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摘要 管接头内螺纹双针计算机测量系统的研究 摘要 本文目的是研究开发一套接触式油管接头内螺纹计算机测量系统，满足宝 钢公司提出的内螺纹检测的要求。论文在分析前人研究设计中的成功经验和不 足的基础上，提出了双针测量的系统方案，并对测量系统的数字滤波、算法模 型和误差分析进行了深入的研究。 第一，针对内螺纹单针测量系统存在的定位基准误差，提出了双针测量的 体系结构，并利用双测针结构对定位误差进行修正。 第二，针对内螺纹单针测量系统中的数字滤波失真，提出了零相位数字滤 波，分析了其原理，并设计了一阶零相位数字滤波器和高阶零相位数字滤波器。 第三，建立了基于中径线的参数算法模型，利用二次插补拟合中径线，并 在此基础上给出了各主要参数的计算过程，从而解决了基于理论齿型的算法因 滤波失真和牙型角误差而带来的数据处理误差问题。 第四，此外，本文还对电感传感器进行了线性校正及误差分析，讨论了激 光传感器倾角误差，并对机械设计中的定位结构进行了误差分析，提出了改进 的措旖。 最后，利用管接头的三种定位状态采集的测量数据，对内螺纹双针计算机 测量系统的硬件结构和算法进行实验测试，实验结果验证了理论分析的正确性 和系统的可行性。 通过本课题对管接头内螺纹测量系统的体系结构，参数数学模型、误差分 析的研究，为内螺纹测量系统的实用化打下了良好的基础。 关键词：管接头内螺纹、双测针结构、零相位数字滤波、中径线 j 匕京工业大学硕士掌位论文 r e s e a r c ho nad o u b l ep r o b ec o m p u t e r a i d e d t e s t i n gs y s t e mf o ri n t e r n a lt h r e a d o fj o i n t a b s t r a c t t h em a i nt a r g e to ft l l er e s e a r c hi st od e s i g na i l dm a i l u f 如t u r cac a r ( c o m p u t e r a i d e dt 色s t ) s y s t e mo fj o i n ti r l t e m a lt h r e a d ，mo r d e rt oi l p m v et h em e 船u r i n g a c c t l r a c ya n dq u a l i t yo f t 1 1 ej o i n ti n t 锄a lt h r e a do fb a os t e e li n c 1 k sp a p e r a n a l y z e s 血es u c c e s sa n d1 i m i t a t i o no f m ef o m e rd e s i 鹘锄di n 怕d u c e sad o u b l e p r o b es y s t e m 0 n t h eb a s 锄e n t ，t l l ep 印e rd e 印l y r e s e a r c h e st l l ef 0 1 1 0 w i n g p r o b l e m s ： d i g i t a ls i 髓a 1p r o c c s s ，抽t b l i l e t i ci n o d e l ，c r m r 锄a l y z i n g 勰d s oo n f i r s n y ，c o n s i d e r i n gn l es i n g l ep r o b es y s t 锄s 蛐豇| 隅也ep a p e rp u t s f o 州a r da d o u b l e p r o b es y s t e m a n d m o d i f i 船m e 岫e 仃o r s e c o n d uc o 璐i d e i i n gt h ep r o b l 锄o fp h 勰ee r r o ro ft h e 豳g l ep r o b es y s t e l n ， t h e p a p e r in _ 昀d u c e sz e r op h a s ef i l t e ra n dd e s i 髓sz 盯0p h 硒e 丘l t c r sa f l e ra i l a l y z e si t s p r i r l c i p l e t h i r d l y m ep a p c rb l l i l d sp a 姗e t e ra r i t h m e t i c 脚d e l b a s e do nm er i l i d d l el i n e w e g e tt l l em i d d l el i n e 丘d m 柳oi n t e r p o l a t i o n s ，a i l d 西v en l ec o m p u t e c o u r s eo ft h e m a i np a i 锄e t 哪m 也i sw a y w ec 