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对外螺纹中径的测量技术

发布日期:2016/5/13 11:58:50

对于外螺纹中径测量方式有很多,国内外已经研制出了多种测量方法,多数以接触式检测为主,但工作效率低,测量工作量大!在某些特殊的工作场合人工检测困难,难以完成检测工作。 国内也有一些单位研制出了一些非接触式测量仪!但测量精度依赖于CCD 的分辨率,同时对螺纹表面质量要求较高。随着工业的迅速发展!未来对螺纹的要求会越来越高,对螺纹中径的测量精度测量效率也会要求越来越高。为此,广州汇道电气研发了一种新型外螺纹中径非接触式测量方法:LS-7030 激光测量器,可以测出外螺纹中径的位置!同时结合精密移动平台上光栅尺的位移数据,完成外螺纹中径尺寸的测量。

1.外螺纹中径测量装置的组成
    外螺纹中径测量装置主要包括LS-7030激光测量器、精密移动平台、步进电机、光栅位移传感器、采集卡及计算机。光栅尺选用QH-200 型。检测系统如图 1 所示。



根据测量方法和原理并考虑外螺纹中径检测时的方便性等,采用CATIA设计软件,设计如图2所示的外螺纹中径测量系统结构图。


2. 测量方法
    在测量螺纹中径时首先将 LS-7030 高速高精度激光测量器固定在精密移动平台上,使其发出的平行光幕通过被测螺纹的中心轴线,中心轴线与光幕的边缘垂直。然后计算机发出命令,启动步进电机,控制精密移动平台移动(定义 LS-7030 激光测量器行进的方向为X轴),使LS-7030激光测量器在与螺纹中心轴线垂直的X轴方向移动。 如图3 所示。当光幕移动通过螺纹时就会在显示器上出现被螺纹牙型上沟槽通过的光幕数字信号和被凸起挡住未接收到的数字信号即AB和BC 的数值。当AB=BC时,根据螺纹中径的定义,确定为螺纹中径的第1次位置,继续移动精密移动平台,到螺纹的另一侧"直到再次出现 DE=EF时,确定螺纹中径的第2次位置。2次位置读数的差值即为螺纹中径的尺寸值。为了得到在X轴方向上精确的位移量,精密移动平台的固定端和移动端安装了高精度的光栅位移传感器,这样精密平台移动时光栅位移传感器将移动相应的栅距"而栅距的每次移动对应的光栅尺将输出一个电平方波脉冲,产生的脉冲被工作的单片机控制器接收,上传到计算机,这样光栅位移传感器每产生一次脉冲信号模拟量就会被单片机采集一次并传送给计算机,从而得到X轴方向上精密移动平台移动的距离(测量系统采用的光栅位移传感器的栅距为20微米)。在对外螺纹中径测量过程中,受到精密移动平台的运动速度、激光测量头的工作频率及螺距大小的影响。为保证检测的精度,本系统拟采用每个螺距范围内检测500-800点。螺距p、激光测量器测头工作频率f、每个螺距范围内测量点数n、精密移动平台运动速度v,它们之间的关系为v=pf/n。


3. LS-7030激光测量器的工作原理
    本测量装置采用的是寻找螺纹中径位置的测量方法,激光测量器发出的平行光幕,通过外螺纹牙型上沟槽和凸起时,有一部分光幕就会被凸起挡住,而另一部分光幕则通过沟槽到达接收器。到达接收器时,通过采集接收的光电信号源和未接收的光电信号源转换成数字信号,从而得到螺纹中径的位置。其工作原理如图5所示。



4.计算机的数据处理
    在该系统中X轴方向的位移可以通过光栅尺的读数得到即中径的尺寸值"而螺纹中径位置即牙型上沟槽和凸起宽度相等的位置,则是由LS-7030激光测量仪得到的数据确定"将这些数据直接上传给计算机"经过相应软件的处理得到理想的中径值。
    在对这些数据处理的过程中,最关键的地方就是在对外螺纹中径位置的确定,当位置确定后记下此时光栅尺的读数"继续移动精密移动平台到另一个中径位置时再读取光栅尺的读数2次读数的差值即为中径值。由于螺纹在生产和制造过程中随着刀具的磨损和其他不确定因素的加入,不可避免地会产生制造误差。 因此经过反复的筛选和斟酌,最后确定中径位置时通过做差取绝对值的方法来寻找。
在计算机上运行软件,当计算机将L值的变化收集处理后由图1可知,当L值最小时即为外螺纹中径的位置,此时光栅位移传感器也会将对应的X轴方向上的位移数据,上传到计算机;精密移动平台继续移动,当再次出现L值最小时,在计算机上会再次采集到光栅位移传感器传回的数据。

5.检测系统误差来源分析
1)X轴方向的测量误差
    本测量系统中X轴方向主要是获取中径尺寸值"其方法就是通过光栅位移传感器的移动得到其对应值,采用的光栅尺为QH-200型。由于得到光栅尺移动距离是通过采集卡采集光栅尺发出的方波电信号得到的,但这个方波电信号在发射时也会产生误差,而这些电信号的误差主要受光栅尺的栅距和后续电路的细分能力影响。同时这些方波电信号被采集后转化成数字信号时也会有一部分丢失。为了减少系统的误差,则需重视X轴方向移动时的伺服精度,因此在提高系统精度方面,综合价格和测量的需求在进行系统改良时选用栅距更小的光栅位移传感器’
2)机械机构引起的误差
    整体的机械机构由多部分零件组成,各零件结构在设计、加工等阶段会产生形位误差,各零件在装夹的过程中也会引起平行度误差、垂直度误差以及整个测量系统受到振动时也会产生随机误差。激光测量器在最后装夹时,其装夹的位置和发射器与接收器之间的角度问题等都会影响测量的精度。主要表现在:激光测量装置安装好后发出的光幕与螺纹中心轴线不平行测量时导致被凸起挡住的光信号与通过牙型上沟槽的信号产生偏差,激光测量器的发射装置与接收装置安装时存在角度问题时部分光信号不能完全被接收器收取导致读数的不准确。
3)激光测量器在测量时的误差
    激光测量器在测量时也将产生误差。从发射器到接收器的距离小于90mm时能够得到最佳的测量效果。此时发出的平行光束被接收器接收的效果最佳,当测量距离增大时,由于激光束自身的特点,其发出的平行光束能量相对分散一些,从而不利于接收器接收信号使测量精度降低。所以激光测量器发射器和接收器的距离小于90mm时检测精度较高,考虑到螺纹直径大小的影响,所以该测量系统检测的外螺纹直径为5-70mm。

结语
    本测量系统采用非接触式测量方式对外螺纹中径进行测量,由于激光测量器的发射端和接收端与被测外螺纹不接触,从而消除了因接触应力而导致的测量误差。其优点是精度高、速度快、操作简单、对工件表面质量要求较低。激光测量器发射装置与接收装置之间的距离越小测量精度就越高,而在实际测量时,因为测量情况的不同,需要高检测精度和宽测量范围时,要进行合理的选取。


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