螺紋參數的測量方法和裝置的製作方法

2023-05-26 08:38:01 2

專利名稱：螺紋參數的測量方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及螺紋的測量方法，該方法特別適合於在碳氫化合物行業中使用的螺紋管道，並適合於類似的帶有螺紋的物體。
背景技術：
在諸如螺釘、螺栓或螺紋管道的螺紋製造過程中，需要確認零件的幾何尺寸符合為產品設定的公差。另外，與這些公差的偏差的本質有關的知識可以用於反饋給製造過程， 從而避免在該過程中產生次品。執行測量操作以進行質量控制時的主要問題是測量的精度和可重複性。在過去， 已有人嘗試提高測量操作的精度和可重複性並使得測量系統能夠測量複雜機械物體，例如在石油行業中使用的螺紋管道的螺紋形狀。在該具體技術領域中，需要測量多個參數，例如內外螺紋的錐度、螺距、螺紋高度、內外螺紋直徑、管道橢圓度、切入(rim in)和收尾(rim out)。例如，文獻US5712706公開了一種由精確機械系統引導的非接觸式雷射傳感器，其掃描螺紋牙型並產生螺紋的一組計算機圖像。然後分析該計算機圖像以獲得有關螺紋特徵，諸如螺距、導程、牙底半徑、牙側角、表面粗糙度、螺旋變化，及螺距直徑的定量信息。然而，該文獻的不足包括未明確解決零件錯位這一重要問題，且因此在對準(aligning)要測量的零件與機械系統坐標時要求操作絕對精確。該對準只能在零件處在螺紋機上時實現。 在螺紋機上的測量存在一些缺點；這使得檢查和製造過程不能同時運行，從而會增加高成本的時間，並需要將精巧的光學部件和精確機械部件放置在有切削油和強振動的惡劣環境中，且在某種程度上使用必須經確認的相同的機械運動。一旦已將零件從車床上移除，該對準就非常難以手動地實現且因此該文獻公開的系統只允許通過比較連續的牙頂和牙底來測量相對的或局部的量值，即螺紋高度，而由零件錯位引入的誤差未由該技術方案「注意到」且在這些情況下這些誤差會導致測量精度不夠。該文獻也未解決重要的螺紋參數，諸如錐度、切入、收尾、黑頂(black crest)、完整螺紋長度，或特定的處理參數，諸如作為示例列出的錐形牙型、螺距線性、橢圓度的傅立葉模式分解、車床板錯位、鉤頭角剛度(hook end angle severity)的測量。存在以可重複、令人滿意並足夠精確的方式解決克服測量裝置和要測量的螺紋零件之間的錯位問題的需要。

發明內容
因此本發明的一個目的是提供克服上述缺點和限制的一種測量方法。本發明的主要目的是提供一種用於對帶有螺紋的物體，特別是油管螺紋，特別是內外螺紋(Pins and boxes)準確、自動地執行非接觸式檢查的方法。參考下述說明，容易理解上述目的和其它目的，這些目的可以根據本發明通過特別是帶有螺紋的物體的螺紋參數的測量方法來實現，其中提供測量裝置，其包括適用於檢索(retrieve)帶有螺紋的物體的形狀的至少一個光學傳感器，該帶有螺紋的物體具有前端(nose)並定義包括第一坐標軸的第一空間參照系，該測量裝置定義包括第二坐標軸的第二空間參照系，提供計算機裝置，用於存儲預設的算法以計算描述在第二空間參照系中表示帶有螺紋的物體的二次型的第一矩陣，因此提供第一和第二空間參照系之間的關係， 該方法包括步驟a)預定義至少一個光學傳感器在帶有螺紋的物體上的至少一個軌跡，沿著該軌跡選擇測量點以使在這些值上估算的矩陣具有最大的秩(rank)；b)由至少一個光學傳感器沿著所述至少一個軌跡執行第一掃描操作並檢索預定義的測量點的數據；c)輸入這些數據到預設的算法中並計算將第一空間參照系與第二空間參照系相關的軸變換矩陣，以定義帶有螺紋的物體相對於第二空間參照系的相對位置；d)使用軸變換矩陣將檢索到的所有數據從第二空間參照系轉換到第一空間參照系。在本文中，軌跡指傳感器在空間中所檢測到的路徑，其描述相對於傳感器的表面位置的值的序列。根據本發明的方法具有多種優點允許獲取有關螺紋特徵的定量信息，例如錐度、密封圈直徑和橢圓度、切入、收尾、 螺紋直徑和橢圓度、沿著管道的多個母線(generatrice)的螺距，及步進高度；允許對多個螺紋參數和管道特徵執行絕對測量，而不管螺紋管道和測量裝置之間的任何錯位；藉助於使用非接觸式傳感器，如雷射傳感器或其它光學傳感器，避免要測量的物體與測量裝置之間的有害接觸；通過執行一系列掃描和擬合步驟在空間中精確地定位要測量的物體，而不管其相對於測量裝置的位置和對準。