专利名称：螺纹参数的测量方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及螺纹的测量方法，该方法特别适合于在碳氢化合物行业中使用的螺纹管道，并适合于类似的带有螺纹的物体。
背景技术：
在诸如螺钉、螺栓或螺纹管道的螺纹制造过程中，需要确认零件的几何尺寸符合为产品设定的公差。另外，与这些公差的偏差的本质有关的知识可以用于反馈给制造过程， 从而避免在该过程中产生次品。执行测量操作以进行质量控制时的主要问题是测量的精度和可重复性。在过去， 已有人尝试提高测量操作的精度和可重复性并使得测量系统能够测量复杂机械物体，例如在石油行业中使用的螺纹管道的螺纹形状。在该具体技术领域中，需要测量多个参数，例如内外螺纹的锥度、螺距、螺纹高度、内外螺纹直径、管道椭圆度、切入(rim in)和收尾(rim out)。例如，文献US5712706公开了一种由精确机械系统引导的非接触式激光传感器，其扫描螺纹牙型并产生螺纹的一组计算机图像。然后分析该计算机图像以获得有关螺纹特征，诸如螺距、导程、牙底半径、牙侧角、表面粗糙度、螺旋变化，及螺距直径的定量信息。然而，该文献的不足包括未明确解决零件错位这一重要问题，且因此在对准(aligning)要测量的零件与机械系统坐标时要求操作绝对精确。该对准只能在零件处在螺纹机上时实现。 在螺纹机上的测量存在一些缺点；这使得检查和制造过程不能同时运行，从而会增加高成本的时间，并需要将精巧的光学部件和精确机械部件放置在有切削油和强振动的恶劣环境中，且在某种程度上使用必须经确认的相同的机械运动。一旦已将零件从车床上移除，该对准就非常难以手动地实现且因此该文献公开的系统只允许通过比较连续的牙顶和牙底来测量相对的或局部的量值，即螺纹高度，而由零件错位引入的误差未由该技术方案“注意到”且在这些情况下这些误差会导致测量精度不够。该文献也未解决重要的螺纹参数，诸如锥度、切入、收尾、黑顶(black crest)、完整螺纹长度，或特定的处理参数，诸如作为示例列出的锥形牙型、螺距线性、椭圆度的傅立叶模式分解、车床板错位、钩头角刚度(hook end angle severity)的测量。存在以可重复、令人满意并足够精确的方式解决克服测量装置和要测量的螺纹零件之间的错位问题的需要。
发明内容
因此本发明的一个目的是提供克服上述缺点和限制的一种测量方法。本发明的主要目的是提供一种用于对带有螺纹的物体，特别是油管螺纹，特别是内外螺纹(Pins and boxes)准确、自动地执行非接触式检查的方法。参考下述说明，容易理解上述目的和其它目的，这些目的可以根据本发明通过特别是带有螺纹的物体的螺纹参数的测量方法来实现，其中提供测量装置，其包括适用于检索(retrieve)带有螺纹的物体的形状的至少一个光学传感器，该带有螺纹的物体具有前端(nose)并定义包括第一坐标轴的第一空间参照系，该测量装置定义包括第二坐标轴的第二空间参照系，提供计算机装置，用于存储预设的算法以计算描述在第二空间参照系中表示带有螺纹的物体的二次型的第一矩阵，因此提供第一和第二空间参照系之间的关系， 该方法包括步骤a)预定义至少一个光学传感器在带有螺纹的物体上的至少一个轨迹，沿着该轨迹选择测量点以使在这些值上估算的矩阵具有最大的秩(rank)；b)由至少一个光学传感器沿着所述至少一个轨迹执行第一扫描操作并检索预定义的测量点的数据；c)输入这些数据到预设的算法中并计算将第一空间参照系与第二空间参照系相关的轴变换矩阵，以定义带有螺纹的物体相对于第二空间参照系的相对位置；d)使用轴变换矩阵将检索到的所有数据从第二空间参照系转换到第一空间参照系。在本文中，轨迹指传感器在空间中所检测到的路径，其描述相对于传感器的表面位置的值的序列。根据本发明的方法具有多种优点允许获取有关螺纹特征的定量信息，例如锥度、密封圈直径和椭圆度、切入、收尾、 螺纹直径和椭圆度、沿着管道的多个母线(generatrice)的螺距，及步进高度；允许对多个螺纹参数和管道特征执行绝对测量，而不管螺纹管道和测量装置之间的任何错位；借助于使用非接触式传感器，如激光传感器或其它光学传感器，避免要测量的物体与测量装置之间的有害接触；通过执行一系列扫描和拟合步骤在空间中精确地定位要测量的物体，而不管其相对于测量装置的位置和对准。