CN104215171A - 内螺纹非接触激光线测量方法 - Google Patents

Abstract

内螺纹非接触激光线测量方法；其利用激光三角法获取待测内螺纹的图像信息，然后用控制器进行后处理计算内螺纹的各项参数，据此判定被检测件(2)是否合格，并最终完成整个测试过程；激光三角法获取待测内螺纹的图像信息的具体过程内容要求依次是：使用激光器(1)向被检测件(2)上选定的被检测部位发出激光束，激光束在被检测部位反射，使用反射镜(3)将反射回的光线传给光学放大系统(4)，然后光学信号经面阵CCD成像系统(5)处理后再通过图像采集卡(6)传递到控制器(7)进行后续处理。本发明动态测量分辨率高，通用性强，其具有可预期的较大的经济价值和社会价值。

Description

内螺纹非接触激光线测量方法

技术领域

本发明涉及工程检测技术领域，特别提供了一种内螺纹非接触激光线测量方法。

背景技术

内螺纹检测是工程检测中需要解决的具有代表性的重要基础问题之一，其在工业领域具有重要的应用价值。例如：在实现石油工业管道螺纹以及机床加工领域的精密标准件的快速检测、采集、应用和生产支持。

工业生产特别是机械制造中，螺纹是数量最大，应用最为广泛的一种结构要素，可用于紧固、连接、密封、传动、传力和精密定位等。因此螺纹连接在机器制造和仪器制造工业中占有极重要的地位。对于不同的螺纹它们都有共同的基本参数，如螺距、导程、螺纹升角、理论齿高、中径、顶径等。而有一些参数对于某种螺纹是相当重要的，因此在实际生产中产生了许多测量单项指标的测量方法，例如测量螺纹中径d，螺距P，牙型半角和大、小径等。为保证各种螺纹达到其功能，必须对螺纹各几何参量进行检测。

长期以来，我国主要应用螺纹量规和其它通用量仪和一些螺纹测量仪对螺纹进行检测。螺纹测量的现有方式“

1.对于一般标准螺纹，都采用螺纹环规或塞规来测量。

2.螺纹千分尺是用来测量螺纹中径的。也可以用量针测量螺纹中径的方法称三针量法。

3.齿厚游标卡尺用来测量梯形螺纹中径牙厚和蜗杆节径齿厚。

4.其他参数测量用专用量具和仪器。

这些检测方法缺点主要表现在以下一些方面：

1.它们都须人工直接进行操作，测量精度跟操作人员有密切地关系；

2.很多方法在检测过程中测量仪器要与螺纹发生直接接触，其结果是导致螺纹的损伤及测量精度的下降；

3.因方法的局限性导致传统螺纹测量精度相对较低；

4.整个测量过程耗时耗力，工作效率低下。

对于以上的这些缺点，研究人员也花费了大量地精力，对螺纹的检测方法进行不断地改进。但因理论和方法的局限性，其研究的重点主要集中在对螺纹检测的数据处理方面和对传统测量方法的一些优化上，很难有本质上的转变。

人们迫切希望获得一种技术效果优良的适于工程应用的内螺纹非接触激光线测量方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种技术效果优良的适于工程应用的内螺纹非接触激光线测量方法。

本发明一种内螺纹非接触激光线测量方法；其特征在于：所述内螺纹非接触激光线测量方法是利用激光三角法获取待测内螺纹的图像信息，然后用控制器进行后处理计算内螺纹的各项参数，据此判定被检测件2是否合格，并最终完成整个测试过程；激光三角法获取待测内螺纹的图像信息的具体过程内容要求依次是：

使用激光器1向被检测件2上选定的被检测部位发出激光束，激光束在被检测部位反射，使用反射镜3将反射回的光线传给光学放大系统4，然后光学信号经面阵CCD成像系统5处理后再通过图像采集卡6传递到控制器7进行后续处理。

所述内螺纹非接触激光线测量方法，其特征在于：

所述内螺纹非接触激光线测量方法中，激光器1发出的激光经会聚透镜垂直投射到被检测件2表面，光线漫反射后经接收透镜最终成像到接收器件即光学放大系统4的表面，光学放大系统4上获得的光斑的中心位置由激光器1与被检测件2上的被测表面的距离决定；

