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基于影像测量的沉头螺栓头部高度测量方法研究

2024-12-11 39 上传者：管理员

摘要：影像测量技术已成为一种先进、智能的检测方式，与传统人工检测技术相比，影像测量具有非接触、适应性强、快速高效、定位准确、柔性好和可靠性高等特点。通过对沉头螺栓头部高度尺寸现有检测技术缺点的分析，提出采用影像测量的方法进行沉头螺栓头部高度尺寸测量。介绍了影像测量检测设备结构、设备操作流程和具体测量方法，对比分析了影像测量和人工测量效果，验证了影像测量方法测量沉头螺栓头部高度的可行性、高效性和准确性。

关键词：
头部高度
影像测量
沉头螺栓
测量方法
螺纹紧固件
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沉头螺栓是一种常见螺纹紧固件，广泛应用于航空、航天飞机的装配中，用于承受拉伸和剪切载荷。沉头螺栓头部是一个带角度的锥体，组装后螺栓头部锥体完全沉入被连接件内，使得组装表面保持平坦、光滑。飞机外表面成品件大多采用沉头螺栓连接，沉头螺栓组装后的质量将会影响飞机外表面的平整度，对飞机外形气动性有较大影响。沉头螺栓头部高度尺寸是保证沉头螺栓组装质量的重要因素。目前沉头螺栓头部高度尺寸检测方法存在效率低、误差大、无法判断批次产品的尺寸一致性等问题。随着飞机上沉头类螺栓应用数量和种类越来越多，现有检测方法已经不能满足零件大批量供应要求和飞机高质量装配要求。

1、现有检测技术分析

沉头类螺栓种类繁多，按沉头角度可以分为90°沉头螺栓、100°沉头螺栓和120°半沉头螺栓。图1为90°沉头螺栓结构图，其中R为沉头度面与光杆过渡部分圆角。沉头螺栓头部高度尺寸为H,由于头部高度尺寸线的一条基准线为空间位置，使用卡尺等量具无法直接、准确测量。为了方便测量，标准设计人员在沉头度面上设定了一个检测点，此点对应的高度合格，即认为零件头部高度合格。检测点直径为D2、高度为P。

沉头螺栓头部检测点高度检测常用方法有两种：一种是采用测高卡板、衬套组合量具测量，另一种是采用数显卡尺、衬套配合测量。

第一种方法是将沉头螺栓头部放在衬套内，度面检测点刚好卡在衬套孔口，接着使用测高卡板通过来检测沉头螺栓头部，若测高卡板通端通过、止端卡住即为检测点高度合格。图2为测高卡板、衬套检测高度示意图。这种测量方法有以下特点：①在小批量检测时效率较高，但大批量检测时随着检测强度的上升，检测效率会显著降低；②该检测方法还易受人为因素影响，检测时推送测高卡板力量的大小会对测量结果有一定的影响，误差性大；③该检测方法只能单纯定性判断尺寸公差是否合格，无法定量分析、判断批次产品的尺寸一致性。统一批次产品尺寸一致性差会导致组装后飞机表面凹凸不平，影响飞机表面质量和飞机气动性能。

另一种方法是将沉头螺栓头部放在衬套内，度面检测点刚好卡在衬套孔口，接着使用数显卡尺检测沉头螺栓头部上端面至衬套下端面的距离，该距离尺寸减去衬套的高度即为沉头螺栓头部检测点高度。图3为数显卡尺、衬套检测高度示意图。采用这种测量方法有以下特点：①可以直接检测出沉头螺栓头部检测点高度数值，可以定量分析、判断批次产品的尺寸一致性，有利于提升装配质量；②该方法需要进行人工读数和数值换算，会影响检测效率。综上所述，当沉头螺栓头部检测点高度大批量检测时，这两种方法效率均比较低，已经不能满足产品快速检测要求。

图1 90°沉头螺栓结构图

图2 测高卡板、衬套检测高度示意图

图3 数显卡尺、衬套检测高度示意图

2、影像测量检测技术

近年来，随着测量技术及相关学科的飞速发展，基于图像技术的影像测量已经成为机械零件尺寸测量的新方式，被广泛应用于航空工业的各个领域[1]。影像测量技术是以现代光学为基础，融合计算机图像图形学、计算机视觉、信息处理、光电子学和模式识别等科学为一体的非接触式数字化现代检测技术，它将被测对象的图像当做检测和传递信息的手段，从中提取有用的信号来获得被测对象的参数，因其具有非接触、适应性强、快速高效、定位准确、柔性好和可靠性高等特点，在现代工业检测中受到了广泛重视[2]。