为了执行本发明的方法，本发明根据第二方面，提供一种测量装置，包括用于执行权利要求1所述方法的测量装置，包括至少一个计算机控制的非接触式激光传感器，其安装在精确机械移动系统中；计算机控制的精确机械移动系统，其能够在操作期间根据各种扫描模式引导所述至少一个传感器；用于同步至少一个传感器的输出信号与机械系统的空间位置的装置，计算机，其在各种扫描操作中控制至少一个传感器以产生被扫描物体的螺纹形状的计算机图像，存储并分析这些计算机图像以获得有关螺纹特征的定量信息，该螺纹特征例如包括锥度、密封圈直径和椭圆度、切入、收尾、螺纹直径和椭圆度、沿着多个管道母线的螺距，及步进高度。
现结合附图根据作为非限制性示例给出的优选实施方案描述本发明，在附图中图1示出用于执行根据本发明的方法的测量装置的示意性轴测图；图Ia示出根据本发明的测量装置的立体图；图2是示出本发明的测量方法的方案的流程图；图3是示出数据获取过程中的步骤的结果的图表；
图3a示出在其上执行本发明的测量方法的带有螺纹的物体的细节；图4是示出数据检测过程中的又一步骤的图表；图5是示出在其中进行测量的螺纹纵向截面的方案的示意图；图6是示出数据获取过程中的其它步骤的结果的图表；图7是示出承载牙侧(load flank)的假想分配的图表；图8是示出螺旋扫描的结果的图表；图9是示出密封圈扫描的结果的图表；图10示出在其上使用本发明的方法的螺纹的方案的示意图；图11是示出牙底扫描的结果的图表；图12是示出牙顶扫描的结果的图表；图13示出在其上使用本发明的方法的螺纹的方案的示意图；图14是示出螺纹切入扫描的结果的图表；图15是示出由本发明的测量方法提供的结果的图表；图16是示出对使用牙顶和牙底的线性拟合的螺纹进行的步进高度计算的示意图；图17是示出另一螺纹扫描的结果的图表。
具体实施例方式具体参考图1和la，示出基于激光位移传感器的自动螺纹检查光学系统(在下文中简称为“测量”装置1)的方案，该装置具有其自身的由正交轴χ、γ、ζ定义的笛卡尔参照系2。要测量的销3的螺纹部分在图的左边示出。该销具有其自身的由正交轴X'、Υ'、 V定义的笛卡尔参照系4。在图1中，销远离测量装置定位在工作台6上的停放位置。在对本发明的下述说明中，为简明起见，参考用于油气管道的销，然而应理解，本发明也可以应用于任何其它类似的带有螺纹的物体，如螺钉或类似的物体。当执行该装置的初始安装时，销3安装在测量装置1上以执行根据本发明的测量操作，且使用由装置提供的水平和垂直角位移和横向位移，使相应的销和测量装置1参照系在技术上尽可能地靠近彼此放置(参见图1)。然而，无论怎样小心，两个参照系都不会完全重合，并且管道的参照系2的角位置和横向位置两者相对于测量装置的小幅错位将仍然存在。甚至，当定位另一销3时，由于零件之间的放置误差和几何差异(诸如钩头)，其角位置和横向位置将不同于先前的销。由于这些原因，通常情况是在操作条件下销或更一般地管道的螺纹部分相对于测量设备的错位在直线位移中为毫米的量级且在角位移中为度的量级。仅通过调节每个销的位置，就会产生较小的错位值，然而该情景在实际中是不现实的。本发明可实现下述目标装置可在初始安装之后工作而不需要对图1和Ia中所示旋钮7的任何横向或垂直调节。测量装置1包括安装在轭构件上的两个激光位移传感器5'和5"，该轭构件有利地由单个铝构件加工以最小化机械运动。该构件或头部安装在能够围绕U轴转动的旋转级上， 该旋转级和激光传感器5'和5" —起属于测量装置的头部。每个传感器5'、5"安装在X 级，该X级能够通过直线旋转马达在径向(X轴)上移动。这些级平行于Y轴、垂直于X轴的角移动和直线移动允许各级沿着同一直线对准。也可以通过横向位移和角位移来调节激光传感器5'和5"两者以使激光发射的中心相对于该装置的旋转中心对准。