觚a v o i d 也ep h a s ee r r o r 龇dt 1 1 r c a ds i d ee 哟r w h a tt h es i n 百ep r o b es y s t e mc a n n o te s c 印e f o u r m l y ，m i sp 印e rs t a i l d a r d i z e s t h e1 i n e a ro ft l l ei n d l l c t a n c es c l l s o r a 1 1 d a 1 1 a l v z e si t se 仃o r t h e nw ed i s c l l s s 也ea n 百ee n d r o ft l l el a s e rs 髓s o ra n dt h ed a t m d l a n ee r r o ro ft h em e c h a l l i s m f i n a l l y 血cp 印e r 垂v 髂s o m ea d v i c et oi i l l p r o v et l l e m e c h a i l i s m f i n a l l y ，w ee x p 谢m e n t 也es t m c t l l l 七a n dm a _ t 1 1m o d e lw i 血t l l l e eg m 印sd a t a t h er e s u l t sp r o v et h a tm es y s t e mi ss u c c e s s m l n 摘要 t h er e s e a r c ho ft h es t r u c t 、l r e ，p a r a m e t e rm a t hm o d e la n de h o ra n a l y z i n go ft h e d o u b l ep m b e ss y s t e mm a k e sa g o o df o u n d a t i o nf o rt h ea c t u a lu s e i nt h ef i e l d s u l i s h e n g ( m a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db y l gj i a i l 、v u k e y w o r d sj o i n ti n t e m a lt h r e a d ，d o u b l ep r o b e s ，z e r op h a s ef i l t e r s ，m i d d l e1 i n e - i 第l 章绪论 第1 章绪论 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。 1 1 管接头的用途及宝钢的生产现状 石油工业中，通常需要钻探很深的油井。随着钻探深度的增加，钻杆的长 度也要相应增加，因此需要将多根钻杆连接在一起。油套管接头的作用就是将 两根钻杆连接起来。钻探一口油井要花费大量的人力物力，一旦钻杆断裂就会 使油井报废，这会造成巨大的损失和浪费，而从钻探工程现场事故分析得知， 钻杆断裂与接杆圆锥螺纹的精度密切相关，因此对油套管接头的精度要求非常 高。要保证油套管接头的圆锥内螺纹精度，圆锥螺纹检测和圆锥螺纹量规测量 的工作量就非常繁重。因此，加强圆锥螺纹特别是圆锥内螺纹的检测和测量是 当前螺纹测量领域中的一项重要任务。 七十年代初，英国的n p l 、美国的n b s 、德国的额m 和日本的计量研 究所等有关从事计量研究的机构，有鉴于液体管道输送的重要性，开展了大型 圆锥螺纹测量仪的研究工作，目前各国及国际标准化协会都有相应的圆锥螺纹 标准，其中美国石油协会标准a p i ( a m 鲥c 孤p e 拄o l e 啪h l s t i t u t e ) 在世界各国 石油工业中应用极为广泛。 目前，上海宝山钢铁集团公司( 简称宝钢) 所生产的油套管接头( 见图1 1 ) 就是按照美国石油协会标准制造的。宝钢采用的是从美国进口的管接头加工设 备p m c 1 0 0 7 c n c 管接头车丝机，p m c 1 0 0 7 c n c 管接头车丝机是三工位数控 车床，一个工位采用上下料机械手装卸工件，一个工位用于加工端面和q 孔， 最后一个工位是用于加工圆锥内螺纹，因此，宝钢已经实现了油套管接头的自 动加工。但是，现在宝钢对油套管接头的检测仍然采用人工测量的方式，专门 有一个检验工人对加工完的管接头进行测量，工人检测管接头无法避免人为误 差，测量精度无法保证。同时，p m c l 0 0 7 c n c 管接头车丝机的加工周期是3 0 j l ：京工业大掌硕士学位论文 秒，工人的劳动强度非常大，随着生产的进行，油套管接头测量精度受人为误 差的影响必然会随着工人疲劳程度的增加而越来越大。 管接头长度 图1 1 油套管接头截面图 1 2 管接头测量的国内外现状 对于各种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。 测量方法主要有机械接触法和光学测量法。