CN108050949B - 一种测量螺纹三维中径及螺纹二维综合参数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测量螺纹三维中径及螺纹二维综合参数的方法，对被测螺纹进行三维扫描及三维建模，计算出螺纹三维中径及螺纹二维综合参数，有效解决量规检测工件、传统仪器测量结果与量规检测存在较多争议的问题。

Description

一种测量螺纹三维中径及螺纹二维综合参数的方法
技术领域
本发明涉及螺纹测量，尤其涉及一种数字虚拟量规测量螺纹三维中径及螺纹二维综合参数的方法。
背景技术
螺纹是人类最早发明的基础机械之一，由于具有容易装配和方便拆卸的特性，广泛地应用在航天、化工、汽车等领域，其所使用的螺纹，一般用螺纹量规进行检测，而螺纹量规则使用仪器进行测量。
目前常用的螺纹检测方法有：
(1)量规测量法。通过螺纹旋合方式检查螺纹工件或者环规是否符合要求。对于检测圆柱螺纹，每种规格都需要有一对通止量规，通端量规能旋合通过被测螺纹，止端量规不能旋合通过被测螺纹，则判定该螺纹符合要求。对于检测圆锥螺纹，每种规格都需要有一个量规，量规和被测螺纹旋合紧后，端面在指定位置则判定该螺纹符合要求。
量规测量法：需要配置所有被测螺纹规格对应的量规，而且无法提供测量的精确数据。不同量规验收同一个螺纹，可能会有不同结果，存在一些争议。对于精度较高的塞规、校对塞规，不能使用该方法检测。
(2)螺纹单项参数测量法。针对一般量规，使用测长机、千分尺等采用量针、量球法测量螺纹的单一中径。
螺纹单项参数测量法：只测量单一中径，通常不对牙型角、螺距误差进行补偿，当牙型不理想时，测量结果存在较大误差。与量规测量法的结果经常不一致，存在较多争议。
(3)二维接触式扫描测量法。采用精密轴承驱动测针对螺纹进行接触扫描，由光栅系统记录扫描过程中的轮廓轨迹坐标，最后由软件进行合成和计算，获得螺纹的综合参数。
二维接触式扫描测量法：根据牙型轮廓和螺纹参数定义直接计算二维螺纹参数，虽然对牙型角、螺距误差进行了补偿，计算结果相对较准确，但该方法一般只测一个或者有限几个轴截面，不能真正代表螺纹的三维轮廓。当牙型不理想时，该方法还是可能与量规测量法的结果会不一致。
发明内容
本发明提供了一种测量螺纹三维中径及螺纹二维综合参数的方法，对被测螺纹进行三维扫描及三维建模，计算出螺纹三维中径及螺纹二维综合参数，有效解决量规检测工件、传统仪器测量结果与量规检测存在较多争议的问题。
一种测量螺纹三维中径及螺纹二维综合参数的方法，包括：
(1)通过三维扫描装置对被测螺纹进行三维扫描，得到被测螺纹三维数据。
(2)对被测螺纹三维数据进行三维建模，构建螺纹三维轮廓。
(3)构建标准螺纹轮廓，其与被测螺纹轮廓进行虚拟旋合装配，计算出螺纹三维中径。
对于被测圆柱内螺纹，构建出一系列不同直径的标准牙型圆柱外螺纹轮廓，标准轮廓逐个与被测轮廓进行虚拟旋合装配，当两者刚好不发生干涉时，标准牙型外螺纹的最大中径则为该圆柱内螺纹的三维中径。
对于被测圆柱外螺纹，构建出一系列不同直径的标准牙型圆柱内螺纹轮廓，标准轮廓逐个与被测轮廓进行虚拟旋合装配，当两者刚好不发生干涉时，标准牙型内螺纹的最小中径则为该圆柱外螺纹的三维中径。
对于被测圆锥内螺纹，构建出一系列不同直径的标准牙型圆锥外螺纹轮廓，标准轮廓逐个与被测轮廓进行虚拟旋合装配，同时端面对齐，当两者刚好不发生干涉时，标准牙型外螺纹的最大中径则为该圆锥内螺纹的三维中径。
