机油附着力对螺纹测量的影响

　　抽象

　　在螺纹制造过程中，冷却液或润滑油会粘附在螺纹表面上，从而影响螺纹参数的视觉测量结果。为了模拟实际测量过程中油在螺纹表面上的附着行为，在此实验中设置了四个不同的附着状态。使用图像测量仪来收集不同粘附状态的螺纹图像。然后，通过计算机图像处理分析螺纹表面上的油膜分布。使用目测方法获得油附着力对螺纹参数测量结果的相对影响率。提出一种基于实验的螺距补偿方法，试验方法验证了该方法的补偿效果。实验表明，油附着对直径参数测量结果的影响大于7 µm，对螺纹角测量结果的影响大于0.1°。补偿实验表明，节距直径的补偿效率高于70％。

　　介绍

　　视觉测量技术在螺纹测量中具有很大的优势。首先，机器视觉测量方法具有更高的测量效率。其次，机器视觉测量方法可用于实现在线螺纹测量。此外，机器视觉测量方法还可以检测传统方法难以获得的螺纹参数。1近来，基于机器视觉的螺纹参数检测已得到广泛研究。2，3 Gadelmawla 4引入了不仅可以被应用到许多类型的螺纹测量，而且还同时检测18个参数的螺纹的视觉检测系统。较低5设计了一种直观的螺纹参数检测系统，该系统直观，高效且易于操作。Mutambi和Yu 6分析了螺纹测量程序中的误差源以及校准对测量精度的影响。Chen 7提出了一种螺纹轮廓变形的补偿方法，该方法的节圆直径补偿效果大于85％，螺纹角度补偿效果大于70％。沉等。8分析了机器视觉测量过程中螺纹轮廓变形的问题，并提出了一种补偿方法。尽管在螺纹视觉测量方面取得了许多成就，但是已经有一些研究使用视觉测量对油粘附在螺纹表面上的效果进行了研究。机器视觉测量方法使用光学成像原理，这需要高度的螺纹表面清洁度。9因此，油在螺纹表面上的附着对成像的影响很大。在对线程子像素边缘提取算法的研究中，Cai等人。10提到了附着在螺纹表面上的油对视觉测量结果的影响，并对冲击进行了初步分析。

　　油在零件生产过程中起着润滑和冷却的作用，对于现代机械制造至关重要。11在螺纹加工过程中，刀刃上的摩擦力很大，排屑困难，热量不易被排屑带走。通常，包含油的切削液用于减少摩擦并降低切削温度。12，13使用机油可以提高工具寿命和螺纹的表面质量。同时，机油会附着在螺纹表面，影响螺纹的在线测量精度。螺纹制造材料通常是低碳钢，中碳钢，合金钢和类似物质。这样的材料不具有良好的疏油性能。黄等。图14发现在加工期间，在切削刃附近的膜的厚度为约15μm，并且在其他位置的膜的厚度可以达到约25μm。当秦15研究了润滑油膜厚度的测量方法，测得的油膜厚度约为30μm。如文献综述中所述，在工件表面上的油粘附严重影响了工件的轮廓形状。根据Biresaw等人的说法，16油的粘度越大，对工件轮廓的影响就越大。因此，重要的是研究油的附着力对螺纹的视觉测量结果的影响。在测量过程中，许多因素都会影响螺纹表面上的油粘附力，例如加工方法，表面质量，油类型和清洁方法。因此，难以进行关于油附着性对螺纹的视觉测量结果的影响的模拟研究和理论研究。

　　本研究从油的附着力对螺纹成像影响的角度出发，采用实验检测的方法分析了螺纹参数的目测误差。为了减少油脂附着对螺纹直径的目测结果的影响，提出了一种基于实验的螺距补偿方法。并通过实验验证了该方法的可行性。该研究分为以下几个部分：“油脂附着在螺纹轮廓成像上的螺纹表面上的影响”部分描述了油脂附着对螺纹轮廓成像的影响。“实验”部分描述了实验细节；在“实验结果分析”部分中，给出并讨论了实验和数值结果；在“节圆直径补偿方法和补偿效果验证”部分中，提出了一种基于实验的节圆直径补偿方法，并对算法进行了实验验证。“结论”部分给出了结论。

　　油脂附着在螺纹表面上对螺纹轮廓成像的影响

　　如图1所示，油附着在螺纹表面上会影响螺纹成像的轮廓。有两种类型的效果：首先，如图1（a）所示。，附着在螺纹表面的油改变了牙根，牙顶和牙侧面的轮廓形状；第二，如图1（b）所示，油粘附在螺纹表面上，导致螺纹轮廓边缘的灰度梯度发生变化，这使得普通的边缘检测操作人员无法准确地提取螺纹边缘轮廓。螺纹轮廓的变化和所提取的边缘轮廓的位置影响了螺纹参数的测量位置，并导致螺纹参数的测量结果发生变化。

