基于传感器的管件内螺纹检测方法、管件筛选方法及系统与流程

本发明属于内螺纹技术领域，涉及一种基于传感器的管件内螺纹检测方法、管件筛选方法及系统。

背景技术：

螺纹因其螺纹副连接紧密，密封性好，螺纹管壁较厚传递扭矩能力与耐压性较强，在高压气体、液体传输管道、高强度钻探工具中得到广泛应用。螺纹加工过程中，螺纹检测是保证螺纹加工质量的重要环节。外螺纹因其螺纹部分易于观测，无论采用接触式或非接触式方法都具有成熟的检测技术。内螺纹因其螺纹在内侧，内部空间较小且逐渐变化。目前常采用接触式检测方式有螺纹规、针式检测仪等。使用螺纹规检测时，需要反复将螺纹规旋入旋出，检测效率低且量具易磨损，难以满足大批量、高精度、快速检测的需求。

非接触式内螺纹检测方法有视觉成像方式和基于激光位移检测技术。对于视觉成像方式，由于内螺纹内部空间有限，采用视觉成像检测时，对成像镜头要求较高，常规镜头无法深入工件内侧。此外，采用视觉成像方法时，由于镜头离螺纹较近且在光线照射下，鱼眼畸变现象严重，图像容易失真，测量准确性较差；而激光位移检测技术，以激光传感器作为探测头，通过空间的移动来实现内螺纹的非接触式测量，但现有的激光位移检测技术适用于大尺寸标准螺纹(如m200以上的螺纹)的测量，而且无法准确的测量管螺纹工件或内外壁不同轴的工件的螺纹牙型。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出一种基于传感器的管件内螺纹检测方法、管件筛选方法及系统，解决现有的内螺纹检测方法针对小尺寸螺纹和螺纹深度检测精度低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

本发明公开了基于传感器的管件内螺纹检测方法，包括以下步骤：

步骤1，确定待测管件外壁轴线位置；

步骤2，在待测管件上方设置水平测距传感器，其中，水平测距传感器的光轴方向与待测管件外圆的轴线垂直，调整水平测距传感器与待测管件之间的位置，使水平测距传感器的光轴线能到达待测管件内螺纹的止口处；

步骤3，待测管件绕其外壁轴线自转一周，获得该旋转过程中水平测距传感器距内圆螺纹圆周面的最远距离a、水平测距传感器距内圆螺纹圆周面的最近距离b以及最远距离时的待测管件相对于起始位置的旋转角度α；根据式(1)获得在垂直待测管件外壁轴线的平面上，待测管件外壁轴线与内壁轴线之间沿x轴方向的距离δx以及沿y轴方向的距离δy：

式中，0°≤α<360°，n＝1,2,3,4，当0°≤α<90°，n＝1，当90°≤α<180°，n＝2；当180°≤α<270°，n＝3；270°≤α<360°，n＝4；

根据待测管件的外壁轴线位置以及δx、δy，获得待测管件内圆的轴线位置；

步骤4，将水平测距传感器从待测管件的一端沿待测管件内圆的轴线方向移动至待测管件的另一端，获得待测管件的测量螺纹牙型。

可选的，所述步骤1包括：设置夹持待测管件的夹持机构，以夹持机构的夹持中心为圆心构建空间坐标系，夹持机构夹紧待测试工件后，待测试工件的外壁轴线过坐标原点，确定了待测管件外壁轴线位置。

可选的，所述步骤3包括：首先，将水平测距传感器从待测管件的上端面处向下移动至下端面处，水平测距传感器扫描得到过待测管件内壁轴线的某个截面的一侧螺纹牙型；然后，绕待测管件外圆的轴线旋转待测管件180°，水平测距传感器从待测管件的下端面处向上移动至上端面处，扫描得到过该截面的另一侧的螺纹牙型。

