CN108592795A - 一种基于光谱共焦传感器的螺纹参数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光谱共焦传感器的螺纹参数测量装置包括：第一底座，水平放置在工作台上；第一导轨，架设在第一底座上；第二底座，平行于第一底座设置在第一导轨上，沿第一导轨滑动；第二导轨，设置在第二底座上，与第一导轨互相垂直，所在平面相互平行；第一置物台，平行于第二底座设置在第二导轨上，沿第二导轨滑动；转台，固定在第一置物台上；第三底座，水平放置在工作台上；第三导轨，一端固定在第三底座上，与水平面垂直；第二置物台，与水平面平行设置在第三导轨上，沿第三导轨上下滑动；光谱共焦传感器，固定在第二置物台上，光谱共焦传感器的光出射方向平行于水平面；第一底座与第三底座相对设置在光谱共焦传感器的出射光方向。

Description

一种基于光谱共焦传感器的螺纹参数测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量装置，尤其涉及一种基于光谱共焦传感器的螺纹参数测量装置

背景技术

螺纹参数主要包括螺距、大径、小径、牙型角和锥角等参数。目前螺纹综合参数测量方法主要有两种：一种是通过触针扫描测量螺纹表面，计算扫描轮廓得到螺纹参数，属于接触式测量方法，测量速度慢，并且其探针容易磨损，成本较高；另外一种是利用影像测头的螺纹参数测量方法，该方法只能测量外螺纹，且对螺纹表面质量要求高，测量精度低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种基于光谱共焦传感器的螺纹参数测量装置，利用光谱共焦传感器、三维滑动装置和转台通过伺服运动控制机构实现螺纹综合参数的快速、高精度和非接触式测量。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于光谱共焦传感器的螺纹参数测量装置，其特征在于，所述螺纹参数测量装置包括：

第一底座，水平放置在工作台上；

第一导轨，固定架设在所述第一底座上；

第二底座，平行于所述第一底座设置在所述第一导轨上，沿所述第一导轨滑动；

第二导轨，设置在所述第二底座上，所述第二导轨与所述第一导轨互相垂直，所在平面相互平行；

第一置物台，平行于所述第二底座设置在所述第二导轨上，沿所述第二导轨滑动；

转台，固定在所述第一置物台上，所述转台的转动轴与所述第一置物台垂直，用于放置螺纹量规；

第三底座，水平放置在所述工作台上；

第三导轨，所述第三导轨的一端固定在所述第三底座上，与水平面垂直；

第二置物台，与水平面平行设置在所述第三导轨上，沿所述第三导轨上下滑动；

光谱共焦传感器，固定在所述第二置物台上，所述光谱共焦传感器的光出射方向平行于水平面；

所述第一底座与所述第三底座相对设置在所述光谱共焦传感器的出射光方向；

沿所述第一导轨和第二导轨滑动所述螺纹量规，使所述螺纹量规与所述光谱共焦传感器位于同一轴截面，记录所述转台的转动轴心与所述光谱共焦传感器的距离为M；

沿所述第三导轨上下滑动所述光谱共焦传感器，使出射光在所述螺纹量规的母线上扫描，获取所述螺纹量规与所述光谱共焦传感器的一组相对距离A1及与所述第三导轨滑动的一组同步位移数据D1，将所述螺纹量规沿所述转台的转动轴心旋转180度，获取所述螺纹量规的对径母线与所述光谱共焦传感器的一组相对距离A2及与所述第三导轨滑动的一组同步位移数据D2，根据数据A1、A2、D1、D2和M数值计算所述螺纹量规参数。

进一步，所述螺纹参数测量装置还包括：

第一伺服运动控制机构，与第一底座相连，根据所述螺纹量规的测量数据控制所述螺纹量规沿所述第一导轨滑动，同步采集所述螺纹量规的测量数据和沿所述第一导轨的位移数据；

第二伺服运动控制机构，与第二底座相连，根据所述螺纹量规的测量数据控制所述螺纹量规沿所述第二导轨滑动，同步采集所述螺纹量规的测量数据和沿所述第二导轨的位移数据；

第三伺服运动控制机构，与第三底座相连，根据所述螺纹量规的测量数据控制所述螺纹量规沿所述第三导轨滑动，同步采集所述螺纹量规的测量数据和沿所述第三导轨的位移数据；

第四伺服运动控制机构，与转台连接，根据所述转台的转动角度控制所述转台沿转台的转动轴转动。

进一步，所述第一导轨、第二导轨和第三导轨为平行均匀架设的双导轨。

进一步，所述螺纹量规参数为螺距、大径、小径、中径、牙型角或锥角的一种或多种。

进一步，将所述螺纹量规沿所述转台的转动轴心以1度为单位获取所述螺纹量规的360度每1度的360组轴截面数据，实现三维测量。

进一步，同时控制所述第一伺服运动控制机构、第二伺服运动控制机构和第三伺服运动控制机构使所述光谱共焦传感器和所述螺纹量规同时运动，并获取所述光谱共焦传感器的同步测量数据和位移数据。