对于被测圆锥外螺纹，构建出一系列不同直径的标准牙型圆锥内螺纹轮廓，标准轮廓逐个与被测轮廓进行虚拟旋合装配，同时端面对齐，当两者刚好不发生干涉时，标准牙型内螺纹的最小中径则为该圆锥外螺纹的三维中径。
(4)将被测螺纹三维轮廓沿着各个轴截面切开，得到二维牙型轮廓图形，根据参数定义，计算出大径、小径、单一中径、螺距、牙型角、锥度等参数。
本发明的有益效果是：
一种测量螺纹三维中径及螺纹二维综合参数的方法，使用通用性强的计算方法，不同类型的螺纹均可测量出三维中径及大径、小径、中径、螺距、牙型角、锥度等二维螺纹参数，避免配置种类繁多的量规来检测螺纹，有效减少螺纹测量的争议，为螺纹测量研究、仪器测量误差分析提供了一种全新的方法。
(1)无论是内螺纹或者外螺纹、圆柱螺纹或者圆锥螺纹、螺纹工件或者螺纹量规，均可测量出三维中径及大径、小径、单一中径、螺距、牙型角、锥度等二维螺纹参数，计算方法通用性强。
(2)测量的三维中径与实际旋合效果一样，避免配置种类繁多的量规来检测螺纹。
(3)传统仪器检测的螺纹参数并不能有效代表螺纹旋合时的三维中径，本发明能准确测量三维中径，有效减少螺纹测量的争议。
(4)测量同时得到三维中径和二维螺纹参数，可与量规旋合及仪器测量结果做对比验证，为螺纹测量研究、仪器测量误差分析提供了全新的方法。
附图说明
图1为三维扫描装置扫描外螺纹示意图；
图2是内螺纹三维图；
图3是外螺纹三维图；
图4是测量圆柱内螺纹三维中径剖面图；
图5是测量圆柱外螺纹三维中径剖面图；
图6是圆柱内螺纹轴截面螺纹参数示意图；
图7是圆柱外螺纹轴截面螺纹参数示意图；
图8是圆锥内螺纹轴截面螺纹参数示意图；
图9是圆锥外螺纹轴截面螺纹参数示意图；
图10是螺纹上半部分结构示意图；
图11是圆柱内螺纹的三维中径结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
一种测量螺纹三维中径及螺纹二维综合参数的方法，
(1)见图1的三维扫描装置扫描外螺纹示意图，将被测量规200安装在快速定位夹具101上，使量规200轴线位于高精度转台102的旋转中心所在的直线上，然后伺服电机(图中未画出)和精密导轨105通过测杆104驱动测针103对螺纹两侧进行扫描，扫描完螺纹的一个轴截面后，高精度转台102带动扫描机构转动到另一个位置，对螺纹进行另一个轴截面进行扫描，由此得到各个轴截面的二维轮廓数据，汇总后得到被测螺纹的三维轮廓数据。
(2)三维建模。将被测螺纹进行三维建模，构建螺纹三维轮廓，如图2、图3所示。
(3)虚拟旋合装配，计算三维中径。
测量圆柱内螺纹三维中径剖面图如图4所示，其中401为被测内螺纹，402为标准牙型外螺纹，对于被测圆柱内螺纹，首先构建出一个直径较小的标准牙型外螺纹轮廓，以螺纹轴线为X轴，某个轴截面为XY平面建立坐标系，如图10所示，取被测螺纹最靠近端面的牙顶上一点为标准螺纹轮廓中径点(xd0,yd0,zd0)起点，创建该截面一系列标准螺纹中径点(xdi,ydi,zdi)、大径点(xmi,ymi,zmi)和小径点(xni,yni,zni)。
中径点坐标：
Figure BDA0001495294610000061
ydi＝yd0 (5.2)
zdi＝zd0＝0 (5.3)
大径点坐标：
