一种螺纹量规的数字化计量方法

1.本发明涉及计量检定领域，具体为一种螺纹量规的数字化计量方法。


背景技术：

2.螺纹量规是对内外螺纹制作进行综合测量的一种专业器具，保证螺纹参数与设计精度相符，对螺纹的可靠性与安全性具有重大影响作用。
3.我国是螺纹生产与使用大国，螺纹制品是最为常见的机械工具之一，螺纹量规在检验螺纹是否符合规定方面广泛应用，保证螺纹的合格与可替换性。现阶段普遍使用的计量方法是实物计量，随着数字时代的到来，数字化计量成为计量行业的必然趋势。根据目前螺纹量规的传递流程以及量规本身的特点，发现传统的实物计量模式的问题愈发突出，主要表现在：由于螺纹量规型号种类繁多，结构复杂，标准量具加工成本高；在逐级检定时，传递路线长，累积误差大，往返运输过程中也可能丧失部分精度，追溯检查误差来源也存在困难；长期协调比对易造成磨损，精度保持困难；对于通用的标准器建立了相应的量传和溯源体系，但是对于大量的专用标准器，缺乏有效的量传体系，而要建立全面的量传体系，工作量巨大费时费力。
4.现有螺纹量规传统的量值传递方式不适于日新月异的工业生产发展，所以急需研究适合的数字化计量方法来满足螺纹量规计量工作的需要，以适于各领域的计量保障。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供了一种螺纹量规数字化计量方法，为实物计量向数字化计量发展提供了新方向，有效解决了在传统螺纹量规量值溯源过程中，由于型号种类繁多，检定过程繁琐，耗费大量人力物力财力等问题，使得螺纹量规的量值溯源工作更加经济可靠、便捷高效。
6.一种螺纹量规的数字化计量方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
7.步骤一：构建螺纹量规标准数字模型和工作数字模型；
8.步骤二：对步骤一得到的螺纹量规标准数字模型和工作数字模型进行误差来源分析，量化模型误差，包括标准模型建模算法误差和/或工作模型仪器测量误差和/或生产加工误差和/或点云处理误差；
9.步骤三：将螺纹量规工作数字模型与标准数字模型进行对比，测算相应量传参数，分析模型偏差，并计算对比过程中产生的误差，实现螺纹量规的数字化计量。
10.作为优选，所述的步骤一中的构建螺纹量规标准数字模型与工作数字模型，包括以下步骤：
11.s11：基于螺纹量规的设计标准利用matlab软件构建标准数字模型；
12.s12：利用三维螺纹综合测量机获取螺纹量规表面点云数据；
13.s13：采用统计滤波结合双边滤波算法进行点云去噪处理；
14.s13：使用自适应bpa重建算法对点云数据进行重建，构建工作数字模型。
15.作为优选，所述的步骤二中的误差计算，包括以下步骤：
16.s21：分析计算螺纹量规标准数字模型的误差，包括建模算法误差；
17.s22：确定标准规定的螺纹量规极限偏差范围；
18.s23：分析计算螺纹量规工作数字模型的误差，包括生产加工误差，在使用三维螺纹综合测量机扫描表面点云数据时产生的仪器测量误差，以及对点云数据处理引入的误差。
19.作为优选，所述的步骤三中的螺纹量规工作数字模型与标准数字模型进行对比分析，包括以下步骤：
20.s31：利用模型对比软件将二者模型进行初始对齐，再采取最佳拟合对齐方式完成模型对齐；
21.s32：采用2d比较命令随机过螺纹量规轴线垂直设置截面，计算工作数字模型螺纹量规大径上各点到标准数字模型对应点的偏差值，以及各截面螺纹小径、螺距、牙型角参数；
22.s33：分析计算螺纹量规工作数字模型相较于标准数字模型的大径、小径、螺距和牙型角的平均偏差值；
23.s34：基于s21步骤和s22步骤得到的二者模型误差与s34步骤得到的偏差值进行比较，计算数字模型对比过程中产生误差；
24.s35：上述步骤s32～s34重复10次，计算除去模型对比误差的各参数平均偏差值，完成螺纹量规数字化计量。
25.作为优选，所述螺纹量规为m16*2-6g螺纹塞规。
26.本发明具有的有益效果是：与现有技术相比，本发明创造性地提出了一种螺纹量规数字化计量方法，实现螺纹量规数字化模型的构建以及模型误差分析。为实物计量向数字化计量发展提供了方向,有效解决了在传统螺纹量规量值溯源过程中，型号种类繁多，检定过程繁琐，耗费大量人力物力财力等问题，使得螺纹量规的量值溯源工作更加经济可靠、便捷高效。为实现螺纹量规数字化提供理论基础，突破数字化计量的瓶颈，为整个计量行业的数字化发展提供了参考价值。