机械接触法测量法有两种形式； 一种是纯机械接触测量法，如利用万能量具和附属装置进行测量；另一种是利 用机械接触形式进行定位，而测量数据则利用光学等其它手段获得。这些单参 数测量都是利用螺纹齿型和几何量具之间的几何关系，推导计算出测量结果并 进行误差分析。例如用插头量具、螺纹千分尺或机械接触法测量仪测量普通外 螺纹的中径。其中，三针法测量螺纹中径是一种普遍而且常用的方法。三针法 是数学分析和实际测量技术相结合的一种精密测量方法。因此，三针法在测量 第l 章绪论 中广泛应用，如还有锯齿型螺纹中径的三针法测量等。光学测量方法所用的量 仪大多是工具显微镜、万能测量显微镜、万能测长仪，或与之结构相类似的量 仪。它们可以对螺纹的螺距、牙型角、中径、大径和小径等进行测量。其特点 是测试设备、装置精密、复杂：数据处理繁琐，对测试环境要求较高。 以上对单参数测量进行了简单的介绍。单参数测量非常重要，可用于工艺 分析。如分析各参数的工艺精度，主要参数对作用中径的影响以及误差分配规 律等。在螺纹的生产制造中，用螺纹量规进行综合检验来判定产品的合格性是 行之有效的方法。这种方法操作灵活、简单，而且适用面广，特别适合生产现 场进行抽测。在实验室和生产中常用的量规有螺纹千分尺、螺距规和内径于分 尺等。 通过对螺纹的测量仪器、装置以及测量原理分析，不难看到，外螺纹的单 参数测量方法以及测量设备和仪器研究的较多，分析的比较透彻。但是对内螺 纹特别是锥管内螺纹的测量方法、原理的研究不多。这主要是因为内螺纹处在 管道的内壁上，测量仪器不易操作，而且对测试仪器的几何约束严格、苛刻， 给研制、开发新的测试设备带来很大的困难。 宝钢( 集团) 公司的该测试对象属圆锥内螺纹，所以又对圆锥内螺纹参量测 试方法又进行了进一步比较深入的研究和考察。圆锥螺纹是一种连接紧密，气 密性良好的连接螺纹。圆锥螺纹装配容易，能得到过盈配合，从而保证密封的 良好效果。圆锥螺纹主要广泛应用于管道的连接，特别是石油工业中开采、钻 探用的钻杆，输送管道等均离不开圆锥螺纹，而且圆锥螺纹的精度直接影响输 出流量的准确性。对于圆锥螺纹的综合检验，普遍采用圆锥螺纹量规。国内外 对量规的公差带都有严格的规定。对于单参数的测量方法也是很多，如圆锥内 螺纹中径的测量有三球量法、用带球形测头的测量器具测量、汤姆林生测量法、 比较测量法以及各种光测法。 随着生产的发展和大型自动化生产设备的普遍应用，测试技术也是日新月 异。现代测试已经逐渐从实验室单件检测发展到生产现场成批大量检测。而且 现代化的生产、经营、管理也要求不断从生产现场得到产品的质量情况，协助 决策即时对质量问题采取对策。特别是计算机和现场总线技术的融入，更使现 3 j e 京工业大掌硕士掌位论文 代测试迅速发展。而在现场自动测试这方面，螺纹检测特别是内螺纹自动检测 在国内外研究的比较少，技术也不成熟。 宝钢( 集团) 公司内螺纹加工设备已经应用多年，一直采用螺纹塞规抽样综 合检测法。开发现场自动测试装置还处于空白。而且检测设备不能打乱已有的 生产周期。综上所述，内螺纹在线测试的研究在国内外比较新颖，技术领先， 有很大的研究和开发价值。 1 3 管接头测量系统的目标与要求 管接头内螺纹测量装置是为宝山钢铁( 集团) 公司钢管分厂设计制造的。 整个测量装置包括便携式和在线式两大部分：便携式主要用于实验室单件小批 量检测工件，在线式安装在内螺纹车丝机上成批大量测量管接头。目前，宝山 钢铁( 集团) 公司钢管分厂管接头内螺纹的检测主要有两种方法。一种是现场 检测，工人在现场根据检测要求抽取样件，目测加工后的内螺纹表面质量并用 螺纹赛规手动检测，而且质量科还要定期用螺距量规、锥度量规等对螺纹的螺 距、锥度进行检测；另种是实验室检测，选取个别单件产品，用笔式记录仪 记录螺纹齿型，然后手工测绘进行人工进行数据处理、填表存档。以上两种方 法都存在工人劳动强度大，测量结果受人为因素影响大等缺点。而且，螺纹赛 规只能进行螺纹综合检验，即只能测出由综合因素造成的不合格产品。 为了减轻工人劳动强度，提高内螺纹检测精度，进一步提高产品质量，宝 山钢铁( 集团) 公司决定对管接头内螺纹测量装置进行改造，由人工测量改变 成机械自动测量并最终实现计算机辅助测量。整套测量装置属于专用测量设备， 因此研制出的计算机辅助钡量系统应符合特定的技术要求和技术指标，具体技 术要求如下： ( 1 ) 测量范围。 测试对象主要是27 8 e u 规格的管接头内螺纹 表1 127 ，8 e u 管接头内螺纹技术规格单位：m m f规格型号外径内径长度螺距 f27 8e u9 3 27 6 3 9 71 3 3 43 1 7 5 第l 章绪论 ( 2 ) 测量项目及精度指标 表1 2 测量精度指标单位：m m 测量项目螺距齿顶直径螺纹锥度q 孔直径 精度指标 o 0 1 i no 0 2o 0 2 i no 0 8 测量项目齿高总长a 值中径牙型角 精度指标 o 0 1o 50 2o 0 23 0 ( 3 1 测量速度 由于管接头是在p m c 一1 0 0 7 c n 管接头车丝机上进行加工的，管接头车丝机 属于多工位机床，在p l c 和数控系统的控制下按一定的生产节律加工管接头。 