CN101797701B - 油管接箍内螺纹在线非接触激光立体扫描检测装置 - Google Patents

油管接箍内螺纹在线非接触激光立体扫描检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种油管接箍内螺纹在线非接触激光立体扫描检测装置，用于油管接箍车丝机床等专用机床加工内螺纹过程中，对所有被加工的内螺纹齿形参数进行逐一、全方位、动态在线三维立体扫描检测。本发明由轴向运动机构组件、径向转动机构组件和激光检测探头组件组成。径向转动机构组件固连于轴向运动机构组件末端，激光检测探头组件固连在径向转动机构组件末端。本发明具有三维立体扫描检测功能，可对油管接箍内螺纹不同的径向轴截面齿形做高速、高精度在线激光立体扫描，获取油管接箍内螺纹齿形的三维立体几何信息。可提高内螺纹参数检测精度与速度，大幅减轻检测工人的劳动强度，避免人为因素对测量精度的影响。并可用于在线质量监测与预报，提高产品质量。

Description

油管接箍内螺纹在线非接触激光立体扫描检测装置
技术领域
本发明涉及一种油管接箍内螺纹在线非接触激光立体扫描检测装置，可用于油管接箍车丝机床等专用机床加工内螺纹过程中，对所有被加工的内螺纹齿形进行逐一的、全方位、动态在线三维立体扫描检测，获取齿形齿面的三维立体几何信息。根据这些立体几何信息，可综合计算出内螺纹的各项参数指标，并进行误差补偿与修正。本发明属于机床精密检测技术和自动测试技术领域。
背景技术
在油田开采技术与设备中，油管之间的互连是由油管接箍通过螺纹连接来实现的。因此，油管接箍在下井工具与设备中起着不可替代的重要作用。油管接箍除了应具有足够的连接强度以外，还要保证良好的密封性。因此相关技术标准对油管接箍的锥形内螺纹提出了非常严格的要求。
通常，油管接箍内螺纹(如常用的27/8EU规格)是采用车丝机床(如PMC-1007CN型车丝机)批量、自动加工完成的。而对于这些批量加工生产的油管接箍产品，现阶段尚无用于加工机床在线检测产品的检测装置，而只有两种离线的检测方法。一种是现场抽检，工人在现场根据检测规章定期抽取油管接箍产品样件，目测加工后的内螺纹表面质量并用螺纹塞规等标准仪器量规手动检测，必要时还要用螺距量规、锥度量规等对螺纹的螺距、锥度等参数进行单项检测；另一种是实验室抽查检测，选取个别单件产品，用笔式记录仪记录内螺纹齿型，然后手工做图测绘，人工进行数据处理、填表存档。
以上两种方法不但造成工人劳动强度大、效率低，检测结果受人为因素影响大。而且，螺纹塞规等检具只能进行螺纹综合检验，即只能测出由综合因素造成的不合格产品。但到底是由加工机床的哪些因素造成的，很难判断，不能对生产起直接指导作用。
更为严重的是，其均为离线抽查检测。对大批量生产的油管接箍产品只能起到部分程度的质量保障作用。一旦检测到某个产品某项指标不合格，也很难直接发现造成质量问题的根源。特别是对批量生产的油管接箍产品，抽查某件产品不合格，更无法判断是否整个批次均有质量问题，还是个别单件产品的质量问题。对产品质量保障的力度非常有限。
目前的相关内外螺纹自动测试技术或装置，本质都是静态、二维测量，即只能在静止状态下，对内螺纹的某一特定轴截面的齿形进行检测，无法获知其它轴向截面齿形的信息。而技术人员往往又以这个特定轴截面的信息而得出相关的测试结论，判断相关参数是否合格，测试的准确性难以保证。而有些参数的测量，只凭借某一特定轴截面齿形的测量数据无法准确获知。例如内螺纹的锥度，只凭借某一特定轴截面的齿形数据计算出的锥度，由于测量装置和工件的安装误差造成计算得出的锥度参数值无法满足精度要求，而且非常不容易修正。因此，现有油管接箍内螺纹检测方法、技术和装置，无法进行三维立体检测，更不能进行在线检测，起不到质量预测、预报，质量控制的作用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的缺陷，提供一种油管接箍内螺纹在线非接触激光立体扫描检测装置，用于油管接箍车丝机床等专用机床加工油管接箍内螺纹过程中，对被加工的油管接箍内螺纹齿形，进行逐一的、全方位、动态在线三维立体扫描检测，获取每个油管接箍产品内螺纹的三维空间立体齿形几何信息，建立整个油管接箍内螺纹的立体模型。根据这些立体信息，可综合计算出内螺纹的各项参数指标，主要包括：螺距、螺纹锥度、齿高和齿形角等，并进行误差补偿与修正，提高内螺纹参数检测精度与速度，大幅度减轻检测工人的劳动强度，避免人为因素对测量精度的影响。并可用于在线质量监测与预报，进一步提高产品质量。
