大尺寸螺紋測量設備的標準數(shù)據(jù)庫及測量軟件的設計

梁海龍，佟巖，楊磊

(四川航天計量測試研究所，四川 成都610100)

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大尺寸螺紋測量設備的標準數(shù)據(jù)庫及測量軟件的設計

梁海龍，佟巖，楊磊

(四川航天計量測試研究所，四川 成都610100)

摘要：設計出了一種基于激光位移檢測技術的螺紋測量設備，實現(xiàn)了對大尺寸螺紋參數(shù)的非接觸式測量。以現(xiàn)行的螺紋參數(shù)標準手冊為理論依據(jù)構(gòu)建標準螺紋數(shù)據(jù)庫，并開發(fā)出了專用的檢測軟件。

關鍵詞：螺紋；數(shù)據(jù)庫；測量

0引言

螺紋是機械制造業(yè)中最常見的一種連接形式，主要有緊固、聯(lián)結(jié)、密封和傳動等功能，在制造業(yè)中有著廣泛的應用[1]。對于M200以內(nèi)的螺紋，通常可以使用常規(guī)的方法進行測量，而對于型號產(chǎn)品中經(jīng)常用到的M200以上的大尺寸螺紋，則是一個測量難題。因此，為了解決我院型號產(chǎn)品中的大尺寸螺紋測量的難點，我們以激光傳感器作為掃描測頭，并通過將轉(zhuǎn)臺與三坐標框架進行結(jié)合的方式，設計出了一種大尺寸螺紋參數(shù)的非接觸式測量設備，成功實現(xiàn)了對螺紋綜合參數(shù)的快速檢測。

1螺紋測量設備組成和測量原理

螺紋測量設備主要由掃描測頭(激光位移傳感器)、基體(三坐標測量機框架)、臥式轉(zhuǎn)臺(角度控制)以及專用的螺紋測量軟件四個部分構(gòu)成。激光位移掃描傳感器裝配在三坐標測量機的測量臂底部，通過測量臂的運動來帶動其前后、左右、上下運動；臥式轉(zhuǎn)臺裝配在三坐標測量機的大理石平臺中心，由轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動帶動被測螺紋量規(guī)進行旋轉(zhuǎn)；激光位移掃描傳感器、轉(zhuǎn)臺和三坐標測量機框架系統(tǒng)通過專用的螺紋測量軟件進行協(xié)調(diào)控制。螺紋測量設備的實物照片如圖1所示。

圖1　大尺寸螺紋參數(shù)的非接觸式測量設備

當螺紋量規(guī)處于三坐標的空間坐標系下時，螺紋牙型輪廓上的每一點相對于空間坐標系的原點都會存在著一個空間坐標值，在通過激光位移傳感器進行掃描求出輪廓面上各點的空間坐標值后，使用專用的螺紋測量軟件對掃描數(shù)據(jù)進行分析處理求出實際的牙型輪廓，最后由螺紋基本參數(shù)的幾何定義求出各項參數(shù)的實測值。

獲得螺紋的牙型輪廓線是基于激光位移檢測技術檢測螺紋方法的關鍵，以被測螺紋量規(guī)的軸截面為研究對象，首先由三坐標測量機傳動系統(tǒng)控制激光位移傳感器沿被測螺紋量規(guī)的軸向剖面從下而上運動對螺紋量規(guī)的牙型輪廓線進行掃描。當掃描傳感器沿Z軸方向自下而上運動時，掃描傳感器同時在螺紋專用測量軟件發(fā)出的命令下開始對螺紋牙型輪廓線進行數(shù)據(jù)采集，并實時地存儲到控制器上。

在掃描出相應位置的牙形輪廓線后，臥式轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)90°，激光位移傳感器重復上一步的掃描過程，得出該位置軸向剖面的牙形輪廓線。在轉(zhuǎn)臺進行三次90°旋轉(zhuǎn)、完成對被測螺紋量規(guī)的四次牙型輪廓線掃描后，再由專用的螺紋測量軟件對采集到的4條牙型輪廓線數(shù)據(jù)進行濾波、擬合和構(gòu)造等處理，然后以螺紋基本幾何參數(shù)的定義為依據(jù)，計算求出被測螺紋量規(guī)的大徑、中徑、小徑、牙型角和螺距等各項參數(shù)值。

