基于線激光位移傳感器的螺距測(cè)量方法

蔣玉林，楊 炯，梁 杰，趙建國

(鄭州大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南鄭州 450001)

0 引言

螺紋是工業(yè)生產(chǎn)中一種普遍使用的機(jī)械聯(lián)接結(jié)構(gòu)，能夠起到聯(lián)接工件、機(jī)械傳動(dòng)和緊固結(jié)構(gòu)的作用[1]。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了提高螺紋聯(lián)接的緊密性和穩(wěn)定性，螺紋的生產(chǎn)流程有著嚴(yán)格的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，絕大多數(shù)螺紋聯(lián)接在裝配時(shí)都必須保證緊密旋合，尺寸不符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的螺紋在進(jìn)行旋合時(shí)會(huì)出現(xiàn)無法緊密旋合或螺紋齒面磨損等嚴(yán)重問題，導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)過程中存在安全隱患[2]。因此實(shí)現(xiàn)對(duì)螺紋高效率、無磨損檢測(cè)的研究也顯得至關(guān)重要。

目前，螺距的測(cè)量方法主要有兩種：接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。接觸式測(cè)量主要通過測(cè)量工具對(duì)螺距進(jìn)行直接測(cè)量，不僅效率低難以實(shí)現(xiàn)批量檢測(cè)，而且在測(cè)量過程容易產(chǎn)生磕碰損傷，破壞螺紋精密性。非接觸式測(cè)量多采用機(jī)器視覺[3-4]、線激光傳感器[5]等非接觸式測(cè)量手段，具有效率高、精度高、智能化、無損傷等優(yōu)點(diǎn)。目前，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者對(duì)螺距測(cè)量進(jìn)行了大量的研究，例如文獻(xiàn)[6-7]利用機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)外螺紋螺距的測(cè)量。文獻(xiàn)[8-9]提出了基于圖像處理的螺紋參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，但是圖像采集精度和圖像處理算法會(huì)影響螺紋的檢測(cè)精度。

本文基于線激光位移傳感器設(shè)計(jì)了一種螺距測(cè)量方法，該方法通過安裝在固定軸上的線激光位移傳感器采集待測(cè)螺紋的標(biāo)準(zhǔn)輪廓信息，再利用波峰提取算法提取波峰，最后利用B樣條曲線分段擬合提取后的采樣點(diǎn)，彌補(bǔ)由點(diǎn)缺失帶來的測(cè)量誤差，從而提高了測(cè)量精度。通過系統(tǒng)的標(biāo)定和試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法可以實(shí)現(xiàn)螺距的自動(dòng)測(cè)量，具有準(zhǔn)確、穩(wěn)定、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足工業(yè)檢測(cè)需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

螺距測(cè)量裝置主要由線激光位移傳感器、上位機(jī)、控制柜、實(shí)驗(yàn)臺(tái)等模塊組成，其系統(tǒng)裝置圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)分為上位機(jī)系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)，上位機(jī)系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)之間通過線激光位移傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

在測(cè)量系統(tǒng)中，2個(gè)V型塊固定螺栓位置。固定軸、旋轉(zhuǎn)臺(tái)固定板一、旋轉(zhuǎn)臺(tái)固定板二、立柱支架安裝到實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。激光傳感器安裝到傳感器安裝板上，通過立柱支架固定到固定軸上。旋轉(zhuǎn)臺(tái)固定板一和旋轉(zhuǎn)臺(tái)固定板二為帶有螺紋通孔的方形鋁板，旋轉(zhuǎn)臺(tái)固定板一通過螺釘緊固在試驗(yàn)臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)臺(tái)固定板一與旋轉(zhuǎn)臺(tái)固定板二通過螺釘固定，固定軸通過旋轉(zhuǎn)固定板一和旋轉(zhuǎn)固定板二安裝到試驗(yàn)臺(tái)上。

在上位機(jī)系統(tǒng)中，線激光位移傳感器采集到的輪廓[10]信息以數(shù)據(jù)點(diǎn)的形式傳送到上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理及螺距的計(jì)算。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)裝置圖

1.2 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

首先對(duì)線激光位移傳感器進(jìn)行距離標(biāo)定，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)如圖2所示，為線激光位移傳感器對(duì)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)塊進(jìn)行距離標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，假設(shè)線激光位移傳感器采集到的有效點(diǎn)數(shù)為N，則可以得到每2個(gè)相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的間距為

(1)

圖2 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)圖

2 算法的基本原理

2.1 輪廓曲線去噪

在采集輪廓過程中，由傳感器自身的精度、光線等外界環(huán)境的影響，會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)噪點(diǎn)，噪點(diǎn)的存在會(huì)影響波峰的提取，影響螺距測(cè)量精度。所以首先需要對(duì)采集的原始輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行噪點(diǎn)去除，去除無效點(diǎn)。

2.2 算法流程

線激光位移傳感器采集螺栓螺紋標(biāo)準(zhǔn)輪廓信息形成數(shù)據(jù)點(diǎn)集合{Q}，再設(shè)定閾值u截取波峰，形成新的數(shù)據(jù)點(diǎn)集合{P}。利用B樣條[11-12]擬合算法分段擬合B樣條曲線，彌補(bǔ)點(diǎn)缺失帶來的計(jì)算誤差，提高波峰提取的精度。最后利用波峰提取算法提取波峰，求解螺距。

