CN104567722A - 一种内螺纹检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内螺纹检测装置及方法，提出了分别进行螺纹上、下表面测量和重建，进而完成螺纹参数测量的方法，由于单次仅针对螺纹上或下表面的测量，无须要求相机一次获取完整的齿形图像，因此可以将相机和激光投射器置于检测孔外部，避免了设备尺寸方面的限制；该方法最终获得了内螺纹的完整形状信息，能够同时进行异物检测、螺纹深度、螺距、齿形参数的测量；因多数螺纹是金属质地，投射光在其加工表面上进行镜面反射，将相机和激光投射器设置于检测面同侧，更有助于相机获取清晰的投射光线图像；且提出了基于最优化理论的自动化表面拼接技术，提高了螺纹上下表面的拼接精度，也易于程序实现，提高了数据后期处理的自动化，简化测量操作。

Description

一种内螺纹检测装置及方法
技术领域
本发明涉及螺纹检测技术领域，尤其涉及一种内螺纹检测装置及方法。
背景技术
螺纹加工质量是工业领域中的一项基本且重要的质量管控项目，主要涉及的检测项有：螺纹间异物检测、螺纹长度(深度)、螺距、齿形。
目前能够进行螺纹检测的方法主要有接触式、非接触式2种检测方法。其中接触式检测法有量针检测法、螺纹千分尺、各种类型的螺纹规检测法；非接触式方法有工具显微镜法、机器视觉检测法。
接触式螺纹检测法存在量具易磨损、检测速度慢、检测参数单一的问题；非接触检测法虽无前者的问题，但目前仍主要运用在外螺纹检测中。而内螺纹，尤其是小孔径盲孔中的深度内螺纹检测，因现有设备无法深入，难以甚至无法进行检测。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种内螺纹检测装置及方法。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种内螺纹检测装置，内螺纹为内螺纹管的内部纹路，包括上螺纹面检测装置和下螺纹面检测装置，上螺纹面检测装置包括相机、激光一字线投射器和能够获知转动角度的转动机构，相机和激光一字线投射器设置在内螺纹管的管口上部，转动机构的动力输出部件与内螺纹管的底部连接，带动内螺纹管转动；
所述下螺纹面检测装置包括相机、激光一字线投射器和能够获知转动角度的转动机构、第一反射镜和第二反射镜，相机和激光一字线投射器设置在内螺纹管的管口上部，转动机构的动力输出部件与内螺纹管的底部连接，带动内螺纹管转动；第一反射镜设置在内螺纹管上部，第二反射镜设置在内螺纹管内部。
一种内螺纹检测方法，包括上螺纹面检测方法和下螺纹面检测方法；
上螺纹面检测方法包括以下步骤：
(1)进行相机内部参数K的定标；
(2)进行相机与激光线相对位置参数的定标；
(3)将待测工件按照图示位置放置，令激光线以图示方向投射至待测螺纹面上；
(4)相机拍摄一张螺纹面上的激光线图像；
(5)利用基于灰度或颜色的图像分割算法，提取激光线图像并拟合方程，进而由相机成像参数和相对位置参数，获得此激光线的空间坐标；
(6)根据线方程，判断是否存在加工异常或杂质；如果存在，停止后续检测过程，并发出异常信号，进行异常工件处理；如果正常，则继续后续检测；
(7)转动机构驱动待检测工件，令其绕内齿中轴转动1个已知角度，并记录此角度；
(8)重复执行步骤4，直至工件转动360度；
(9)根据每条激光线的空间坐标，进行上螺纹面的重建；
下螺纹面检测方法包括以下步骤：
(1)进行相机内部参数K的定标；
(2)进行相机与激光线相对位置参数的定标；
(3)将待测工件按照图示位置放置，令激光线以图示方向投射至待测螺纹面上；
(4)相机拍摄一张螺纹面上的激光线图像；
(5)利用基于灰度或颜色的图像分割算法，提取激光线图像并拟合方程，进而由相机成像参数和相对位置参数，获得此激光线的空间坐标；
(6)根据线方程，判断是否存在加工异常或杂质；如果存在，停止后续检测过程，并发出异常信号，进行异常工件处理；如果正常，则继续后续检测；
(7)转动机构驱动待检测工件，令其绕内齿中轴转动1个已知角度，并记录此角度；
(8)重复执行步骤4，直至工件转动360度；
(9)根据每条激光线的空间坐标，进行下螺纹面的重建。