进一步，所述转台上固定有卡具，所述螺纹量规放置在所述转台上，通过卡具固定。

进一步，所述被测螺纹量规为螺纹塞规或螺纹环规。

本发明实施例螺纹参数测量装置，利用了光谱共焦传感器、三维滑动装置和转台通过伺服运动控制机构实现了螺纹综合参数的快速、高精度和非接触式测量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于光谱共焦传感器的螺纹参数测量装置的结构示意图之一；

图2为本发明实施例提供的一种基于光谱共焦传感器的螺纹参数测量装置的结构示意图之二。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本发明实施例提供的一种基于光谱共焦传感器的螺纹参数测量装置的结构示意图之一,图2为本发明实施例提供的一种基于光谱共焦传感器的螺纹参数测量装置的结构示意图之二。如图1所示，本发明的一种基于光谱共焦传感器的螺纹参数测量装置包括：第一底座11、第一导轨21、第二底座12、第二导轨22、第一置物台31、转台4、第三底座13、第三导轨23、第二置物台32、光谱共焦传感器5。

第一底座11，水平放置在工作台7上。

优选的，与第一底座11连接有第一伺服运动控制机构81，根据螺纹量规6的测量数据控制螺纹量规6沿第一导轨21滑动，同步采集螺纹量规6的测量数据和沿第一导轨21的位移数据。

第一导轨21，固定架设在第一底座11上。

第二底座12，平行于第一底座11设置在第一导轨21上，沿第一导轨21滑动。

优选的，与第二底座12连接有第二伺服运动控制机构82，根据螺纹量规6的测量数据控制螺纹量规6沿第二导轨22滑动，同步采集螺纹量规6的测量数据和沿第二导轨22的位移数据。

第二导轨22，设置在第二底座12上，第二导轨22与第一导轨21互相垂直，所在平面相互平行。

第一置物台31，平行于第二底座12设置在第二导轨22上，沿第二导轨22滑动。

转台4，固定在第一置物台31上，转台4的转动轴与第一置物台31垂直，用于放置螺纹量规6。

优选的，与转台4连接有第四伺服运动控制机构84，根据转台4的转动角度控制转台4沿转台4的转动轴转动。

可选的，螺纹量规6可以放置在转台4的任意位置。

优选的，螺纹量规为螺纹塞规或螺纹环规。

优选的，转台4上固定有卡具，螺纹量规6放置在转台4上，通过卡具固定。可选的，卡具为三爪卡具或者四爪卡具。

第三底座13，水平放置在工作台7上；

优选的，与第三底座13相连有第三伺服运动控制机构83，根据螺纹量规6的测量数据控制螺纹量规6沿第三导轨滑动，同步采集螺纹量规6的测量数据和沿第三导轨23的位移数据。

第三导轨23，第三导轨23的一端固定在第三底座13上，与水平面垂直。

第二置物台32，与水平面平行设置在第三导轨23上，沿第三导轨23上下滑动。

光谱共焦传感器5，固定在第二置物台32上，光谱共焦传感器5的光出射方向平行于水平面。

光谱共焦传感器5是一种高精度的非接触位移传感器。其测量原理是传感器将宽光谱的复色光，通过色散元件产生光谱色散，形成不同波长的单色光，聚焦透镜将每一波长聚焦在光轴的不同位置，利用不同波长对应不同距离值进行距离的测量。

可选的，光谱共焦传感器5通过夹紧或粘贴方式固定在第二置物台32的下表面上。

第一底座11与第三底座13相对设置在光谱共焦传感器5的出射光方向，可确保螺纹量规6在光谱共焦传感器5出射光的照射范围内滑动。

沿第一导轨21和第二导轨22滑动螺纹量规6，使螺纹量规6与光谱共焦传感器5位于同一轴截面，记录转台4的转动轴心与光谱共焦传感器5的距离为M，在螺纹量规6的轴线与转台的转动轴不同轴的情况下，计算螺纹量规参数需要标定转台4的转动轴轴心到螺纹量规6的距离。

