适用于航空发动机长轴零件的螺纹检测装置及方法

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域，特别地，涉及一种适用于航空发动机长轴零件的螺纹检测装置及方法。

背景技术

涡轴航空发动机的柔性长轴是航空发动机的关键部件，负责将发动机产生的推力传递给飞机，而长轴上的螺纹连接是承受高速旋转、高温高压和复杂应力环境的关键结构，其质量直接影响发动机的可靠性、安全性和性能。长轴上的螺纹连接通常具有高精度、高强度和高耐磨损等要求，这些要求使得航空发动机长轴的螺纹加工和测量具有较高的技术难度，而螺纹测量是确保螺纹质量满足设计要求的关键环节，通过对螺纹中径及其跳动的测量，可以在装配之前及时发现并纠正加工过程中的偏差，从而保证其装配稳定性及配合强度。另外，高质量的螺纹连接可以提高发动机的工作效率，降低燃油消耗，提升飞机的续航里程。

但是，由于航空发动机柔性长轴的长度较长，一般在600mm以上，有的甚至在1000mm以上，而常用的螺纹检测仪行程最大只有400mm，无法安装长轴类零件，故而无法对柔性长轴进行螺纹测量。而光学轴类检测仪仅能检测外径、长度等外部常规几何尺寸，无法对螺纹参数进行测量。另外，现有采用螺纹规、三针法等进行组合测量的方式，由于采用的是离线测量方式，存在测量效率低的问题，而且由于缺乏统一基准，也难以对跳动等关键参数进行分析测量。因此，现有的螺纹测量方法无法满足航空发动机长轴零件的高精度、大批量螺纹检测需求。

发明内容

本发明提供了一种适用于航空发动机长轴零件的螺纹检测装置及方法，以解决现有螺纹测量方法无法满足航空发动机长轴零件的高精度、大批量螺纹检测需求的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种适用于航空发动机长轴零件的螺纹检测装置，包括：

径向尺寸测量模块，用于测量长轴零件的任一径向尺寸；

机器视觉测量模块，用于拍摄长轴零件在径向方向的投影图像；

运动轴模块，用于驱动所述径向尺寸测量模块和机器视觉测量模块沿长轴零件的轴向进行移动，还用于轴向定位装夹长轴零件；

控制模块，与所述径向尺寸测量模块、机器视觉测量模块和运动轴模块电性连接，用于先控制所述运动轴模块驱动所述径向尺寸测量模块移动至长轴零件上任意光轴位置，并以该光轴位置为基准，测量得到基准位置处的径向尺寸，再控制所述运动轴模块驱动所述机器视觉测量模块对准基准位置，以拍摄基准位置处的投影图像，然后控制所述运动轴模块驱动所述机器视觉测量模块对准螺纹并拍摄螺纹的投影图像，最后以所述径向尺寸测量模块测量得到基准位置处的径向尺寸作为径向基准尺寸，并结合所述机器视觉测量模块拍摄的基准位置处的投影图像和螺纹的投影图像计算得到螺纹的大径值、中径值和螺距。

进一步地，所述运动轴模块还用于驱动所述长轴零件进行旋转，所述控制模块还用于控制所述运动轴模块旋转一周，并在旋转过程中控制所述机器视觉测量模块固定间隔预设角度进行拍摄，得到多张螺纹投影图像，并计算得到每张螺纹投影图像中螺纹的中径值，从而计算得到螺纹的中径跳动。

进一步地，所述径向尺寸测量模块为光幕式轴径测量传感器，其沿径向方向相对设置在长轴零件的两侧，所述机器视觉测量模块包括成像单元和光源单元，所述成像单元和光源单元沿径向方向相对设置在长轴零件的两侧，所述成像单元为配套远心镜头的工业相机，所述光源单元为平行背光源，所述光幕式轴径测量传感器的中心与长轴零件的回转中心对齐，所述成像单元的视野边缘与长轴零件的回转中心对齐。