本发明还公开了基于传感器的管件筛选方法，包括以下步骤：

步骤1，确定待测管件的规格类型，所述规格类型包括待测管件的外径、内径、壁厚和高度；

步骤2，根据待测管件的规格类型，确定待测管件对应的标准螺纹牙型；

步骤3，根据权利要求1或2的内螺纹检测方法获得待测管件的测量螺纹牙型；

步骤4，将步骤3的测量螺纹牙型与步骤2的标准螺纹牙型对比，若测量螺纹牙型与标准螺纹牙型匹配，则待测管件合格，否则，待测管件不合格。

可选的，所述步骤1确定待测管件的规格类型具体包括：设置垂直测距传感器，带动垂直测距传感器从待测管件外壁外部的一点处，沿与待测管件外壁轴线相交的水平方向移动至待测管件外壁外部的另一点处，根据垂直测距传感器的信号变化获得待测管件的规格类型。

本发明还公开了基于传感器的管件筛选系统，包括用于采集待测管件规格类型和内螺纹数据的数据采集模块、带动采集模块移动的第一运动组件、带动待测管件移动的第二运动组件、带动待测管件旋转的旋转组件、用于夹持待测管件的夹持机构、控制器和显示器；

所述数据采集模块包括水平测距传感器和垂直测距传感器；

所述控制器内设置有移动控制模块、待测管件规格类型计算模块、标准螺纹牙型匹配模块、待测管件轴线确定模块、待测管件螺纹牙型计算模块、待测管件螺纹牙型判断模块；

所述移动控制模块用于控制第一运动组件、第二运动组件、旋转组件、夹持机构移动；所述待测管件规格类型计算模块用于确定待测管件的规格类型，规格类型包括待测管件的外径、内径、壁厚和高度；所述标准螺纹牙型匹配模块用于根据待测管件的规格类型，调入数据库中存储的待测管件所对应的标准螺纹牙型；所述待测管件轴线确定模块用于计算待测管件内壁轴线的位置；所述待测管件螺纹牙型计算模块用于根据水平测距传感器扫描的内螺纹数据来计算螺纹牙型；所述待测管件螺纹牙型判断模块用于对比待测管件螺纹牙型计算模块获得的螺纹牙型与标准螺纹牙型匹配模块获得的标准螺纹牙型，若测量螺纹牙型与标准螺纹牙型匹配，待测管件合格，否则，待测管件不合格；

所述显示器用于显示待测管件螺纹牙型判断模块输出的匹配结果。

可选的，所述水平测距传感器、垂直测距传感器均与第一运动组件连接，所述第一运动组件能够带动水平测距传感器、垂直测距传感器沿垂直方向上下移动；所述旋转组件连接在第二运动组件上方，所述夹持机构连接在旋转组件上方，且旋转组件带动夹持机构自转；所述第二运动组件能够沿平面上相互垂直的两个方向移动，且第二运动组件的移动平面与第一运动组件的移动方向垂直。

可选的，所述第一运动组件包括立柱和连接在立柱上的第一传动机构，所述第一传动机构为滚珠丝杠传动机构或齿轮齿条传动机构；所述水平测距传感器和垂直测距传感器连接在第一传动机构上。

可选的，所述第二运动组件由两个相互垂直连接的x向第二传动机构和y向第二传动机构组成，所述x向第二传动机构和y向第二传动机构均为滚珠丝杠传动机构或齿轮齿条传动机构。

可选的，所述夹持机构为分度盘；所述旋转组件为自定心三爪气动卡盘；述水平测距传感器为激光位移传感器或光谱共焦传感器；所述垂直测距传感器为激光测距传感器或红外线测距传感器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的基于传感器的管件内螺纹检测方法给出一种内外壁不同轴工件的定内圆轴心方法，解决了由于加工误差等因素导致工件的内外壁不同轴时传统检测方法无法确定工件内壁轴线，使测出来的螺纹中径值不准，影响检测精度的问题。而且该检测方法兼容性较强，可实现不同规格的内螺纹产品混线检测。

(2)本发明还提出了筛选出内螺纹合格和不合格的管件的方法和系统，与传统的量规检测螺纹是否合格相比，该方法与装置能够实现内螺纹的高精度、高效率的在线检测，能够对生产的内螺纹各项参数进行分析，为工艺优化提供螺纹参数依据。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例5记载的筛选系统示意图。