下螺纹面检测方法中，其中设置第一反射镜和第二反射镜分别为m1和m2；投射光束在m2镜上反射后的光线，定义为l 1；光束l 1投射至空间点P上，相机视野中的P点像位置为P“处，即由相机成像方程测量到的P点空间坐标，其实为P’点的空间坐标。
在此装置制造时，2面反射镜与相机的相对位置、投射激光线束的空间位置，皆为已知或能通过成熟的定标方法获知；在已知P’点的空间坐标后，即能够求解出P点的空间坐标。
对于三角形截面的螺纹的齿尖线L是存在于螺纹上、下表面检测结果中的公共线；而对于梯形截面的螺纹，L1、L2是公共线，即基于此进行螺纹上下表面的拼接；不失一般性的，以三角形截面螺纹为例进行说明，具体实现算法为:
(1)分别获得螺纹上、下重建表面上，齿尖线Lu、Ld；
(2)以弧长间隔a，从靠近螺纹孔口的端点开始，分别在Lu曲线上选取点列Pu；
(3)计算Pu中每点处的法向量、切向量、曲率参数，构成每个点的评估向量vui；
(4)在Ld曲线上，从螺纹孔口的端点开始，以较小的弧长，确定若干个起始端点Sn；
(5)分别以这些起始点开始，以弧长间隔a确定点列Pdn，并计算各点处的评估向量vdni；其中Pdn表示第n个起始端点确定的弧长间隔为a的点列；
(6)分别计算Pu点列和Pdn各点处的评估向量的距离，选取具有最小距离的点列Pda；
(7)采用ICP空间迭代算法，完成上下螺纹面的最佳匹配。
以上拼接方法，也可使用局部具有高测量精度的齿尖线段进行拼接，如靠近螺纹口的部分螺纹，更容易处于最佳的测量条件，进而也会具有更高的测量精度。对此部分进行拼接，并作为测量结果的主要来源部位，更具有代表性和准确性。
本发明的有益效果在于：
本发明为一种内螺纹检测装置及方法，其中所述的由激光线进行三维重建的技术，是一种结构光重建技术，为获得较好的测量精度，数字相机应避免正对投射光线，但相机位置偏离投射线布置，则增大了测量部件的整体尺寸，无法进入小孔径孔中进行螺纹测量；
本发明提出了一种分别进行螺纹上、下表面测量和重建，进而完成螺纹参数测量的方法。由于单次仅针对螺纹上或下表面的测量，无须要求相机一次获取完整的齿形图像，因此可以将相机和激光投射器置于检测孔外部，避免了设备尺寸方面的限制；该方法最终获得了内螺纹的完整形状信息，能够同时进行异物检测、螺纹深度、螺距、齿形参数的测量；
因多数螺纹是金属质地，投射光在其加工表面上进行镜面反射，将相机和激光投射器设置于检测面同侧，更有助于相机获取清晰的投射光线图像；
内螺纹下表面检测中，本发明设计的检测方法，仅将小尺寸的反射镜置于孔内，而相机和其它设备皆置于孔外部，完全没有尺寸方面的限制；相机通过2面反射镜拍摄扫描线图像，在孔外部获得了传统方法难以获得的视角，并且非常有利于镜面反射条件下的图像获取；
内螺纹下表面测量方法中，测量部件能够上下移动，能够对靠近孔口部分的螺纹下表面进行高精度测量。通过提高此部分测量数据的权重，有助于提高整体测量精度；
在螺纹下表面测量中，本发明提出的方法能利用经2个镜面反射后的被测物图像数据，进行其空间坐标的求解，使得无须将相机置于孔内部，简化了测量装置的设计制造；
本发明中提出了一种基于最优化理论的自动化表面拼接技术，提高了螺纹上下表面的拼接精度，也易于程序实现，提高了数据后期处理的自动化，简化测量操作。
附图说明
图1是本发明中所述上螺纹面检测装置的结构示意图；
图2是本发明中所述下螺纹面检测装置的结构示意图；
图3是本发明中所述下螺纹面检测原理示意图；
图4是本发明中螺纹三维重建示意图；
图5是本发明中三维重建结果示意图。
图中：1-相机，2-激光一字线投射器，3-转动机构，4-上螺纹面，5-内螺纹，6-螺纹孔中轴，7-第一反射镜，8-第二反射镜，9-下螺纹面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
完整的检测流程为：上螺纹面检测(见图1)和下螺纹面检测(见图2)2部分。对于较大内径的工件，2种检测可同时进行；对于较小内径工件，可分别进行。
完整的检测流程为:
1.进行上螺纹面检测；
2.进行下螺纹面检测；
3.上、下螺纹面测量数据拼接；
4.计算螺纹齿形、螺距、深度参数。
其中步骤1中的上螺纹面检测原理如图1所述：
检测流程为：