　　图1.机油附着力对螺纹轮廓的影响。

　　1.根，是连接两个相邻侧面的凹槽底部的表面。2.波峰，是连接两个相邻侧面的山脊顶部的表面。3.侧面是由基本三角形的一侧生成的，不与螺纹的节线平行的螺旋螺纹表面的一部分。

　　实验

　　实验设备

　　在实验期间，使用四种类型的公制螺纹M8×1.25，M14×2，M30×1.5和M42×1.5作为测试对象。总共选择了五种不同粘度的润滑油（ISOVG10，ISOVG22，ISOVG32，ISOVG46和ISOVG68）作为实验介质。螺纹图像是使用GIM-80A自动图像测量仪在背光条件下获得的，如图2所示。。GIM-80A由发光二极管并联背光源，1/2英寸电荷耦合器件（CCD）彩色相机和AVITAR63106-S-7变焦镜头组成。变焦镜头的放大倍率为0.7倍至4.5倍，图像的总放大倍率为24倍至148倍。平行光源的中心区域具有良好的平直度，可以使被测物体的外部轮廓变得清晰。平行光可以控制透镜变形。远心镜头与CCD相机配合使用可有效纠正传统工业镜头的视差。

　　图2.（a）结构图和（b）设备的物理图。

　　1.工作台，2.背光源，3.夹具，4.定位器，5.螺纹，6.远心变焦镜头，7.电荷耦合设备的摄像头，8.电缆，和9.计算机。

　　螺纹图像采集

　　在实验过程中，根据以下建议收集了螺纹的图像：

　　超声清洗干净的螺纹（CLST）并干燥。

　　对于被油严重粘附的螺纹（STHDA），将润滑油均匀地涂在螺纹表面，并静置5分钟。

　　为了使螺纹保持适度的油附着性（STMDA），将润滑油均匀地涂在螺纹表面上，并在10 Hz的振动平台上放置30 s，以使油均匀地流动。

　　为了使油脂附着在螺纹上的轻度（STLDA），将润滑油均匀地涂在螺纹表面，并在10 Hz的振动平台上放置1分钟，以使油均匀地流动。

　　图像采集过程中螺纹的夹紧方法如图3所示。。双顶夹紧不仅可确保螺纹制造基准与测量基准之间的均匀性，而且可确保螺纹的径向和轴向定位。定位销与螺纹上的定位孔相匹配，以沿周向定位螺纹。同时定位三个方向，以确保可以在不同的机油附着状态下获取相同螺纹的相同位置图像。

　　图3.螺纹的周向定位。

　　1.定位销，2.定位孔和3.居中。

　　图像处理

　　如图4所示然后，使用图像差分算法对获取的图像进行差分处理，以增强轮廓变形区域的对比度。17

　　图4.图像差异算法（IDA）。

　　图5表示螺纹M8×1.25的清洁图像和附着油图像之间的差异计算结果。由于具有润湿性，因此油附着在螺纹的表面并形成粘附层。在表面张力的影响下，波峰处的油收缩并形成凸起。与螺纹的根部接触的粘合层倾向于延伸，这导致油与空气表面接触并凹入弯曲。

　　图5.附着有油的螺纹轮廓变形：（a）CLST图像，（b）STLDA图像，（c）STLDA的螺纹轮廓变形，（d）STMDA图像，（e）STMDA的螺纹轮廓变形，（f） STHDA图像，以及（g）STHDA的螺纹轮廓变形。

　　从图5，我们发现对螺纹轮廓的影响程度因油的附着条件而异。螺纹轮廓变化的不同程度对螺纹测量结果有不同的影响。表1示出了螺纹M8×1.25的轮廓变形比例的计算结果。油在螺纹表面上的附着程度越大，则螺纹图像轮廓的变形越大。同时，随着油的粘度增加，螺纹图像轮廓的变形程度也增加。