2.1 影像测量检测设备结构

为实现大批量沉头螺栓头部高度快速测量，影像测量检测设备采用紧固件尺寸快速测量机，如图4所示。紧固件尺寸快速测量机包括硬件系统和软件系统两部分。硬件系统包括大小视野相机、LED光源、光栅尺和电机等[3]。软件系统用于图像信息的快速识别、分析、处理和自动检测。通过硬件系统对测量平台内待测零件进行图像采集，利用软件系统对采集到的零件图像进行信息处理，从而计算得到零件尺寸、形状和相互关系。

图4紧固件尺寸快速测量机

2.2 影像测量检测设备操作流程

影像测量检测设备操作流程如图5所示。

图5影像测量检测设备操作流程

3、基于影像测量的沉头螺栓头部检测点高度测量方法

采用基于影像技术的紧固件尺寸快速测量机测量沉头螺栓头部检测点高度，首先需要对零件图像中的边线进行识别，然后再构建所需的点、线，最终根据其相互位置关系计算出所需的尺寸。紧固件尺寸快速测量机测量沉头螺栓头部检测点高度方法具体步骤如下：

(1) 使用设备的“寻边测量直线”功能，直接构造端面边线、度面边线和光杆边线。构造边线示意图见图6。

图6 构造边线示意图

图7 构造中心线示意图

(2) 使用“中分线”功能键，构造光杆两条边线的中分线，即零件中心线。构造中心线示意图见图7。

(3) 使用“平行线”功能键，创建与零件中心线距离D2/2的平行直线，直线与度面边线相交，使用“两线交点”构造两个交点。构造交点示意图见图8。

图8 构造交点示意图

图9 构造直线示意图

(4) 使用“两点连线”功能键，将两个交点构造成一条直线。构造直线示意图见图9。

(5) 使用“构造距离”功能键，测量“构造直线”到端面边线的距离，即为沉头螺栓检测点高度。测量距离示意图见图10。

图10测量距离示意图

测量程序编制完成后，点击“存储键”可以将当前程序保存到计算机中。在测量平台上放入下一个零件，点击“执行键”,会自动调用存储程序并得出所需检测数据。当下一个批次相同产品检测时，可以导入存储程序直接应用。

4、人工测量与影像测量检测对比

为验证紧固件尺寸快速测量机测量沉头螺栓头部检测点高度的效果，选取一批90°沉头螺栓分别进行人工测量(测高卡板、衬套配合测量和数显卡尺、衬套配合测量)和影像测量，数量均为20件。沉头螺栓直径为6 mm, 高度H=3.0 mm, 测量点直径D2=7.86 mm, 高度P值为1.88 mm～2.13 mm。三种测量方法测量高度和时间分别如表1和表2所示。

表1三种测量方法测量高度的测量结果

对比分析三种方法测量高度数据以及时间可知：采用快速测量机对沉头螺栓头部检测点高度检测，测量步骤简单、快捷，检测时间最短、效率最高；高度测量结果与人工测量(数显卡尺、衬套配合测量)结果基本一致，测量的精确度与可靠性良好。检测结果证明，影像测量方法可以准确地提供检测点高度检测数据，用于确定批次产品的高度一致性情况。

表2三种测量方法的测量时间(20件)

5、结语

基于影像测量的沉头螺栓头部高度测量方法，能有效地对被测零件高度实施非接触快速测量，提供出沉头螺栓头部高度的具体数据，可以准确判定批次产品的高度一致性情况，为实现沉头螺栓高效、高质检测提供了一个切实可行、有效的方法，具有良好的实用性。

参考文献:

[1]毕超,皮克松,盛波,等.基于机器视觉的叶型孔测量技术研究[J].工具技术,2022,56(12):147-151.

[2]芮会会.齿轮参数的影像测量[D].合肥:合肥工业大学,2010:2-5.

[3]段宇秀.全自动影像测量仪零件尺寸测量方法研究[D].太原:中北大学,2019:45-47.

文章来源:夏春和,赵纯颖,董冰.基于影像测量的沉头螺栓头部高度测量方法研究[J].机械工程与自动化,2024,(06):168-170.