最后測量人員通過專用螺紋測量軟件中的螺紋標準數(shù)據(jù)庫查出被測螺紋量規(guī)的各項基本幾何參數(shù)的標稱值，將由標準數(shù)據(jù)庫中查出的標稱值與通過軟件計算求出的參數(shù)值進行對比，對被測螺紋量規(guī)的合格與否進行判定，并將判定結(jié)果顯示在專用螺紋測量軟件的界面上。

2螺紋標準數(shù)據(jù)庫的設計

整個螺紋測量過程中的一個重要內(nèi)容是通過查找螺紋標準數(shù)據(jù)庫得到被測螺紋量規(guī)的大徑、中徑、小徑、螺距和牙型角等基本參數(shù)的標稱值，該標稱值是判斷被檢螺紋合格與否的最終依據(jù)。

2.1　螺紋標準數(shù)據(jù)庫設計的基礎理論

螺紋的主要參數(shù)有外內(nèi)螺紋大徑(d，D)、中徑(d2，D2)、小徑(d1，D1)，螺距P，牙型角α，原始三角形高度H等，這些參數(shù)都是以基本三角形為基礎，借助于不同的位置要素、公差、偏差修正量等相關參數(shù)由相應的公式計算而得。在GB/T 197-2003《普通螺紋 公差》中分別對螺紋量規(guī)的大徑、中徑等基本參數(shù)公差的計算公式進行了表述。按照規(guī)定，螺紋量規(guī)的牙型半角公差依照螺距P進行分段處理[2]，截短螺紋牙型和完整螺紋牙型的半角偏差有所不同；螺紋量規(guī)的螺距公差則依照螺紋的長度l進行分段處理。

2.2　螺紋標準數(shù)據(jù)庫的程序處理

螺紋參數(shù)的取得可以依據(jù)計算公式，也可以查找手冊。由于螺紋量規(guī)型號眾多，手冊數(shù)據(jù)雖然有一定的數(shù)據(jù)相似性，但以錄入方式建立螺紋標準數(shù)據(jù)庫工作量大，且出錯機率高，不適合建立多型號規(guī)格的螺紋標準數(shù)據(jù)庫。在各種螺紋標準中，對于這些參數(shù)都有著明確的公式或數(shù)值。因此螺紋標準數(shù)據(jù)庫的建立工作主要是以這些公式、數(shù)值計算為依據(jù)，通過計算得到不同規(guī)格螺紋的參數(shù)，從而將使用手冊中的數(shù)值變成程序中的命令。由于各種公式、參數(shù)具有相通性、相似性，在對典型的普通螺紋量規(guī)參數(shù)計算過程進行分析后，形成統(tǒng)一的螺紋參數(shù)計算方法。螺紋基本幾何參數(shù)的計算是根本，大多數(shù)計算結(jié)果與標準手冊相同，但由于在實際生產(chǎn)中，個別修正量有所不同，部分螺紋參數(shù)計算結(jié)果與手冊數(shù)據(jù)有微小差別，考慮到后期數(shù)據(jù)庫的擴展及實現(xiàn)的方便性，最終以公式計算為主要編制依據(jù)，在比對的基礎上針對個別參數(shù)進行系統(tǒng)的微小調(diào)整。

本數(shù)據(jù)庫使用Microsoft SQL Server 2005對螺紋標準數(shù)據(jù)庫進行開發(fā)，將普通螺紋量規(guī)的基本尺寸、頂徑和中徑公差、螺距公差等信息儲存到數(shù)據(jù)庫中，使用SQL語句調(diào)用與被測螺紋量規(guī)的型號相對應的信息，調(diào)用螺紋基本參數(shù)計算公式，得到螺紋量規(guī)的基本參數(shù)。螺紋量規(guī)專用檢測程序中建立相應的對話框，實現(xiàn)對螺紋數(shù)據(jù)庫的訪問。