　　表1.螺纹轮廓的变形程度。

　　表1.螺纹轮廓的变形程度。

　　油附着力对螺纹轮廓的不同位置的影响导致不同螺纹参数的测量结果发生变化。如图1所示，油对根的影响影响了小径的测量；对波峰的影响影响了大直径的测量；对侧面的影响影响了节圆直径和螺纹角的测量。分析油在螺纹表面上的分布，同时依靠粘附层图像的计算统计数据。如图图6（a）中，在螺纹图像上选择了五个区域：左根区域I，左齿侧区域II，波峰区域III，右齿侧区域IV和右齿根区域V。确定了这五个部分。图6（b）表示附着在螺纹M8×1.25表面上的ISOVG32型润滑油的分布的计算结果。油的附着对螺纹牙根和螺纹牙根附近的牙腹有严重的影响，对牙冠和牙腹的影响相对较小。因此，可以预见的是，小直径测量结果的影响将大于节距直径和大直径的影响。

　　图6.螺纹表面上的油分布：（a）区域划分和（b）分布情况。

　　检测方式

　　大径影响的检测方法

　　大径测量结果的变化主要是由螺纹牙顶轮廓的变化引起的。为了分析油附着对大直径测量结果的影响，在研究过程中检测了波峰的相对位置变化。由于在相同的条件下（夹紧位置，放大倍数和焦距）收集了相同螺纹的图像，因此在不同油附着状态下的图像处于相同的坐标系中。

　　在检测过程中，对清洁螺纹和附油螺纹的螺纹牙顶装配线进行了采样。将采样步长设置为0.1像素，并将采样点数设置为n。在干净的螺纹和带油的螺纹上分别将采样点标记为（x i，y i）和（x j，y j）。计算相应点之间的平均距离，以获得螺纹牙顶的位置变化。计算方法如式（1）所示。

　　Δ?′=∑?? ，? = 1（??-??）2+（??-??）2⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯√?Δd′=∑一世，Ĵ=1个ñ（X一世-XĴ）2+（ÿ一世-ÿĴ）2ñ（1）

　　微小直径影响的检测方法

　　小直径测量结果的变化主要是由螺纹牙根轮廓的变化引起的。为了分析油附着对小直径测量结果的影响，在研究过程中检测了根部的相对位置变化。

　　在检测过程中，对干净螺纹和附油螺纹的螺纹根部装配线进行了采样。将采样步长设置为0.1像素，并将采样点数设置为m。在干净的螺纹和带油的螺纹上分别标记为（x o，y o）和（x p，y p）。计算相应点之间的平均距离，以获得螺纹根的位置变化。计算方法如式（2）所示。

　　Δ d′1个=∑?? ，? = 1（??-??）2+（??-??）2⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯√?Δd′1个=∑Ø，p=1个米（XØ-Xp）2+（ÿØ-ÿp）2米（2）

　　节圆直径影响的检测方法

　　螺距直径测量结果的变化主要是由螺纹牙侧面轮廓的变化引起的。为了分析油附着对节距直径测量结果的影响，在研究过程中测试了节距线的相对位置变化。如图图7（a）中，槽宽 ??ψ[R 和山脊厚度 ??ϕ[R使用平行于轴线的线与螺纹牙侧线相交处之间的距离进行计算。厚度差定义如下

　　Δ =||??-??||Δ=|ϕ[R-ψ[R|（3）

　　图7.间距线的位置检测：（a）间距线位置的检测方法和（b）厚度差。

　　为了提高计算速度，在螺纹图像上设置了检测上限和检测下限，如图7（a）所示。例如，螺纹M8×1.25的厚度差检测结果如图7（b）所示。。厚度差较小的位置是间距线的位置。

　　清洁螺纹螺距线设置为L 1。L的表达式如式（4）所示

　　? = ?ÿ=χ（4）

　　受到油的附着力影响的螺纹的螺距线为L 2。L 2的表达式如公式（5）所示

　　? = ?ÿ=λ（5）

　　如等式（6）所示，计算出节线的位置的变化。

　　Δ d′2= ? − ?Δd′2=λ-χ（6）

　　螺纹角影响的检测方法

　　使用较小二乘拟合侧面线，斜率 ?1个ķ1个 和 ?2ķ2获得了相邻的侧面线中的一个。螺纹角的计算如式（7）所示。螺纹角度?α 清洁螺丝的螺纹和螺纹角度 ?′α′ 检测出附有油的螺纹的数量

