一種大直徑多頭螺紋環規在線加工牙型幾何參數測量方法與流程

本發明涉及內螺紋牙型幾何參數測量技術領域，具體涉及一種大直徑多頭螺紋環規在線加工牙型幾何參數測量方法。

背景技術：

螺紋大徑大于300mm，螺紋頭數大于2的螺紋統稱為大直徑多頭螺紋。由于多頭螺紋連接方式由其裝配容易、可拆性強等特點，被廣泛應用于機械制造領域。作為一個復雜空間曲面體，多頭螺紋檢測一直是困擾裝配連接的一大難題，而利用一般的通用檢具無法快速、大批量完成螺紋檢測任務。螺紋量規的出現，解決了這一技術難題。然而，作為量具的螺紋量規牙型檢定一直是計量檢測當中的一個技術難點，特別是大直徑多頭內螺紋環規牙型幾何參數在線加工檢測尤為突出。

如圖1所示，內螺紋環規需要測量的牙型幾何參數示意圖。主要的幾何參數包括螺紋大徑D、螺紋小徑D1、螺距P、螺紋牙型角θ、螺紋中徑D2。以上所有參數都有相應的測量方法或是專用的測量工具。如螺紋小徑D1的測量可通過內徑千分尺，內螺紋大徑D的測量可由如發明專利(申請號為：201510795945.1)中提到的三坐標測量機進行測量。螺距P、螺紋牙型角θ、螺紋中徑D2也可通過發明專利(申請號：200710044081.5)中提到的專用設備去測量。然而，幾乎所有的測量方法，都需要將所測零件置于一種特定的環境下，比如裝夾至專用設備之上或是放置于平臺上。而且對于專用設備而言，其必然有一定的測量適用范圍。這些方法及專用設備都不適用于大直徑多頭內螺紋環規，這種單件專用螺紋量規的生產和加工。

對于大直徑多頭內螺紋環規的加工，由于幾何測量成本較大，主要使用數控車床進行加工。加工時螺紋大徑D，螺紋小徑D1、螺距P及螺紋牙型角θ一般加工至要求的尺寸精度，進行測量確認后不在進行加工，對于中徑D2的加工即使使用數控加工，由于車床自身精度以及多頭螺紋分度精度的影響，加工時會留有一定加工余量，如圖2中的預留加工余量1所示，此時螺紋的實際中徑為D3，測量實際中徑D3后決定加工量，進行加工并再次測量D3，通過不斷的加工和測量使之落在中徑D2要求的公差范圍內。

鑒于以上過程，加工大直徑多頭內螺紋環規時不得由床子上拆卸下來，一旦拆卸將無法進行二次找正裝夾，環規也就無法進行后續加工。因此需要螺紋牙型幾何尺寸測量方法必須在加工現場完成檢測。因此現有的測量方法將環規至于專用設備或放置于平臺上的方式，完全不適用該種情況，而對于使用專用測量設備，由于設備適用范圍的問題，為單件大直徑多頭內螺紋環規設計加工一套專用測量設備，其成本極高，而且幾乎無法用于其他尺寸規格環規的檢測。

技術實現要素：

為了解決現有測量技術無法在環規加工現場完成檢測、設計加工專用檢測設備成本高、無法適用單件生產需要的問題，本發明的目的是提供一種大直徑多頭螺紋環規在線加工牙型幾何參數測量方法，能夠在環規加工現場完成環規螺紋牙型參數的檢查，將參數提供給加工人員進行高精度加工，保障環規成品率，且檢測精度高，可以適用于所有規格的大直徑多頭內螺紋環規。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：