另外可以给级X装上马达以使其能够用于自动改变产品直径同时保持传感器始终在其范围内。最后，提供(沿着Z轴移动的)直线级，其允许平行于装置轴Z移动头部。可沿着Z轴移动的直线级安装在基座上，该直线级在底部具有硬盖以允许当第一次设置装置时可相对于基座进行平滑的位移，参见图la。例如放置在每个角落的四个旋钮允许在平面中进行水平的角位移和横向位移。提供螺钉，或等价的装置用于固定整个结构以在一旦已实现初始对准时就避免移动。有利地在四条腿中的每个提供楔形垫以调节高度禾口5PHJ夕卜角MiiH (out-of-plane angular alignment) 所有这些调节可能性使得装置的初始安装在工厂中容易进行，允许对水平度公差、传送器对准、及工厂地板水平度缺陷进行小的修正。在下文中描述将该测量装置用于对带有螺纹的物体执行测量的方式。在执行初始安装之后，如上所述，典型的测量操作包括两个主要步骤数据获取和数据分析。首先，描述数据获取过程。在该过程中，以通过使用硬件信号以支持窗口和计数器来确保的同步方式存储激光传感器输出信号和伺服电机的位置。下面，描述使用的信号。图2通过流程图示出一旦已执行初始校准和工厂安装就控制整个测量过程的数据获取过程的总体工作方案。首先确认管道与测量装置对准就位，然后测量装置沿着管道的螺纹部分执行第一纵向扫描操作以查找管道前端(pipe nose)相对于测量装置参照系的相对位置。在检测到管道前端的相对位置之后，在测量期间报告的所有距离都以该点为参照。如果螺纹管道的测量操作仅提供一次扫描操作，则仅收集与属于由传感器5'和5"所检测的路径的点对应的数据。通常这样做是因为收集的数据被视为足以满足用户需要。如果对带有螺纹的物体的测量过程提供沿着螺纹部分的表面上的若干条轨迹进行的若干次扫描操作，则还收集沿着这些轨迹预定义的点上的数据。选择在该处收集数据的测量点，以使描述二次型(describe the quadratic form)的矩阵当对应于这些点的值插入其中时具有最大的秩。在根据本发明的方法的优选实施方案中，以等距的角步长扫描多个(例如六个) 纵向牙型。处理通过这些扫描收集的数据以去除伪峰值并将编码器计数传递给物理单元， 然后用于计算相对于测量装置参照系的螺纹角错位的第一估计并通过对六次扫描所对应的六个管道前端位置进行平均来重新分配管道前端位置。这些扫描操作也被用于检测螺纹的牙顶和牙底的位置，并通过对该信息进行插值来定义螺旋轨迹表，以便允许在螺纹的牙顶或牙底的中心上进行接下来的扫描操作。也对通过这些螺旋扫描操作获取的数据进行调节并用于相对于螺纹参照系更准确地测量错位。 在该操作之后，已检测到螺纹的朝向时，可以在零件参照系(X'，Y'，Z')中构建用于一个或多个密封圈、切入和收尾轨迹的表，将其变换到装置坐标系并执行。在扫描操作结束之后，测量装置的头部回到其停放位置且开始数据分析以便获取所检验的螺纹的所有参数。通过划分为多个步骤并说明本发明的用于计算螺纹的一系列具体参数的测量方法的各种实施方案，将在下文中详细描述上文中概述的过程。数据获取的第一步骤是前端检测，其包括沿着Z轴在估计管道前端所在的两个参照距离之间执行线性扫描。应理解，该线性扫描可以是在测量方法中预定义的唯一的扫描操作，或其也可以是多个扫描操作中的第一扫描操作。通过检测范围外(Out OF Range,00R)值的出现或未出现，进一步分析由激光传感器5提供的信号。OOR值由当没有物体出现在传感器的测量范围中时由传感器发送的无效点(即，传感器的物理范围之外的点)组成。通过定义采样窗口，例如五十个数据点并确认所有样本都不是OOR值来处理这些信号。 然后采样窗口进一步移动一个步长且再次检查发送的信号的值，直到在处理之后将该窗口中的所有样本识别为有效数据点。将该框的第一个样本定义为销的前端位置。图3的图表示出通过在前端检测期间的扫描产生的结果。该图表示出激光传感器遇到管道前端之前的 OOR值，点20指示相对于Z轴的已检测管道前端的位置。在已检测到该点之后，扫描停止， 且随后的数据获取过程的步骤开始。对于测量所关注的大部分基于相对距离测量的螺纹参数来说不需要前端位置的精确确定，除了在需要测量管道和密封圈直径的情况下。这些参数是在相对于管道前端位置的精确距离处测量的，因为如果是在其它地方测量则螺纹锥度会改变这些值。在已确定前端的位置之后，在需要该检测的那些情况下，通过同时从激光传感器 5'和5"两者获取输出，沿着Z轴方向执行若干次纵向扫描操作，例如三次(但更多或更少的次数是可能的)。扫描范围窗口的限制的定义一般地表示在图3a中。从其停放位置，测量装置的头部在驱动下回到由Wml指示的测量窗口的第一位置，该第一位置对应于处在前端空隙的端部的前端位置。当传感器放置在位置Wml时，指示朝向安全点ZO的移动，且启用重置编码器计数的窗口信号。由激光传感器获取的编码器计数的数量预设为匹配测量窗口的纵向长度。