当被检测件2的表面发生位移改变时，激光束的光轴与光学放大系统4中的接收透镜光轴间的夹角α发生变化，通过检测光学放大系统4上的光斑成像的位移变化量x，根据相似三角形各边之间的比例关系，计算被测物体表面的位移量y；据此操作最终描绘出被检测件2上目标监测区域表面的三维形态。

控制器7中可以借助软件进行下述的后续处理：

可以使用对应上述测量方法的专用检测软件的交互界面，实现选择软件交互模块，设定待检测内螺纹型号，尺寸自动进行存档，屏幕显示打印、存储等功能；

①系统初始化：设置内螺纹预定参数值，误差值；

②被检测件2被测表面区域的图像采集后保存为图象文件

③进行螺纹检参数计算：运用数字图像处理方法获得螺纹轮廓并计算参数；

④螺纹判废处理：按照设定的公差要求，根据系统设定的误差对螺纹的油管进行判废与否的对应处理；

⑤显示或者打印方式输出按照生产实际要求给出检测结果及报表。

控制器7中的后续处理：是确认被检测件2上螺纹的下述基本参数：螺距、导程、螺纹升角、理论齿高、中径、顶径。

本发明相关的技术内容简介如下：利用面阵CCD成像系统5，结合光学测量、计算机图像处理等技术，本发明使用专用测量装置可以实现螺纹参数非接触测量，并以控制器优选为计算机中的软件为平台编制相应的检测程序，实现图像数据采集、二维图像再现、边缘特征提取、边界拟合等功能，并有效地测量螺纹的多项合格与否的相关控制参数。

针对外螺纹传统测量方法测量耗时多、精度低等方面的不足，本发明重点对光学成像系统、数据采集电路、滤波算法、边缘检测算法、拟合算法以及螺纹特征参数的计算方法进行了研究，实现了基于面阵CCD成相的外螺纹参数非接触实时测量。这在工程上对保证配件的质量具有重要的意义：

1.具有像素级的高测量分辨率，突破了目前大多数动态测量技术分辨率低，难以实现物体表面细节重构的缺陷；

2.无需人工干预，完全自动获得完整数据；

3.避免了工件磨损有效避免杂散光；

4.提高横向分辨率，对待测表面要求较低；

5.提高了检测速度光路简单，且通用性强；

6.可以数字化转换成计算机可以处理的信号，然后通过图像处理分析技术完成对螺纹轮廓形貌的自动提取及分析。

总体技术方案及拟解决的关键技术问题说明：

本发明基于激光三角法又名光学三角测量原理，采用面阵CCD成像系统5采集激光光刀在物理表面上的扫描光带，送入控制器7计算机中进行处理，得到被检测件2被检测表面的准确的三维坐标，实现物体表面形状的数字化。

目标测量精度可以达到0.005mm，通常的工程实现精度为0.01mm。提升性能的改进方向：1.硬件上增大镜头放大倍率，减小CCD的靶面尺寸；2.软件上引入亚像素算法，提高测试精度。

创新点说明：在利用激光三角法获取待测内螺纹的图像信息后，将获得的图像通过去噪，亚像素定位等方法进行图像处理，获得内螺纹轮廓曲线，并利用螺纹参数定义计算内螺纹的各项参数，判定待测零件是否合格，完成整个测试过程。

本发明对高精度螺纹测量仪的各部件的选型、设计和绘制，为螺纹测量仪的实用化打下良好基础。

本发明所述内螺纹非接触激光线测量方法的实质是一种基于机器视觉的非接触式螺纹参数测量系统，它是将光源、CCD、计算机等有机结合，开发了一种基于面阵CCD技术的石油管螺纹参数智能化测量系统。所述测量方法具有重复性好、精度高、检测速度快等优点。此外还具有抗环境光及振动干扰，可操作性强等特点，适用于各种规格钢管外螺纹参数的在线测量。