　　?= arctan||||?1个-?21 +?1个×?2||||α=Arctan|ķ1个-ķ21个+ķ1个×ķ2|（7）

　　等式（8）中示出了对螺纹角的测量结果的影响量的计算。

　　Δ α= ?’ – αΔα=α′-α（8）

　　实验结果分析

　　使用“检测方法”部分中的检测方法，对不同油附着状态的螺纹进行了11次实验，并对实验结果进行了分析。

　　大直径实验结果的影响分析

　　大直径实验结果影响的平均值如图8所示。结果表明，随着油的粘度和油的积聚度的增加，螺纹的大直径的测量结果的变化量变得越来越大。

　　图8.大直径影响。

　　对实验结果的分析发现，油粘附力对实验中选择的螺纹的大径测量结果的相对影响如下。相对影响率是大直径和螺纹高度之间的比率。对螺纹M8×1.25的大径测量结果的相对影响率为0.82％–2.92％。对螺纹M14×2的大径测量结果的相对影响率为1.10％–3.08％。对M30×1.5螺纹的大径测量结果的相对影响率为1.70％–2.52％。对M42×1.5螺纹的大径测量结果的相对影响率为1.62％–3.45％。实验表明，长径测量值大于油附着之前的值。

　　小直径实验结果的影响分析

　　小直径实验结果影响的平均值如图9所示。结果表明，随着油的粘度和油的积聚度的增加，螺纹的小直径的测量结果的变化量变得越来越大。

　　图9.小直径影响。

　　对实验结果的分析发现，油粘附力对实验中选择的螺纹的小径测量结果的相对影响如下。相对影响率是小直径与螺纹高度之间的比率。对螺纹M8×1.25的小直径测量结果的相对影响率为5.28％–10.36％。对螺纹M14×2的小直径测量结果的相对影响率为4.68％–9.04％。对M30×1.5螺纹的小径测量结果的相对影响率为2.58％–9.42％。对螺纹M42×1.5的小径测量结果的相对影响率为3.80％-9.10％。实验表明，小径测量值大于油附着之前的值。

　　节圆直径实验结果的影响分析

　　螺距直径实验结果影响的平均值如图10所示。结果表明，随着油的粘度和油的积聚度的增加，螺纹的螺距直径的测量结果的变化量变得越来越大。

　　图10.节圆直径的影响。

　　对实验结果的分析发现，油粘附力对实验中选择的螺纹的螺距直径测量结果的相对影响如下。相对影响率是螺距直径与螺纹高度之间的比率。对螺纹M8×1.25的螺距直径测量结果的相对影响率为0.9％–3.1％。对螺纹M14×2的螺距直径测量结果的相对影响率为1.1％–3.1％。对螺纹M30×1.5的螺距直径测量结果的相对影响率为1.44％–2.20％。对螺纹M42×1.5的螺距直径测量结果的相对影响率为1.04％–2.59％。实验表明，节圆直径的测量值大于附着油之前的值。

　　螺纹角实验结果的影响分析

　　螺纹角实验结果影响的平均值如图11所示。对于受油粘附影响的螺纹，螺纹角度测量值大于清洁螺纹。

　　图11.螺纹角度的影响。

　　对实验结果的分析发现，油粘附力对实验中选择的螺纹的螺纹角测量结果的相对影响如下。相对影响率是螺纹角度变化与螺纹角度之间的比率。对螺纹M8×1.25的螺纹角度测量结果的相对影响率为0.83％–3.10％。对螺纹M14×2的螺纹角测量结果的相对影响率为0.20％–2.67％。对螺纹M30×1.5的螺纹角度测量结果的相对影响率为0.21％–2.88％。对螺纹M42×1.5的螺纹角度测量结果的相对影响率为1.04％–2.59％。

　　节圆直径补偿方法及补偿效果验证

　　节距补偿方法

　　油对螺纹表面的附着力受油粘度，螺纹类型，螺纹表面质量和加工方法等因素的影响。然而，基于投影成像原理的螺纹目视检查方法不仅受到上述因素的影响，而且还受到现场照明强度，成像曝光时间和环境温度的影响。由于影响因素复杂，因此难以用理论计算来消除油附着力对节距直径的目测的影响。根据螺纹参数测量实验结果的统计，螺距的大径与根部的油膜厚度的关系可以预测螺距径测定结果的影响。油的附着系数确定为等式（9）

　　? =??Ť=üd（9）

　　其中d是大直径，U是根部的油膜厚度。

　　根据实验结果，将t的数值间隔分为光附着间隔[ 0 ，?1个][0，Ť1个]，中等的附着间隔 [?1个，?2][Ť1个，Ť2]，并且间隔时间很长 [?2，+ ∞ ][Ť2，+∞]。在每个安装间隔中，都有一个节圆直径影响系数?λ与螺纹高度h和螺距直径的影响量有关Δ?2Δd2，如公式（10）所示

　　? =Δ?2ℎλ=Δd2H（10）

　　在每个油粘附间隔中多次测量螺纹以获得螺距直径影响系数。将通过实验在每个间隔中测量的螺距直径影响系数取平均值，以获得光附着间隔，严重附着间隔和中等附着间隔的平均影响系数，? [ 1 ]λ[1个]， ? [ 2 ]λ[2]和 ? [ 3 ]λ[3]， 分别。在实际测量过程中，每个螺纹根部的油附着系数?iibii如公式（11）所示进行计算