為了執行本發明的方法，本發明根據第二方面，提供一種測量裝置，包括用於執行權利要求1所述方法的測量裝置，包括至少一個計算機控制的非接觸式雷射傳感器，其安裝在精確機械移動系統中；計算機控制的精確機械移動系統，其能夠在操作期間根據各種掃描模式引導所述至少一個傳感器；用於同步至少一個傳感器的輸出信號與機械系統的空間位置的裝置，計算機，其在各種掃描操作中控制至少一個傳感器以產生被掃描物體的螺紋形狀的計算機圖像，存儲並分析這些計算機圖像以獲得有關螺紋特徵的定量信息，該螺紋特徵例如包括錐度、密封圈直徑和橢圓度、切入、收尾、螺紋直徑和橢圓度、沿著多個管道母線的螺距，及步進高度。


現結合附圖根據作為非限制性示例給出的優選實施方案描述本發明，在附圖中圖1示出用於執行根據本發明的方法的測量裝置的示意性軸測圖；圖Ia示出根據本發明的測量裝置的立體圖；圖2是示出本發明的測量方法的方案的流程圖；圖3是示出數據獲取過程中的步驟的結果的圖表；
圖3a示出在其上執行本發明的測量方法的帶有螺紋的物體的細節；圖4是示出數據檢測過程中的又一步驟的圖表；圖5是示出在其中進行測量的螺紋縱向截面的方案的示意圖；圖6是示出數據獲取過程中的其它步驟的結果的圖表；圖7是示出承載牙側(load flank)的假想分配的圖表；圖8是示出螺旋掃描的結果的圖表；圖9是示出密封圈掃描的結果的圖表；圖10示出在其上使用本發明的方法的螺紋的方案的示意圖；圖11是示出牙底掃描的結果的圖表；圖12是示出牙頂掃描的結果的圖表；圖13示出在其上使用本發明的方法的螺紋的方案的示意圖；圖14是示出螺紋切入掃描的結果的圖表；圖15是示出由本發明的測量方法提供的結果的圖表；圖16是示出對使用牙頂和牙底的線性擬合的螺紋進行的步進高度計算的示意圖；圖17是示出另一螺紋掃描的結果的圖表。
具體實施例方式具體參考圖1和la，示出基於雷射位移傳感器的自動螺紋檢查光學系統(在下文中簡稱為「測量」裝置1)的方案，該裝置具有其自身的由正交軸χ、γ、ζ定義的笛卡爾參照系2。要測量的銷3的螺紋部分在圖的左邊示出。該銷具有其自身的由正交軸X'、Υ'、 V定義的笛卡爾參照系4。在圖1中，銷遠離測量裝置定位在工作檯6上的停放位置。在對本發明的下述說明中，為簡明起見，參考用於油氣管道的銷，然而應理解，本發明也可以應用於任何其它類似的帶有螺紋的物體，如螺釘或類似的物體。當執行該裝置的初始安裝時，銷3安裝在測量裝置1上以執行根據本發明的測量操作，且使用由裝置提供的水平和垂直角位移和橫向位移，使相應的銷和測量裝置1參照系在技術上儘可能地靠近彼此放置(參見圖1)。然而，無論怎樣小心，兩個參照系都不會完全重合，並且管道的參照系2的角位置和橫向位置兩者相對於測量裝置的小幅錯位將仍然存在。甚至，當定位另一銷3時，由於零件之間的放置誤差和幾何差異(諸如鉤頭)，其角位置和橫向位置將不同於先前的銷。由於這些原因，通常情況是在操作條件下銷或更一般地管道的螺紋部分相對於測量設備的錯位在直線位移中為毫米的量級且在角位移中為度的量級。僅通過調節每個銷的位置，就會產生較小的錯位值，然而該情景在實際中是不現實的。本發明可實現下述目標裝置可在初始安裝之後工作而不需要對圖1和Ia中所示旋鈕7的任何橫向或垂直調節。測量裝置1包括安裝在軛構件上的兩個雷射位移傳感器5'和5"，該軛構件有利地由單個鋁構件加工以最小化機械運動。該構件或頭部安裝在能夠圍繞U軸轉動的旋轉級上， 該旋轉級和雷射傳感器5'和5" —起屬於測量裝置的頭部。每個傳感器5'、5"安裝在X 級，該X級能夠通過直線旋轉馬達在徑向(X軸)上移動。這些級平行於Y軸、垂直於X軸的角移動和直線移動允許各級沿著同一直線對準。也可以通過橫向位移和角位移來調節雷射傳感器5'和5"兩者以使雷射發射的中心相對於該裝置的旋轉中心對準。