一種大直徑多頭螺紋環規在線加工牙型幾何參數測量方法，其特征在于，具體操作步驟如下：

步驟一、鎖緊加工設備，使得螺紋環規不發生任何方向的移動及轉動；

步驟二、選取合適直徑的側頭，打點測量環規螺紋大徑D、螺紋小徑D1幾何參數，調整零件測量基準；

步驟三、使用內徑千分尺復核螺紋小徑D1測量尺寸，并確定螺紋小徑D1_(測量)；

步驟四、激光掃描采集螺紋表面牙型數據；

步驟五、擬合計算確定螺紋螺距P的測量值P_(測量)、螺紋牙型角θ的測量值θ_(測量)；

步驟六、通過理論螺紋牙型尺寸計算選擇合適直徑的鋼球，粘接至可更換頭部的測量機側頭，校準側頭；

步驟七、使用校準好的側頭，打點測量螺紋確定加工余量d，計算確定加工量；

步驟八、加工完成后，打點測量螺紋實際中徑，根據中經理論值D3_(理論)確定D3_(測量)；

步驟九、獲得大直徑多頭內螺紋環規牙型所有幾何參數D_(測量)、D1_(測量)、D3_(測量)、P_(測量)和θ_(測量)。

所述步驟二的具體方法為：

(1)、選取合適直徑的側頭，使得側頭2頭部可以碰觸到螺紋大徑D；

(2)、打點測量環規端面，確定其基準平面3；

(3)、打點測量螺紋小徑D1，測量點數量不少于6點，測量點位置在圓周方向上必須大于3/4弧長；

(4)、將所測點投影至基準平面擬合成圓圓，直徑為螺紋小徑D1，數值圓心為點O；

(5)、打點測量螺紋大徑D，測量點數量大于6點，測量點位置在圓周方向上必須大于3/4弧長；

(6)、將所測點投影至基準平面擬合成圓，圓直徑為螺紋大徑D數值D_(測量)；

(7)、調整零件的測量基準，基準面3設為XY面，螺紋小徑D1圓心為點O為基準原點，Z軸為零件的測量中心軸。

所述步驟三的具體方法為：

(1)、使用內徑千分尺測量螺紋小徑D1，并確定千分尺測得的數據為螺紋小徑D1的測量值D1_(測量)；

(2)、將所測得的尺寸與步驟二中獲得的小徑D1的尺寸對比，偏差值小于便攜式三坐標激光測量機打點測量最小精度值時，認為打點測量值合格，否則重復步驟二，直至測量精度合格。

所述步驟四的具體方法為：

(1)、便攜式三坐標激光測量機位置不動，更換激光掃描側頭，掃描螺紋牙型數據；

(2)、將掃描點云數據保存為通用格式。

所述步驟五的具體方法為：

1)、將步驟四中獲得的點云數據，通過點云選擇軟件，以步驟二中的中心軸Z為軸，進行環切選擇，獲得環規的軸切面螺紋牙型點云數據，并將其導入至CAD軟件中；

(2)、通過點數據擬合構造相鄰每個齒槽子的小徑直線4、牙型斜邊直線5、大徑直線6、齒頂交點7、齒根交點8，過齒根交點8構造垂直于軸心線的直線9，其中所構造小徑直線4和大徑直線6必須平行于軸心線；

(3)、通過測量小徑直線4和大徑直線6獲得螺紋大徑D_(擬合)和螺紋小徑D1_(擬合)，將兩個值與步驟二中的D_(測量)和步驟三中的D1_(測量)進行對比，如果偏差值小于攜式三坐標激光測量機掃描精度最小精度，認為掃描測量精度合格，否則重復步驟四，直至測量精度合格；

(4)、取多組相鄰兩齒槽齒頂交點7的距離平均值確定為螺紋螺距P_(測量)，取多組齒槽牙型斜邊直線5與直線9的夾角的二倍平均值確定為螺紋牙型角θ_(測量)。

所述步驟六的具體方法為：

(1)、根據螺紋牙型參數，選擇合適直徑鋼球；

(2)、使用外徑千分尺多方向測量鋼球直徑，并標定鋼球的直徑D_(鋼球)；

(3)、將鋼球粘接至可更換頭部的側頭上，并校準側頭。

所述步驟七的具體方法為：

(1)、在CAD軟件中使用作圖法，通過理論上牙型參數以及鋼球的直徑D_(鋼球)確定鋼球理論上球心距中軸線的距離R3，此時鋼球處于理論位置13；

(2)、關掉攜式三坐標激光測量機的側頭補償功能，使得測量機只可測得側頭球心位置坐標。將標定好的側頭接觸環規牙型兩個斜面，不斷擺動側頭角度，使測量機獲得球心坐標，通過至少6個坐標值擬合圓球，將擬合球球心點坐標投影至基準平面3，測量投影點與圓心點O的距離設為R3_(測量)，此時鋼球處于實際位置14；