当达到该预设的数量时，指令测量装置的头部停止在由Wm2指示的点。以此方式，在测量窗口片段中获取来自激光传感器5'和5"的测量值以及编码器计数。接下来在相反的方向上执行纵向扫描。对于在相反方向上的这些移动，也设定对要由激光传感器获取的编码器计数的类似的限制。在相反方向上朝向停放位置的该移动开始于点Wm2并结束于点Wml，其中在已达到预定的编码器计数以匹配测量窗口之后，该移动停止。图6示出典型的纵向扫描，其中获取由放置在相隔180°角距离的激光传感器5' 和5〃两者生成的信号。在该示例中，三次扫描产生所检测的螺纹的六个牙型(即两组三个牙型)，每个牙型对应于激光传感器5'和5"中的一个，且有助于给出螺纹错位的第一估计。在此作为示例，取决于要测量的物体并取决于要取得的参数，扫描的量也可以多于或少于三次。在这些具体情况下，沿着六个母线的螺距和步进高度是要取得的参数。测量方法的另一变体提供数据获取操作，该数据获取操作包括通过执行平行于Z 轴的多次纵向扫描对牙顶或牙底上选择的点进行检测。从这些扫描中收集的数据也允许在螺纹牙底和牙顶上确定用于定义轨迹的点，沿着该轨迹执行接下来的两次螺旋扫描操作， 其中一次沿着牙顶进行，另一次沿着牙底进行。由于先前是以此方式生成的，当物体相对于 X'，Y'，Z'坐标系错位时，该轨�？杀苊庠谏璨僮髌诩浯友蓝ヂ湎禄蚺莱鲅赖住８貌饬坎僮鞯牡谝徊娇加诩觳饴菸瞥性匮啦啵觳饷扛鲎菹蜓佬偷某性匮啦�。这通过区分整个数据向量并估算覆盖预设阈值的值来进行。生成向量，该向量中除了那些候选用于指示承载牙侧的出现的检测到的点之外包含全部零值。生成另一个向量，该向量表示在牙之间具有特定检测宽度和标称螺距间隔的理论梳(theoretical comb)。对这两个向量进行互相关以便查找可以使互相关最大化的梳和承载牙侧21候选向量之间的相对位置(参见图幻。该互相关包括执行两个向量的标量乘法并查找所得的向量之和，同时改变其相对的向量下标。接下来，根据下面的准则对应于作为每个梳牙(comb tooth)的候选找到的点分配承载牙侧21 如果出现一个候选牙侧(定义为类型0)该牙侧是实际承载牙侧。如果没有出现候选牙侧(类型1)为了产生螺旋轨迹的目的，牙侧仅在螺纹梳间隔中间产生。如果出现一个以上牙侧(类型2、在螺纹梳中存在伪牙侧，从而将最接近螺纹梳间隔中点者确定为实际承载牙侧。余者排除。如果在间隔中发现范围外值(类型3):忽略该牙侧且为产生螺旋轨迹的目的创建虚拟牙侧。图7示出在可能用于分配承载牙侧的三种上述情况中假想的承载牙侧候选和梳向量。测量方法的另一变体沿着牙顶和牙侧分配点，其中遵循螺纹机械图定义如图5所示具有参数Re、Rc2、Rv和Rv2的牙顶和牙侧片段。通过考虑到片段应为直线而过滤范OOR和可能的峰值来调节每个片段。然后，计算对应于牙底或牙顶的点以作为片段中点。图7示出纵向扫描，其中指示出被检测为牙底和牙顶点的那些点。图表(a)示出承载牙侧的候�。急�(b)示出理论梳，图表(c)示出互相关，图表(d)示出承载牙侧的候选。如本图中所示，通过在前端位置之前以及在螺纹结束(管道的未机械加工部分开始的位置)之后，对螺纹部分中已确定的点进行外插来生成点。这样做可以在执行螺旋扫描期间平滑地进入和旋出螺纹部分，以获得螺纹相对于测量装置参照系的相位，以估计黑顶的位置，计算机床偏心轴，并测量管道钩头。在每次纵向扫描操作中确定的所有牙底点也可以用于拟合表示所分析的螺纹锥体的二次表面，以便收集相对于测量装置参照系的螺纹角错位的第一估计。在该计算中优选地不使用牙顶点，这是由于两个主要原因a)与牙底点相比，这些点的确定更加不精确(即，销的一部分，在其中更长地执行牙底的确定)；及b)由于在制造过程中产生的“黑螺纹(black threads)”的出现，在螺纹表面锥体上的牙底点的数量多于牙顶点的数量。二次表面的泛矩阵形式在公式[1]中描述。x'.A5c + b.x^\[1]其中Y = [U，z|'是该二次表面在三维空间中的点，A是相关于该二次表面的对称矩阵(其由九个参数形成，三个用于平移，三个用于方向，三个用于以正则框架表示的二次型)且f是二次位移向量。通过使用最小二乘逼近，将选择的数据拟合至公式[1]所示的表达式，从而获得该二次表面的参数(如，符合A和 的参数)。这些数据有助于在测量装置和螺纹参照系之间符合线性变换及其逆变换。