附图说明
27.图1是本发明方法的流程图。
28.图2是本发明工作数字模型重构点云模型的结果图。
29.图3是本发明标准数字模型大径误差的示意图。
30.图4是本发明在软件中所做的10个截面的结果图。
31.图5是本发明螺纹量规数字模型某截面小径测算的结果图。
32.图6是本发明螺纹量规数字模型某截面螺距测算的结果图。
33.图7是本发明螺纹量规数字模型某截面牙型角测算的结果图。
34.图8是本发明整体误差分析的示意图。
具体实施方式
35.下面结合附图和实施例对本发明的发明内容作进一步地说明。
36.如图1-8所示，本发明实施例提供了一种螺纹量规数字化计量方法，其具体包括以下实现步骤：
37.步骤一：构建m16*2-6g螺纹塞规的标准数字模型和工作数字模型，包括以下步骤：
38.s11：根据普通螺纹量规基本尺寸标准，确定该量规大径、小径、牙型角和螺距具体参数尺寸，利用matlab根据公式(1)～(4)绘制螺纹量规的四条螺旋线，连接螺旋线上各点形成三角网格面片形式的螺纹牙顶、牙侧和牙底曲面，输出stl格式的标准数字模型；
[0039][0040][0041][0042][0043]
式中，(x,y,z)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)和(x4,y4,z4)分别表示构成螺纹量规最下端小径螺旋线、两条大径螺旋线和上端小径螺旋线上的各点坐标，螺纹大径d＝16mm，小径d1＝13.835mm，螺距p＝2mm，其中t∈(0，4π)；
[0044]
s12：利用基于smarttouch智能扫描技术，通过实时测力分析装置和智能测力传感装置实现保持任意位置、任意斜面为相同接触力的高精密z轴、x轴、高精密光栅系统、接触式扫描测头、高精密旋转轴组成的三维螺纹综合测量机采集螺纹量规表面点云数据；
[0045]
s13：使用统计滤波结合双边滤波算法进行点云去噪，并根据空间栅格法将点云进行栅格划分实现精简采样，计算采样点与邻域点法向量，若二者乘积小于零，则该区域点云保留，获得离群点少且表面平滑的点云数据；
[0046]
s14：采用自适应bpa重建算法对上述处理后的点云进行重建处理，如图2所示，输出螺纹量规工作数字模型。
[0047]
步骤二：对步骤一得到的螺纹量规标准数字模型和工作数字模型进行误差来源分
析，量化模型误差，包括标准模型建模算法误差和/或工作模型仪器测量误差和/或生产加工误差和/或点云处理误差，具体包括以下步骤：
[0048]
s21:分析计算m16*2-6g螺纹量规标准数字模型的误差，主要是建模算法误差；
[0049]
标准数字模型通过三角面片去逼近原始模型的牙顶、牙侧和牙底曲面，产生的误差表示为小三角形轮廓边与理论模型表面之间的径向距离δj，如图3所示，r0表示三角面片底边中点到对应圆心的距离，则建模算法误差δj为：
[0050][0051]
大径d＝16mm，小径d1＝13.835mm，计算牙顶和牙底上相邻两点组成的三角面片底边的中点到对应圆心的距离，分别为h＝7.999996mm、h1＝6.917497mm，再分别对应代入d、r0，则可通过公式(9)计算出大径建模算法误差δjd＝0.008μm，小径建模算法误差δj
d1
＝0.006μm。因螺纹量规的对称性与螺纹牙型的连续性，螺距p与牙型角α误差也可忽略。
[0052]
s22：根据标准，螺纹量规模型大、中、小径公差δ为160μm，则其微小误差区间为螺距公差δ
p
为4μm，微小误差区间为牙型角公差δ
α
为0.5
°
，微小误差区间为上述公式可知，各项参数误差均位于微小误差范围内，可不考虑误差的影响，且相对误差均小于5％，因此初步判断该数字模型可作为标准模型，即可认为标准数字模型误差δ1＝δj＝0。
[0053]
s23：分析计算m16*2-6g螺纹量规工作数字模型的误差，主要包括仪器测量误差δm、生产加工误差δg和点云处理误差δe。
[0054]
本实施例中，分析螺纹量规工作数字模型的各项误差包括以下步骤：
[0055]
步骤a：使用三维螺纹综合测量仪的仪器测量误差由仪器说明书中规定指标可得，大径、中径、小径的测量误差为
±
(4.0+l/200)μm；螺距p的误差为
±
(0.9+l/200)μm；牙型角α的误差为