图2是本发明实施例5记载的控制器的组成模块。

图3是本发明实施例记载的内外孔不同轴的待测管件示意图。

图4是本发明实施例记载的待测管件内圆轴心确定原理示意图。

图5是本发明实施例2记载的具有锥螺纹的待测管件的剖面图。

图中各标号表示为：

1-数据采集模块，2-第一运动组件，3-第二运动组件，4-旋转组件，5-夹持机构，6-控制器，7-显示器，8-待测管件，9-机台；

11-水平测距传感器，12-垂直测距传感器；

21-立柱，22-第一传动机构；

31-x向第二传动机构，32-y向第二传动机构；

81-待测管件外圆，82-待测管件内圆。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

本发明中，水平测距传感器的光轴方向沿水平方向，垂直测距传感器的光轴方向沿竖直方向；

本发明中“管件内外壁不同轴”是指管件沿径向的壁厚不均匀，使得管件内圆相对于外圈偏心，如图3所示。

待测管件外壁轴线是指待测管件的环形外壁的中心轴线，待测管件内壁轴线是指待测管件环形内壁的中心轴线，如图3所示，81表示待测管件外壁，82表示待测管件内壁，即内螺纹止口内圆。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、底、顶”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指以相应附图的轮廓为基准定义的。

实施例1

在实际工程中经常存在由于加工误差等因素导致管件沿径向的壁厚不均匀使管件的内外壁不同轴的问题，图3所示为内外壁不同轴的管件的示意图。针对这种内外壁不同轴的管件的内螺纹检测，本实施例公开了一种基于传感器的管件内螺纹检测方法，本实施例的待测管件的内螺纹为直螺纹，即待测管件的内螺纹孔为等径的圆形孔。该方法包括以下步骤：

步骤1，确定待测管件外壁轴线位置；

本实施例优选的使待测管件过空间坐标系下的圆心，具体的，通过设置夹持待测管件的夹持机构，以夹持机构的夹持中心为空间坐标系的圆心，夹持机构夹紧待测试工件后，待测试工件的外壁轴线过坐标原点，这样就确定了待测管件外壁轴线位置。

本发明也可选择设置一个与待测试工件外部形状匹配的凹槽，凹槽的中心作为空间坐标系的圆心，但工件形状和尺寸变化时需要匹配不同的凹槽，因此优选本实施例采用夹持机构夹持的方式，可适用于不同类型的部件。

步骤2，在待测管件上方设置水平测距传感器，其中，水平测距传感器的光轴方向与待测管件外圆的轴线垂直，调整水平测距传感器与待测管件之间的位置，使水平测距传感器的光轴线能到达待测管件内螺纹的止口处。

本实施例中，当水平测距传感器出现检测信号时，说明水平传感器已经进入工件内孔中，将出现信号时的位置或出现信号后水平测距传感器继续向下移动一定距离后的位置作为内螺纹的止口处，其中“一定距离”根据实际待测管件规则确定，如3～5mm。

步骤3，转动待测管件绕其外壁轴线自转一周，获得该旋转过程中水平测距传感器距内圆螺纹圆周面的最远距离a、水平测距传感器距内圆螺纹圆周面的最近距离b以及最远距离时的待测管件相对于起始位置的旋转角度α，此时最近距离时的待测管件相对于起始位置的旋转角度为α+180°；原理如图4所示，图中，待测管件8外圆的圆心为o1，待测管件8内圆的圆心为o2，并在垂直待测管件外壁轴线的平面上，以o1为圆心建立xy坐标系。然后根据式(1)获得在垂直待测管件外壁轴线的平面上，待测管件外壁轴线与内壁轴线之间沿x轴方向的距离δx以及沿y轴方向的距离δy：

式中，n＝1,2,3,4，指xy坐标系中不同的象限；0°≤α<360°，当0°≤α<90°，n＝1，当90°≤α<180°，n＝2；当180°≤α<270°，n＝3；270°≤α<360°，n＝4。