接下来的操作包括沿着螺纹的牙底以及牙顶的螺旋扫描。对在相关于牙底和牙顶中点位置之前每次纵向扫描中获取的信息进行插值并将其用于构建两个螺旋扫描表。将所有的牙底中点变换到螺纹坐标系。之后，对从t相对于Z设置得出的数据执行线性拟合 (linear fit)。接下来，生成新的点集合，以便按固定的步长划分拟合的线。将这些点变换回测量装置参照系并将其传递给控制器以计算伺服电机参照。将相同的过程应用于牙顶中点以生成牙顶扫描表。优选地，从前端开始执行牙底扫描同时在对于Z轴相反的方向上执行牙顶扫描。 图5示出相对于测量装置参照系表示的典型的牙底和牙顶扫描。从牙底螺旋扫描获得的数据被用于计算测量装置与螺纹的错位的更好估计，其也用于重新计算在数据分析中应用的参照系之间的变换。图8示出用于测量装置参考系的t相对于Z的图表，获取数据并将数据用于螺纹参考系的图表(a)，使用通过螺旋扫描计算的错位估计进行变换的图表(b)。图8的图表 (a)在左边示出错位对获取过程的影响。在测量方法的具体实施方案中，数据获取过程提供对螺纹的密封圈的扫描。在该情况下，参考螺纹参照系在距前端预定距离处生成理想的圆形轨迹，且然后将其变换到测量装置参照系用于执行。图9示出包含典型的密封圈扫描的结果的两个图表，其中图表(a) 示出在测量装置参照系中表示的扫描，图表(b)示出在螺纹参照系中表示的扫描。该扫描轨迹必须从距销前端预先定义的距离处且与带有螺纹的物体对准地开始执行，因为前端型面可能较复杂且所测量的半径可能高度相关于所测量的具体位置。当进行多次扫描(例如六次)时，计算前端位置的良好估计。在该示例中，检索在六次纵向扫描中的每次检测到的前端位置。然后将这些数据变换到螺纹参照系并进行平均以得到单个更加准确的前端参照。在测量方法的另一实施方案中，通过螺旋牙底扫描检索螺纹相对于装置参照系的相位，且在螺纹参照系中设定纵向轨迹，以使其通过在检查报告中确定的测量点以测量切入。类似地，设定用于定义的点的轨迹以测量收尾。作为根据本发明的测量方法的最后部分，在数据获取操作完成之后，对获取的数据执行数据分析，但将其变换到螺纹参照系。除非不同地指出，在下文中所有数据表示在带有螺纹的物体参照系中。相对于在螺纹上取得的不同长度参照并参照前端位置表示大部分参数。图10示出在下文提及的数据分析中使用的三个主要参照。L5是到螺纹开始处的长度；L2是螺纹直径的参照长度和椭圆度计算；Lc是其中螺纹参数必须满足公差的最小长度；L4是到牙底和牙顶端部的长度，其小于测量收尾的全长。锥度的确定是数据分析的一个操作。描述锥形螺纹外表面的公式如下t 螺纹=(R0-A · Z 螺纹)[2]其中和Ztsa是在螺纹参照系中的径向和方位角坐标；RO是原始半径；A是销螺纹的锥度。为了计算锥度，使用来自螺纹的牙底扫描的t相对于Z的关系。如图11所示分析先前在L5和Lc之间获取的数据，其对应于曲线的片段23。在这些数据23上执行线性拟合以计算斜率，包括锥度和A的值。计算该数据相对于该线性拟合的偏差。这些偏差包含有关机械加工过程的信息，例如由于管道刚度沿着带有螺纹的物体改变以及管道在车床上过紧而未得到补偿的力。可以使用傅立叶模式分析检索作为螺纹位置的函数的该信息。例如， 大三模式(large three-mode)意味着管道在车床上过紧，而基础模式的抛物线行为意味着刀具在L。结束之前被取走。考虑通过牙顶扫描收集的数据，分析完整螺纹长度，其对应于图12中的曲线的片段25。首先使用获得的经过滤的在L5和！^之间对应于片段M的数据，执行线性拟合。计算该数据相对于线性拟合的偏差。接下来，识别出高于L5且大于0. 1并大于该线性拟合的那些值，其对应于图12中的曲线的片段沈。用这些值，执行新的线性拟合(使用Z位置和误差)并计算零横坐标。如图12所示，该值定义为完整螺纹长度的上限。可以使用图12 中示出的管道的未加工部分进行进一步的分析。这些值对应于未加工的管道且可以在机械加工该部分时提供螺纹相对于管道的位置信息。例如，如果车床上有错位的板，则螺纹将相对于管道偏离轴线，或如果管道具有钩头，则管道和螺纹轴线将不平行。可以通过查找管道坐标系和螺纹坐标系之间的变换，容易地计算这些变量。另一数据分析操作涉及螺纹直径和椭圆度的计算。使用牙底螺旋扫描以两种方式估算螺纹直径和椭圆度。分析的数据是包括在对应于L2±2螺距的区域中的那些数据。