(3)、確定加工量d，加工量d＝(R3-R3_(測量))×Sin(θ_(測量)/2)。

所述步驟八的具體方法為：

(1)、加工完后，重復步驟七；

(2)、確定螺紋實際中徑D3_(測量)＝D3_(理論)－2×d。

本發明的有益效果是，使用本發明中的測量方法，可在環規加工現場完成環規螺紋牙型參數的檢查，將參數提供給加工人員進行高精度加工，保障環規成品率，且檢測精度高，可以適用于所有規格的大直徑多頭內螺紋環規。

附圖說明

圖1是背景技術中內螺紋環規需要測量的牙型幾何參數示意圖。

圖2是背景技術中內螺紋環規加工余量示意圖。

圖3是側頭打點位置示意圖。

圖4是零件基準位置示意圖。

圖5是點云擬合牙型數據圖。

圖6是不同直徑鋼球位置示意圖。

圖7是中經測量方法示意圖。

圖中，1.預留加工余量，2.測頭，3.基準端面，4.徑直線、5牙型斜邊直線、6大徑直線、7齒頂交點、8齒根交點，9.直線，10.過小鋼球直徑，11.合適的鋼球直徑，12.過大鋼球直徑，13.鋼球理論位置，14.鋼球實際位置。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

本發明一種大直徑多頭螺紋環規在線加工牙型幾何參數測量方法，使用的激光測量設備是三坐標激光測量機，該種設備要求同時具備打點測量和激光掃描測量功能并且是便攜式的，能夠方便帶到現場，具體操作步驟如下：

步驟一，鎖緊加工設備，使得螺紋環規不發生任何方向的移動及轉動；

步驟二，選取合適直徑的側頭，打點測量環規螺紋小徑D1、螺紋大徑D幾何參數，調整零件測量基準；

(1)、選取合適直徑的側頭，使得側頭2頭部可以碰觸到螺紋大徑D，如圖3所示；

(2)、打點測量環規端面確定其基準平面3，如圖3所示；

(3)、打點測量螺紋小徑D1，測量點數量不少于6點，測量點位置在圓周方向上必須大于3/4弧長；

(4)、將所測點投影至基準平面擬合成圓圓，直徑為螺紋小徑D1數值圓心為點O；

(5)、打點測量螺紋大徑D，測量點數量大于6點，測量點位置在圓周方向上必須大于3/4弧長；

(6)、將所測點投影至基準平面擬合成圓，圓直徑為螺紋大徑D數值D_(測量)；

(7)、調整零件的測量基準，基準面3設為XY面，螺紋小徑D1圓心為點O為基準原點，Z軸為零件的測量中心軸如圖4所示；

步驟三，使用內徑千分尺復核螺紋小徑D1測量尺寸，并確定螺紋小徑D1測量值D1_(測量)；

(1)、使用內徑千分尺測量螺紋小徑D1，并確定千分尺測得的數據為螺紋小徑D1的測量值D1_(測量)；

(2)、將所測得的尺寸與步驟二中獲得的小徑D1的尺寸對比，偏差值小于便攜式三坐標激光測量機打點測量最小精度值時，認為打點測量值合格，否則重復步驟二，直至測量精度合格；