最后根据距离δx、δy以及待测管件的外壁轴线位置，获得待测管件内圆的轴线位置。本实施例中由于待测管件的外壁轴线位于坐标圆心处，待测管件内圆的轴心即为δx、δy。

步骤4，将水平测距传感器从待测管件的一端沿待测管件内壁轴线方向移动至待测管件的另一端，获得待测管件的测量螺纹牙型，其中，螺纹牙型包括牙高、螺距、螺纹中径、牙型角度。

具体的，本实施例中确定螺纹牙型时：首先，调整待测管件使其内壁轴线与水平测距传感器的光轴线相交，移动水平测距传感器从待测管件的上端面处至下端面处，水平测距传感器扫描得到过待测管件内壁轴线的某个截面的一侧螺纹牙型；然后，绕待测管件外圆的轴线旋转待测管件180°，水平测距传感器从待测管件的下端面处向上移动至上端面处，扫描得到过该截面的另一侧的螺纹牙型。

为了提高参数的测量精度，可采用多次测量求平均值的方式，即旋转待测管件至不同的角度，重复步骤3，获得不同截面上螺纹牙型。

在测量过程中应该保证待测管件内圆螺纹表面位于水平测距传感器的量程范围内，具体的通过调整水平测距传感器与待测管件内圆螺纹表面之间的距离来实现。

实施例2

本实施例的与待测管件的内螺纹为锥螺纹，即待测管件内螺纹孔为锥形，如图5所示。本实施例的内螺纹检测方法与实施例1的区别在于：

步骤3，当待测管件的内圆为锥形时，在水平测距传感器沿待测管件轴向移动过程中实时调整水平测距传感器的水平位置。保证待测管件内圆螺纹表面位于水平测距传感器的量程范围内。

本发明的检测方法解决了由于加工误差等因素导致工件的内外壁不同轴时传统检测方法无法确定工件内壁轴线，使测出来的螺纹中径值不准，影响检测精度的问题。

本发明的内螺纹检测方法既可用于检测内外壁不同轴的管类工件，也可用于检测内外壁同轴的工件，本发明方法具有更大范围的普适性。

实施例3

本实施例公开了一种基于传感器的管件筛选方法，该方法用于筛选出内螺纹合格和不合格的管件，该方法包括以下步骤：

步骤1，确定待测管件的规格类型，本实施例的规格类型包括待测管件的外径、内径、壁厚和高度；

本实施例具体包括：在待测管件上方设置垂直测距传感器11，垂直测距传感器11从待测管件外壁外部的一点处，沿与待测管件外壁轴线相交的水平方向移动至待测管件外壁外部的另一点处，根据垂直测距传感器的信号变化获得待测管件的规格类型。

为实现该过程，本实施例优选以下方案：首先将夹持待测管件的夹持中心作为空间坐标系的圆心、以放置待测试工件的水平面作为xy面构件空间坐标，根据该空间坐标系标定垂直测距传感器11在空间中的位置，本实施例中设置的垂直测距传感器11的空间位置为(0，0，c2)。

在工件移动过程中，当首次出现检测信号时，记录x轴位置为x1以及垂直测距传感器12距待测管件表面距离为h，当检测信号首次消失时，记录x轴位置为x2，当再次出现检测信号时，记录x轴位置为x3，当检测信号再次消失时，记录x轴位置为x4，工件的外径d＝x4-x1，工件的内径d＝x3-x2，工件的厚度为x1-x2，工件的高度为c2-h。

步骤2，根据待测管件的规格类型，确定待测管件对应的标准螺纹牙型；一般工厂生产时会根据不同工件来制定工件对应的标准螺纹牙型，再根据确定的规格类型来对应标准螺纹牙型；

步骤3，检测待测管件的测量螺纹牙型，本实施例优选的采用实施例1或实施例2记载的检测方法来获得待测管件的螺纹牙型；

步骤4，将步骤3的测量螺纹牙型与步骤2的标准螺纹牙型对比，若测量螺纹牙型与标准螺纹牙型匹配，则待测管件合格，否则，待测管件不合格。

实施例4

本实施例公开了一种基于传感器的管件筛选系统，该方法用于筛选出内螺纹合格和不合格的管件。如图1所示，本实施例的系统包括用于采集待测管件规格类型和内螺纹数据的数据采集模块1、带动采集模块1移动的第一运动组件2、带动待测管件8移动的第二运动组件3、带动待测管件8旋转的旋转组件4、用于夹持待测管件8的夹持机构5、控制器6和显示器7。

其中，数据采集模块1包括水平测距传感器11和垂直测距传感器12，水平测距传感器11用于采集待测管件内螺纹，垂直测距传感器12用于采集待测管件规格类型。

本实施例中，水平测距传感器11、垂直测距传感器12均与第一运动组件2连接，第一运动组件2能够带动水平测距传感器11、垂直测距传感器12沿垂直方向上下移动；旋转组件4连接在第二运动组件3的上方，夹持机构5连接在旋转组件4上方，且旋转组件4带动夹持机构5一同自转。第二运动组件3能够沿平面上相互垂直的两个方向移动(即x和y方向)，且第二运动组件3的移动平面与第一运动组件2的移动方向垂直。

本实施例的第一运动组件2包括立柱21和连接在立柱21上的第一传动机构22，所述第一传动机构22为滚珠丝杠传动机构或齿轮齿条传动机构；水平测距传感器11和垂直测距传感器12连接在第一传动机构22上。

本实施例的第二运动组件3由两个相互垂直连接的x向第二传动机构31和y向第二传动机构32组成，使得两者的移动方向相互垂直，x向第二传动机构31和y向第二传动机构32均为滚珠丝杠传动机构或齿轮齿条传动机构。另外，将第二运动组件3以及第一运动组件2均安装在一个机台9上。

本实施例的夹持机构5为分度盘，旋转组件4为自定心三爪气动卡盘，水平测距传感器11为激光位移传感器或光谱共焦传感器，垂直测距传感器12为激光测距传感器或红外线测距传感器，也可以用视觉相机代替垂直测距传感器12实现对不同规格工件的判别。

控制器6内集成有移动控制模块、待测管件规格类型计算模块、标准螺纹牙型匹配模块、待测管件轴线确定模块、待测管件螺纹牙型计算模块、待测管件螺纹牙型判断模块，如图2所示。

其中，移动控制模块用于控制第一运动组件2、第二运动组件3、旋转组件4、夹持机构5的移动；

待测管件规格类型计算模块用于确定待测管件8的规格类型，规格类型包括待测管件的外径、内径、壁厚和高度；具体根据实施例3步骤1中记载的计算思路来计算待测管件8的规格类型。

标准螺纹牙型匹配模块用于根据待测管件8的规格类型，调入数据库中存储的待测管件所对应的标准螺纹牙型；

待测管件轴线确定模块用于计算待测管件内壁轴线的位置；具体根据实施例1或实施例2记载的思路计算；

待测管件螺纹牙型计算模块用于根据水平测距传感器11扫描的内螺纹数据来计算螺纹牙型，即牙高、螺距、螺纹中径、牙型角度等；

待测管件螺纹牙型判断模块用于对比待测管件螺纹牙型计算模块获得的螺纹牙型与标准螺纹牙型匹配模块获得的标准螺纹牙型，若测量螺纹牙型与标准螺纹牙型匹配，待测管件合格，否则，待测管件不合格；

显示器6用于显示待测管件螺纹牙型判断模块输出的匹配结果。

本发明的系统还可以与加工内螺纹的数控车床等进行集成，易实现多规格内螺纹混线检测，同时辅助判断刀具是否磨损、相关参数设置是否合理等。

实施例5

基于实施例4的系统，本实施例公开了一种基于传感器的管件筛选方法，该方法采用实施例4的系统，具体为：

1)由x向第二传动机构31(x轴)、y向第二传动机构32(y轴)和第一传动机构22(z轴)建立空间直角坐标系，其中夹持机构5上放置待测管件8的水平面的中心为坐标原点，见图1。设置旋转组件4位置使其旋转中心轴过坐标原点，调整垂直测距传感器12发射的光轴线在水平面上的投影点在坐标系y轴直线上；已知垂直测距传感器12距水平面(即旋转组件4)的距离为h。标定水平测距传感器11和垂直测距传感器12在上述空间坐标中的位置，水平测距传感器11的坐标位置(a1,0,c1)；垂直测距传感器12的坐标位置(0,0,c2),水平测距传感器11和垂直测距传感器12z轴方向的垂直高度距离为c2-c1。

2)将待检测待测管件8放入到夹紧机构5中后，夹紧机构5夹紧待测管件8；按下内螺纹检测设备的启动按钮，设备开始工作。

3)x向第二传动机构31向右(即图1右侧)移动，同时垂直测距传感器12工作，垂直测距传感器12扫描待测管件8的上端面，确定待测管件的规格，即工件的外径、高度和内径。具体为：

在x向第二传动机构31向右移动过程中，当垂直测距传感器12检测到待测管件8上端面后，记录x轴位置x1和垂直测距传感器12距工件表面的距离h；x向第二传动机构31继续向右移动，当垂直测距传感器12检测信号消失后，记录x轴位置，即为x2；x向第二传动机构31继续向右移动，垂直测距传感器12再次检测到待测管件8上端面后，记录x轴位置，即为x3；x向第二传动机构31继续向右移动，当垂直测距传感器12检测信号消失后，记录x轴位置，即为x4。则待测管件的外径d，即待测管件端面外圆直径为x4-x1，待测管件的内径d，即待测管件端面内螺纹止口内圆直径为x3-x2，工件高度为h-h，由此确定待测管件的规格。

4)根据确定的待测管件规格，调入对应待测管件规格的相关参数，得到该待测管件对应的标准螺纹牙型；

5)移动x向第二传动机构31，将待测管件8移动到水平测距传感器32的正下方，第一传动机构22向下移动，将水平测距传感器11的光轴线落到待测管件8内螺纹的止口。旋转组件4旋转一周，同时水平测距传感器11工作，通过水平测距传感器11圆周扫描一圈，确定待测管件8的内螺纹中心轴线，具体见实施例1的步骤2记载；

6)y向第二传动机构32运动，使待测管件8的内螺纹轴线与水平测距传感器11的光轴线空间相交；第一传动机构22向下移动，同时水平测距传感器11工作，扫描得到过内螺纹轴线的某个截面的一侧螺纹牙的形貌；若内螺纹为锥面螺纹，如图4所示，则在第一传动机构22向下移动的同时，x向第二传动机构31向右移动，保证螺纹表面在水平测距传感器11的量程范围内；

7)旋转组件4旋转180°，第一传动机构22向上移动，同时水平测距传感器11工作，扫描得到过内螺纹轴线的该截面的另一侧螺纹牙的形貌，至此完成测量螺纹参数的过程。同样，若内螺纹为锥面螺纹，则在第一传动机构22向上移动的同时，x向第二传动机构31向左移动。

8)经过多次扫描后，得出若干个内螺纹数据，由此计算确定内螺纹牙高、螺距、牙型角、锥度、螺纹直径、螺纹长度等参数的平均值。若测量所得的所有参数值均在4)获得的标准内螺纹牙型参数的上下偏差区间范围内，则该工件合格；否则，该工件不合格。

目前现有的激光传感器测量方法主要用于大尺寸m200螺纹以上的测量，而本发明主要适用于螺纹中径值在30mm至120mm范围内的内螺纹测量，可测量的螺纹牙型包括但不限于三角形牙、梯形牙、偏梯形牙(偏梯形牙指两侧的牙形角不等)；同时也可用于螺纹中径值在120mm以上的内螺纹测量，也可用于外螺纹测量。

本发明的检测、筛选方法和系统不仅可以用于内螺纹检测，也可以用于复杂内孔的高精度检测、外螺纹检测及圆柱类工件的外径尺寸检测等。

本发明的上述测量过程均在各传感器的量程范围内。

在以上的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。

在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视其为本发明所公开的内容。