参见示出螺纹横向截面图的图13(a)，对在该区域中定义的牙底点进行线性拟合，然后估算该拟合的线性函数以得出半径。或者，用于每次半径确定的牙底点在母线上等距地分布，有利地以3度的角距离 27分布。参见示出螺纹俯视图的图13(b)，考虑到通常为5度但不一定为5度的母线宽度四，在每个母线上对每个牙底的数据进行平均。该实施方式类似于与MRP量计一起使用的铣削过程。参见图13(b)中的圆观，对于步长为3°的从0到180度范围的母线计算定义的点的半径，并和相对的母线一起用于直径计算，如示出螺纹正视图的图13(c)所示。接下来， 按下述关系计算螺纹直径和椭圆度直径=(Dmax+Dmin)/2[3]椭圆度=(Dfflax-Dfflin)/2[4]其中Dmax和Dmin是分别通过该过程计算得出的最大和最小直径。结果在图13(d) 中示出。数据分析过程中的另一操作是切入估算，且其可以通过相对于螺纹参照系进行的纵向扫描得出。图14示出这些扫描中的一次，其详细示出在其中计算切入的区域。首先，用在L5+螺距和Lc之间的未过滤的牙底数据点执行线性拟合。比较该拟合直线与包含在如图5所示并称为L5的由Rv和Rv2定义的片段中的牙底数据。在通过该比较得出的误差数组上执行线性拟合。然后，将在牙底中点片段值处估算的该拟合与上次拟合之间的差值定义为切入值。接下来，以和对切入执行的操作类似的方式执行收尾分析。又一操作是螺距确定，其中分析通过纵向扫描生成的承载牙侧。截断包含每次纵向扫描的承载牙侧值的向量以便保持牙侧在L5+螺距和L。之间。 在这些牙侧中只接受类型为0的牙侧。其余类型忽略，将其视为不能可靠地作为实际的承载牙侧识别。
图15示出假想的纵向扫描和所识别的承载牙侧的位置。曲线C1是其在测量装置参照系中的表示，其中由于“落下”的螺纹母线，错位的影响可在牙侧位置趋势的曲度(二次型)中注意到。在随着Z扫描位置增加，牙侧位置之间增加的分离(s印aration)中，也可看到该影响。为了计算螺距，必须将数据变换到螺纹参照系，在该图中由C2表示。表示在该参照系中的数据具有线性趋势，其中牙侧位置可以不等距但线性拟合的斜率为螺距。由软件计算和获得两种类型的螺距通过检测到的所有牙侧的线性拟合的斜率计算出的第一螺距。通过由两个牙侧形成的直线的斜率计算出的第二螺距，该两个牙侧的分离取决于所分析的螺纹(该测量必须相对于每英寸螺纹数进行)。应理解，获得的数据给出每次纵向扫描的关于螺距的信息。本发明的测量方法对于测量具有楔形牙型的螺纹特别有利，对于即具有逐渐增加牙宽的牙型，更具体地当楔形牙型在轴向截面中组合为鸠尾榫形状的牙型时特别有利。在具有鸠尾榫牙型的楔形螺纹情况下，牙顶和牙底的测量提供上述螺旋扫描，其中螺旋轨迹遵循对应于沿着在承载牙侧和对扣牙侧之间的中间距离设定的中间位置的线， 或平行于所述中间位置的任何其它螺旋轨迹。在现有技术的方法中，楔形螺纹的测量和控制还可以是，从通常称为螺栓点的参照点取得所有测量值。通过沿着牙底移动螺栓，即具有预定直径的小滚珠的测量元件，且通过由于牙宽沿着螺纹可变而设定其中螺栓保持卡在牙底中的点来定义球点(ball point)。 螺栓点相对于管道的前部所处的距离和母线决定用于测量楔形螺纹的所有参数的参照点。根据本发明的测量方法，不需要执行设定螺栓点的该操作，因为螺纹参数是从位于管道端部的参照点测量的。该点的确定是基于在测量装置的空间参照系(X，Y，Z)中检测所有承载牙侧和对扣牙侧，然后如上所述使用轴变换矩阵将从一个空间参照系检索到的所有数据转换到另一空间参照系，将其表示在销的空间参照系(X'，Y'，T)中。一旦牙侧位置表示在销的空间参照系(X' ,Y' ,V )中，就在“ 平面上执行线性拟合，其中ττ是牙侧的轴向位置，to·是牙侧母线。分别对螺纹的所有承载牙侧和对扣牙侧执行该线性拟合。最后，在上文中描述的调节后的两个线之间执行减法，并得出用于整个螺纹的“牙底宽度”并查找其中螺栓由于楔效应卡在牙底中的“牙底”的值(&_Ur)。本发明的对楔形牙型的测量方法还包括“接口螺纹(Higbee) ”测量。接口螺纹是常规定义为相邻于在销的前端形成的斜角切削第一不完整螺纹，其中其与螺纹承载牙侧的交叉形成陡峭边缘。接口螺纹对应于在外径OD ^ 5英寸的管道端部去除不完整的开始螺纹(多种类型的螺纹，不仅是楔形螺纹)。