±
0.03
°
。则各参数的仪器测量误差δm为：
[0056][0057]
步骤b：计算三维螺纹综合测量仪测得的各参数实际值与理论标准值的偏差δ4，结果如表1所示：
[0058]
表1螺纹量规各参数测得数据
[0059]
[0060]
从表中可以看出，小径生产误差较大，在实际生产过程中，小径并未规定下偏差，且可依据各加工方商议决定；
[0061]
偏差δ4是由仪器测量误差δm和实物量规的生产加工误差δg引起的，具体表示为:
[0062][0063]
将各参数偏差值代入公式，即可得到大径、小径和牙型角的生产加工误差分别为δgd＝-44.3μm，δg
α
＝-0.2179μm。
[0064]
步骤c：点云处理误差主要是在对点云进行滤波、精简及重构过程中产生的，上述过程造成的误差不是相互独立，因此很难分开计算，故通过计算点云处理前后的模型横向、纵向变化来代表螺纹量规大径小径、螺距点云处理误差，模型前后表变化结果如表2所示：
[0065]
表2点云处理前后模型变化结果
[0066][0067]
通过表2可以得到大径、小径点云处理误差为δed＝3.4μm、该模型纵向包括5个螺距，因此计算出螺距点云处理误差为δe
p
＝3.3
÷
5＝0.46μm，再根据螺纹基本尺寸关系公式：
[0068][0069]
计算出螺纹量规工作数字模型原始三角形高度h＝1.74mm，代入相关参数的误差关系公式(9)，得到牙型角的点云处理误差为δe
p
＝0.0691
°
。
[0070][0071]
步骤d：工作数字模型误差δ2与仪器测量误差δm、生产加工误差δg和点云处理误差δe的关系为：
[0072][0073]
代入上述步骤得到的误差结果可以经计算出螺纹量规工作数字模型误差如表3所示：
[0074]
表3螺纹量规工作数字模型误差
[0075]
[0076]
步骤三：将步骤一得到的螺纹量规工作数字模型与标准数字模型进行对齐比对，测算相应量传参数，分析模型偏差，并计算对比过程中产生的误差，实现螺纹量规的数字化计量。本实施中，选择在geomagic control环境下进行相应处理，包括以下步骤：
[0077]
步骤a：打开软件状态栏的“模型管理器”下的“测试数据”，导入了螺纹量规标准数字模型，再将其转换为cad面片导入到“参考数据”中；然后在“测试数据”下导入经过点云处理重建后生成的工作数字模型；
[0078]
步骤b：在初始菜单下，选用“初始对齐”初步调整模型位置，实现大致对齐；再选用“最佳拟合”实现两模型重合，完成模型对齐；
[0079]
步骤c：接着过螺纹量规轴线垂直量规创建平面，均匀随机创建10个这样的平面，结果如图4所示；再调用“2d比较”命令，过每个平面做截面，在每个截面的大径上随机取16点测算工作数字模型大径相较于标准数字模型的偏差值，其结果如表4所示。
[0080]
表4软件测算螺纹量规工作数字模型大径偏差结果
[0081][0082]
步骤d：在步骤c创建的截面上，分别过螺纹量规两侧牙底拟合两条直线，计算每个截面上牙底间的距离，如图5所示，所有截面上距离均值作为量规小径值；再在每个截面上做每个牙型两牙侧所在直线的交点，计算位于牙顶上端相邻交点间的距离，如图6所示，所有截面上距离作为量规螺距值；接着，如图7所示，分别拟合截面上牙侧所在直线，测算相邻两直线间的角度，各截面角度均值作为量规牙型角值，最终工作数字模型各参数与标准数字模型对比结果如表5所示：
[0083]
表5工作数字模型各参数与标准数字模型对比结果
[0084][0085]
步骤e：由于该实物螺纹量规属于新出厂未投入使用的产品，因此模型对比偏差值δ6与标准数字模型误差δ1、工作数字模型误差δ2和模型对比误差δ2间的关系可以表示为：
[0086]
δ6＝δ2-δ1+δ3(11)
[0087]
数字模型对比误差δ3由对比软件本身的误差δc和步骤c～步骤e产生的参数测算误差δa组成，其关系为：
[0088][0089]
根据ptb报告，软件拟合结果的长度精确到小于0.1μm，角度小于0.1角秒，即大径、小径和螺距对比软件误差为δcd＝δc
d1
＝δc
p
＝0.1μm，牙型角对比软件误差为δc
α
＝0。0003
°
；
[0090]
将步骤s21和步骤d得到模型误差代入公式(11)可以求出模型对比误差δ3，再根据公式(12)计算出参数测算误差δa，具体结果如表6所示：
