素点行列坐标()()()使牙廓间接触关系为上牙廓接触点 至多存在两点与之对应的下牙廓接触点 至多存在一点若接触点过多则平移理论螺纹牙廓图像像素的行距直至出现所需接触点其中理论牙廓图像旋转并定位接触点应遵循图 的流程图 获取接触点流程图根据流程获取符合中径作用效果的理论牙廓将扩展虚拟三针法应用于理论螺纹牙廓中以求解最小中径 由此可获取理论螺纹的中径值与测量实际螺纹所得的中径值利用中径差作为评价螺纹的联接质量为后续螺纹中径的评价及分析提供理论基础 实验与结果分析本文选用螺纹塞规 .、.和 .为实验对象分别利用 组仪器进行测量 其中图像采集仪器为影像测量仪(型号为、分辨率为.)如图 所示利用图像处理技术获取实际螺纹牙廓图像根据可视化编程软件获得与实际螺纹相配合的虚拟理论牙廓并结合本算法进行仿真测试以测得中径值 在对比实验中采用 测长仪(德国、型号为 分辨率为.)如图所示通过接触式探针测量外螺纹相邻对应牙廓以获取检测尺寸 值以牙型角和螺距误差忽略不计作为在测量过程中的前提条件结合 公式测得螺纹中径值而高精度接触式 螺纹综合测量仪(荷兰、型号为 如图 所示分辨率为.)直接获取轴截面上中径值 实验设备如图 所示()影像测量仪()测长仪()螺纹综合测量仪图 实验设备.实验数据为保证不同仪器测量螺纹中径数据的真实有效利用莱以特准则剔除异常数据减小粗大误差对不同直径螺纹测量结果如图 所示 为了能够客观的评价理论螺纹测得中径的有效性本文引入 个相关评价指标对其分析分别为平均相对误差、理论偏差和均方根误差数据分析结果如表 所示组合机床与自动化加工技术 第 期().().().图 不同直径螺纹测量结果对比图表 中径测量的数据分析结果()类型 综合测量仪.平均相对误差.标准偏差.均方根误差.类型 影像测量仪.平均相对误差.标准偏差.均方根误差.类型 测长仪.平均相对误差.标准偏差.均方根误差.注:标准偏差:()平均相对误差:()均方根误差:().结果分析通过图 数据知利用不同仪器测量不同直径螺纹所得中径值与采用影像测量仪测得中径值具有较高的一致性其中基于本算法获得的测得值与高精度 螺纹综合测量仪测得数据接近而优于 测长仪的测得值且中径相对误差均不超过.表明本算法能得到较稳定中径值 对比表 中数据知由于采用理论牙廓衡量实际牙廓作用效果的方式规避了牙廓中形貌误差的影响使得同种规格直径螺纹在不同仪器中测得的中径值数值误差能稳定在.根据标准偏差和均方根误差数据说明中径值整体上呈集中分布最后引入不同评估指标有效说明了该算法测量的结果能稳定地满足螺纹中径测量需求 结论本文分析了实际螺纹测量时单一中径不能全面衡量实际螺纹中径作用效果的问题提出了扩展虚拟三针法与理论牙廓相配合的方式来测量螺纹中径方法 该方法通过分析内外螺纹牙廓相互配合时的作用效果成因构建了满足中径作用尺寸的虚拟螺纹牙廓模型并结合中径循环算法获取与实际外螺纹体外相接的最小理论螺纹牙廓的中径值 在评价中引入平均相对误差、标准偏差评估和均方根误差指标对实验设备测得值进行分析结果表明所得中径值相对误差不超过.验证了该算法测得中径精度的可靠性和稳定性参考文献 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会.螺纹术语:/.北京:中国标准出版社.肖剑张凯高凡等.基于改进 算法的螺纹钢丝头中径测量方法.电子测量与仪器学报():.():.王飞杰闫泽旺路超等.基于 开发三针测量外螺纹中径程序.工具技术():.李明炜甘文龙晏涛等.通用型外螺纹视觉测量方法研究.工具技术():.姜籍翔.基于机器视觉的外螺纹几何参数检测算法研究.四川:电子科技大学.陈盛赵东标陆永华等.基于二维轮廓点云的螺纹中径计算.光学精密工程():.():.():.李奎陈曼龙王鹏等.基于虚拟三针法的螺纹中径测量方法.光学技术():.刘远模.螺纹单一中径的三针和量球法测量公式讨论.计量技术():.():.江涛李媛贺晨龙.基于轮廓角点检测的螺纹关键参数视觉测量方法.电子测量与仪器学报():.刘阳刘超.基于视觉的非接触外螺纹关键参数测量方法.组合机床与自动化加工技术():.汪杰陈曼龙李奎等.机器视觉螺纹图像评价方法.应用光学():.():.邵莉.外螺纹中径三针法测量技术研究.计量与测试技术():.欧协锋.普通螺纹合格性判断原则与局限性探讨.中国计量():.王成林.螺纹作用参数的测量理论与方法.天津:天津大学.(编辑 赵 蓉)年 月 林 葵等:基于扩展虚拟三针法的螺纹中径测量方法