本发明的在线非接触激光立体扫描检测装置，具有一个沿水平轴向的运动自由度X，还具有一个固连在水平轴上，并以水平轴为旋转轴的回转自由度θ。两个运动自由度均可以实现高速、精密定位运动。即水平轴向可以做精确直线步进运动，回转自由度可以精确转动定位至角度θk。固连在装置末端的激光检测探头采用激光共聚焦检测方式，精确测量被测齿形齿面的纵向位移量Yi。
当装置进行扫描检测时，首先回转至一个初始角度θ0，而后装置沿水平轴直线步进定位至X0位置，此时激光检测探头测量被测齿形齿面的纵向位移量Y0，得到此处齿形的坐标值(X0，Y0)；而后装置再沿水平轴直线步进定位至下一个位置X1，激光检测探头再次测量此处被测齿形齿面的纵向位移量Y1，得到此处齿形的坐标值(X1，Y1)。依次步骤，在回转角度为θ0的轴截面，可以测量得到n个位置的齿形的坐标值，得到此θ0轴截面的一段齿形的坐标系列(Xi，Yi，θ0)(i＝1，2……n)。
而后，装置水平轴向复位，然后再回转至一个角度θ1。依照上述水平扫描步骤，在回转角度为θ1的轴截面，也可以测量得到n个位置的齿形的坐标值，进而可以得出此轴截面的一段齿形的坐标系列(Xi，Yi，θ1)(i＝1，2……n)。
依次方法可以得到被测内螺纹圆周方向360度范围内不同轴截面的齿形坐标值系列(Xi，Yi，θk)(i＝1，2……n；k＝1，2……m)。根据坐标系列(Xi，Yi，θk)(i＝1，2……n；k＝1，2……m)可以建立内螺纹的三维空间立体齿形信息，进而可以计算出各种被测量参数。
本发明的技术方案为：一种油管接箍内螺纹在线非接触激光立体扫描检测装置，其中至少应包括：
一轴向运动机构组件，用以带动径向转动机构组件、激光检测探头组件做快速、精密轴向步进定位运动，并用于将整个检测装置定位安装到油管接箍内螺纹切削机床工位卡盘上；
一径向转动机构组件，固连于轴向运动机构组件末端，其回转中心轴线与轴向运动机构组件轴线重合；用以带动激光检测探头组件以轴向运动机构组件中心轴线为旋转轴做快速、精密旋转定位运动；
一激光检测探头组件，用以固连在径向转动机构组件末端，采用激光共聚焦检测方式精确测量被测齿形齿面的纵向位移量。
该轴向运动机构组件具体包括：
一安装底板，用以将整个检测装置定位安装到油管接箍内螺纹车丝机床等专用机床的卡盘上；
一外套筒，同轴固定于安装底板上，并且在该外套筒内部，沿外套筒中心轴线，对称有两个平行于中心轴线的导套孔；
四个滚珠导套，两两分别同轴安装到外套筒的导套孔中，并分别用一大挡圈轴向锁紧；
两个导柱，分别插入两组滚珠导套中；
两个弹簧，分别套入两个导柱的尾部后，再分别利用两个导柱挡圈轴向锁紧；
一直线步进电机，整个轴向运动机构组件的动力源，用以接收控制指令，步进指定的轴向位移，同轴固定于安装底板内部的大通孔中，其电机轴头部与角接触球轴承内孔固连在一起；
一挡板，同轴套入直线步进电机电机轴头部的角接触球轴承上，并与挡板轴向定位固定连接，所述的两个导柱分别安装到挡板的导柱安装孔I和导柱安装孔中II中，并固定连接；
一后盖，与安装底板后部同轴固定连接。
该径向转动机构组件具体包括：
一支撑轴承，支撑轴承内孔同轴固连到挡板上；
一大齿轮，同轴固连到支撑轴承外圈上；
一前盖，与挡板同轴固定连接；
一轴承盖，同轴固连到大齿轮前端；
一直流减速电机，整个径向转动机构组件的动力源，用以接收控制指令，步进旋转指定的角度，直流减速电机与挡板非同轴固定连接；
一小齿轮，同轴固定于直流减速电机的电机轴头部，并与所述大齿轮啮合；
一横支架，一端同轴固定连接到轴承盖；
该激光检测探头组件具体包括：
一支撑套筒，同轴固定连接到横支架的另一端；
一定位楔块，使激光共聚焦检测探头与支撑套筒进行定位，以使激光共聚焦检测探头发出的激光束轴线垂直于径向转动机构组件的回转中心轴线。
一激光共聚焦检测探头，与支撑套筒通过定位楔块定位后，固定连接到所述的支撑套筒内，可以高精度测量被测齿形齿面距离激光共聚焦检测探头的位移量。