Figure BDA0001495294610000062
Figure BDA0001495294610000063
zmi＝zdi＝0 (5.6)
小径点坐标：
Figure BDA0001495294610000064
Figure BDA0001495294610000065
zni＝zdi＝0 (5.9)
其中：D2、D、D1分别为螺纹中径、大径、小径的理论值，α为理论牙型角；P为理论螺距，通过查标准得到。公式(5.4)和(5.7)中正负号表示为相邻牙侧的符号相反。
将该轴截面的各个中径、大径、小径点旋转θ角度得到其它截面的中径、大径、小径点坐标。
Figure BDA0001495294610000071
y′i＝yi*cosθ-zi*sinθ
z′i＝yi*sinθ+zi*cosθ
以Δx步距逐步平移标准螺纹轮廓，与被测螺纹进行虚拟旋合装配，如果标准轮廓与被测轮廓完全不干涉，则以一定的步距Δy逐步增大标准轮廓的直径，重复虚拟装配的步骤。如图11所示，直到标准轮廓与被测轮廓刚好接触而不发生干涉，此时标准牙型外螺纹的中径则为该圆柱内螺纹的三维中径。
对任意被测螺纹轴截面，使用公式(5.1)～(5.9)计算标准螺纹的大径点Pm和小径点Pn，根据牙侧的斜率及被测数据点Pi在直线mn的左侧或者右侧，则可判断标准螺纹轮廓与被测螺纹有无干涉。
A＝(xn-xm)(yn-ym)-(xi-xm)(yi-ym)
当A＞0时，点Pi在直线mn的左侧，当A＜0时，点Pi在直线mn的右侧，当A＝0时，点Pi在直线mn上。
标准螺纹轮廓坐标平移公式：
x′i＝xi+Δx
y′i＝yi
z′i＝zi
增大标准轮廓的直径公式：
x′i＝xi
y′i＝yi+Δy
z′i＝zi。
如图5所示，为测量圆柱外螺纹三维中径剖面图，图中501为标准牙型内螺纹，502为被测外螺纹，对于被测圆柱外螺纹，方法同上述被测圆柱内螺纹，首先构建出一个直径较大的标准牙型内螺纹轮廓，以一定的步距平移标准轮廓，与被测轮廓进行虚拟旋合装配，如果标准轮廓与被测轮廓完全不干涉，则以一定的步距逐步减小标准轮廓的直径，重复虚拟装配的步骤。直到标准轮廓与被测轮廓刚好接触而不发生干涉，此时标准牙型内螺纹的中径则为该圆柱外螺纹的三维中径。
对于被测圆锥内螺纹，方法同上述被测圆柱内螺纹，首先构建出一个直径较小的标准牙型外螺纹轮廓，以一定的步距平移标准轮廓，与被测轮廓进行虚拟旋合装配，标准轮廓与被测轮廓刚好不干涉时，如果标准轮廓的端面超出被测轮廓的端面，则以一定的步距逐步增大标准轮廓的直径，重复虚拟装配的步骤，直到标准轮廓端面与被测轮廓端面平齐，此时标准牙型外螺纹的中径则为该圆锥内螺纹的三维中径。
对于被测圆锥外螺纹，方法同上述被测圆柱内螺纹，首先构建出一个直径较大的标准牙型内螺纹轮廓，以一定的步距平移标准轮廓，与被测轮廓进行虚拟旋合装配，标准轮廓与被测轮廓刚好不干涉时，如果标准轮廓的端面超出被测轮廓的端面，则以一定的步距逐步减小标准轮廓的直径，重复虚拟装配的步骤，直到标准轮廓端面与被测轮廓端面平齐，此时标准牙型内螺纹的中径则为该圆锥外螺纹的三维中径。
(4)测量螺纹二维综合参数。将被测螺纹三维轮廓沿着各个轴截面切开，得到二维牙型轮廓图形，根据参数定义计算出大径、小径、单一中径、螺距、牙型角、锥度等螺纹二维综合参数。如图6、图7、图8、图9所示。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种测量螺纹三维中径及螺纹二维综合参数的方法，其特征在于：