另外可以給級X裝上馬達以使其能夠用於自動改變產品直徑同時保持傳感器始終在其範圍內。最後，提供(沿著Z軸移動的)直線級，其允許平行於裝置軸Z移動頭部。可沿著Z軸移動的直線級安裝在基座上，該直線級在底部具有硬蓋以允許當第一次設置裝置時可相對於基座進行平滑的位移，參見圖la。例如放置在每個角落的四個旋鈕允許在平面中進行水平的角位移和橫向位移。提供螺釘，或等價的裝置用於固定整個結構以在一旦已實現初始對準時就避免移動。有利地在四條腿中的每個提供楔形墊以調節高度禾口5PHJ夕卜角MiiH (out-of-plane angular alignment) 所有這些調節可能性使得裝置的初始安裝在工廠中容易進行，允許對水平度公差、傳送器對準、及工廠地板水平度缺陷進行小的修正。在下文中描述將該測量裝置用於對帶有螺紋的物體執行測量的方式。在執行初始安裝之後，如上所述，典型的測量操作包括兩個主要步驟數據獲取和數據分析。首先，描述數據獲取過程。在該過程中，以通過使用硬體信號以支持窗口和計數器來確保的同步方式存儲雷射傳感器輸出信號和伺服電機的位置。下面，描述使用的信號。圖2通過流程圖示出一旦已執行初始校準和工廠安裝就控制整個測量過程的數據獲取過程的總體工作方案。首先確認管道與測量裝置對準就位，然後測量裝置沿著管道的螺紋部分執行第一縱向掃描操作以查找管道前端(pipe nose)相對於測量裝置參照系的相對位置。在檢測到管道前端的相對位置之後，在測量期間報告的所有距離都以該點為參照。如果螺紋管道的測量操作僅提供一次掃描操作，則僅收集與屬於由傳感器5'和5"所檢測的路徑的點對應的數據。通常這樣做是因為收集的數據被視為足以滿足用戶需要。如果對帶有螺紋的物體的測量過程提供沿著螺紋部分的表面上的若干條軌跡進行的若干次掃描操作，則還收集沿著這些軌跡預定義的點上的數據。選擇在該處收集數據的測量點，以使描述二次型(describe the quadratic form)的矩陣當對應於這些點的值插入其中時具有最大的秩。在根據本發明的方法的優選實施方案中，以等距的角步長掃描多個(例如六個) 縱向牙型。處理通過這些掃描收集的數據以去除偽峰值並將編碼器計數傳遞給物理單元， 然後用於計算相對於測量裝置參照系的螺紋角錯位的第一估計並通過對六次掃描所對應的六個管道前端位置進行平均來重新分配管道前端位置。這些掃描操作也被用於檢測螺紋的牙頂和牙底的位置，並通過對該信息進行插值來定義螺旋軌跡表，以便允許在螺紋的牙頂或牙底的中心上進行接下來的掃描操作。也對通過這些螺旋掃描操作獲取的數據進行調節並用於相對於螺紋參照系更準確地測量錯位。 在該操作之後，已檢測到螺紋的朝向時，可以在零件參照系(X'，Y'，Z')中構建用於一個或多個密封圈、切入和收尾軌跡的表，將其變換到裝置坐標系並執行。在掃描操作結束之後，測量裝置的頭部回到其停放位置且開始數據分析以便獲取所檢驗的螺紋的所有參數。通過劃分為多個步驟並說明本發明的用於計算螺紋的一系列具體參數的測量方法的各種實施方案，將在下文中詳細描述上文中概述的過程。數據獲取的第一步驟是前端檢測，其包括沿著Z軸在估計管道前端所在的兩個參照距離之間執行線性掃描。應理解，該線性掃描可以是在測量方法中預定義的唯一的掃描操作，或其也可以是多個掃描操作中的第一掃描操作。通過檢測範圍外(Out OF Range,00R)值的出現或未出現，進一步分析由雷射傳感器5提供的信號。OOR值由當沒有物體出現在傳感器的測量範圍中時由傳感器發送的無效點(即，傳感器的物理範圍之外的點)組成。通過定義採樣窗口，例如五十個數據點並確認所有樣本都不是OOR值來處理這些信號。 然後採樣窗口進一步移動一個步長且再次檢查發送的信號的值，直到在處理之後將該窗口中的所有樣本識別為有效數據點。將該框的第一個樣本定義為銷的前端位置。圖3的圖表示出通過在前端檢測期間的掃描產生的結果。該圖表示出雷射傳感器遇到管道前端之前的 OOR值，點20指示相對於Z軸的已檢測管道前端的位置。在已檢測到該點之後，掃描停止， 且隨後的數據獲取過程的步驟開始。對於測量所關注的大部分基於相對距離測量的螺紋參數來說不需要前端位置的精確確定，除了在需要測量管道和密封圈直徑的情況下。這些參數是在相對於管道前端位置的精確距離處測量的，因為如果是在其它地方測量則螺紋錐度會改變這些值。在已確定前端的位置之後，在需要該檢測的那些情況下，通過同時從雷射傳感器 5'和5"兩者獲取輸出，沿著Z軸方向執行若干次縱向掃描操作，例如三次(但更多或更少的次數是可能的)。掃描範圍窗口的限制的定義一般地表示在圖3a中。從其停放位置，測量裝置的頭部在驅動下回到由Wml指示的測量窗口的第一位置，該第一位置對應於處在前端空隙的端部的前端位置。當傳感器放置在位置Wml時，指示朝向安全點ZO的移動，且啟用重置編碼器計數的窗口信號。