进一步地，所述控制模块在获得螺纹的投影图像后，还用于对螺纹投影图像进行遮挡失真补偿。

进一步地，所述控制模块对螺纹投影图像进行遮挡失真补偿的过程为：

以长轴零件的回转轴线为z轴建立三维坐标系；

作平行于xoz平面的切割平面与单面螺旋表面相交，得到螺旋曲线；

对螺旋曲线的z轴坐标方程进行求导求极值，得到实际测量出的螺纹截面轮廓；

基于实际测量的螺纹截面轮廓和理论螺纹截面轮廓计算得到补偿值，并基于补偿值对螺纹投影图像进行遮挡失真补偿，得到真实图像。

进一步地，还包括标定模块，用于供所述机器视觉测量模块进行图像标定。

进一步地，所述运动轴模块包括测量轴运动单元、装夹轴运动单元和旋转台单元，所述测量轴运动单元沿径向相对设置在长轴零件的两侧并可沿轴向移动，所述径向尺寸测量模块和机器视觉测量模块固定安装在所述测量轴运动单元，所述装夹轴运动单元固定安装在所述旋转台单元上并可沿轴向相对移动，用于轴向夹紧定位长轴零件，所述旋转台单元用于驱动所述装夹轴运动单元和长轴零件进行同步旋转。

另外，本发明还提供一种适用于航空发动机长轴零件的螺纹检测方法，采用如上所述的螺纹检测装置，包括以下内容：

控制运动轴模块驱动径向尺寸测量模块移动至长轴零件上任意光轴位置，并以该光轴位置为基准，测量得到基准位置处的径向尺寸；

控制运动轴模块驱动机器视觉测量模块对准基准位置，以拍摄基准位置处的投影图像；

控制运动轴模块驱动机器视觉测量模块对准螺纹并拍摄螺纹的投影图像；

以径向尺寸测量模块测量得到基准位置处的径向尺寸作为径向基准尺寸，并结合机器视觉测量模块拍摄的基准位置处的投影图像和螺纹的投影图像计算得到螺纹的大径值、中径值和螺距。

进一步地，还包括以下内容：

控制运动轴模块驱动长轴零件旋转一周，并在旋转过程中控制机器视觉测量模块固定间隔预设角度进行拍摄，得到多张螺纹投影图像，并计算得到每张螺纹投影图像中螺纹的中径值，从而计算得到螺纹的中径跳动。

进一步地，在获得螺纹的投影图像后，还包括以下内容：

对螺纹投影图像进行遮挡失真补偿。

本发明具有以下效果：

本发明的适用于航空发动机长轴零件的螺纹检测装置，以长轴零件上任意光轴位置作为基准位置，先利用径向尺寸测量模块测量得到基准位置的径向尺寸数据，将该径向尺寸数据作为螺纹大径、中径测量的实际径向基准尺寸。在通过机器视觉测量模块拍摄基准位置处的径向投影图像后，即可得到基准位置处的投影径向尺寸与实际径向基准尺寸之间的对应关系。再利用机器视觉测量模块拍摄螺纹处的投影图像，基于螺纹处投影图像进行高点直线拟合可以得到螺纹大径轮廓，并基于基准位置处投影图像进行轮廓提取，从而可以计算得到螺纹大径轮廓和基准位置处轮廓之间的像素距离，再将像素距离转换为实际距离，并结合径向尺寸测量模块测量得到基准位置的径向尺寸数据，即可计算得到螺纹的大径值。同样地，基于螺纹处的投影图像确定螺纹边缘，在找出中径位置后，计算中径位置与大径位置之间的像素距离并将其转换为实际距离，再集合螺纹的大径值就可以计算得到螺纹的中径值。本发明通过径向尺寸测量与投影测量相结合的方式，弥补了径向尺寸测量无法测量轴向细节以及投影测量径向分辨率不足的缺点，同时提升了投影测量法的测量精度和测量范围，能够在测量轴径高达一百余毫米的情况下实现约0.01毫米精度的螺纹参数测量，能够同时满足航空发动机长轴零件轴尺寸跨度大、细节精度高的检测需求，并且采取的是非接触式光学检测，无法额外辅助设置，能够大幅度提升螺纹测量效率，满足大批量螺纹检测需求。