數(shù)據(jù)庫可以表格形式獨立存在，在程序中以特定索引調(diào)用，也可以程序命令直接鑲嵌于子程序中，以對話框形式調(diào)用。為方便后續(xù)的擴展，本項目采用了第二種處理方式，在程序編制時單獨建立數(shù)據(jù)庫子程序，并以量規(guī)的型號規(guī)格及對話框中各指定參量為索引，調(diào)用不同的計算公式、位置參數(shù)及修正值，從而得到該量規(guī)所對應的螺紋參數(shù)(名義值及公差)。

2.3　數(shù)據(jù)庫的驗證

對于M200以下的常規(guī)普通螺紋量規(guī)，以螺紋標稱尺寸、螺距、公差等級、精度四項為主要索引項，隨機抽取螺紋量規(guī)的型號規(guī)格，采取程序計算機參數(shù)值與螺紋量規(guī)使用尺寸手冊的參數(shù)值相對比的形式，進行參數(shù)結(jié)果對比。對于本項目所涉及的M200以上的大尺寸螺紋量規(guī)，由于常規(guī)手冊上沒有相應的螺紋參數(shù)值，則采取隨機抽取這部分螺紋量規(guī)的方式與馬爾測長機隨機附帶的螺紋標準數(shù)據(jù)庫(ISO標準)進行比對驗證。

在螺紋參數(shù)計算過程中，中間參數(shù)等相關數(shù)據(jù)的位數(shù)取舍不盡相同。對于有明確數(shù)值(如位置要素、公差值)的參數(shù)按其數(shù)值計算；一些計算得到的參數(shù)(如內(nèi)螺紋中徑公差TD2和大徑D等)，其位數(shù)的取舍是在所在標稱數(shù)據(jù)分段的優(yōu)先數(shù)列的基礎上進行圓整，而不是簡單的四舍五入。同時，通止量規(guī)的有效位數(shù)取舍也有所不同，對于尾數(shù)是5的數(shù)據(jù)取舍也分別處理。經(jīng)多次調(diào)整、分析、比對，得到螺紋標準數(shù)據(jù)庫與手冊數(shù)據(jù)相差小于1μm。

3測量軟件的設計

3.1　測量軟件的總體設計

螺紋測量設備的專用測量軟件是整個測量設備的關鍵所在，測量軟件首先應當具備友好的操作界面，其次在測量過程中還需要對設備的運動實行控制策略以避免激光位移掃描傳感器與轉(zhuǎn)臺、被測螺紋產(chǎn)生碰撞。

當掃描傳感器在對螺紋牙型輪廓進行數(shù)據(jù)掃描時，掃描數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r的在測量軟件的界面中進行顯示。在數(shù)據(jù)掃描完成后，通過對掃描采集數(shù)據(jù)的計算處理，求出被測螺紋量規(guī)的螺距、牙型角、中徑等參數(shù)的實測值，最后通過將各項參數(shù)的實測值與數(shù)據(jù)庫中查出的理論值進行對比來判定被測螺紋是否合格。

基于以上對螺紋測量設備軟件功能的分析，該螺紋測量設備的測量軟件模塊劃分如圖2所示。

圖2　軟件模塊劃分示意圖

根據(jù)螺紋測量設備的工作原理以及功能模塊的劃分情況，螺紋測量設備軟件流程圖如圖3所示。

圖3　螺紋測量設備軟件流程圖

3.2　測量軟件的主窗口

螺紋測量軟件的主界面(局部)如圖4所示。主界面的左側(cè)是按照測量操作順序從上至下依次排列的各個模塊的控制命令，右上側(cè)是螺紋標準數(shù)據(jù)庫查詢結(jié)果顯示欄以及判定結(jié)果顯示欄，右下側(cè)是螺紋標準牙型和實際掃描牙型輪廓顯示欄。

圖4　螺紋測量設備軟件主窗面(局部)

3.3　初始化模塊

使用螺紋測量設備測量前需要對三坐標測量機、激光位移傳感器以及轉(zhuǎn)臺分別進行初始化。系統(tǒng)初始化是對螺紋量規(guī)牙型輪廓進行掃描測量前的重要步驟，只有在初始化進程已經(jīng)完成的前提下，測量設備各個部件才能正常運行，確保測量的順利進行。