(1)进行相机内部参数K的定标；
(2)进行相机与激光线相对位置参数的定标；
(3)将待测工件按照图示位置放置，令激光线以图示方向投射至待测螺纹面上；
(4)相机拍摄一张螺纹面上的激光线图像；
(5)利用基于灰度或颜色的图像分割算法，提取激光线图像并拟合方程，进而由相机成像参数和相对位置参数，获得此激光线的空间坐标；
(6)根据线方程，判断是否存在加工异常或杂质；如果存在，停止后续检测过程，并发出异常信号，进行异常工件处理；如果正常，则继续后续检测；
(7)转动机构驱动待检测工件，令其绕内齿中轴转动1个已知角度，并记录此角度；
(8)重复执行步骤4，直至工件转动360度；
(9)根据每条激光线的空间坐标，进行上螺纹面的重建。
其中步骤2的下螺纹面检测原理如图2所示：
特别的，相机、激光一字线投射器、转动机构和螺纹孔中轴间的相对位置固定不变，并可进行整体的升降运动，以弥补激光投线范围的不足。
其检测流程为：
(1)进行相机内部参数K的定标；
(2)进行相机与激光线相对位置参数的定标；
(3)将待测工件按照图示位置放置，令激光线以图示方向投射至待测螺纹面上；
(4)相机拍摄一张螺纹面上的激光线图像；
(5)利用基于灰度或颜色的图像分割算法，提取激光线图像并拟合方程，进而由相机成像参数和相对位置参数，获得此激光线的空间坐标；
(6)根据线方程，判断是否存在加工异常或杂质；如果存在，停止后续检测过程，并发出异常信号，进行异常工件处理；如果正常，则继续后续检测；
(7)转动机构驱动待检测工件，令其绕内齿中轴转动1个已知角度，并记录此角度；
(8)重复执行步骤4，直至工件转动360度；
(9)根据每条激光线的空间坐标，进行下螺纹面的重建。
螺纹上下面检测中，步骤(1)，即相机内部参数K的定标皆采用成熟的标定方法；步骤(2)，即相机与激光线相对位置参数的定标，稍有不同。其中上螺纹面检测流程中的步骤(2)采用成熟的方法进行标定；下螺纹面检测流程中的步骤(2)实现方法如图3所示，不失一般性的，用空间单线束测量原理进行说明。
其中m1、m2为2面反射镜；投射光束在m2镜上反射后的光线，定义为l1；光束l1投射至空间点P上，则由几何光学基本原理可知，相机视野中的P点像位置为P“处，即由相机成像方程测量到的P点空间坐标，其实为P’点的空间坐标。
在此装置制造时，2面反射镜与相机的相对位置、投射激光线束的空间位置，皆为已知或能通过成熟的定标方法获知。因此，在已知P’点的空间坐标后，即能够求解出P点的空间坐标。
螺纹上下面检测中的步骤(9)，即螺纹三维重建，由以下方法实现。不失一般性的，以上螺纹面重建为例进行说明，如图4所示。
其中，图4中左起第一个图为2个相邻转角处测得的螺纹上表面数据。对于同一转角处测得的数据，由于螺纹齿间的遮挡，一般表现为空间一组不连续的线段，并且这些线段皆共面。
对这类数据进行三维重建是业内的成熟技术，一种简单的重建方法即依次进行相邻扫描数据的面重建，进而实现螺纹面的整体重建，如图4中左起第二个图所示。
其中步骤3的上、下螺纹面测量数据拼接实现方法如图5所示。由上文叙述的流程可知，此时已获得了螺纹上、下表面的三维重建结果。
由上文介绍的螺纹上、下表面检测原理可知，理论上，对于三角形截面的螺纹的齿尖线L是存在于螺纹上、下表面检测结果中的公共线；而对于梯形截面的螺纹，L1、L2是公共线，即可基于此进行螺纹上下表面的拼接。不失一般性的，以三角形截面螺纹为例进行说明，具体实现算法为:
(1)分别获得螺纹上、下重建表面上，齿尖线Lu、Ld；
(2)以弧长间隔a，从靠近螺纹孔口的端点开始，分别在Lu曲线上选取点列Pu；
(3)计算Pu中每点处的法向量、切向量、曲率参数，构成每个点的评估向量vui；
(4)在Ld曲线上，从螺纹孔口的端点开始，以较小的弧长，确定若干个起始端点Sn；
(5)分别以这些起始点开始，以弧长间隔a确定点列Pdn，并计算各点处的评估向量vdni；其中Pdn表示第n个起始端点确定的弧长间隔为a的点列；
(6)分别计算Pu点列和Pdn各点处的评估向量的距离，选取具有最小距离的点列Pda；
(7)采用ICP空间迭代算法，完成上下螺纹面的最佳匹配。