另外，本发明的适用于航空发动机长轴零件的螺纹检测方法同样具有上述优点。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的适用于航空发动机长轴零件的螺纹检测装置的结构示意图。

图2是本发明优选实施例的机器视觉测量模块与长轴零件的回转中心偏置放置的位置示意图。

图3是本发明优选实施例的机器视觉测量模块拍摄得到的长轴零件半边的投影图像示意图。

图4是本发明优选实施例的标定模块的示意图。

图5是本发明优选实施例中利用切割平面与单面螺旋表面相交的示意图。

图6是本发明优选实施例中对螺纹投影图像进行遮挡失真补偿的示意图。

图7是本发明另一实施例的适用于航空发动机长轴零件的螺纹检测方法的流程示意图。

图8是本发明另一实施例的适用于航空发动机长轴零件的螺纹检测方法的另一流程示意图。

图9是本发明另一实施例中对螺纹投影图像进行遮挡失真补偿的流程示意图。

附图标记说明

100、径向尺寸测量模块；200、机器视觉测量模块；300、运动轴模块；400、标定模块；201、成像单元；202、光源单元；301、测量轴运动单元；302、装夹轴运动单元；303、旋转台单元。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

可以理解，如图1所示，本发明的优选实施例提供一种适用于航空发动机长轴零件的螺纹检测装置，其包括径向尺寸测量模块100、机器视觉测量模块200、运动轴模块300和控制模块(图未示)，所述径向尺寸测量模块100用于测量长轴零件的任一径向尺寸，所述机器视觉测量模块200用于拍摄长轴零件在径向方向的投影图像，所述运动轴模块300用于驱动所述径向尺寸测量模块100和机器视觉测量模块200沿长轴零件的轴向进行移动，还用于轴向定位装夹长轴零件。所述控制模块与所述径向尺寸测量模块100、机器视觉测量模块200和运动轴模块300电性连接，所述控制模块一般为上位机，用于先控制所述运动轴模块300驱动所述径向尺寸测量模块100移动至长轴零件上任意光轴位置，并以该光轴位置为基准，测量得到基准位置处的径向尺寸，再控制所述运动轴模块300驱动所述机器视觉测量模块200对准基准位置，以拍摄基准位置处的投影图像，然后控制所述运动轴模块300驱动所述机器视觉测量模块200对准螺纹并拍摄螺纹的投影图像，最后以所述径向尺寸测量模块100测量得到基准位置处的径向尺寸作为径向基准尺寸，并结合所述机器视觉测量模块200拍摄的基准位置处的投影图像和螺纹的投影图像计算得到螺纹的大径值、中径值和螺距。其中，所述控制模块在获得螺纹投影图像后，对图像中的高点进行直线拟合，从而可以得到螺纹大径，然后计算拟合直线与基准位置处投影图像的轮廓之间的像素距离，并换算得到实际距离，即可计算出螺纹的大径值。

可以理解，本实施例的适用于航空发动机长轴零件的螺纹检测装置，以长轴零件上任意光轴位置作为基准位置，先利用径向尺寸测量模块100测量得到基准位置的径向尺寸数据，将该径向尺寸数据作为螺纹大径、中径测量的实际径向基准尺寸。在通过机器视觉测量模块200拍摄基准位置处的径向投影图像后，即可得到基准位置处的投影径向尺寸与实际径向基准尺寸之间的对应关系。再利用机器视觉测量模块200拍摄螺纹处的投影图像，基于螺纹处投影图像进行高点直线拟合可以得到螺纹大径轮廓，并基于基准位置处投影图像进行轮廓提取，从而可以计算得到螺纹大径轮廓和基准位置处轮廓之间的像素距离，再将像素距离转换为实际距离，并结合径向尺寸测量模块100测量得到基准位置的径向尺寸数据，即可计算得到螺纹的大径值。同样地，基于螺纹处的投影图像确定螺纹边缘，在找出中径位置后，计算中径位置与大径位置之间的像素距离并将其转换为实际距离，再集合螺纹的大径值就可以计算得到螺纹的中径值，而螺距则为两个中径值测量点之间的轴向距离，其可以基于两个中径值测量点之间的像素距离进行标定换算后得到实际距离。本发明通过径向尺寸测量与投影测量相结合的方式，弥补了径向尺寸测量无法测量轴向细节以及投影测量径向分辨率不足的缺点，同时提升了投影测量法的测量精度和测量范围，能够在测量轴径高达一百余毫米的情况下实现约0.01毫米精度的螺纹参数测量，能够同时满足航空发动机长轴零件轴尺寸跨度大、细节精度高的检测需求，并且采取的是非接触式光学检测，无法额外辅助设置，能够大幅度提升螺纹测量效率，满足大批量螺纹检测需求。