2.2.1 輪廓采集

線激光位移傳感器采集螺栓螺紋標(biāo)準(zhǔn)輪廓信息以數(shù)據(jù)點(diǎn)的形式存儲(chǔ)到集合{Qi(xi,yi)}(0

2.2.2 截取波峰

設(shè)定閾值u，如果yi>u，把點(diǎn)Qi(xi,yi)存儲(chǔ)到新的集合中，形成新數(shù)據(jù)點(diǎn)集合{Qj(xj,yj)}(0

2.2.3 分段擬合，B樣條擬合算法

(2)

式中：dj(j=0,1…,n)為控制頂點(diǎn)；Nj,k(u)(j=0,…,n)稱為k次規(guī)范B樣條基函數(shù)，其中每一個(gè)稱為規(guī)范B樣條。

滿足端點(diǎn)約束即插值兩端數(shù)據(jù)點(diǎn)Q0=p(0),Qm=p(1)，其余數(shù)據(jù)點(diǎn)Qi(i=1,2,…,m-1)在最小二乘意義上被逼近，即目標(biāo)函數(shù)

(3)

(4)

(5)

應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的線性最小二乘擬合技術(shù)，欲使目標(biāo)函數(shù)f最小，應(yīng)使它關(guān)于n-1個(gè)控制頂點(diǎn)di(j=1,2,…,n-1)的導(dǎo)數(shù)等于零。它的第l個(gè)導(dǎo)數(shù)為

(6)

可得到

(7)

于是

(8)

定義一個(gè)以控制頂點(diǎn)d1,d2,…,dn-1為未知量的線性方程組，l=1,2，…,n-1，則得到含n-1個(gè)該未知量的n-1個(gè)方程的方程組。

(NTN)D=R

(9)

N是(m-1)×(n-1)階標(biāo)量矩陣

(10)

NT是N的轉(zhuǎn)置陣，R和D都是含有n-1個(gè)矢量元素的矩陣。

(11)

(12)

上述用于B樣條曲線逼近的最小二乘算法，已知數(shù)據(jù)點(diǎn)集{Px(xs,ys)}(0

2.2.4 提取波峰，求解波峰之間的距離

如果yi>yi-1且yi>yi+1,則取出波峰{Qi(xi,yi)}，每2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)間的距離為固定值L1,求得相鄰波峰之間的距離為S。

(13)

式中：a、b分別為集合{Qi(xi,yi)}中第a個(gè)點(diǎn)和第b個(gè)點(diǎn)。

2.2.5 計(jì)算螺距

螺距P為相鄰兩螺紋牙牙頂間的直線距離，即等于相鄰兩波峰之間的距離S，即

P=S

(14)

2.3 算法優(yōu)勢(shì)

采集的原始輪廓可能會(huì)存在點(diǎn)缺失的情況，圖3為采集的原始螺紋輪廓圖，從圖中可以看出，輪廓左側(cè)波峰處存在明顯的點(diǎn)缺失情況，如果直接用點(diǎn)數(shù)量乘以點(diǎn)的間距存在較大誤差，所以為了減小誤差，首先設(shè)定閾值截取波峰段輪廓如圖4所示，再擬合B樣條曲線彌補(bǔ)點(diǎn)缺失后的輪廓如圖5所示，最后根據(jù)擬合后的曲線提取波峰計(jì)算螺距，提高了螺距的測(cè)量精度。

圖3 螺紋原始輪廓圖

圖4 截取波峰后輪廓圖

圖5 B樣條擬合彌補(bǔ)點(diǎn)缺失后的輪廓圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證本文提出的螺距測(cè)量方法的可靠性，對(duì)實(shí)際使用的螺栓進(jìn)行采樣測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖6所示。實(shí)驗(yàn)中采用基恩士LJ-G030線激光位移傳感器，采樣頻率為3.8 Hz，將待測(cè)螺栓放置于線激光位移傳感器正下方，使得激光束正好打到螺栓的螺紋上。為了避免光線的影響，本次實(shí)驗(yàn)在無日光直射的室內(nèi)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)采用人工測(cè)量法和本文提出的測(cè)量方法分別對(duì)6組螺栓進(jìn)行8次采樣測(cè)量計(jì)算求平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖表1所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置圖

表1 人工測(cè)量值與本文方法測(cè)量值對(duì)比

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文提出的螺距測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)了大螺紋螺距的測(cè)量，與人工測(cè)量法相比，測(cè)量誤差均在0.05 mm范圍內(nèi)，且6組測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差均小于0.4%，所以本文提出的測(cè)量方法具有很好的穩(wěn)定性，而且測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、測(cè)量速度快，滿足了工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)大螺紋螺距測(cè)量精度需求。

4 結(jié)束語

本文提出了的一種基于線激光位移傳感器的螺距測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了大螺紋螺距的測(cè)量。通過線激光位移傳感器采集螺紋輪廓信息，首先對(duì)原始輪廓進(jìn)行噪點(diǎn)去除，然后設(shè)定閾值截取波峰，利用波峰提取算法提取波峰并求解螺距。對(duì)于原始輪廓存在點(diǎn)缺失的情況，提出了一種基于B樣條擬合曲線彌補(bǔ)點(diǎn)缺失算法，提高了螺距測(cè)量的精度。最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好，且測(cè)量精度滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。