而开发的在线测量系统是在机床卸工件时进行测量，所以实际上是在不影响车 丝机正常加工的前提下，插空进行测量，因此对测量时间有严格的要求。 f 4 ) 测试软件的要求 系统软件应能显示被测工件的理论齿型和实际齿型及各测量参数。能根据 被测参数自动判定工件是否合格；不合格时能够发出报警提示信号；能够保存 必要的数据资料；能对一组测试数据作统计分析，提供分析曲线与图表；能够 对班次、日、周的生产质量情况作汇总报表。 1 4 论文的主要工作 本课题是对管接头内螺纹测量系统的再研究，通过分析前人研究设计中的 成功经验和不足，提出了新的测量方案。主要工作包括： ( 1 ) 首先对“单针计算机测量系统”的结构设计、数据采集和算法进行回顾， 并分析了测试报告。我们发现主要存在以下问题：单针机械结构的定位基准问 题，数据采集中数字滤波的相移问题，基于线性回归的算法因滤波失真和牙型 角误差而带来的数据处理误差。 ( 2 ) 在此基础上，提出“双针计算机测量系统”设计方案。其中，机械结构 采用双测针设计，二者互为基准，修正了定位基准误差；数字滤波采用了零相 位数字滤波器，解决了滤波的相位失真问题；数据处理算法的设计，提出了基 于中径线的算法，并给出了各主要参数的计算流程。 5 北京工业大学硕士掌位论文 ( 3 ) 此外，还对传感器进行了校正及误差分析，对机械结构中的定位和测量 基准进行了误差分析，并提出了改进的建议。 ( 4 ) 最后，用实际测量数据，对测量系统的硬件结构和算法进行实验测试， 通过各主要参数的测量，验证了系统的可行性。 第2 章单针计算机测量系统 第2 章单针计算机测量系统 2 1 总体方案 管接头内螺纹单针计算机测量系统的原理是以螺纹的某一齿型截面为主要 研究对象，获取这一齿型截面的数据。钡量装置采用接触式测量，计算机控制 步进电机带动测针沿管接头轴向运动并记录这一运动轨迹z ，同时测针带动位 移传感器在内螺纹齿面滑动，并由计算机通过对位移传感器的采样来记录这一 位移变化量l ，。测量完一定长度内的螺纹齿型后测针缩回，步进电机带动测针 回位。由数据x 、l ，不难合成内螺纹某截面齿型，然后对数据进行合理性判 断、滤波、分段找到各齿面的直线段部分，进一步求各直线段部分的交点并计 算出六个基本参数，再计算出导出参数，最后进行误差补偿把测量数据存入数 据库，整个一个测量周期结束。 2 2 机械及电气结构 管接头内螺纹单针测量系统的硬件，包括测量装置机械部分和计算机控制 部分。 2 2 1 总体布置 测量系统与管接头车丝机的配合简图如2 1 ，从图中可以看出整个系统与现 场机床的匹配关系。测量对象：管接头；加工设备：p m c 一1 0 0 7 c n 管接头车丝 机：控制与数据处理：工控计算机；辅助装置：接线盒、电缆。 图2 一l 测量系统与机床配合简图 北京工业大学硕士掌位论文 2 2 2 机械结构 管接头内螺纹单针测量系统采用机械接触式测量结构，它的测头的基本原 理相当于一个微型的轮廓仪。测头的工作过程是：首先，给与测针相连接的单 作用小气缸通气，测针伸出，测针头部紧靠在管接头的内壁上；接着，扫描头 部分由步进电机通过微型滚珠丝杠推动，沿管接头的轴向方向运动。这样，当 扫描头运动的同时，螺纹牙的轮廓推动测针做径向移动，带动感应板，再由电 感式传感器测出径向的位移量，经过数据采集卡进行a d 转换送入到工控计算 机中。随着扫描头部分轴向的进给运动，连续的采集径向的位移，便可得到二 维的牙型。测头的机械结构如2 2 、2 3 图所示： 图2 2 测量系统机械机构图 圈2 3 测量系统机械机构剖视图 第2 章单针计算机测量系统 2 2 3 数据采集系统 在大量调研国内外传感器的基础上，最终选定日本k e y e n c e 公司生产的 a s 电感式位移传感器。三个辅助传感器采用国产的微型差动变压器式传感器。 传感器输出的电压信号通过一块1 2 位的d 转换接口卡变成数字信号输 入计算机。d 卡采用台湾研华公司生产的p c l 8 1 8 l 数据采集卡，输入范围 为一5 + 5 v ，对应的传感器的测量范围为1 0 m m 。因此整个前向通道的测量分辨 率为： ：墨磐：o 0 0 2 4 4 ( m m ) ：2 4 4 ( m ) a d 卡的转换精度为1 l s b ，所以测量精度为2 “um ，符合设计精度 要求。 驱动系统选用美国a p i 公司生产的m 1 6 1 0 2 型步进电机，通过用单片机特 制的步进电机控制单元进行控制。该控制单元通过串行接口从工控机接收控制 指令，为步进电机提供带加减速序列的驱动脉冲，驱动步进电机运转。与此同 时，每间隔由程序给定的驱动脉冲个数，控制单元就输出一个同步触发信号给 a d 卡，启动一次采样过程。从而实现在轴向每前进一定距离就采集一个径向 牙型的信号。此外，步进电机的控制单元还控制着给测针通断气的电磁阀，以 确保测针在步进电机运转之前伸出。 硬件系统结构如图2 4 所示。 2 3 算法设计 对数据的数学处理，分析误差导出参数的各项计算结果，对精度进行讨论 是测试的关键一步，也是中心环节。