由雷射傳感器獲取的編碼器計數的數量預設為匹配測量窗口的縱向長度。當達到該預設的數量時，指令測量裝置的頭部停止在由Wm2指示的點。以此方式，在測量窗口片段中獲取來自雷射傳感器5'和5"的測量值以及編碼器計數。接下來在相反的方向上執行縱向掃描。對於在相反方向上的這些移動，也設定對要由雷射傳感器獲取的編碼器計數的類似的限制。在相反方向上朝向停放位置的該移動開始於點Wm2並結束於點Wml，其中在已達到預定的編碼器計數以匹配測量窗口之後，該移動停止。圖6示出典型的縱向掃描，其中獲取由放置在相隔180°角距離的雷射傳感器5' 和5〃兩者生成的信號。在該示例中，三次掃描產生所檢測的螺紋的六個牙型(即兩組三個牙型)，每個牙型對應於雷射傳感器5'和5"中的一個，且有助於給出螺紋錯位的第一估計。在此作為示例，取決於要測量的物體並取決於要取得的參數，掃描的量也可以多於或少於三次。在這些具體情況下，沿著六個母線的螺距和步進高度是要取得的參數。測量方法的另一變體提供數據獲取操作，該數據獲取操作包括通過執行平行於Z 軸的多次縱向掃描對牙頂或牙底上選擇的點進行檢測。從這些掃描中收集的數據也允許在螺紋牙底和牙頂上確定用於定義軌跡的點，沿著該軌跡執行接下來的兩次螺旋掃描操作， 其中一次沿著牙頂進行，另一次沿著牙底進行。由於先前是以此方式生成的，當物體相對於 X'，Y'，Z'坐標系錯位時，該軌跡可避免在掃描操作期間從牙頂落下或爬出牙底。該測量操作的第一步開始於檢測螺紋承載牙側，包括檢測每個縱向牙型的承載牙側。這通過區分整個數據向量並估算覆蓋預設閾值的值來進行。生成向量，該向量中除了那些候選用於指示承載牙側的出現的檢測到的點之外包含全部零值。生成另一個向量，該向量表示在牙之間具有特定檢測寬度和標稱螺距間隔的理論梳(theoretical comb)。對這兩個向量進行互相關以便查找可以使互相關最大化的梳和承載牙側21候選向量之間的相對位置(參見圖幻。該互相關包括執行兩個向量的標量乘法並查找所得的向量之和，同時改變其相對的向量下標。接下來，根據下面的準則對應於作為每個梳牙(comb tooth)的候選找到的點分配承載牙側21 如果出現一個候選牙側(定義為類型0)該牙側是實際承載牙側。如果沒有出現候選牙側(類型1)為了產生螺旋軌跡的目的，牙側僅在螺紋梳間隔中間產生。如果出現一個以上牙側(類型2、在螺紋梳中存在偽牙側，從而將最接近螺紋梳間隔中點者確定為實際承載牙側。餘者排除。如果在間隔中發現範圍外值(類型3):忽略該牙側且為產生螺旋軌跡的目的創建虛擬牙側。圖7示出在可能用於分配承載牙側的三種上述情況中假想的承載牙側候選和梳向量。測量方法的另一變體沿著牙頂和牙側分配點，其中遵循螺紋機械圖定義如圖5所示具有參數Re、Rc2、Rv和Rv2的牙頂和牙側片段。通過考慮到片段應為直線而過濾範OOR和可能的峰值來調節每個片段。然後，計算對應於牙底或牙頂的點以作為片段中點。圖7示出縱向掃描，其中指示出被檢測為牙底和牙頂點的那些點。圖表(a)示出承載牙側的候選，圖表(b)示出理論梳，圖表(c)示出互相關，圖表(d)示出承載牙側的候選。如本圖中所示，通過在前端位置之前以及在螺紋結束(管道的未機械加工部分開始的位置)之後，對螺紋部分中已確定的點進行外插來生成點。這樣做可以在執行螺旋掃描期間平滑地進入和旋出螺紋部分，以獲得螺紋相對於測量裝置參照系的相位，以估計黑頂的位置，計算工具機偏心軸，並測量管道鉤頭。在每次縱向掃描操作中確定的所有牙底點也可以用於擬合表示所分析的螺紋錐體的二次表面，以便收集相對於測量裝置參照系的螺紋角錯位的第一估計。在該計算中優選地不使用牙頂點，這是由於兩個主要原因a)與牙底點相比，這些點的確定更加不精確(即，銷的一部分，在其中更長地執行牙底的確定)；及b)由於在製造過程中產生的「黑螺紋(black threads)」的出現，在螺紋表面錐體上的牙底點的數量多於牙頂點的數量。二次表面的泛矩陣形式在公式[1]中描述。x'.A5c + b.x^\[1]其中Y = [U，z|'是該二次表面在三維空間中的點，A是相關於該二次表面的對稱矩陣(其由九個參數形成，三個用於平移，三個用於方向，三個用於以正則框架表示的二次型)且f是二次位移向量。通過使用最小二乘逼近，將選擇的數據擬合至公式[1]所示的表達式，從而獲得該二次表面的參數(如，符合A和 的參數)。