可以理解，所述径向尺寸测量模块100为光幕式轴径测量传感器，其沿径向方向相对设置在长轴零件的两侧，可以测量长轴零件任意位置的径向尺寸，并为螺纹大径、中径测量提供基准。所述机器视觉测量模块200包括成像单元201和光源单元202，所述成像单元201和光源单元202沿径向方向相对设置在长轴零件的两侧，所述成像单元201为配套远心镜头的工业相机，工业相机的光轴与长轴零件的轴线垂直，用于捕捉投影图像，而远心镜头则用于接收光源单元202产生的光线，并保证所接收到的光线为平行入射，所述光源单元202为平行背光源，用于产生稳定、均匀的光线，以保证投影图像的清晰度和准确性。作为优选的，在安装时，光幕式轴径测量传感器的中心与待测长轴零件的回转中心对齐，而机器视觉测量模块200则采用偏置放置，即所述成像单元201的视野边缘与长轴零件的回转中心对齐，具体如图2所示。采用这种结构布局方式的优势在于，既可以通过光幕式轴径测量传感器提升远心镜头因口径限制导致的测量范围不足，又可以通过远心镜头的纵向分辨率弥补光幕式轴径测量传感器因光幕厚度而导致无法检测轴肩细微特征的盲区。因此，在本发明中，机器视觉测量模块200只需拍摄长轴零件半边的投影图像，如图3所示，之后再通过提取大径/中径的像素位置，并将该像素位置与基准位置处的像素位置进行比对，再结合光幕式轴径测量传感器测量的基准位置处实际径向尺寸，即可计算出大径值/中径值，从而通过两套测量系统的互补，实现长轴零件的高速、高精度、多特征测量。

可选地，所述运动轴模块300还用于驱动所述长轴零件进行旋转，所述控制模块还用于控制所述运动轴模块300旋转一周，并在旋转过程中控制所述机器视觉测量模块200固定间隔预设角度进行拍摄，得到多张螺纹投影图像，并计算得到每张螺纹投影图像中螺纹的中径值，从而计算得到螺纹的中径跳动。本发明通过采取旋转拍摄的方式，实现了螺纹中径跳动检测，极大程度上提升了测量速度。

可以理解，所述运动轴模块300包括测量轴运动单元301、装夹轴运动单元302和旋转台单元303，所述测量轴运动单元301沿径向相对设置在长轴零件的两侧并可沿轴向移动，所述径向尺寸测量模块100和机器视觉测量模块200固定安装在所述测量轴运动单元301，具体安装在所述测量轴运动单元301的同一溜板上，其中，所述径向尺寸测量模块100安装在所述机器视觉测量模块200的下方，当然，在本发明其它实施例中，所述径向尺寸测量模块100也可以安装在所述机器视觉测量模块200的上方。其中，所述测量轴运动单元301可以采用电动伸缩杆、直线电机等直线驱动机构。所述装夹轴运动单元302固定安装在所述旋转台单元303上并可沿轴向相对移动，用于轴向夹紧定位长轴零件，所述旋转台单元303用于驱动所述装夹轴运动单元302和长轴零件进行同步旋转。其中，所述装夹轴运动单元302包括上下两个夹紧头，下夹紧头固定安装在旋转台单元303上，上夹紧头可上下调节地安装在旋转台单元303上，通过控制上夹紧头朝向下夹紧头相对移动，从而定位夹紧长轴零件的轴向两端。可以理解，当无需对螺纹中径跳动进行检测时，所述旋转台单元303可以省略。