　　?ii=?ii?，II = 1 ，2 ，… ，?bii=üiid，ii=1个，2，…，小号（11）

　　其中S是线程根的数量，并且?iiüii 是每个根部的油膜厚度。

　　平均油附着系数 ?⎯⎯b¯用公式（12）计算待测螺纹的螺纹

　　?⎯⎯=∑?ii = 1?ii?b¯=∑ii=1个小号bii小号（12）

　　油的附着间隔在哪里 ?⎯⎯b¯ 确定位置，平均影响系数 ? [ 1 ]λ[1个] 要么 ? [ 2 ]λ[2] 要么 ? [ 3 ]λ[3] 选择螺距直径补偿系数 ?γ使用等式（13）计算。补偿算法如图12所示。

　　?=2 ℎ × λ [ 1 ]，2 ℎ × λ [ 2 ]，2 ℎ × λ [ 3 ]，?⎯⎯≤?1个?⎯⎯≥?2?1个≤?⎯⎯≤?2γ={2H×λ[1个]，b¯≤Ť1个2H×λ[2]，b¯≥Ť22H×λ[3]，Ť1个≤b¯≤Ť2（13）

　　图12.节距直径测量的补偿算法：（a）主程序，（b）补偿算法程序（CAP）。

　　补偿效果验证

　　在补偿验证中，选择了受ISOVG32润滑剂附着影响的M8×1.25螺纹。节距直径补偿比设定为? [ ] = {?1个，?2，?3} = { 1 。2 ％，2 。3 ％，1 。8 ％}λ[]={λ1个，λ2，λ3}={1个。2％，2。3％，1个。8％}。在不同程度的油附着力的影响下，进行了10次节距直径补偿测试。补偿效率的计算方法?φ如式（14）所示

　　? =? – ?? – ?× 100 ％φ=一个-C乙-C×100％（14）

　　其中，A是补偿后的螺距直径的测量值，B是补偿前的螺距直径的测量值，C是清洗后的螺纹的螺距直径的测量值。

　　节距直径补偿的验证结果示于表2。我们可以发现，基于实验的补偿方法对所选螺纹的螺距直径的补偿效率超过70％。

　　表2.节圆直径的补偿效果。

　　表2.节圆直径的补偿效果。

　　为了验证螺距补偿方法的广泛适用性，对螺纹M14×2，M30×1.5和M42×1.5进行了相同的补偿测试。测试结果示于表3中。验证结果表明，基于实验的补偿方法在螺纹测量中具有一定的可行性。

　　表3.节圆直径的平均补偿效果。

　　表3.节圆直径的平均补偿效果。

　　结论

　　在这项研究中，进行了带油螺纹的机器视觉测量实验。实验结果表明，油在螺纹表面的附着使直径参数和螺纹角度的测量值太大。对小直径测量结果的影响远大于对大直径和螺距直径的影响。实验发现，油的粘附性对在线测量结果的影响也与油的粘度有关。油的粘度越大，对螺纹直径参数的测量结果的影响越严重。随着油附着度的增加，油附着对长径，短径和节圆直径的测量结果的影响变大。在实验期间 所选油对实验所选螺纹的影响如下：大径测量结果的相对变化率为0.87％−3.45％。小直径测量结果的相对变化率为2.58％-10.36％；节距直径测量结果的相对变化率为0.89％-3.22％。螺纹角测量结果的相对变化率为0.20％-3.10％。油的附着力对螺纹在线视觉测量结果的影响不容忽视。节距直径测量结果的相对变化率为0.89％-3.22％。螺纹角测量结果的相对变化率为0.20％-3.10％。油的附着力对螺纹在线视觉测量结果的影响不容忽视。节距直径测量结果的相对变化率为0.89％-3.22％。螺纹角测量结果的相对变化率为0.20％-3.10％。油的附着力对螺纹在线视觉测量结果的影响不容忽视。

　　为了提高节圆直径的测量精度，提出了一种基于实验的节圆直径补偿方法。补偿并验证了在ISOVG32油的附着力影响下的螺纹M8×1.25，M14×2，M30×1.5和M42×1.5。补偿效率在70％以上。随着机械自动化和精度的发展，测量技术对效率和精度的要求越来越高。油脂附着量对螺纹在线视觉测量结果的影响具有重要的研究意义。该研究为螺纹的视觉测量奠定了基础。