這些數據有助於在測量裝置和螺紋參照系之間符合線性變換及其逆變換。接下來的操作包括沿著螺紋的牙底以及牙頂的螺旋掃描。對在相關於牙底和牙頂中點位置之前每次縱向掃描中獲取的信息進行插值並將其用於構建兩個螺旋掃描表。將所有的牙底中點變換到螺紋坐標系。之後，對從t相對於Z設置得出的數據執行線性擬合 (linear fit)。接下來，生成新的點集合，以便按固定的步長劃分擬合的線。將這些點變換回測量裝置參照系並將其傳遞給控制器以計算伺服電機參照。將相同的過程應用於牙頂中點以生成牙頂掃描表。優選地，從前端開始執行牙底掃描同時在對於Z軸相反的方向上執行牙頂掃描。 圖5示出相對於測量裝置參照系表示的典型的牙底和牙頂掃描。從牙底螺旋掃描獲得的數據被用於計算測量裝置與螺紋的錯位的更好估計，其也用於重新計算在數據分析中應用的參照系之間的變換。圖8示出用於測量裝置參考系的t相對於Z的圖表，獲取數據並將數據用於螺紋參考系的圖表(a)，使用通過螺旋掃描計算的錯位估計進行變換的圖表(b)。圖8的圖表 (a)在左邊示出錯位對獲取過程的影響。在測量方法的具體實施方案中，數據獲取過程提供對螺紋的密封圈的掃描。在該情況下，參考螺紋參照系在距前端預定距離處生成理想的圓形軌跡，且然後將其變換到測量裝置參照系用於執行。圖9示出包含典型的密封圈掃描的結果的兩個圖表，其中圖表(a) 示出在測量裝置參照系中表示的掃描，圖表(b)示出在螺紋參照系中表示的掃描。該掃描軌跡必須從距銷前端預先定義的距離處且與帶有螺紋的物體對準地開始執行，因為前端型面可能較複雜且所測量的半徑可能高度相關於所測量的具體位置。當進行多次掃描(例如六次)時，計算前端位置的良好估計。在該示例中，檢索在六次縱向掃描中的每次檢測到的前端位置。然後將這些數據變換到螺紋參照系並進行平均以得到單個更加準確的前端參照。在測量方法的另一實施方案中，通過螺旋牙底掃描檢索螺紋相對於裝置參照系的相位，且在螺紋參照系中設定縱向軌跡，以使其通過在檢查報告中確定的測量點以測量切入。類似地，設定用於定義的點的軌跡以測量收尾。作為根據本發明的測量方法的最後部分，在數據獲取操作完成之後，對獲取的數據執行數據分析，但將其變換到螺紋參照系。除非不同地指出，在下文中所有數據表示在帶有螺紋的物體參照系中。相對於在螺紋上取得的不同長度參照並參照前端位置表示大部分參數。圖10示出在下文提及的數據分析中使用的三個主要參照。L5是到螺紋開始處的長度；L2是螺紋直徑的參照長度和橢圓度計算；Lc是其中螺紋參數必須滿足公差的最小長度；L4是到牙底和牙頂端部的長度，其小於測量收尾的全長。錐度的確定是數據分析的一個操作。描述錐形螺紋外表面的公式如下t 螺紋=(R0-A · Z 螺紋)[2]其中和Ztsa是在螺紋參照系中的徑向和方位角坐標；RO是原始半徑；A是銷螺紋的錐度。為了計算錐度，使用來自螺紋的牙底掃描的t相對於Z的關係。如圖11所示分析先前在L5和Lc之間獲取的數據，其對應於曲線的片段23。在這些數據23上執行線性擬合以計算斜率，包括錐度和A的值。計算該數據相對於該線性擬合的偏差。這些偏差包含有關機械加工過程的信息，例如由於管道剛度沿著帶有螺紋的物體改變以及管道在車床上過緊而未得到補償的力。可以使用傅立葉模式分析檢索作為螺紋位置的函數的該信息。例如， 大三模式(large three-mode)意味著管道在車床上過緊，而基礎模式的拋物線行為意味著刀具在L。結束之前被取走。考慮通過牙頂掃描收集的數據，分析完整螺紋長度，其對應於圖12中的曲線的片段25。首先使用獲得的經過濾的在L5和！^之間對應於片段M的數據，執行線性擬合。計算該數據相對於線性擬合的偏差。接下來，識別出高於L5且大於0. 1並大於該線性擬合的那些值，其對應於圖12中的曲線的片段沈。用這些值，執行新的線性擬合(使用Z位置和誤差)並計算零橫坐標。如圖12所示，該值定義為完整螺紋長度的上限。可以使用圖12 中示出的管道的未加工部分進行進一步的分析。這些值對應於未加工的管道且可以在機械加工該部分時提供螺紋相對於管道的位置信息。例如，如果車床上有錯位的板，則螺紋將相對於管道偏離軸線，或如果管道具有鉤頭，則管道和螺紋軸線將不平行。可以通過查找管道坐標系和螺紋坐標系之間的變換，容易地計算這些變量。另一數據分析操作涉及螺紋直徑和橢圓度的計算。使用牙底螺旋掃描以兩種方式估算螺紋直徑和橢圓度。