通过对计算方法的研究，建立了油管接头 内螺纹轴截面齿形的二维数学模型，并在此基础上应用线性回归的统计方法计 算出油管接头内螺纹各项参数，并对测量及计算误差进行补偿。 当管接头与钻杆旋合时，对螺纹旋合的紧密程度影响最大的是螺纹的直线部分。 因而，算法的基本思想是利用一阶导数分段法和分段回归分析法，将直线段 j i ：京工业大学硕士掌位论文 图2 4 控制系统硬件结构 1 0 第2 章单针计算机测量系统 实际齿高、齿顶截距和齿根截距、齿形左右半角等基本参数，然后再计算出其 他参数。 2 3 1 测量系统数据处理方案 通过对螺纹曲线方程的分析可以看出，螺纹曲线实际上是一个周期性的三 角波函数( 周期为p ) ，沿水平轴旋转2 ，然后再削顶去底而得到的。所以 螺纹曲线中的直线段是非常关键的，它相当于螺纹曲线的基波成份。只要能够 把直线段数据筛选出来，再计算各段直线的交点，计算出螺距、理论和实际齿 高以及齿顶和齿根截距。再利用线性回归的方法便可计算出两个半角，从而得 到基本参数。 首先计算出p 、q 、a ：、s 。、s ：等六个基本参数；然后通过对标准样 件的测定来修订这六个基本参数补偿误差，最后再计算出其他导出参数。 2 3 2 基本参数的计算 分段回归分析的关键是对采样数据进行分段。这里分段的概念是根据齿型 方程以及螺纹齿型曲线，把属于同一齿面的采样数据划分出来。然后再分别根 据这每一段数据挑选出线性度最好的给定点数拟合出一条直线，得到斜率与截 距。进而求出交点计算出六个基本参数。 对采样数据根据其一阶导数进行分段。导数为正的归于一段中，导数为负 的归于另一段中。在每一段中以方差最小的那部分数据进行直线拟合，挑选出 线性度最好的7 0 个点作为本齿面的直线段点，并把其斜率、截距作为本齿面的 斜率、截距值。 综上所述，不难得到选取螺纹数据直线段的步骤： 1 、读取数据文件，转换为螺纹采样数据 2 、对数据进行一阶低通滤波 3 、求取滤波后数据的导数 j 匕京工业大掌硕士掌位论文 4 、根据导数对数据进行粗略分段 5 、对每段数据以。为单位进行线性回归，比较每组回归的方差，以方差 最小的，个数据点作为此段数据的直线段数据 6 、要求决定是否剔除起头或结尾的数据 如下图2 5 所示。 爹囊仝蓬冷妻逐! 图2 5 拟合后的直线与原始采样数据 根据选择出的螺纹标准直线段数据 乞拟合出各段直线的方程 疋t x 、= y t = k + b i 求取各段直线的交点( 巧，y ；) ( 2 1 ) f = l ，2 月且f ，( 2 2 ) 有了各段直线的交点坐标后，油管接头内螺纹螺距就不难求得 p + = 2 x ( i 一) ( 一一1 )( 2 - 3 ) 再折算为一英寸内得螺距值： p=8o。p(24) 相临两交点的纵坐标相减得到每个齿的理论齿高计算值： e = f y 二。一y _ f = l ，2 n 一1 ( 2 5 ) 求取这些理论齿高的平均值得到理论齿高计算值： = 皿伽一1 ) ( 2 6 ) 岛抖 i 七 = = ”y f | i z 乃 ，j、l 第2 章单针计算机测量系统 利用上交点( z ? ，y ? ) 所对应的前后m 个数据拟合一条直线y = 奴+ 6 ，并求 得此直线在横坐标为x ：处得y ? ： 值s ? 高 + y _ = h ) 6 ( 2 7 ) 然后用| j ，卜j ，：j 作为每个齿得齿顶截距_ 。，求取平均值得到齿顶截距计算 j ：= s ， 其中m 为上交点总数 ( 2 8 ) l = l 同理可得齿根截距计算值s ： s ：= s ：；其中m 为下交点总数 ( 2 9 ) 扛l 计算得齿顶截距s ：、齿根截距s ：、理论齿高计算值日不难计算出实际齿 = 日+ s ：一j ： ( 2 1 0 ) 得到各段螺纹曲线直线段数据后，不难计算出管接头内螺纹的左右半角 口1 ，口2 ： 首先用线性拟合计算出右倾各段直线的斜率 七f = 1 ，2 朋( 其中坍为右倾直线段总数) ( 2 一1 1 ) 则右倾各段直线的平均斜率 七：= ( 霸，) 用 f = 1 ，2 棚( 其中m 为右倾直线段总数)( 2 1 2 ) ，一i 同理左倾各段直线的平均斜率 七：= ( 七2 。) 肼 f = 1 ，2 m ( 其中为左倾直线段总数)( 2 - 1 3 ) ，l 有了七? 和就可计算出左右半角，a ： - 1 3 j 匕京工业大掌硕士掌位论文 口1 = a r c t a n ( 女i )( 2 - 1 4 ) 口2 = a r c t a i l ( )( 2 1 5 ) 对于锥角口的计算，由于其是二次导出参数，而且因为测试装置本身存在 一些问题即工件无法用端面定位，所以计算误差较大，后面将讨论其误差补偿 的问题。有了各段直线段的交点坐标( x ，j ，) 后，我们不难将其分为上交点坐标 ( x ? ，y j ) 和下交点坐标( x ：，y ：) ，然后利用线性回归的方法分别计算出上下交点 坐标的斜率t 和屯，最后计算出： = 2 o a r c t a n ( ( ，+ 七6 ) 2 )( 2 1 6 ) 2 4 应用软件设计 计算机测量系统对管接头进行实时在线自动测量，系统将测量的数据采集 到计算机中，进行计算，再将计算的结果显示在应用软件的界面上。