[0091]
表6数字模型对比各项误差
[0092][0093]
本发明方法分析处理过程中产生的误差如图8所示，在geomagiccontrol环境下，根据步骤a～步骤d可以计算得到偏差δ6，再除去模型对比产生的误差δ3，即可得到真实的工作数字模型各参数相较于标准数字模型偏差，由此判断工作螺纹量规产品是否合格，完成螺纹量规数字化计量检定过程。
[0094]
本实施例中，三维螺纹综合测量机包括工作台、高精密z轴、x轴、高精密光栅系统、接触式扫描测头、高精密旋转轴，高精密旋转轴位于工作台底部，z轴位于垂直方向，x轴与z轴垂直并位于工作台上方，接触式扫描测头安装于x轴上，接触式扫描测头电动位移连接高精密光栅系统。三维螺纹综合测量机可在市场购买获得。
[0095]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

技术特征：
1.一种螺纹量规的数字化计量方法，其特征在于，包括以下具体步骤：步骤一：构建螺纹量规标准数字模型和工作数字模型；步骤二：对步骤一得到的螺纹量规标准数字模型和工作数字模型进行误差来源分析，量化模型误差，包括标准模型建模算法误差和/或工作模型仪器测量误差和/或生产加工误差和/或点云处理误差；步骤三：将螺纹量规工作数字模型与标准数字模型进行对比，测算相应量传参数，分析模型偏差，并计算对比过程中产生的误差，实现螺纹量规的数字化计量。2.根据权利要求1所述的一种螺纹量规的数字化计量方法，其特征在于，所述的步骤一中的构建螺纹量规标准数字模型与工作数字模型，包括以下步骤：s11：基于螺纹量规的设计标准利用软件根据如下公式构建标准数字模型；基于螺纹量规的设计标准利用软件根据如下公式构建标准数字模型；基于螺纹量规的设计标准利用软件根据如下公式构建标准数字模型；基于螺纹量规的设计标准利用软件根据如下公式构建标准数字模型；式中，d为螺纹量规大径，d1为小径d1，p为螺距，参数t∈(0，4π)；s12：利用三维螺纹综合测量机获取螺纹量规表面点云数据；s13：采用统计滤波结合双边滤波算法进行点云去噪处理；s13：使用自适应bpa重建算法对点云数据进行重建，构建工作数字模型。3.根据权利要求1所述的一种螺纹量规的数字化计量方法，其特征在于，所述的步骤二中的误差计算，包括以下步骤：s21：分析计算螺纹量规标准数字模型的误差，包括建模算法误差；s22：确定标准规定的螺纹量规极限偏差范围；
s23：分析计算螺纹量规工作数字模型的误差，包括生产加工误差，在使用三维螺纹综合测量机扫描表面点云数据时产生的仪器测量误差，以及对点云数据处理引入的误差。4.根据权利要求1所述的一种螺纹量规的数字化计量方法，其特征在于，所述的步骤三中的螺纹量规工作数字模型与标准数字模型进行对比分析，包括以下步骤：s31：利用模型对比软件将二者模型进行初始对齐，再采取最佳拟合对齐方式完成模型对齐；s32：采用2d比较命令随机过螺纹量规轴线垂直设置截面，计算工作数字模型螺纹量规大径上各点到标准量规模型对应点的偏差值，以及各截面螺纹小径、螺距、牙型角参数；s33：分析计算螺纹量规工作数字模型相较于标准数字模型的大径、小径、螺距和牙型角的平均偏差值；s34：基于s21步骤和s22步骤得到的二者模型误差与s34步骤得到的偏差值进行比较，计算数字模型对比过程中产生误差；s35：上述步骤s32～s34重复10次，计算除去模型对比误差的各参数平均偏差值，完成螺纹量规数字化计量。5.根据权利要求1所述的一种螺纹量规的数字化计量方法，其特征在于，所述螺纹量规为m16*2-6g通端螺纹塞规。

技术总结
本发明公开了一种螺纹量规的数字化计量方法，包括以下步骤：构建螺纹量规标准数字模型和工作数字模型；对二者数字模型进行误差来源分析，量化模型误差；将螺纹量规工作数字模型与标准数字模型对比，测算相应量传参数，分析偏差，并计算对比误差，实现螺纹量规的数字化计量。本发明为螺纹量规提出了一种新型数字化计量方法，有效解决了在传统螺纹量规量值溯源过程中，型号种类繁多，检定过程繁琐，耗费大量人力物力财力等问题，使得螺纹量规的量值溯源工作更加经济可靠、便捷高效。便捷高效。便捷高效。


技术研发人员：崔永丹 禹静 蔡晋辉 孔明
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/7/21