步骤1：通过三维扫描装置对被测螺纹进行三维扫描，得到被测螺纹三维数据；
步骤2：对被测螺纹三维数据进行三维建模，构建螺纹三维轮廓；
步骤3：构建标准螺纹轮廓，其与被测螺纹轮廓进行虚拟旋合装配，计算出螺纹三维中径；构建出一系列不同直径的标准牙型螺纹轮廓，标准轮廓逐个与被测轮廓进行虚拟旋合装配，当两者刚好不发生干涉时，计算出螺纹三维中径；
步骤3中，对于被测圆柱内螺纹，构建出一系列不同直径的标准牙型圆柱外螺纹轮廓，标准轮廓逐个与被测轮廓进行虚拟旋合装配，当两者刚好不发生干涉时，标准牙型外螺纹的最大中径则为该圆柱内螺纹的三维中径；
对于被测圆柱内螺纹，首先构建出一个直径较小的标准牙型外螺纹轮廓，以螺纹轴线为X轴，某个轴截面为XY平面建立坐标系，取被测螺纹最靠近端面的牙顶上一点为标准螺纹轮廓中径点(xd0,yd0,zd0)起点，创建该截面一系列标准螺纹中径点(xdi,ydi,zdi)、大径点(xmi,ymi,zmi)和小径点(xni,yni,zni)；
中径点坐标：
Figure FDA0002247595620000011
ydi＝yd0 (5.2)
zdi＝zd0＝0 (5.3)
大径点坐标：
Figure FDA0002247595620000021
Figure FDA0002247595620000022
zmi＝zdi＝0 (5.6)
小径点坐标：
Figure FDA0002247595620000023
Figure FDA0002247595620000024
zni＝zdi＝0 (5.9)
其中：D2、D、D1分别为螺纹中径、大径、小径的理论值，α为理论牙型角；P为理论螺距，通过查标准得到；公式(5.4)和(5.7)中正负号表示为相邻牙侧的符号相反；
将该轴截面的各个中径、大径、小径点旋转θ角度得到其它截面的中径、大径、小径点坐标：
Figure FDA0002247595620000025
y′i＝yi*cosθ-zi*sinθ
z′i＝yi*sinθ+zi*cosθ
以Δx步距逐步平移标准螺纹轮廓，与被测螺纹进行虚拟旋合装配，如果标准轮廓与被测轮廓完全不干涉，则以一定的步距Δy逐步增大标准轮廓的直径，重复虚拟装配的步骤；直到标准轮廓与被测轮廓刚好接触而不发生干涉，此时标准牙型外螺纹的中径则为该圆柱内螺纹的三维中径；
对任意被测螺纹轴截面，使用公式(5.1)～(5.9)计算标准螺纹的大径点Pm和小径点Pn，根据牙侧的斜率及被测数据点Pi在直线mn的左侧或者右侧，则可判断标准螺纹轮廓与被测螺纹有无干涉；
A＝(xn-xm)(yn-ym)-(xi-xm)(yi-ym)
当A>0时，点Pi在直线mn的左侧，当A<0时，点Pi在直线mn的右侧，当A＝0时，点Pi在直线mn上；
标准螺纹轮廓坐标平移公式：
x′i＝xi+Δx
y′i＝yi
z′i＝zi
增大标准轮廓的直径公式：
x′i＝xi
y′i＝yi+Δy
z′i＝zi；
步骤4：将被测螺纹三维轮廓沿着各个轴截面切开，得到二维牙型轮廓图形，根据参数定义，计算出大径、小径、单一中径、螺距、牙型角、锥度参数。
2.根据权利要求1所述的一种测量螺纹三维中径及螺纹二维综合参数的方法，其特征在于：步骤3中，对于被测圆柱外螺纹，构建出一系列不同直径的标准牙型圆柱内螺纹轮廓，标准轮廓逐个与被测轮廓进行虚拟旋合装配，当两者刚好不发生干涉时，标准牙型内螺纹的最小中径则为该圆柱外螺纹的三维中径。