其中，所述的弹簧为压缩弹簧。
其中，所述挡板的导柱安装孔I和导柱安装孔II沿挡板中心轴线对称分布。
其中，所述的支撑轴承为滚动轴承。
其中，所述的直流减速电机带有编码器，具有位置反馈功能。
其中，所述的大齿轮为直齿圆柱齿轮。
其中，所述的横支架两端的通孔轴线相互平行。
其中，所述的支撑套筒底部有两个对称的定位孔，可与横支架一端径向定位。
其中，所述的定位楔块为矩形。
其中，所述的激光共聚焦检测探头有一定位平面，激光共聚焦检测探头发出的激光束轴线垂直于所述定位平面。
本发明一种油管接箍内螺纹在线非接触激光立体扫描检测装置，其优点及功效在于：本发明在用于油管接箍车丝机床等专用机床加工油管接箍内螺纹过程中，对被加工的油管接箍内螺纹齿形，进行逐一的、全方位、动态在线三维立体扫描检测，获取每个油管接箍产品内螺纹的三维空间立体齿形几何信息，从而可建立整个油管接箍内螺纹的立体模型。根据这些立体信息，并可综合计算出内螺纹的各项参数指标，主要包括：螺距、螺纹锥度、齿高和齿形角等，并进行误差补偿与修正，提高内螺纹参数检测精度与速度，大幅度减轻检测工人的劳动强度，避免人为因素对测量精度的影响。并可用于在线质量监测与预报，进一步提高产品质量。
附图说明
图1所示为本发明的整体外形图(包括剖开的被测油管接箍)。
图2A所示为本发明的纵向剖视图。
图2B所示为本发明的横向剖视图。
图2C所示为本发明的纵向剖视图局部放大图。
图2D所示为本发明的横向剖视图局部放大图。
图2E所示为本发明的轴侧视图。
图3A所示为图2A中安装底板201的轴侧视图。
图4所示为图2A中外套筒202的轴向剖视图。
图5所示为图2A中直线步进电机208轴侧视图。
图6A所示为图2A中挡板211的轴向剖视图。
图6B所示为图2A中挡板211的轴侧视图。
图7所示为图2B中大齿轮218的轴向剖视图。
图8所示为图2C中轴承盖221的轴侧视图。
图9所示为图2B中横支架222的轴侧视图。
图10所示为图2D中支撑套筒226的轴侧视图。
图11所示为图2D中定位楔块229的轴侧视图。
图12所示为图2D中激光共聚焦检测探头227的轴侧视图。
图中具体标号如下：
101轴向运动机构组件            102径向转动机构组件
103激光检测探头组件            104被测油管接箍
201安装底板                    202外套筒
203螺钉                        204导柱挡圈
205弹簧                        206滚珠导套
207导柱                  208直线步进电机
209大挡圈                210导柱顶丝
211挡板                  212角接触球轴承
213后盖                  214小螺钉
215直流减速电机          216长螺钉
217小齿轮                218大齿轮
219支撑轴承              220端挡圈
221轴承盖                222横支架
223一字螺钉              224前盖
225短顶丝                226支撑套筒
227激光共聚焦检测探头    228小顶丝
229定位楔块              230端螺钉
301A定位外圆             302A大端面
303A大圆凹槽             304A大通孔
401大外圆                402上导套孔
403上环槽                404下环槽
405下导套孔
501输出电机轴            502输出电机轴端面
601A背部沉孔             602A背部端面
603A导柱安装孔I          604A导柱安装孔II
605A前部端面
606B电机安装孔
701A前部沉孔             702A前部环面
801轴承盖圆柱            802轴承盖定位柱
901左通孔                902定位通孔
903左定位柱              904右通孔