沿第三导轨23上下滑动光谱共焦传感器5，使出射光在螺纹量规6的母线上扫描，获取螺纹量规6与光谱共焦传感器5的一组相对距离A1，在滑动时同步获取相应的一组在第三导轨23上的同步位移数据D1，将螺纹量规6沿转台5的转动轴心旋转180度，获取螺纹量规6的对径母线与光谱共焦传感器5的一组相对距离A2，在滑动时同步获取相应的一组在第三导轨23上的同步位移数据D2，根据数据A1、A2、D1、D2和M数值计算螺纹量规参数。

螺纹量规参数具体为螺距、大径、小径、中径、牙型角或锥角的一种或多种。

优选的，光谱共焦传感器5的数据采集采用边缘触发模式，将第三伺服运动控制机构83的光栅尺的编码信号作为触发源，实现螺纹量规6的测量数据和沿第三导轨23的位移数据的同步采集。

一个具体的实施例中可以按如下过程进行测量：

首先通过第一导轨21和第二导轨22将螺纹量规6滑至光谱共焦传感器的相对位置。

优选的，调整光谱共焦传感器5位于螺纹量规6的轴截面。

具体的，当光谱共焦传感器5与螺纹量规6处于同一轴截面时，如图1所示，螺纹量规6为螺纹塞规，规定光谱共焦传感器与转台同轴时，转台轴心指向光谱共焦传感器的方向为0°，以下实施例中，转台均为逆时针方向旋转，在转台处于0°时，第三伺服运动控制机构控制光谱共焦传感器5沿第三导轨23滑动并测得一组A1和D1,第三导轨23带动光谱共焦传感器5移动设定的距离后，停止运动，然后第四伺服运动控制机构84控制转台4旋转至180°后停止转动，第三伺服运动控制机构控制光谱共焦传感器5沿第三导轨23滑动并测得一组A2和D2,分别根据0°的一组A1值和180°的一组A2值可以计算得到螺纹塞规的螺距和牙型角，根据算法2M-A1-A2(其中，A1和A2为D1＝D2时的对应值)，可得螺纹塞规的一组绝对直径，从而获取螺纹塞规的大径、小径值，根据上述所获得的参数可以通过查表或已知的计算公式得到螺纹的中径。

优选的，将螺纹量规6沿转台4的转动轴心以1度为单位获取螺纹量规6的每1°的360组轴截面数据，实现三维数据的获取和仿真输出。

进一步优选的，第一导轨21、第二导轨22、第三导轨23和转台4可实现同步控制，并获取同步数据，具体的，通过同步控制系统对第一伺服运动控制机构81、第二伺服运动控制机构82和第三伺服运动控制机构83和第四伺服运动控制机构84发送同步运动指令，多维度的同步数据处理有效的提高了螺纹参数测量的运行效率。

优选的，第一导轨21和第二导轨22用于调整转台4的轴线与螺纹量规6的轴线平行。

在正式测量之前，理想情况是螺纹量规6与转台4应该是轴平行的，如果转台4上设置有卡具，螺纹量规被卡入后，由于装卡定位误差，导致螺纹量规6的轴线发生绕第一导轨21和第二导轨22的偏转，从而导致螺纹量规6和转台4的轴线不是完全平行，因此不能保证光谱共焦传感器5扫描的是螺纹轮廓线的母线，这样计算出来的被测螺纹量规的参数就会有误差。为了解决上述问题，可以通过多次微调转台4在第一导轨21和第二导轨22上的位移消除误差。

一种具体的轴线校正方法如下：

1、螺纹参数测量装置开机后，将光谱共焦传感器5与转台4调整到相对应位置。

2、当转台4位于0°位置时候，后台控制系统读取光谱共焦传感器5的测量数据M1，第四伺服运动控制机构84控制转台沿旋转轴转至180°位置，读取光谱共焦传感器5的测量数据M2,比较M1和M2的差值C1，在第一导轨21上滑动转台4，位移量为|2/C1|，当C1为正值时，0°方向滑动，C为负值时往180°方向滑动。

3、重复步骤2，当C1值为零时，完成第一导轨21方向的微调。

4、第四伺服运动控制机构84控制转台沿旋转轴转至90°位置，后台控制系统读取光谱共焦传感器5的测量数据M3，第四伺服运动控制机构84控制转台沿旋转轴转至270°位置，读取光谱共焦传感器5的测量数据M4，比较M3和M4的差值C2，在第二导轨22上滑动转台4，位移量为|2/C2|，当C2为正值时，往90°方向滑动，当C2为负值时，往270°方向滑动。

5、重复步骤4，当C2值为零时，完成第二导轨22方向的微调。

完成上述5步后，螺纹参数测量装置完成调平、调倾校对。

如图2所示的螺纹量规6为螺纹环规，具体的，根据螺纹环规的小径大小选择合适能进入螺纹环规内部的光谱共焦传感器5进行测量。具体的测量和校准过程和方法与螺纹塞规的相同，以下不再赘述。