3.根据权利要求2所述的一种测量螺纹三维中径及螺纹二维综合参数的方法，其特征在于：对于被测圆柱外螺纹，方法同被测圆柱内螺纹，首先构建出一个直径较大的标准牙型内螺纹轮廓，以一定的步距平移标准轮廓，与被测轮廓进行虚拟旋合装配，如果标准轮廓与被测轮廓完全不干涉，则以一定的步距逐步减小标准轮廓的直径，重复虚拟装配的步骤，直到标准轮廓与被测轮廓刚好接触而不发生干涉，此时标准牙型内螺纹的中径则为该圆柱外螺纹的三维中径。
4.根据权利要求1所述的一种测量螺纹三维中径及螺纹二维综合参数的方法，其特征在于：步骤3中，对于被测圆锥内螺纹，构建出一系列不同直径的标准牙型圆锥外螺纹轮廓，标准轮廓逐个与被测轮廓进行虚拟旋合装配，同时端面对齐，当两者刚好不发生干涉时，标准牙型外螺纹的最大中径则为该圆锥内螺纹的三维中径。
5.根据权利要求4所述的一种测量螺纹三维中径及螺纹二维综合参数的方法，其特征在于：对于被测圆锥内螺纹，方法同被测圆柱内螺纹，首先构建出一个直径较小的标准牙型外螺纹轮廓，以一定的步距平移标准轮廓，与被测轮廓进行虚拟旋合装配，标准轮廓与被测轮廓刚好不干涉时，如果标准轮廓的端面超出被测轮廓的端面，则以一定的步距逐步增大标准轮廓的直径，重复虚拟装配的步骤，直到标准轮廓端面与被测轮廓端面平齐，此时标准牙型外螺纹的中径则为该圆锥内螺纹的三维中径。
6.根据权利要求1所述的一种测量螺纹三维中径及螺纹二维综合参数的方法，其特征在于：步骤3中，对于被测圆锥外螺纹，构建出一系列不同直径的标准牙型圆锥内螺纹轮廓，标准轮廓逐个与被测轮廓进行虚拟旋合装配，同时端面对齐，当两者刚好不发生干涉时，标准牙型内螺纹的最小中径则为该圆锥外螺纹的三维中径。
7.根据权利要求6所述的一种测量螺纹三维中径及螺纹二维综合参数的方法，其特征在于：对于被测圆锥外螺纹，方法同被测圆柱内螺纹，首先构建出一个直径较大的标准牙型内螺纹轮廓，以一定的步距平移标准轮廓，与被测轮廓进行虚拟旋合装配，标准轮廓与被测轮廓刚好不干涉时，如果标准轮廓的端面超出被测轮廓的端面，则以一定的步距逐步减小标准轮廓的直径，重复虚拟装配的步骤，直到标准轮廓端面与被测轮廓端面平齐，此时标准牙型内螺纹的中径则为该圆锥外螺纹的三维中径。
8.根据权利要求1所述的一种测量螺纹三维中径及螺纹二维综合参数的方法，其特征在于：步骤1中，将被测量规安装在快速定位夹具上，使量规轴线位于高精度转台的旋转中心，然后伺服电机和精密导轨通过测杆驱动测针对螺纹两侧进行扫描，扫描完螺纹的一个轴截面后，高精度转台带动扫描机构转动到另一个位置，对螺纹进行另一个轴截面进行扫描，由此得到各个轴截面的二维轮廓数据，汇总后得到被测螺纹的三维轮廓数据。
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"基于随机HOUGH变换的螺纹可旋入性判别方法";洪迈生等;《光学精密工程》;20020531;第10卷(第1期);第231-233页 *
一种基于虚拟基准的虚拟环规-检测螺纹的新方法;洪迈生等;《光学技术》;20020228;第28卷(第3期);第14-18页 *

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