3.4　數(shù)據(jù)查詢模塊

測量人員在測量軟件的“輸入螺紋信息”子窗體中輸入被測螺紋量規(guī)的規(guī)格，通過測量軟件與數(shù)據(jù)庫建立連接[3]，就能夠從數(shù)據(jù)庫中查得被測螺紋的大徑、中徑、牙型角、螺距等基本參數(shù)。

以查詢普通螺紋M200×6-6g ZZ為例，首先在軟件窗體中輸入螺紋的型號為M200×6-6g(公稱直徑200，螺距6，公差代號為6g)，然后選擇被查詢螺紋的種類為校止止(ZZ)，點擊檢索數(shù)據(jù)庫得出其參數(shù)值，如圖5所示。圖5中，大徑最大值：199.619 mm；大徑最小值：199.591 mm；中徑最大值：195.714 mm；中徑最小值：195.702 mm；小徑最大值：193.110 mm。

圖5　輸入螺紋信息子窗體

通過與《普通螺紋量規(guī)使用尺寸手冊》中的標稱值進行對比可知以上數(shù)據(jù)準確無誤，對螺紋標準數(shù)據(jù)庫的準確性進行了再次的驗證。查詢模塊的主要功能是與后續(xù)通過數(shù)據(jù)處理求出的螺紋量規(guī)基本參數(shù)進行對比，作為被測螺紋量規(guī)是否合格的判定依據(jù)。

3.5　參數(shù)設置模塊

激光位移傳感器對牙型輪廓掃描的次數(shù)與臥式轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)的次數(shù)相一致，測量人員通過參數(shù)設置模塊選擇螺紋牙型輪廓的數(shù)據(jù)掃描次數(shù)。測量人員通過參數(shù)設置的子窗體對轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)次數(shù)進行選擇，如圖6所示。

圖6　運行參數(shù)設置子窗體

3.6　運行及數(shù)據(jù)處理模塊

運行模塊的主要的功能是對三坐標測量機、激光位移傳感器和轉(zhuǎn)臺三者進行協(xié)調(diào)控制，保障螺紋牙型輪廓的掃描及掃描數(shù)據(jù)的獲取，為后續(xù)螺紋基本參數(shù)的計算做鋪墊。在運行模塊中，激光位移傳感器、臥式轉(zhuǎn)臺和三坐標測量機按照編寫的程序完成對被測螺紋量規(guī)牙型輪廓的掃描。

數(shù)據(jù)處理模塊是整個軟件的核心部分，通過該模塊對掃描出的牙型輪廓數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，然后由螺紋基本幾何參數(shù)的定義求出被測螺紋量規(guī)的中徑、牙型角以及螺距等基本參數(shù)，其結(jié)果顯示在軟件界面上，如圖7所示。

圖7　計算判定結(jié)果顯示子窗體

3.7　數(shù)據(jù)顯示模塊

在激光位移掃描傳感器完成對被測螺紋量規(guī)的牙型輪廓掃描后，測量人員通過點擊“顯示螺紋牙型”按鈕，可以在軟件子窗體中查看掃描出的螺紋牙型輪廓。

4結(jié)束語

本文以現(xiàn)有的螺紋參數(shù)標準手冊為理論依據(jù)，構(gòu)建出了測量軟件中的標準螺紋數(shù)據(jù)庫，并驗證了其準確性，為螺紋參數(shù)測量結(jié)果的判定提供了根據(jù)。同時介紹了測量軟件的總體結(jié)構(gòu)，以及重要模塊的劃分及功能介紹。

參考文獻

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[3]張懷慶，謝益成.Visual C.NET編程精粹150例[M].北京：冶金出版社，2005：168-170.doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.06.08

Design of a Big Thread Parameters Database and Measurement Software

LIANG Hailong，TONG Yan，YANG Lei

(Sichuan Aerospace Measurement and Research Institute，Chengdu 610100，China)

Abstract：A multi-parameter technical system based on laser probing technique is proposed.Taking the present screw thread parameter handbook as standards，a database of standard screw thread is built，and the software for screw threads detection is developed.

Key words：screw thread；database；measurement

作者簡介：梁海龍(1984-)，男，工程師，工程碩士，主要從事精密檢測方向技術研究。

收稿日期：2015-07-07；修回日期：2015-07-22

中圖分類號：TB92；TG85

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5795(2015)06-0029-04

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2015.06.07