另外，所述螺纹检测装置还包括标定模块400，用于供所述机器视觉测量模块200进行图像标定。可选地，如图4所示，所述标定模块400为棋盘格标定板，用于CCD像素尺寸的标定，通过计算图像中像素尺寸的大小，将其换算为实际尺寸，从而可以标定得到像素尺寸与实际尺寸之间的换算关系。

可以理解，对于拍摄的螺纹投影图像，因CCD相机的光轴与螺纹轴线垂直，在螺纹投影进入相机时会产生遮挡失真，得到的螺纹边缘并不是轴截面上的真实轮廓，选择的中径位置不准确，从而导致中径值的检测结果准确度较差。因此，需要在失真图像的基础上反演出真实图像，以得到真实螺纹截面，从而保证选取中径位置时的准确性，进而提高了中径值的测量精度。可选地，所述控制模块在获得螺纹的投影图像后，还用于对螺纹投影图像进行遮挡失真补偿。其中，所述控制模块对螺纹投影图像进行遮挡失真补偿的过程为：

以长轴零件的回转轴线为z轴建立三维坐标系；

作平行于xoz平面的切割平面与单面螺旋表面相交，得到螺旋曲线；

对螺旋曲线的z轴坐标方程进行求导求极值，得到实际测量出的螺纹截面轮廓；

基于实际测量的螺纹截面轮廓和理论螺纹截面轮廓计算得到补偿值，并基于补偿值对螺纹投影图像进行遮挡失真补偿，得到真实图像。

具体地，如图5所示，以长轴零件的回转轴线为z轴建立三维坐标系oxyz，则单面螺旋表面可表示为：

然后，在本发明中，背光源沿x方向投射，故作平行于xoz平面的切割平面(y＝D)与单面螺旋表面相交，得到螺旋曲线，而螺旋曲线可表示为：

可以看出，z是关于φ的函数，接着，对z求φ的导数得到：

再将上式代入螺旋曲线的方程，从而可以得到投影图像的实际边界点，即得到机器视觉测量模块200实际测量出的螺纹轮廓，可表示为：

而理论螺纹截面轮廓为：

可以理解，本发明的螺纹检测装置的工作过程具体为：

先开启光源单元202，以产生稳定、均匀的光线，再开启成像单元201，并装夹标定模块400，通过手动旋转，使其方向尽可能垂直于工业相机的光轴，随后拍摄标定板图像，并通过棋盘格角点之间的距离，计算出图像像素尺寸和真实尺寸之间的关系，之后卸下标定模块400。再控制装夹轴运动单元302中的上夹紧块移动进行夹紧定位，将航空发动机长轴零件固定在旋转台单元303上。

然后，选取长轴零件上任一光轴位置作为基准位置，控制测量轴运动单元301轴向移动，使得光幕式轴径测量传感器对准基准位置进行测量，得到基准位置处的径向尺寸数据。

再控制测量轴运动单元301轴向移动，使得机器视觉测量模块200对准基准位置进行拍摄，得到基准位置处的投影图像，并进行轮廓提取。

接着，再控制测量轴运动单元301轴向移动，使得机器视觉测量模块200对螺纹处进行拍摄，得到螺纹处的投影图像并进行轮廓提取。对螺纹投影图像中的高点进行直线拟合，即可得到螺纹大径，随后计算螺纹大径处轮廓与基准位置处轮廓之间的像素距离，并通过标定结果换算为实际距离，即可计算得到螺纹的大径值。

然后，对拍摄的螺纹图像进行遮挡失真补偿，得到真实图像，再选取出真实的中径位置，基于中径位置和大径位置之间的像素距离换算得到实际距离，再结合螺纹的大径值即可计算得到螺纹的中径值，而两个中径位置点之间的轴向距离则为螺距。

接着，控制旋转台单元303启动，控制转台转动360°，每隔n°(通常n＜1)拍摄一张照片，总共拍摄360/n张照片，分别计算每张照片中所测螺纹牙的中径值，即可计算得到中径跳动值。