分析的數據是包括在對應於L2±2螺距的區域中的那些數據。參見示出螺紋橫向截面圖的圖13(a)，對在該區域中定義的牙底點進行線性擬合，然後估算該擬合的線性函數以得出半徑。或者，用於每次半徑確定的牙底點在母線上等距地分布，有利地以3度的角距離 27分布。參見示出螺紋俯視圖的圖13(b)，考慮到通常為5度但不一定為5度的母線寬度四，在每個母線上對每個牙底的數據進行平均。該實施方式類似於與MRP量計一起使用的銑削過程。參見圖13(b)中的圓觀，對於步長為3°的從0到180度範圍的母線計算定義的點的半徑，並和相對的母線一起用於直徑計算，如示出螺紋正視圖的圖13(c)所示。接下來， 按下述關係計算螺紋直徑和橢圓度直徑=(Dmax+Dmin)/2[3]橢圓度=(Dfflax-Dfflin)/2[4]其中Dmax和Dmin是分別通過該過程計算得出的最大和最小直徑。結果在圖13(d) 中示出。數據分析過程中的另一操作是切入估算，且其可以通過相對於螺紋參照系進行的縱向掃描得出。圖14示出這些掃描中的一次，其詳細示出在其中計算切入的區域。首先，用在L5+螺距和Lc之間的未過濾的牙底數據點執行線性擬合。比較該擬合直線與包含在如圖5所示並稱為L5的由Rv和Rv2定義的片段中的牙底數據。在通過該比較得出的誤差數組上執行線性擬合。然後，將在牙底中點片段值處估算的該擬合與上次擬合之間的差值定義為切入值。接下來，以和對切入執行的操作類似的方式執行收尾分析。又一操作是螺距確定，其中分析通過縱向掃描生成的承載牙側。截斷包含每次縱向掃描的承載牙側值的向量以便保持牙側在L5+螺距和L。之間。 在這些牙側中只接受類型為0的牙側。其餘類型忽略，將其視為不能可靠地作為實際的承載牙側識別。
圖15示出假想的縱向掃描和所識別的承載牙側的位置。曲線C1是其在測量裝置參照系中的表示，其中由於「落下」的螺紋母線，錯位的影響可在牙側位置趨勢的曲度(二次型)中注意到。在隨著Z掃描位置增加，牙側位置之間增加的分離(s印aration)中，也可看到該影響。為了計算螺距，必須將數據變換到螺紋參照系，在該圖中由C2表示。表示在該參照系中的數據具有線性趨勢，其中牙側位置可以不等距但線性擬合的斜率為螺距。由軟體計算和獲得兩種類型的螺距通過檢測到的所有牙側的線性擬合的斜率計算出的第一螺距。通過由兩個牙側形成的直線的斜率計算出的第二螺距，該兩個牙側的分離取決於所分析的螺紋(該測量必須相對於每英寸螺紋數進行)。應理解，獲得的數據給出每次縱向掃描的關於螺距的信息。本發明的測量方法對於測量具有楔形牙型的螺紋特別有利，對於即具有逐漸增加牙寬的牙型，更具體地當楔形牙型在軸向截面中組合為鳩尾榫形狀的牙型時特別有利。在具有鳩尾榫牙型的楔形螺紋情況下，牙頂和牙底的測量提供上述螺旋掃描，其中螺旋軌跡遵循對應於沿著在承載牙側和對扣牙側之間的中間距離設定的中間位置的線， 或平行於所述中間位置的任何其它螺旋軌跡。在現有技術的方法中，楔形螺紋的測量和控制還可以是，從通常稱為螺栓點的參照點取得所有測量值。通過沿著牙底移動螺栓，即具有預定直徑的小滾珠的測量元件，且通過由於牙寬沿著螺紋可變而設定其中螺栓保持卡在牙底中的點來定義球點(ball point)。 螺栓點相對於管道的前部所處的距離和母線決定用於測量楔形螺紋的所有參數的參照點。根據本發明的測量方法，不需要執行設定螺栓點的該操作，因為螺紋參數是從位於管道端部的參照點測量的。該點的確定是基於在測量裝置的空間參照系(X，Y，Z)中檢測所有承載牙側和對扣牙側，然後如上所述使用軸變換矩陣將從一個空間參照系檢索到的所有數據轉換到另一空間參照系，將其表示在銷的空間參照系(X'，Y'，T)中。一旦牙側位置表示在銷的空間參照系(X' ,Y' ,V )中，就在「 平面上執行線性擬合，其中ττ是牙側的軸向位置，to·是牙側母線。分別對螺紋的所有承載牙側和對扣牙側執行該線性擬合。最後，在上文中描述的調節後的兩個線之間執行減法，並得出用於整個螺紋的「牙底寬度」並查找其中螺栓由於楔效應卡在牙底中的「牙底」的值(&_Ur)。本發明的對楔形牙型的測量方法還包括「接口螺紋(Higbee) 」測量。接口螺紋是常規定義為相鄰於在銷的前端形成的斜角切削第一不完整螺紋，其中其與螺紋承載牙側的交叉形成陡峭邊緣。接口螺紋對應於在外徑OD ^ 5英寸的管道端部去除不完整的開始螺紋(多種類型的螺紋，不僅是楔形螺紋)。