以上拼接方法，也可使用局部具有高测量精度的齿尖线段进行拼接，如靠近螺纹口的部分螺纹，更容易处于最佳的测量条件，进而也会具有更高的测量精度。对此部分进行拼接，并作为测量结果的主要来源部位，更具有代表性和准确性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种内螺纹检测装置，内螺纹为内螺纹管的内部纹路，其特征在于：包括上螺纹面检测装置和下螺纹面检测装置，上螺纹面检测装置包括相机、激光一字线投射器和能够获知转动角度的转动机构，相机和激光一字线投射器设置在内螺纹管的管口上部，转动机构的动力输出部件与内螺纹管的底部连接，带动内螺纹管转动；
所述下螺纹面检测装置包括相机、激光一字线投射器和能够获知转动角度的转动机构、第一反射镜和第二反射镜，相机和激光一字线投射器设置在内螺纹管的管口上部，转动机构的动力输出部件与内螺纹管的底部连接，带动内螺纹管转动；第一反射镜设置在内螺纹管上部，第二反射镜设置在内螺纹管内部。
2.一种权利要求1所述的内螺纹检测方法，其特征在于：包括上螺纹面检测方法和下螺纹面检测方法；
上螺纹面检测方法包括以下步骤：
(1)进行相机内部参数K的定标；
(2)进行相机与激光线相对位置参数的定标；
(3)将待测工件按照图示位置放置，令激光线以图示方向投射至待测螺纹面上；
(4)相机拍摄一张螺纹面上的激光线图像；
(5)利用基于灰度或颜色的图像分割算法，提取激光线图像并拟合方程，进而由相机成像参数和相对位置参数，获得此激光线的空间坐标；
(6)根据线方程，判断是否存在加工异常或杂质；如果存在，停止后续检测过程，并发出异常信号，进行异常工件处理；如果正常，则继续后续检测；
(7)转动机构驱动待检测工件，令其绕内齿中轴转动1个已知角度，并记录此角度；
(8)重复执行步骤4，直至工件转动360度；
(9)根据每条激光线的空间坐标，进行上螺纹面的重建；
下螺纹面检测方法包括以下步骤：
(1)进行相机内部参数K的定标；
(2)进行相机与激光线相对位置参数的定标；
(3)将待测工件按照图示位置放置，令激光线以图示方向投射至待测螺纹面上；
(4)相机拍摄一张螺纹面上的激光线图像；
(5)利用基于灰度或颜色的图像分割算法，提取激光线图像并拟合方程，进而由相机成像参数和相对位置参数，获得此激光线的空间坐标；
(6)根据线方程，判断是否存在加工异常或杂质；如果存在，停止后续检测过程，并发出异常信号，进行异常工件处理；如果正常，则继续后续检测；
(7)转动机构驱动待检测工件，令其绕内齿中轴转动1个已知角度，并记录此角度；
(8)重复执行步骤4，直至工件转动360度；
(9)根据每条激光线的空间坐标，进行下螺纹面的重建。
3.根据权利要求2所述的一种内螺纹检测方法，其特征在于：下螺纹面检测方法中，其中设置第一反射镜和第二反射镜分别为m1和m2；投射光束在m2镜上反射后的光线，定义为l1；光束l1投射至空间点P上，相机视野中的P点像位置为P“处，即由相机成像方程测量到的P点空间坐标，其实为P’点的空间坐标。
在此装置制造时，2面反射镜与相机的相对位置、投射激光线束的空间位置，皆为已知或能通过成熟的定标方法获知；在已知P’点的空间坐标后，即能够求解出P点的空间坐标。
对于三角形截面的螺纹的齿尖线L是存在于螺纹上、下表面检测结果中的公共线；而对于梯形截面的螺纹，L1、L2是公共线，即基于此进行螺纹上下表面的拼接；不失一般性的，以三角形截面螺纹为例进行说明，具体实现算法为:
(1)分别获得螺纹上、下重建表面上，齿尖线Lu、Ld；
(2)以弧长间隔a，从靠近螺纹孔口的端点开始，分别在Lu曲线上选取点列Pu；
(3)计算Pu中每点处的法向量、切向量、曲率参数，构成每个点的评估向量vui；
(4)在Ld曲线上，从螺纹孔口的端点开始，以较小的弧长，确定若干个起始端点Sn；
(5)分别以这些起始点开始，以弧长间隔a确定点列Pdn，并计算各点处的评估向量vdni；其中Pdn表示第n个起始端点确定的弧长间隔为a的点列；
(6)分别计算Pu点列和Pdn各点处的评估向量的距离，选取具有最小距离的点列Pda；
(7)采用ICP空间迭代算法，完成上下螺纹面的最佳匹配。3 -->
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