其优点突出表现在下述几个方面：

1.具有像素级的高测量分辨率，突破了目前大多数动态测量技术分辨率低，难以实现物体表面细节重构的缺陷；

2.无需人工干预，完全自动获得完整数据；

3.避免工件磨损有效避免杂散光；

4.提高横向分辨率对待测表面要求较低；

5.提高检测速度光路简单，通用性强；

6.激光线扫描仪的应用可以极大地降低企业运行成本。

现有的可用的三维扫描仪产品主要应用于模型图像采集和逆向工程，面对精密仪器制造和检测的产品不具有高的测量精度和合适的性价比，市场应用并不充分。本发明以管道内螺纹三维测量为典型应用背景，其具有一定的技术推广价值，具有可预期的较大的经济价值和社会价值。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为内螺纹非接触激光线测量方法对应的专用硬件构成原理示意简图；

图2为内螺纹非接触激光线测量方法的原理流程参考图。

具体实施方式

激光器1、被检测件2、反射镜3、光学放大系统4、面阵CCD成像系统5、图像采集卡6、控制器7。

实施例1

一种内螺纹非接触激光线测量方法；其利用激光三角法获取待测内螺纹的图像信息，然后用控制器进行后处理计算内螺纹的各项参数，据此判定被检测件2是否合格，并最终完成整个测试过程；激光三角法获取待测内螺纹的图像信息的具体过程内容要求依次是：

使用激光器1向被检测件2上选定的被检测部位发出激光束，激光束在被检测部位反射，使用反射镜3将反射回的光线传给光学放大系统4，然后光学信号经面阵CCD成像系统5处理后再通过图像采集卡6传递到控制器7进行后续处理。所述的专用的硬件支持参见图1，所述方法实施的原理流程参考图参见图2。

所述内螺纹非接触激光线测量方法中，激光器1发出的激光经会聚透镜垂直投射到被检测件2表面，光线漫反射后经接收透镜最终成像到接收器件即光学放大系统4的表面，光学放大系统4上获得的光斑的中心位置由激光器1与被检测件2上的被测表面的距离决定；

当被检测件2的表面发生位移改变时，激光束的光轴与光学放大系统4中的接收透镜光轴间的夹角α发生变化，通过检测光学放大系统4上的光斑成像的位移变化量x，根据相似三角形各边之间的比例关系，计算被测物体表面的位移量y；据此操作最终描绘出被检测件2上目标监测区域表面的三维形态。

控制器7中可以借助软件进行后续处理：

可以使用对应上述测量方法的专用检测软件的交互界面，实现选择软件交互模块，设定待检测内螺纹型号，尺寸自动进行存档，屏幕显示打印、存储等功能；

①系统初始化：设置内螺纹预定参数值，误差值；

②被检测件2被测表面区域的图像采集后保存为图象文件

③进行螺纹检参数计算：运用数字图像处理方法获得螺纹轮廓并计算参数；

④螺纹判废处理：按照设定的公差要求，根据系统设定的误差对螺纹的油管进行判废与否的对应处理；

⑤显示或者打印方式输出按照生产实际要求给出检测结果及报表。

控制器7中的后续处理：是确认被检测件2上螺纹的下述基本参数：螺距、导程、螺纹升角、理论齿高、中径、顶径。

本实施例相关的技术内容简介如下：利用面阵CCD成像系统5，结合光学测量、计算机图像处理等技术，本实施例使用专用测量装置可以实现螺纹参数非接触测量，并以控制器优选为计算机中的软件为平台编制相应的检测程序，实现图像数据采集、二维图像再现、边缘特征提取、边界拟合等功能，并有效地测量螺纹的多项合格与否的相关控制参数。

针对外螺纹传统测量方法测量耗时多、精度低等方面的不足，本实施例重点对光学成像系统、数据采集电路、滤波算法、边缘检测算法、拟合算法以及螺纹特征参数的计算方法进行了研究，实现了基于面阵CCD成相的外螺纹参数非接触实时测量。这在工程上对保证配件的质量具有重要的意义：

1.具有像素级的高测量分辨率，突破了目前大多数动态测量技术分辨率低，难以实现物体表面细节重构的缺陷；

2.无需人工干预，完全自动获得完整数据；

3.避免了工件磨损有效避免杂散光；

4.提高横向分辨率，对待测表面要求较低；

5.提高了检测速度光路简单，且通用性强；

6.可以数字化转换成计算机可以处理的信号，然后通过图像处理分析技术完成对螺纹轮廓形貌的自动提取及分析。

总体技术方案及拟解决的关键技术问题说明：

本实施例基于激光三角法又名光学三角测量原理，采用面阵CCD成像系统5采集激光光刀在物理表面上的扫描光带，送入控制器7计算机中进行处理，得到被检测件2被检测表面的准确的三维坐标，实现物体表面形状的数字化。