接口螺紋去除從螺紋高度為0處直到螺紋牙頂開始處，即直到其中螺紋高度達到可接受值之處，且接口螺紋和螺紋牙頂之間的交叉定義出平行於錐體的直線。接口螺紋的弧長約為180°。接口螺紋長度和高度必須滿足製造公差，並取決於連接的OD和類型。接口螺紋高度可以是0，換言之，機械加工刀具可以到達螺紋的牙底。接口螺紋點的檢測這樣進行調整通過對螺紋牙頂執行的螺旋掃描檢索到的數據並將其擬合到直線，然後當擬合的直線與數據之間的誤差大於特定閾值時，從所述直線中消除在接近接口螺紋的區域中的所有點。該點在圖17的圖表中示出。執行上述操作的順序以及操作的數量可以根據需要和要測量的參數改變。測量操作的完整性還在設置之後系統操作開始之前提供對測量裝置的校準。可以進一步分析在縱向掃描中獲得的數據點以獲得步長高度的值。忽略接近邊緣的數據並執行連續的牙頂之間的線性擬合，參見圖16。比較該擬合與牙底的線性擬合，且通過計算與在牙底的中心的直線y2之間的距離來估算其深度。採取yl作為牙頂的中心，執行類似的過程以計算牙頂的高度。通過牙底和牙頂的深度和高度，計算平均值和標準偏差， 識別出不完整的步長並估計螺紋的長度。計算步長高度的又一方式，在該情況下為全局的方式，是從牙頂和牙底螺旋軌跡中減去獲得的線性擬合。這給出內錐體和外錐體之間的差值，其表示步長高度的值。
權利要求
1.一種螺紋參數的測量方法，特別是帶有螺紋的物體(3)的螺紋參數的測量方法，其中提供測量裝置(1)，該測量裝置(1)包括適用於檢索帶有螺紋的物體的形狀的至少一個光學傳感器(5'，5")，測量具有前端並定義包括第一坐標軸(X'，Y'，Z')的第一空間參照系，該測量裝置(1)定義包括第二坐標軸(X，Y，Z)的第二空間參照系，提供計算機裝置，用於存儲預設的算法以計算描述二次型的在第二空間參照系中表示帶有螺紋的物體的第一矩陣，從而提供第一和第二空間參照系之間的關係，所述方法包括下述步驟a)預定義至少一個光學傳感器(5『，5")在帶有螺紋的物體上的至少一個軌跡，沿著所述軌跡選擇預定義的測量點以使就這些值估算的矩陣具有最大的秩；b)由至少一個光學傳感器(5'，5")沿著所述至少一個軌跡執行第一掃描操作並檢索預定義的測量點的數據；c)輸入這些數據到預設的算法中並計算將第一空間參照系與第二空間參照系相關聯的軸變換矩陣，以定義帶有螺紋的物體相對於該第二空間參照系的相對位置；d)使用所述軸變換矩陣將檢索到的所有數據從第二空間參照系轉換到第一空間參照系。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，使用由至少一個光學傳感器(5'，5") 沿著所述至少一個軌跡進行的第一掃描操作來檢索用於測量預定義的螺紋參數的數據。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，提供一個或多個第二掃描操作以檢索用於測量預定義的參數的數據。
4.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述至少一個軌跡包括平行於第二空間參照系的Z軸的縱向掃描。
5.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，沿著螺旋形軌跡執行一個或多個第二掃描操作。
6.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，在第一或第二掃描操作中的任一個期間， 檢索至少一個螺紋牙側的位置。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，通過所述至少一個螺紋牙側的位置，定義沿著螺紋牙頂和/或牙底的中點延伸的螺旋形螺紋導程軌跡。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，沿著所述螺旋形螺紋導程軌跡執行掃描操作，並將檢索到的數據擬合到線性相關。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，獲得所述檢索到的數據和所述線性相關之間的差值並對所述差值執行傅立葉分析。
10.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，在初始部分和最終部分獲得和估算所述檢索到的數據和所述線性相關之間的差值。
11.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，在所述初始部分和最終部分之間的任何中間位置獲得和估算所述檢索到的數據和所述線性相關之間的差值。
12.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，估算帶有螺紋的物體的未加工部分相對於已加工部分的對準以查找相關的過程參數。
13.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，在第一空間參照系中沿著金屬對金屬密封圈直徑定義圓形軌跡，然後將該圓形軌跡變換到第二空間參照系以由測量裝置(1)執行。
14.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，在第一空間參照系中沿著金屬對金屬密封圈直徑定義螺旋形軌跡，然後將該螺旋形軌跡變換到第二空間參照系以由測量裝置(1) 執行。
15.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，在第一空間參照系中沿著切入測量點定義縱向軌跡，然後將該縱向軌跡變換到第二空間參照系以由測量裝置(1)執行。
16.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，在第一空間參照系中沿著收尾測量點定義縱向軌跡，然後將該縱向軌跡變換到第二空間參照系以由測量裝置(1)執行。
17.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，確定與數個牙側交叉的至少一個縱向軌跡，檢索這些牙側的位置並相對於其角位置繪出其縱向位置以得到線性擬合。
18.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，確定與螺紋交叉的至少一個軌跡，檢索交差點的位置，定義牙頂和牙底的位置且使用來自兩個連續的牙頂的數據進行第一線性擬合，使用所述兩個連續的牙頂之間的牙底的數據進行第二線性擬合，且在預定義的點上計算分別由第一和第二線性擬合係數定義的第一直線和第二直線之間的距離。
19.一種用於執行根據權利要求1所述的方法的測量裝置，包括至少一個計算機控制的非接觸式雷射傳感器(5『，5")；計算機控制的精確機械移動系統，在其上安裝所述至少一個傳感器，且其能夠在掃描操作期間根據各種掃描模式引導所述至少一個傳感器(5'，5")；將至少一個傳感器(5'，5")的輸出信號與機械系統的空間位置同步的裝置；計算機，其用於在掃描操作中控制至少一個傳感器(5'，5")，以產生被掃描物體的螺紋形狀的計算機圖像，存儲並分析所述計算機圖像以獲得有關螺紋特徵的定量信息，所述螺紋特徵例如包括錐度、密封圈直徑和橢圓度、切入、收尾、螺紋直徑、沿著管道的多個母線的螺距，及步進高度。
全文摘要
通過測量裝置(1)進行的帶有螺紋的物體(3)的螺紋參數的測量方法，該測量裝置定義空間參照系(X，Y，Z)，並包括檢索帶有螺紋的物體形狀的光學傳感器(5)，並定義空間參照系(X′，Y′，Z′)，測量裝置(1)具有計算機，該計算機組建描述在空間參照系(X，Y，Z)中表示帶有螺紋的物體的二次型的第一矩陣，從而提供兩個空間參照系之間的關係。該方法包括下述步驟a)預定義至少一個光學傳感器(5)在帶有螺紋的物體上的至少一個軌跡，沿著該軌跡選擇測量點以使在這些值上估算出的矩陣滿足其具有最大的秩的條件；b)由至少一個光學傳感器(5)沿著所述至少一個軌跡執行第一掃描操作並檢索預定義的測量點的數據；c)輸入這些數據到第一矩陣中並計算將第一空間參照系與第二空間參照系相關的軸變換矩陣，以定義帶有螺紋的物體相對於第二空間參照系的相對位置；d)使用軸變換矩陣將檢索到的所有數據從第二空間參照系轉換到第一空間參照系。
文檔編號G01B11/24GK102239385SQ200980149000
公開日2011年11月9日 申請日期2009年12月3日 優先權日2008年12月5日
發明者哈維爾·伊格納西奧·埃切韋裡, 塞巴斯蒂安·貝拉, 尼古拉斯·赫爾南·伯納德奧 申請人:特納瑞斯連接有限責任公司