接口螺纹去除从螺纹高度为0处直到螺纹牙顶开始处，即直到其中螺纹高度达到可接受值之处，且接口螺纹和螺纹牙顶之间的交叉定义出平行于锥体的直线。接口螺纹的弧长约为180°。接口螺纹长度和高度必须满足制造公差，并取决于连接的OD和类型。接口螺纹高度可以是0，换言之，机械加工刀具可以到达螺纹的牙底。接口螺纹点的检测这样进行调整通过对螺纹牙顶执行的螺旋扫描检索到的数据并将其拟合到直线，然后当拟合的直线与数据之间的误差大于特定阈值时，从所述直线中消除在接近接口螺纹的区域中的所有点。该点在图17的图表中示出。执行上述操作的顺序以及操作的数量可以根据需要和要测量的参数改变。测量操作的完整性还在设置之后系统操作开始之前提供对测量装置的校准。可以进一步分析在纵向扫描中获得的数据点以获得步长高度的值。忽略接近边缘的数据并执行连续的牙顶之间的线性拟合，参见图16。比较该拟合与牙底的线性拟合，且通过计算与在牙底的中心的直线y2之间的距离来估算其深度。采取yl作为牙顶的中心，执行类似的过程以计算牙顶的高度。通过牙底和牙顶的深度和高度，计算平均值和标准偏差， 识别出不完整的步长并估计螺纹的长度。计算步长高度的又一方式，在该情况下为全局的方式，是从牙顶和牙底螺旋轨迹中减去获得的线性拟合。这给出内锥体和外锥体之间的差值，其表示步长高度的值。
权利要求
1.一种螺纹参数的测量方法，特别是带有螺纹的物体(3)的螺纹参数的测量方法，其中提供测量装置(1)，该测量装置(1)包括适用于检索带有螺纹的物体的形状的至少一个光学传感器(5'，5")，测量具有前端并定义包括第一坐标轴(X'，Y'，Z')的第一空间参照系，该测量装置(1)定义包括第二坐标轴(X，Y，Z)的第二空间参照系，提供计算机装置，用于存储预设的算法以计算描述二次型的在第二空间参照系中表示带有螺纹的物体的第一矩阵，从而提供第一和第二空间参照系之间的关系，所述方法包括下述步骤a)预定义至少一个光学传感器(5‘，5")在带有螺纹的物体上的至少一个轨迹，沿着所述轨迹选择预定义的测量点以使就这些值估算的矩阵具有最大的秩；b)由至少一个光学传感器(5'，5")沿着所述至少一个轨迹执行第一扫描操作并检索预定义的测量点的数据；c)输入这些数据到预设的算法中并计算将第一空间参照系与第二空间参照系相关联的轴变换矩阵，以定义带有螺纹的物体相对于该第二空间参照系的相对位置；d)使用所述轴变换矩阵将检索到的所有数据从第二空间参照系转换到第一空间参照系。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用由至少一个光学传感器(5'，5") 沿着所述至少一个轨迹进行的第一扫描操作来检索用于测量预定义的螺纹参数的数据。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供一个或多个第二扫描操作以检索用于测量预定义的参数的数据。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少一个轨迹包括平行于第二空间参照系的Z轴的纵向扫描。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，沿着螺旋形轨迹执行一个或多个第二扫描操作。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在第一或第二扫描操作中的任一个期间， 检索至少一个螺纹牙侧的位置。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过所述至少一个螺纹牙侧的位置，定义沿着螺纹牙顶和/或牙底的中点延伸的螺旋形螺纹导程轨迹。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，沿着所述螺旋形螺纹导程轨迹执行扫描操作，并将检索到的数据拟合到线性相关。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，获得所述检索到的数据和所述线性相关之间的差值并对所述差值执行傅立叶分析。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在初始部分和最终部分获得和估算所述检索到的数据和所述线性相关之间的差值。