目标测量精度可以达到0.005mm，通常的工程实现精度为0.01mm。提升性能的改进方向：1.硬件上增大镜头放大倍率，减小CCD的靶面尺寸；2.软件上引入亚像素算法，提高测试精度。

创新点说明：在利用激光三角法获取待测内螺纹的图像信息后，将获得的图像通过去噪，亚像素定位等方法进行图像处理，获得内螺纹轮廓曲线，并利用螺纹参数定义计算内螺纹的各项参数，判定待测零件是否合格，完成整个测试过程。

本实施例对高精度螺纹测量仪的各部件的选型、设计和绘制，为螺纹测量仪的实用化打下良好基础。

本实施例所述内螺纹非接触激光线测量方法的实质是一种基于机器视觉的非接触式螺纹参数测量系统，它是将光源、CCD、计算机等有机结合，开发了一种基于面阵CCD技术的石油管螺纹参数智能化测量系统。所述测量方法具有重复性好、精度高、检测速度快等优点。此外还具有抗环境光及振动干扰，可操作性强等特点，适用于各种规格钢管外螺纹参数的在线测量。

其优点突出表现在下述几个方面：

1.具有像素级的高测量分辨率，突破了目前大多数动态测量技术分辨率低，难以实现物体表面细节重构的缺陷；

2.无需人工干预，完全自动获得完整数据；

3.避免工件磨损有效避免杂散光；

4.提高横向分辨率对待测表面要求较低；

5.提高检测速度光路简单，通用性强；

6.激光线扫描仪的应用可以极大地降低企业运行成本。

现有的可用的三维扫描仪产品主要应用于模型图像采集和逆向工程，面对精密仪器制造和检测的产品不具有高的测量精度和合适的性价比，市场应用并不充分。本实施例以管道内螺纹三维测量为典型应用背景，其具有一定的技术推广价值，具有可预期的较大的经济价值和社会价值。

Claims (4)

1.内螺纹非接触激光线测量方法；其特征在于：所述内螺纹非接触激光线测量方法是利用激光三角法获取待测内螺纹的图像信息，然后用控制器进行后处理计算内螺纹的各项参数，据此判定被检测件(2)是否合格，并最终完成整个测试过程；激光三角法获取待测内螺纹的图像信息的具体过程内容要求依次是：

使用激光器(1)向被检测件(2)上选定的被检测部位发出激光束，激光束在被检测部位反射，使用反射镜(3)将反射回的光线传给光学放大系统(4)，然后光学信号经面阵CCD成像系统(5)处理后再通过图像采集卡(6)传递到控制器(7)进行后续处理。

2.按照权利要求1所述内螺纹非接触激光线测量方法，其特征在于：

所述内螺纹非接触激光线测量方法中，激光器(1)发出的激光经垂直投射到被检测件(2)表面，光线漫反射后最终成像到光学放大系统(4)的表面；

当被检测件(2)的表面发生位移改变时，激光束的光轴与光学放大系统(4)中的接收透镜光轴间的夹角α发生变化，通过检测光斑成像的位移变化量x，根据相似三角形各边之间的比例关系，计算被测物体表面的位移量y；据此操作最终描绘出被检测件(2)上目标监测区域表面的三维形态。

3.按照权利要求1所述内螺纹非接触激光线测量方法，其特征在于：控制器(7)中进行下述后续处理：

①系统初始化：设置内螺纹预定参数值，误差值；

②被检测件(2)被测表面区域的图像采集后保存为图象文件

③进行螺纹检参数计算：运用数字图像处理方法获得螺纹轮廓并计算参数；

④螺纹判废处理：按照设定的公差要求，根据系统设定的误差对螺纹的油管进行判废与否的对应处理；

⑤输出检测结果及报表。

4.按照权利要求1-3其中之一所述内螺纹非接触激光线测量方法，其特征在于：控制器(7)中的后续处理：是确认被检测件(2)上螺纹的下述基本参数：螺距、导程、螺纹升角、理论齿高、中径、项径。