步驟四，激光掃描采集螺紋表面牙型數據；

(1)、便攜式三坐標激光測量機位置不動，更換激光掃描側頭，掃描螺紋牙型數據；

(2)、將掃描點云數據保存為通用格式；

步驟五，擬合計算確定螺紋螺距P的測量值P_(測量)、螺紋牙型角θ的測量值θ_(測量)。

由于環規裝夾于數控車床之上，對于絕大部分尺寸的環規，由于激光側頭尺寸的原因，無法掃描測量螺紋牙型的所有端面數據，一般只能測量到螺紋牙型的一個斜面數據，如圖5所示，但這并不影響本發明對螺紋牙型參數的測量。

步驟五，擬合計算確定螺紋螺距P的測量值P_(測量)、螺紋牙型角θ的測量值θ_(測量)：

(1)、將步驟四中獲得的點云數據，通過點云選擇軟件，以步驟二中的中心軸Z為軸，進行環切選擇，獲得環規的軸切面螺紋牙型點云數據，并將其導入至CAD軟件中如圖5所示；

(2)、通過點數據擬合構造相鄰每個齒槽子的小徑直線4、牙型斜邊直線5、大徑直線6、齒頂交點7、齒根交點8，過齒根交點8構造垂直于軸心線的直線9；其中所構造小徑直線4和大徑直線6必須平行于軸心線；

(3)、通過測量小徑直線4和大徑直線6獲得螺紋大徑D_(擬合)和螺紋小徑D1_(擬合)，將兩個值與步驟二中的D_(測量)和步驟三中的D1_(測量)進行對比，如果偏差值小于攜式三坐標激光測量機掃描精度最小精度，認為掃描測量精度合格，否則重復步驟四，直至測量精度合格；

(4)、取多組相鄰兩齒槽齒頂交點7的距離平均值確定為螺紋螺距P_(測量)，取多組齒槽牙型斜邊直線5與直線9的夾角的二倍平均值確定為螺紋牙型角θ_(測量)；

步驟六，通過理論螺紋牙型尺寸計算選擇合適直徑的鋼球，粘接至可更換頭部的測量機側頭，校準側頭：

(1)、根據螺紋牙型參數，選擇合適直徑鋼球如圖6所示，鋼球直徑不可太小，太小會碰觸至螺紋牙底如過小鋼球直徑10，同時鋼球直徑也不可過大，過大無法接觸至牙型斜邊如過大鋼球直徑12。合適的鋼球直徑為圖6中合適的鋼球直徑11所示；

(2)、使用外徑千分尺多方向測量鋼球直徑，并標定鋼球的直徑D_(鋼球)；

(3)、將鋼球粘接至可更換頭部的側頭上，并校準側頭。

步驟七，使用校準好的側頭，打點測量螺紋確定加工余量d，計算確定加工量：

(1)、在CAD軟件中使用作圖法，通過理論上牙型參數以及鋼球的直徑D_(鋼球)確定鋼球理論上球心距中軸線的距離R3如圖7所示，此時鋼球處于理論位置13；

(2)、關掉攜式三坐標激光測量機的側頭補償功能，使得測量機只可測得側頭球心位置坐標；將標定好的側頭接觸環規牙型兩個斜面，不斷擺動側頭角度，使測量機獲得球心坐標，通過至少6個坐標值擬合圓球，將擬合球球心點坐標投影至基準平面3，測量投影點與圓心點O的距離設為R3_(測量)如圖7所示，此時鋼球處于實際位置14；

(3)、確定加工量d：加工量d＝(R3-R3_(測量))×Sin(θ_(測量)/2)；

步驟八，加工完成后，打點測量螺紋實際中徑，根據中經理論值D3_(理論)確定D3_(測量)：

(1)、加工完后，重復步驟七；

(2)、確定螺紋實際中徑D3_(測量)＝D3_(理論)－2×d。

步驟九，獲得大直徑多頭內螺紋環規牙型所有幾何參數D_(測量)、D1_(測量)、D3_(測量)、P_(測量)和θ_(測量)。

本實施例可在環規加工現場完成環規螺紋牙型參數的檢查，將參數提供給加工人員進行高精度加工，保障環規成品率，且檢測精度高，可以適用于所有規格的大直徑多頭內螺紋環規。