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述初始部分和最终部分之间的任何中间位置获得和估算所述检索到的数据和所述线性相关之间的差值。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，估算带有螺纹的物体的未加工部分相对于已加工部分的对准以查找相关的过程参数。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第一空间参照系中沿着金属对金属密封圈直径定义圆形轨迹，然后将该圆形轨迹变换到第二空间参照系以由测量装置(1)执行。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第一空间参照系中沿着金属对金属密封圈直径定义螺旋形轨迹，然后将该螺旋形轨迹变换到第二空间参照系以由测量装置(1) 执行。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第一空间参照系中沿着切入测量点定义纵向轨迹，然后将该纵向轨迹变换到第二空间参照系以由测量装置(1)执行。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第一空间参照系中沿着收尾测量点定义纵向轨迹，然后将该纵向轨迹变换到第二空间参照系以由测量装置(1)执行。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定与数个牙侧交叉的至少一个纵向轨迹，检索这些牙侧的位置并相对于其角位置绘出其纵向位置以得到线性拟合。
18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定与螺纹交叉的至少一个轨迹，检索交差点的位置，定义牙顶和牙底的位置且使用来自两个连续的牙顶的数据进行第一线性拟合，使用所述两个连续的牙顶之间的牙底的数据进行第二线性拟合，且在预定义的点上计算分别由第一和第二线性拟合系数定义的第一直线和第二直线之间的距离。
19.一种用于执行根据权利要求1所述的方法的测量装置，包括至少一个计算机控制的非接触式激光传感器(5‘，5")；计算机控制的精确机械移动系统，在其上安装所述至少一个传感器，且其能够在扫描操作期间根据各种扫描模式引导所述至少一个传感器(5'，5")；将至少一个传感器(5'，5")的输出信号与机械系统的空间位置同步的装置；计算机，其用于在扫描操作中控制至少一个传感器(5'，5")，以产生被扫描物体的螺纹形状的计算机图像，存储并分析所述计算机图像以获得有关螺纹特征的定量信息，所述螺纹特征例如包括锥度、密封圈直径和椭圆度、切入、收尾、螺纹直径、沿着管道的多个母线的螺距，及步进高度。
全文摘要
通过测量装置(1)进行的带有螺纹的物体(3)的螺纹参数的测量方法，该测量装置定义空间参照系(X，Y，Z)，并包括检索带有螺纹的物体形状的光学传感器(5)，并定义空间参照系(X′，Y′，Z′)，测量装置(1)具有计算机，该计算机组建描述在空间参照系(X，Y，Z)中表示带有螺纹的物体的二次型的第一矩阵，从而提供两个空间参照系之间的关系。该方法包括下述步骤a)预定义至少一个光学传感器(5)在带有螺纹的物体上的至少一个轨迹，沿着该轨迹选择测量点以使在这些值上估算出的矩阵满足其具有最大的秩的条件；b)由至少一个光学传感器(5)沿着所述至少一个轨迹执行第一扫描操作并检索预定义的测量点的数据；c)输入这些数据到第一矩阵中并计算将第一空间参照系与第二空间参照系相关的轴变换矩阵，以定义带有螺纹的物体相对于第二空间参照系的相对位置；d)使用轴变换矩阵将检索到的所有数据从第二空间参照系转换到第一空间参照系。
文档编号G01B11/24GK102239385SQ200980149000
公开日2011年11月9日 申请日期2009年12月3日 优先权日2008年12月5日
发明者哈维尔·伊格纳西奥·埃切韦里, 塞巴斯蒂安·贝拉, 尼古拉斯·赫尔南·伯纳德奥 申请人:特纳瑞斯连接有限责任公司
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