计算机测 量系统作为实时测量系统必须与外部世界互相作用，同时计算机测量系统还是 一个多任务的系统，不仅要进行测量计算，还要响应用户的操作。 为了实现实时多任务，提出了一种利用v 陆l d o w s 操作系统的多任务机制， 编写背景线程用以控制系统的数据采集与计算的方法。为了实现硬件操作、大 量计算与数据库查询，提出采用s u a lc + + 与s u a lb 嬲i c 混合编程的方法。 综合考虑系统对软件的要求，测量系统利用w i n d o w s 操作系统的多任务机 制，对应用软件进行模块化编程。应用软件结构见图2 6 。 考虑到宝钢对应用软件界面功能的要求，将这些功能分为几个功能模块， 这样应用程序界面美观，且操作简单，同时利于进行模块化编程。系统共分为 六个功能模块：控制面板模块用于控制系统的测量：结果显示模块用于显示齿 形曲线和各项被测参数：统计分析模块用于数据检索和作统计图表；生产管理 模块用于零件的生产参数管理；系统管理模块用于管理系统的重要信息；参数 标定模块用于对系统进行修正。为了满足宝钢对测量数据存储的要求，同时为 了便于数据的查询检索，我们采用了这样的数据存储方案：将测量数据分为原 1 4 第2 章单针计算机测量系统 图2 6 系统软件结构 j 匕京工业大掌硕士掌位论文 始数据和计算结果，零件的原始数据以单个文件的方式进行保存，为了节省存 储空间，文件采用二进制形式：零件的计算结果统一保存在一个a c c e s s 数据库 中，并将在此数据库中的零件计算结果与零件的原始数据文件联系起来，即数 据库中有一项专门记录对应的原始数据文件名。油套管接头的标准数据保存在 另个a c c e s s 数据库中。 此外，我们认为还应该在系统的界面上添加人员管理功能和记录日志的功 能。添加人员管理功能便于对系统的操作人员进行分级管理，而添加记录日志 功能便于记录系统的运行状态，便于进行系统调试。 通过现场调试，管接头测量系统的应用软件能够满足现场的测量要求，与 现场设备配合运行良好。 2 5 测试分析 管接头内螺纹测量系统测试分析分为两部分，实验室测试和现场测试。 2 5 1 实验室测试分析 实验室测试分析为测试系统在实验室条件下，可以达到的测量精度。主要 包括一次装卡实验和重复装卡实验。一次装卡实验主要是用来检测系统的重复 测量精度，具体是将管接头固定不动，测头重复测量1 2 8 次。然后，利用数理 统计的方法计算出测量值的平均值和标准差。下表2 1 中所示为一次装卡实验 数据。 表2 一l 一次装卡实验数据 管接q 孔中径手紧螺距锥度理论实际齿根齿型螺纹 头长直径面中齿高齿高截距左半紧密 度 径角距 平均值】3 6 8 0 ，4 5 l7 4 7 l87 63 7 52 5 3 8 j1 6j 】2 7 6 41 j 8 0 90 ，5 0 73 n 】8 153 标准差0 0 0 20 0 0 1o 0 0 30 0 0 30 0 0 20 0 0 60 0 0 30 o o l0 0 0 20 0 3 503 6 4 极差0 0 1 20 0 0 50 0 1 5 0 0 1 5 o 0 1 30 0 3 10 0 1 30 0 0 30 0 0 9o 1 8 6 l7 1 1 由实验数据可以看出，一次装卡测量值的标准差很小，证明了测试系统的 重复精度很高，传感器、机械传动系统和数据采集系统对计算机测量系统的精 度影响很小。 1 6 - 第2 章单针计算机测量系统 重复装卡实验是用来检测重复装卡对计算机测量系统精度的影响，具体办 法是将3 号管接头的1 端位置1 对准测针，并放在测量系统的装卡位置上，将 管接头卡好，测量次；再把管接头取下按同一位置再次装卡，重复测量一次； 如此重复测量l o o 次。然后，利用数理统计的方法计算出测量值的平均值和标 准差。下表中所示为重复装卡的实验数据。此时，标准差的计算包含了重复装 卡的误差。但由于每次装卡的位置相同，标准差的计算不包括管接头本身加工 误差，如果标准查满足要求，则说明重复装卡测量的精度能够达到系统的测试 精度要求。 表2 2 重复装卡验实验数据 管接头q 孔 中径 手紧螺距罐度理论实际齿根齿型螺纹 长度直径面中齿高齿高截距左半紧密 径角距 平均值 1 3 5 9 8 98 0 4 8 37 4 6 【37 6 2 72 5 3 9 2i5 22 巧9i8 1 10 5 0 73 03 3 550 9 s 标准差o0 6 2 0 0 3 i0 0 4 20 0 4 200 0 5o0 3 500 1 40 0 0 3o 0 0 6o2 0 607 7 3 l 极差 0 3 1 80 1 7 l0 i 8 90 1 8 90 0 2 30 1 9 50 0 7 90 0 20 0 2 91 1 3 428 0 6 由以上数据可以看出，管接头长度、螺距、q 孔直径、理论齿高、实际齿 高和齿根截距的标准差的变化范围不大，仍然在系统的精度允许范围之内。但 中径、锥度和螺纹紧密距的标准差都有所增大，这是由于装卡定位装鼍的轴线 与管接头的轴线不重合所造成的的偏差。而且螺纹紧密距受多个因素的影响， 其中中径和锥度对螺纹紧密距的影响最为显著。 