CN104567722B - 一种内螺纹检测方法 - 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
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。
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 (2)
1.一种内螺纹检测方法，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，令激光一字线投射器发射的激光线直接投射至上螺纹面上；
(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；令激光一字线投射器发射的激光线先投射到第一反射镜，再经第一反射镜反射到第二反射镜，再经第二反射镜反射到下螺纹面上；
(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。
2.根据权利要求1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；
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(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。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |