一种大直径多头螺纹环规在线加工牙型几何参数测量方法与流程

本发明涉及内螺纹牙型几何参数测量技术领域，具体涉及一种大直径多头螺纹环规在线加工牙型几何参数测量方法。

背景技术：

螺纹大径大于300mm，螺纹头数大于2的螺纹统称为大直径多头螺纹。由于多头螺纹连接方式由其装配容易、可拆性强等特点，被广泛应用于机械制造领域。作为一个复杂空间曲面体，多头螺纹检测一直是困扰装配连接的一大难题，而利用一般的通用检具无法快速、大批量完成螺纹检测任务。螺纹量规的出现，解决了这一技术难题。然而，作为量具的螺纹量规牙型检定一直是计量检测当中的一个技术难点，特别是大直径多头内螺纹环规牙型几何参数在线加工检测尤为突出。

如图1所示，内螺纹环规需要测量的牙型几何参数示意图。主要的几何参数包括螺纹大径D、螺纹小径D1、螺距P、螺纹牙型角θ、螺纹中径D2。以上所有参数都有相应的测量方法或是专用的测量工具。如螺纹小径D1的测量可通过内径千分尺，内螺纹大径D的测量可由如发明专利(申请号为：201510795945.1)中提到的三坐标测量机进行测量。螺距P、螺纹牙型角θ、螺纹中径D2也可通过发明专利(申请号：200710044081.5)中提到的专用设备去测量。然而，几乎所有的测量方法，都需要将所测零件置于一种特定的环境下，比如装夹至专用设备之上或是放置于平台上。而且对于专用设备而言，其必然有一定的测量适用范围。这些方法及专用设备都不适用于大直径多头内螺纹环规，这种单件专用螺纹量规的生产和加工。

对于大直径多头内螺纹环规的加工，由于几何测量成本较大，主要使用数控车床进行加工。加工时螺纹大径D，螺纹小径D1、螺距P及螺纹牙型角θ一般加工至要求的尺寸精度，进行测量确认后不在进行加工，对于中径D2的加工即使使用数控加工，由于车床自身精度以及多头螺纹分度精度的影响，加工时会留有一定加工余量，如图2中的预留加工余量1所示，此时螺纹的实际中径为D3，测量实际中径D3后决定加工量，进行加工并再次测量D3，通过不断的加工和测量使之落在中径D2要求的公差范围内。

鉴于以上过程，加工大直径多头内螺纹环规时不得由床子上拆卸下来，一旦拆卸将无法进行二次找正装夹，环规也就无法进行后续加工。因此需要螺纹牙型几何尺寸测量方法必须在加工现场完成检测。因此现有的测量方法将环规至于专用设备或放置于平台上的方式，完全不适用该种情况，而对于使用专用测量设备，由于设备适用范围的问题，为单件大直径多头内螺纹环规设计加工一套专用测量设备，其成本极高，而且几乎无法用于其他尺寸规格环规的检测。

技术实现要素：

为了解决现有测量技术无法在环规加工现场完成检测、设计加工专用检测设备成本高、无法适用单件生产需要的问题，本发明的目的是提供一种大直径多头螺纹环规在线加工牙型几何参数测量方法，能够在环规加工现场完成环规螺纹牙型参数的检查，将参数提供给加工人员进行高精度加工，保障环规成品率，且检测精度高，可以适用于所有规格的大直径多头内螺纹环规。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种大直径多头螺纹环规在线加工牙型几何参数测量方法，其特征在于，具体操作步骤如下：

步骤一、锁紧加工设备，使得螺纹环规不发生任何方向的移动及转动；

步骤二、选取合适直径的侧头，打点测量环规螺纹大径D、螺纹小径D1几何参数，调整零件测量基准；

步骤三、使用内径千分尺复核螺纹小径D1测量尺寸，并确定螺纹小径D1_(测量)；

步骤四、激光扫描采集螺纹表面牙型数据；

步骤五、拟合计算确定螺纹螺距P的测量值P_(测量)、螺纹牙型角θ的测量值θ_(测量)；

步骤六、通过理论螺纹牙型尺寸计算选择合适直径的钢球，粘接至可更换头部的测量机侧头，校准侧头；

步骤七、使用校准好的侧头，打点测量螺纹确定加工余量d，计算确定加工量；

步骤八、加工完成后，打点测量螺纹实际中径，根据中经理论值D3_(理论)确定D3_(测量)；

步骤九、获得大直径多头内螺纹环规牙型所有几何参数D_(测量)、D1_(测量)、D3_(测量)、P_(测量)和θ_(测量)。

所述步骤二的具体方法为：

(1)、选取合适直径的侧头，使得侧头2头部可以碰触到螺纹大径D；

(2)、打点测量环规端面，确定其基准平面3；

(3)、打点测量螺纹小径D1，测量点数量不少于6点，测量点位置在圆周方向上必须大于3/4弧长；

(4)、将所测点投影至基准平面拟合成圆圆，直径为螺纹小径D1，数值圆心为点O；

(5)、打点测量螺纹大径D，测量点数量大于6点，测量点位置在圆周方向上必须大于3/4弧长；

(6)、将所测点投影至基准平面拟合成圆，圆直径为螺纹大径D数值D_(测量)；

(7)、调整零件的测量基准，基准面3设为XY面，螺纹小径D1圆心为点O为基准原点，Z轴为零件的测量中心轴。

所述步骤三的具体方法为：

(1)、使用内径千分尺测量螺纹小径D1，并确定千分尺测得的数据为螺纹小径D1的测量值D1_(测量)；

(2)、将所测得的尺寸与步骤二中获得的小径D1的尺寸对比，偏差值小于便携式三坐标激光测量机打点测量最小精度值时，认为打点测量值合格，否则重复步骤二，直至测量精度合格。

所述步骤四的具体方法为：

(1)、便携式三坐标激光测量机位置不动，更换激光扫描侧头，扫描螺纹牙型数据；

(2)、将扫描点云数据保存为通用格式。

所述步骤五的具体方法为：

1)、将步骤四中获得的点云数据，通过点云选择软件，以步骤二中的中心轴Z为轴，进行环切选择，获得环规的轴切面螺纹牙型点云数据，并将其导入至CAD软件中；

(2)、通过点数据拟合构造相邻每个齿槽子的小径直线4、牙型斜边直线5、大径直线6、齿顶交点7、齿根交点8，过齿根交点8构造垂直于轴心线的直线9，其中所构造小径直线4和大径直线6必须平行于轴心线；

(3)、通过测量小径直线4和大径直线6获得螺纹大径D_(拟合)和螺纹小径D1_(拟合)，将两个值与步骤二中的D_(测量)和步骤三中的D1_(测量)进行对比，如果偏差值小于携式三坐标激光测量机扫描精度最小精度，认为扫描测量精度合格，否则重复步骤四，直至测量精度合格；

(4)、取多组相邻两齿槽齿顶交点7的距离平均值确定为螺纹螺距P_(测量)，取多组齿槽牙型斜边直线5与直线9的夹角的二倍平均值确定为螺纹牙型角θ_(测量)。

所述步骤六的具体方法为：

(1)、根据螺纹牙型参数，选择合适直径钢球；

(2)、使用外径千分尺多方向测量钢球直径，并标定钢球的直径D_(钢球)；

(3)、将钢球粘接至可更换头部的侧头上，并校准侧头。

所述步骤七的具体方法为：

(1)、在CAD软件中使用作图法，通过理论上牙型参数以及钢球的直径D_(钢球)确定钢球理论上球心距中轴线的距离R3，此时钢球处于理论位置13；

(2)、关掉携式三坐标激光测量机的侧头补偿功能，使得测量机只可测得侧头球心位置坐标。将标定好的侧头接触环规牙型两个斜面，不断摆动侧头角度，使测量机获得球心坐标，通过至少6个坐标值拟合圆球，将拟合球球心点坐标投影至基准平面3，测量投影点与圆心点O的距离设为R3_(测量)，此时钢球处于实际位置14；

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

所述步骤八的具体方法为：

(1)、加工完后，重复步骤七；

(2)、确定螺纹实际中径D3_(测量)＝D3_(理论)－2×d。

本发明的有益效果是，使用本发明中的测量方法，可在环规加工现场完成环规螺纹牙型参数的检查，将参数提供给加工人员进行高精度加工，保障环规成品率，且检测精度高，可以适用于所有规格的大直径多头内螺纹环规。

附图说明

图1是背景技术中内螺纹环规需要测量的牙型几何参数示意图。

图2是背景技术中内螺纹环规加工余量示意图。

图3是侧头打点位置示意图。

图4是零件基准位置示意图。

图5是点云拟合牙型数据图。

图6是不同直径钢球位置示意图。

图7是中经测量方法示意图。

图中，1.预留加工余量，2.测头，3.基准端面，4.径直线、5牙型斜边直线、6大径直线、7齿顶交点、8齿根交点，9.直线，10.过小钢球直径，11.合适的钢球直径，12.过大钢球直径，13.钢球理论位置，14.钢球实际位置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明一种大直径多头螺纹环规在线加工牙型几何参数测量方法，使用的激光测量设备是三坐标激光测量机，该种设备要求同时具备打点测量和激光扫描测量功能并且是便携式的，能够方便带到现场，具体操作步骤如下：

步骤一，锁紧加工设备，使得螺纹环规不发生任何方向的移动及转动；

步骤二，选取合适直径的侧头，打点测量环规螺纹小径D1、螺纹大径D几何参数，调整零件测量基准；

(1)、选取合适直径的侧头，使得侧头2头部可以碰触到螺纹大径D，如图3所示；

(2)、打点测量环规端面确定其基准平面3，如图3所示；

(3)、打点测量螺纹小径D1，测量点数量不少于6点，测量点位置在圆周方向上必须大于3/4弧长；

(4)、将所测点投影至基准平面拟合成圆圆，直径为螺纹小径D1数值圆心为点O；

(5)、打点测量螺纹大径D，测量点数量大于6点，测量点位置在圆周方向上必须大于3/4弧长；

(6)、将所测点投影至基准平面拟合成圆，圆直径为螺纹大径D数值D_(测量)；

(7)、调整零件的测量基准，基准面3设为XY面，螺纹小径D1圆心为点O为基准原点，Z轴为零件的测量中心轴如图4所示；

步骤三，使用内径千分尺复核螺纹小径D1测量尺寸，并确定螺纹小径D1测量值D1_(测量)；

(1)、使用内径千分尺测量螺纹小径D1，并确定千分尺测得的数据为螺纹小径D1的测量值D1_(测量)；

(2)、将所测得的尺寸与步骤二中获得的小径D1的尺寸对比，偏差值小于便携式三坐标激光测量机打点测量最小精度值时，认为打点测量值合格，否则重复步骤二，直至测量精度合格；

步骤四，激光扫描采集螺纹表面牙型数据；

(1)、便携式三坐标激光测量机位置不动，更换激光扫描侧头，扫描螺纹牙型数据；

(2)、将扫描点云数据保存为通用格式；

步骤五，拟合计算确定螺纹螺距P的测量值P_(测量)、螺纹牙型角θ的测量值θ_(测量)。

由于环规装夹于数控车床之上，对于绝大部分尺寸的环规，由于激光侧头尺寸的原因，无法扫描测量螺纹牙型的所有端面数据，一般只能测量到螺纹牙型的一个斜面数据，如图5所示，但这并不影响本发明对螺纹牙型参数的测量。

步骤五，拟合计算确定螺纹螺距P的测量值P_(测量)、螺纹牙型角θ的测量值θ_(测量)：

(1)、将步骤四中获得的点云数据，通过点云选择软件，以步骤二中的中心轴Z为轴，进行环切选择，获得环规的轴切面螺纹牙型点云数据，并将其导入至CAD软件中如图5所示；

(2)、通过点数据拟合构造相邻每个齿槽子的小径直线4、牙型斜边直线5、大径直线6、齿顶交点7、齿根交点8，过齿根交点8构造垂直于轴心线的直线9；其中所构造小径直线4和大径直线6必须平行于轴心线；

(3)、通过测量小径直线4和大径直线6获得螺纹大径D_(拟合)和螺纹小径D1_(拟合)，将两个值与步骤二中的D_(测量)和步骤三中的D1_(测量)进行对比，如果偏差值小于携式三坐标激光测量机扫描精度最小精度，认为扫描测量精度合格，否则重复步骤四，直至测量精度合格；

(4)、取多组相邻两齿槽齿顶交点7的距离平均值确定为螺纹螺距P_(测量)，取多组齿槽牙型斜边直线5与直线9的夹角的二倍平均值确定为螺纹牙型角θ_(测量)；

步骤六，通过理论螺纹牙型尺寸计算选择合适直径的钢球，粘接至可更换头部的测量机侧头，校准侧头：

(1)、根据螺纹牙型参数，选择合适直径钢球如图6所示，钢球直径不可太小，太小会碰触至螺纹牙底如过小钢球直径10，同时钢球直径也不可过大，过大无法接触至牙型斜边如过大钢球直径12。合适的钢球直径为图6中合适的钢球直径11所示；

(2)、使用外径千分尺多方向测量钢球直径，并标定钢球的直径D_(钢球)；

(3)、将钢球粘接至可更换头部的侧头上，并校准侧头。

步骤七，使用校准好的侧头，打点测量螺纹确定加工余量d，计算确定加工量：

(1)、在CAD软件中使用作图法，通过理论上牙型参数以及钢球的直径D_(钢球)确定钢球理论上球心距中轴线的距离R3如图7所示，此时钢球处于理论位置13；

(2)、关掉携式三坐标激光测量机的侧头补偿功能，使得测量机只可测得侧头球心位置坐标；将标定好的侧头接触环规牙型两个斜面，不断摆动侧头角度，使测量机获得球心坐标，通过至少6个坐标值拟合圆球，将拟合球球心点坐标投影至基准平面3，测量投影点与圆心点O的距离设为R3_(测量)如图7所示，此时钢球处于实际位置14；

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

步骤八，加工完成后，打点测量螺纹实际中径，根据中经理论值D3_(理论)确定D3_(测量)：

(1)、加工完后，重复步骤七；

(2)、确定螺纹实际中径D3_(测量)＝D3_(理论)－2×d。

步骤九，获得大直径多头内螺纹环规牙型所有几何参数D_(测量)、D1_(测量)、D3_(测量)、P_(测量)和θ_(测量)。

本实施例可在环规加工现场完成环规螺纹牙型参数的检查，将参数提供给加工人员进行高精度加工，保障环规成品率，且检测精度高，可以适用于所有规格的大直径多头内螺纹环规。