实验室测试分析可知，由于工件本身没有适用的定位基准，在离线测试时 无法保证装卡的定位精度，因此测量精度无法达到设计指标的要求。 2 5 2 现场测试分析 2 0 0 2 年1 月3 1 日到2 0 0 2 年2 月2 日，在宝钢钢管公司车间对“接箍计算 机辅助测量系统”进行了测试。现场实验的目的，是检验加工机床、加工机床 附带的机械手和测量系统本身在实际工作状态下的定位精度是否能够满足设计 指标的要求。 每个工位采集对4 种不同的装卡状态各3 0 个样本。4 种状态分别是： j t 京工业大学硕士掌位论文 ( 1 ) 机械手和加工机床都不运动。测头与工件之间处于相对静态。这种情况 下测出的数据可以认为只反映测量系统本身的重复精度。 ( 2 ) 加工机床不运动，机械手每次做退出、旋转和推进运动。这种情况下测 出的数据可以认为反映了测量系统与机械手的综合定位精度。 ( 3 ) 每次测量加工机床都旋转3 6 0 度，机械手只做退出和推进运动，不做旋 转运动。这种情况下测出的数据可以认为反映了测量系统、加工机床和机 械手三者的综合定位精度，但机械手的定位精度中不含旋转定位精度。 ( 4 ) 基本与3 相同，只是机械手除做直线往复运动之外，每次测量还做旋转 运动。这种情况下测出的数据可以认为完全反映整个系统的重复精度。 下表是工位3 各参数测量值的标准差，依次是四种不同的装卡状态 表2 3 四种装卡状态测量数据的标准差 螺距锥度实际齿形齿形理论中径齿项齿根长度q 孔紧密 齿左半右半齿高直径直径直径匝 高角角 l0 0 0 5o 0 3 1o 0 0 l0 0 5 2o 0 6 50 0 0 400 1 40 0 2 0o 0 1 5o 0 0 1o 0 0 003 0 9 20 0 0 20 0 2 6o o n 5n 0 4 7o 0 7 ln 0 0 5o 1o 4o 0 4 6n 0 2 3n 0 d 70 0 2 9 30 0 0 70 0 8o 0 0 40 0 5 7o 0 5 7o 0 0 40 0 4 6o 0 4 9o 0 4 3o 0 2 30 0 0 60 ，3 8 6 d o 0 0 30 0 1 9o 0 0 40 0 5 50 0 7 60 0 0 40 0 4 40 0 4 8o 0 4 l0 0 2 4o 0 0 70 2 4 9 由上表可知，螺距、实际齿高、理论齿高、齿形半角、长度和q 孔直径受 重复装卡的影响较小，基本符合测量精度的要求。但锥度、中径、齿项直径、 齿根直径受重复装卡的影响较大，测量精度不满足设计要求。 但同时从这组数据也可以看出，如果能解决定位的问题，绝大部分项目都 有希望达到实用要求。鉴于事实上改造机床没有可能，所以重新制作一套离线 、钡4 量装置，应该是一个完成项目的较好的方案。 2 6 存在的问题 从上面的分析，我们可以看出系统存在一些未能解决的问题，下面将从机 械结构、信号处理和算法等方面进行分析阐述。 2 6 1 机械机构问题 从单针计算机测量系统与管接头车丝机的配合简图2 1 ，可以看出测量系 - 1 8 + 第2 章单针计算机测量系统 统对机械结构的要求相当高。特别是测量系统要与现有机床设备配合，机械结 构要合理、紧凑。但正因如此，也限制了机械结构的设计。 ( 1 ) 定位问题 内尺寸的检测，往往需要先确定被测件的中心位置，通常有三点定圆法、 最小值法等。然而，内螺纹的定心问题远比其他内尺寸的定心问题困难。原因 是普通内螺纹表面不是光滑面，而是具有凹凸牙型的螺旋线，其不同径向截面 图形是不同心的圆。对于管接头，情况更为复杂，还要考虑管接头的锥度问题。 根据实际情况，管接头的中心位置是依靠q 孔进行定位。 定位的机械结构采用伸缩式的结构，原理类同于三点定位法，利用三个接 触点与o 孔充分接触，则可以认为测量系统的中心与管接头的轴心重合，即检 测系统的中心与被测件的中心重合。因而，该系统所得的各参数即为管接头的 实际参数。在实际测量中，我们发现测量系统的中心和管接头的中心存在一定 的误差。该误差对中径系列，如中径、齿顶直径、齿根直径等影响较大。如果 中心误差在测量截面轴向的误差是y ，则中径系列的误差6 为： 6 = 2y ( 2 ) 测量基准问题 在机械制造业中，零部件加工时的几何量精度通常是尺寸误差、形状误差 和位置误差三个方面。在测量中都存在有一个测量基准的问题。合理、正确地 选择测量基准是保证几何量测量精度的首要条件之一。在实际测量时，同一被 测项目，测量基准选择不合理或错误，在分析测量结果时将产生误判。一般零 部件的测量主基准大多选在装配或工作中的重要定位部件，如大接触面、长轴 中心、定位销孔等。 对于管接头，我们选择轴为测量基准。但实际测量中，我们发现存在两个 问题。首先，由于定位结构的伸缩性，通过q 孔定位的管接头在轴截面上有一 定的偏移，该偏移对管接头的锥度影响较大，而直径系列的参数值又和锥度值 有密切的关系。其次，管接头在垂直于轴截面的方向上有一定的偏移，该偏移 量的大小对螺距、偏角、齿高等基本参数有一定的影响。 北京工业大掌硕士学位论文 ( 3 ) 测量长度问题 采样长度受机床所限，系统的总测量长度为2 0 4 8 咖，测量点数2 0 4 9 ，计 有6 4 5 个螺距。