最后，将测量得到的大径值、中径值、螺距、中径跳动值与预设阈值进行比较，从而判断螺纹加工质量是否符合要求，再将测量结果输出至显示设备或者导出数据至数据存储设备。

另外，如图7所示，本发明的另一实施例还提供一种适用于航空发动机长轴零件的螺纹检测方法，优选采用如上所述的螺纹检测装置，该方法包括以下内容：

步骤S1：控制运动轴模块驱动径向尺寸测量模块移动至长轴零件上任意光轴位置，并以该光轴位置为基准，测量得到基准位置处的径向尺寸；

步骤S2：控制运动轴模块驱动机器视觉测量模块对准基准位置，以拍摄基准位置处的投影图像；

步骤S3：控制运动轴模块驱动机器视觉测量模块对准螺纹并拍摄螺纹的投影图像；

步骤S4：以径向尺寸测量模块测量得到基准位置处的径向尺寸作为径向基准尺寸，并结合机器视觉测量模块拍摄的基准位置处的投影图像和螺纹的投影图像计算得到螺纹的大径值、中径值和螺距。

可以理解，本实施例的适用于航空发动机长轴零件的螺纹检测方法，以长轴零件上任意光轴位置作为基准位置，先利用径向尺寸测量模块测量得到基准位置的径向尺寸数据，将该径向尺寸数据作为螺纹大径、中径测量的实际径向基准尺寸。在通过机器视觉测量模块拍摄基准位置处的径向投影图像后，即可得到基准位置处的投影径向尺寸与实际径向基准尺寸之间的对应关系。再利用机器视觉测量模块拍摄螺纹处的投影图像，基于螺纹处投影图像进行高点直线拟合可以得到螺纹大径轮廓，并基于基准位置处投影图像进行轮廓提取，从而可以计算得到螺纹大径轮廓和基准位置处轮廓之间的像素距离，再将像素距离转换为实际距离，并结合径向尺寸测量模块测量得到基准位置的径向尺寸数据，即可计算得到螺纹的大径值。同样地，基于螺纹处的投影图像确定螺纹边缘，在找出中径位置后，计算中径位置与大径位置之间的像素距离并将其转换为实际距离，再集合螺纹的大径值就可以计算得到螺纹的中径值，而螺距则为两个中径值测量点之间的轴向距离，其可以基于两个中径值测量点之间的像素距离进行标定换算后得到实际距离。本发明通过径向尺寸测量与投影测量相结合的方式，弥补了径向尺寸测量无法测量轴向细节以及投影测量径向分辨率不足的缺点，同时提升了投影测量法的测量精度和测量范围，能够在测量轴径高达一百余毫米的情况下实现约0.01毫米精度的螺纹参数测量，能够同时满足航空发动机长轴零件轴尺寸跨度大、细节精度高的检测需求，并且采取的是非接触式光学检测，无法额外辅助设置，能够大幅度提升螺纹测量效率，满足大批量螺纹检测需求。

可选地，如图8所示，所述螺纹检测方法还包括以下内容：

步骤S5：控制运动轴模块驱动长轴零件旋转一周，并在旋转过程中控制机器视觉测量模块固定间隔预设角度进行拍摄，得到多张螺纹投影图像，并计算得到每张螺纹投影图像中螺纹的中径值，从而计算得到螺纹的中径跳动。

可选地，在所述步骤S3中，在获得螺纹的投影图像后，还包括以下内容：

对螺纹投影图像进行遮挡失真补偿。

其中，如图9所示，所述对螺纹投影图像进行遮挡失真补偿的过程具体为：

步骤S31：以长轴零件的回转轴线为z轴建立三维坐标系；

步骤S32：作平行于xoz平面的切割平面与单面螺旋表面相交，得到螺旋曲线；

步骤S33：对螺旋曲线的z轴坐标方程进行求导求极值，得到实际测量出的螺纹截面轮廓；

步骤S34：基于实际测量的螺纹截面轮廓和理论螺纹截面轮廓计算得到补偿值，并基于补偿值对螺纹投影图像进行遮挡失真补偿，得到真实图像。

可以理解，本方法实施例与上述装置实施例相对应，方法的各个步骤的具体执行过程可参考上述装置实施例的描述，具体在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。