905右定位柱
1001左定位孔             1002右定位孔
1003定位槽               1004前圆端面
1005定位通孔
1101小定位面             1102大定位面
1201圆弧定位平面         1202矩形定位平面
具体实施方式
以下结合附图及实施例详细说明本发明的技术方案。
请参照附图1，本发明由轴向运动机构组件101、径向转动机构组件102、激光检测探头组件103组成。
请参照附图2A、图3A、图4，本发明通过安装底板201中的直径为220mm定位外圆301A与车丝机床的三爪卡盘进行定位，并通过机床的三爪卡盘压紧安装底板201中的大端面302A以实现本检测装置与机床的固定连接。
将外套筒202的大外圆401与安装底板201上的大圆凹槽303A进行定位后，并用三个螺钉203固定连接。
将两个滚珠导套206同轴放入外套筒202的上导套孔402中，用大挡圈209放入上环槽403后将两个滚珠导套206轴向锁紧。依次方法，将另外两个滚珠导套206放入下导套孔405中，并用大挡圈209放入下环槽404后锁紧。
将两个导柱207分别插入上导套孔402和下导套孔405的滚珠导套206中。至此，两个导柱207轴线分布在同一个平面内，并可以平滑地做轴向移动。将两个弹簧205分别套入两个导柱207的尾部，然后分别用两个导柱挡圈204将弹簧205分别在导柱207的轴向限位，使其不脱落，并具有一定的预紧力。
将直线步进电机208同轴放入安装底板201上的大通孔304A中，并用两个小螺钉214将直线步进电机208和安装底板201固定连接在一起。
参阅图2C、图5，将一角接触球轴承212以过盈配合的方式同轴套入直线步进电机208的输出电机轴501，并使角接触球轴承212轴向限位至直线步进电机208的输出电机轴端面502。
参阅图2B、图6A、图6B，将直流减速电机215同轴装入挡板211的电机安装孔606B中，并用四个长螺钉216将直流减速电机215与挡板211固定连接在一起。之后，将挡板211的背部沉孔601A同轴装入角接触球轴承212，并使角接触球轴承212限位至挡板211的背部端面602A。调整挡板211的径向位置，将两个导柱207分别装入挡板211的导柱安装孔I 603A和导柱安装孔II 604A。并使两个导柱206的轴端面与挡板211的前部端面605A平齐，再用两个导柱顶丝210将两个导柱207与挡板211紧固在一起。
参阅图2A、图2B，将前盖224与挡板211粘结在一起。再将后盖213与安装底板201粘结在一起。
至此构成轴向运动机构组件101，当直线步进电机208接收控制指令步进指定轴向位移后，直线步进电机208可以推动挡板211做高精度轴向位移定位。
参阅图2B，将小齿轮217以过盈配合的方式同轴装入直流减速电机215的输出轴。
参阅图2C、图6A、图7，将支撑轴承219装入大齿轮218的前部沉孔701A，并轴向限位至前部环面702A。再把装有大齿轮218的支撑轴承219装入挡板211的前部凸圆轴607A，使大齿轮218和小齿轮217顺畅啮合，并使支撑轴承219定位至前部凸环面606A，再用端挡圈220把支撑轴承219轴向限位在挡板211的前部凸圆轴607A上。然后把轴承盖221装入大齿轮218的前部沉孔701A内，并用四个一字螺钉223固定连接在一起。
参阅图2C、图8，图9，把横支架222的左通孔901和定位通孔902分别套入轴承盖221的轴承盖圆柱801和轴承盖定位柱802中，并用两个短顶丝225固定连接。
至此形成一个完整的径向转动机构组件，当直流减速电机215接收指令转动指定角度时，通过小齿轮217带动大齿轮218，再带动横支架222成比例精确转动定位。
参阅图2C、图2E、图9、图10，将支撑套筒226的左定位孔1001和右定位孔1002分别装入横支架222的左定位柱903和右定位柱905内，再用两个端螺钉230固定连接在一起。