而管接头长度的公称值为1 3 3 4 咖，可以看出测量长度远远小 于公称值。有两个问题，一是不能体现管接头的整体参数，二是由于测量长度 过短而导致加工误差和随机误差影响测量精度。 2 6 2 数字滤波 众所周知，测量系统在对采集信号进行处理前，通常要进行滤波处理。实 际系统中我们采用了数字滤波器取代了传统的模拟滤波器。数字滤波的精度不 取决于滤波元件，只取决于计算方法，优点是防止了元器件漂移误差和离散性， 根本上克服了模拟滤波原理上的缺陷，所以精度非常高。 数字滤波是系统设计的重要一环，直接关系到后续数据处理。单针计算机 测量系统采用了普通的低通数字滤波，对高频成分有一定的消除作用。测量系 统采用的一阶低通数字滤波器，其方程为： y ( 疗) = ( 1 一七) _ y ( n 一1 ) + 七工( n ) y ( n ) 及y 0 1 ) 为前一采样时刻及本采样时刻的输出，z o ) 为本采样时刻 的输入。女为滤波系数。但同时，因为滤波函数的作用，波形有一定程度的失 真，使波形齿侧直线偏离真实值。滤波的结果如下图2 7 。而后续参数的计算 又依赖于齿侧直线，所以滤波误差的减小具有极为重要的作用。 图2 7 普通低通滤波结果 第2 章单针计算机测量系统 2 6 3 算法问题 测量系统算法基于分段回归分析，将直线段数据从截面齿形中筛选出来， 找到各段直线的交点，计算出螺距、理论齿高、实际齿高、齿项截距和齿根截 距、齿形左右半角等基本参数，然后再计算出其他参数。 分段回归分析的关键是对采样数据进行分段。这里分段的概念是根据齿型 方程以及螺纹齿型曲线，把属于同一齿面的采样数据划分出来。然后再分别根 据这每一段数据挑选出线性度最好的给定典数( n 个) 拟合出一条直线，得到斜 率与截距。进而求出交点，计算出六个基本参数。如下图2 所示。 这种方法简单明了，便于分析理解。但我们也看出，所有参数的计算都取 决于所拟合的直线段，如果直线段存在误差，则所有被测参数都存在误差。而 直线段的好坏又很大程度上取决于滤波的成功与否，而实际上，即使再好的滤 波器都存在一定程度上的失真。因而，算法误差也就不可避免了。 图2 8 拟合后的直线与原始采样数据 2 7 非接触测量系统研究 通过对非接触式内螺纹计算机测量系统，提出了一种管接头内螺纹进行量 化测量的方法，并对激光传感器因被测表面亮度及倾角的影响，产生的误差进 行了探讨，并给出了可行的解决方案。 2 7 1测量系统的实现方案 测量方案如图2 9 所示，位移传感器感测头沿管接头轴线做直线运动，以 感测头直线运动位移量为横坐标、传感器的输出距离值为纵坐标，从而获得螺 纹的轮廓曲线。 系统进行测量时，数据采集卡按操作人员指定的速率采集数据，所有的数 北京工业大掌硕士掌位论文 据采集完毕后，被存储在一个数据文件中，运算程序再根据此文件进行数据分 析与处理。下面主要对测头的改装进行了讨论。 数据 采集卡 测样件 图2 9 测量系统示意图 2 7 2 测头改装 感测头外形尺寸为9 5 7 6 3 6 ，而管接头内径为7 2 9 8 ，故测头无法伸入管 接头内部进行扫描。因此做测头改装如下 如图2 一l o 所示，在激光的光路中放置一倾斜4 5 。的反光镜，将光线转折 9 0 。反光镜与感测头通过金属板固定在一起，成为一体。这样只需将反光镜伸 入管接头即可进行测量。 经验证，传感器感测头改造前后扫描结果基本一样，故此方法可解决感测 头尺寸过大，无法伸入管接头的问题。 图2 一l o 测头改装原理及示意图 第2 章单针计算机强q 量系统 从理论上，该方法切实可行，而且不失为一个好的测量方案。但是，激光 测量对被测表面要求较高。实际测量中，由于加工件表面存在切削油和铁屑， 对传感器测量数据的取得影响较大，无法满足测量方案的要求。 2 8 本章小结 本章对管接头内螺纹单针计算机测量系统中，单测针数据采集结构、基于 线性回归的算法设计和多任务实时应用程序，作了概括性介绍；同时对测试报 告进行了分析研究；提出了系统存在的不足。最后，简单论述了非接触测量系 统的研究。 第3 章双针计算机谀u 量系统硬件舌f 分的实现 第3 章双针计算机测量系统硬件部分的实现 从单针计算机测量系统的分析可知，由于定位误差、滤波失真和算法等问 题，内螺纹的多个参数无法达到测量精度要求。因而，重新制作一套离线测量 装置，应该是一个完成项目的较好的方案。 3 1 测量系统基本原理 管接头内螺纹双针测量系统的原理是以螺纹的截面齿型为主要研究对象， 获取这一齿型截面的数据。测量装置采用接触式测量，计算机控制步进电机带 动测针沿管接头轴向运动并记录这一运动轨迹x ，同时测杆在水平方向摆动， 并由计算机通过对位移传感器的采样来记录这一位移交化量l ，。由数据z 、y 合成内螺纹某一截面齿型，然后对数据进行滤波、处理，确定内螺纹齿型的中 径线，在此基础上计算出各主要参数，最后进行误差补偿。 双针测量系统要解决的关键问题是机械部分、数字滤波和算法三个问题。 对这三个问题，将在后面的章节中分别进行分析。 测量系统硬件结构是整个测量过程、数据采集、控制方案的载体，是整个 测量系统的基础。而硬件部分的设计又包括机械结构设计和数据采集系统设计。