由于光谱共焦传感器5在进行物体表面形貌测量时，获取的是从物体表面反射的波长信息，而不是强度信息，因此不需要与螺纹量规接触，无探针磨损，对被测表面状况要求低,测量速度快，同时光谱共焦传感器测量精度高，能达到纳米级，光谱共焦传感器5与伺服运动控制机构的结合，保证了数据的实时性和同步性，与转台4的结合，增加了螺纹参数的测量种类以及螺纹表面形态的获取。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可滑动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于光谱共焦传感器的螺纹参数测量装置，其特征在于，所述螺纹参数测量装置包括：

第一底座，水平放置在工作台上；

第一导轨，固定架设在所述第一底座上；

第二底座，平行于所述第一底座设置在所述第一导轨上，沿所述第一导轨滑动；

第二导轨，设置在所述第二底座上，所述第二导轨与所述第一导轨互相垂直，所在平面相互平行；

第一置物台，平行于所述第二底座设置在所述第二导轨上，沿所述第二导轨滑动；

转台，固定在所述第一置物台上，所述转台的转动轴与所述第一置物台垂直，用于放置螺纹量规；

第三底座，水平放置在所述工作台上；

第三导轨，所述第三导轨的一端固定在所述第三底座上，与水平面垂直；

第二置物台，与水平面平行设置在所述第三导轨上，沿所述第三导轨上下滑动；

光谱共焦传感器，固定在所述第二置物台上，所述光谱共焦传感器的光出射方向平行于水平面；

所述第一底座与所述第三底座相对设置在所述光谱共焦传感器的出射光方向；

沿所述第一导轨和第二导轨滑动所述螺纹量规，使所述螺纹量规与所述光谱共焦传感器位于同一轴截面，记录所述转台的转动轴心与所述光谱共焦传感器的距离为M；

沿所述第三导轨上下滑动所述光谱共焦传感器，使出射光在所述螺纹量规的母线上扫描，获取所述螺纹量规与所述光谱共焦传感器的一组相对距离A1及与所述第三导轨滑动的一组同步位移数据D1，将所述螺纹量规沿所述转台的转动轴心旋转180度，获取所述螺纹量规的对径母线与所述光谱共焦传感器的一组相对距离A2及与所述第三导轨滑动的一组同步位移数据D2，根据数据A1、A2、D1、D2和M数值计算所述螺纹量规参数。

2.根据权利要求1所述的螺纹参数测量装置，其特征在于，所述螺纹参数测量装置还包括：

第一伺服运动控制机构，与第一底座相连，根据所述螺纹量规的测量数据控制所述螺纹量规沿所述第一导轨滑动，同步采集所述螺纹量规的测量数据和沿所述第一导轨的位移数据；

第二伺服运动控制机构，与第二底座相连，根据所述螺纹量规的测量数据控制所述螺纹量规沿所述第二导轨滑动，同步采集所述螺纹量规的测量数据和沿所述第二导轨的位移数据；

第三伺服运动控制机构，与第三底座相连，根据所述螺纹量规的测量数据控制所述螺纹量规沿所述第三导轨滑动，同步采集所述螺纹量规的测量数据和沿所述第三导轨的位移数据；

第四伺服运动控制机构，与转台连接，根据所述转台的转动角度控制所述转台沿转台的转动轴转动。

3.根据权利要求1所述的螺纹参数测量装置，其特征在于，所述第一导轨、第二导轨和第三导轨为平行均匀架设的双导轨。

4.根据权利要求1所述的螺纹参数测量装置，其特征在于，所述螺纹量规参数为螺距、大径、小径、中径、牙型角或锥角的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的螺纹参数测量装置，其特征在于，将所述螺纹量规沿所述转台的转动轴心以1度为单位获取所述螺纹量规的360度每1度的360组轴截面数据，实现三维测量。

6.根据权利要求2所述的螺纹参数测量装置，其特征在于，同时控制所述第一伺服运动控制机构、第二伺服运动控制机构和第三伺服运动控制机构使所述光谱共焦传感器和所述螺纹量规同时运动，并获取所述光谱共焦传感器的同步测量数据和位移数据。

7.根据权利要求1或2所述的螺纹参数测量装置，其特征在于，所述转台上固定有卡具，所述螺纹量规放置在所述转台上，通过卡具固定。

8.根据权利要求1所述的螺纹参数测量装置，其特征在于，所述被测螺纹量规为螺纹塞规或螺纹环规。