参阅图2D、图10、图11、图12，把激光共聚焦检测探头227同轴装如支撑套筒226的定位通孔1005内，调整激光共聚焦检测探头227的位置和角度，以使定位楔块229顺畅进入支撑套筒226的定位槽1003内，同时使定位楔块229的大定位面1102与激光共聚焦检测探头227的矩形定位平面1202重合，定位楔块229的小定位面1101与激光共聚焦检测探头227的圆弧定位平面1201重合，并用两个小顶丝228固定连接在一起。
至此，形成一个完整的油管接箍内螺纹在线非接触激光立体扫描检测装置。
虽然结合以上实施方案阐明了本发明，然而并非限定本发明，任何本领域的工程技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可以作相应更动与润色，因此本发明的保护范围应以权利要求所界定的为标准。

Claims (10)

1.一种油管接箍内螺纹在线非接触激光立体扫描检测装置，其特征在于：该装置至少应包括：
一轴向运动机构组件；
一径向转动机构组件，固连于轴向运动机构组件末端，其回转中心轴线与轴向运动机构组件轴线重合；
一激光检测探头组件，固连在径向转动机构组件末端；
该轴向运动机构组件具体包括：
一安装底板，用以将整个检测装置定位安装到油管接箍内螺纹车丝机床或其他专用机床的卡盘上；
一外套筒，同轴固定于安装底板上，并且在该外套筒内部，沿外套筒中心轴线，对称有两个平行于中心轴线的导套孔；
四个滚珠导套，两两分别同轴安装到外套筒的导套孔中，并分别用一大挡圈轴向锁紧；
两个导柱，分别插入两组滚珠导套中；
两个弹簧，分别套入两个导柱的尾部后，再分别利用两个导柱挡圈轴向锁紧；
一直线步进电机，整个轴向运动机构组件的动力源，用以接收控制指令，步进指定的轴向位移，同轴固定于安装底板内部的大通孔中，其电机轴头部与角接触球轴承内孔固连在一起；
一挡板，同轴套入直线步进电机电机轴头部的角接触球轴承上，并与挡板轴向定位固定连接，所述的两个导柱分别安装到挡板的导柱安装孔I和导柱安装孔中II中，并固定连接；
一后盖，与安装底板后部同轴固定连接；
该径向转动机构组件具体包括：
一支撑轴承，支撑轴承内孔同轴固连到挡板上；
一大齿轮，同轴固连到支撑轴承外圈上；
一前盖，与挡板同轴固定连接；
一轴承盖，同轴固连到大齿轮前端；
一直流减速电机，整个径向转动机构组件的动力源，用以接收控制指令、步进旋转指定的角度，直流减速电机与挡板非同轴固定连接；
一小齿轮，同轴固定于直流减速电机的电机轴头部，并与所述大齿轮啮合；
一横支架，一端同轴固定连接到轴承盖；
该激光检测探头组件具体包括：
一支撑套筒，同轴固定连接到横支架的另一端；
一定位楔块，使激光共聚焦检测探头与支撑套筒进行定位，以使激光共聚焦检测探头发出的激光束轴线垂直于径向转动机构组件的回转中心轴线；
一激光共聚焦检测探头，与支撑套筒通过定位楔块定位后，固定连接到所述的支
撑套筒内，可以高精度测量被测齿形齿面距离激光共聚焦检测探头的位移量。
2.根据权利要求1所述的油管接箍内螺纹在线非接触激光立体扫描检测装置，其特征在于：所述的弹簧为压缩弹簧。
3.根据权利要求1所述的油管接箍内螺纹在线非接触激光立体扫描检测装置，其特征在于：所述挡板的导柱安装孔I和导柱安装孔II沿挡板中心轴线对称分布。
4.根据权利要求1所述的油管接箍内螺纹在线非接触激光立体扫描检测装置，其特征在于：所述的支撑轴承为滚动轴承。
5.根据权利要求1所述的油管接箍内螺纹在线非接触激光立体扫描检测装置，其特征在于：所述的直流减速电机带有编码器，具有位置反馈功能。
6.根据权利要求1所述的油管接箍内螺纹在线非接触激光立体扫描检测装置，其特征在于：所述的大齿轮为直齿圆柱齿轮。
7.根据权利要求1所述的油管接箍内螺纹在线非接触激光立体扫描检测装置，其特征在于：所述的横支架两端的通孔轴线相互平行。
8.根据权利要求1所述的油管接箍内螺纹在线非接触激光立体扫描检测装置，其特征在于：所述的支撑套筒底部有两个对称的定位孔，可与横支架一端径向定位。
9.根据权利要求1所述的油管接箍内螺纹在线非接触激光立体扫描检测装置，其特征在于：所述的定位楔块为矩形。
10.根据权利要求1所述的油管接箍内螺纹在线非接触激光立体扫描检测装置，其特征在于：所述的激光共聚焦检测探头有一定位平面，激光共聚焦检测探头发出的激光束轴线垂直于所述定位平面。
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