JX13C型萬(wàn)能工具顯微鏡測(cè)量螺紋中徑、牙半角及螺距的應(yīng)用

陶 亮，郭 艷，倪 娜，張曉麗

（馬鞍山市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，安徽 馬鞍山 243000）

JX13C型萬(wàn)能工具顯微鏡是制造行業(yè)的檢驗(yàn)、計(jì)量部門(mén)廣泛使用的一種多用途儀器。該儀器具有精密二坐標(biāo)工作臺(tái)，并以進(jìn)口精密光柵尺作為長(zhǎng)度測(cè)量傳感器，采用CCD圖像處理技術(shù)，取代傳統(tǒng)顯微鏡的目視測(cè)量。具有較高的測(cè)量精度和操作效率。

1 儀器工作原理

該儀器原理是光源射出一道光，通過(guò)位于底座內(nèi)部的聚光鏡，可變光欄，經(jīng)反射鏡反射垂直向上，在通過(guò)聚光鏡形成遠(yuǎn)心光束，照明位于工作臺(tái)玻璃或頂在頂針架上的被測(cè)件。由主顯微物鏡將工件放大了的輪廓圖像成像在攝像機(jī)的CCD面陣上。圖像被轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)送到計(jì)算機(jī)內(nèi)的圖像捕捉卡。軟件對(duì)采集到的圖像及其當(dāng)前儀器X、Y光柵坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的坐標(biāo)值進(jìn)行處理，確定被采集的點(diǎn)、線、弧、圓各元素的尺寸和位置，并運(yùn)用二維解析幾何的數(shù)學(xué)模型求解各元素的形狀和相互關(guān)系，最后輸出計(jì)算結(jié)果。

2 螺紋三要素的定義

（1）螺紋中徑：中徑是通過(guò)螺紋軸向截面內(nèi)牙型上的溝槽和凸起寬度相等處的假象圓柱的直徑（如圖 1 中 d2）。

（2）螺紋牙半角：在螺紋牙型上，兩相鄰牙側(cè)間的夾角稱為牙型角，它的一半就是螺紋牙型半角（如圖 2中 α/2）。

（3）螺紋螺距：螺紋螺距中螺紋上相鄰兩牙在中徑線上對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)間的軸向距離（如圖3中P）。

圖1 中徑測(cè)量

圖2 牙半角測(cè)量

圖3 螺距測(cè)量

3 測(cè)量操作步驟

3.1 光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)整

接通電源，選擇安裝物鏡。常用的是中倍物鏡（3×）；一般來(lái)說(shuō)提高物鏡倍率可以提高圖像分辨率。對(duì)于較粗糙的工件，物鏡會(huì)將缺陷放大，反而影響圖像采集精度，應(yīng)采用低倍物鏡。測(cè)量時(shí)，應(yīng)調(diào)節(jié)儀器顯微鏡立柱下方的光欄轉(zhuǎn)盤(pán)和電器箱上的亮度調(diào)節(jié)旋鈕，以便獲得最佳照明亮度和圖像對(duì)比度。

3.2 調(diào)焦距

將工件放在工作臺(tái)的中間，將電器箱面板的開(kāi)關(guān)打到LASER一方，則半導(dǎo)體激光器被點(diǎn)亮；移動(dòng)船形工作臺(tái)和橫向托架，使測(cè)量部位位于顯微鏡下方，測(cè)量部位對(duì)準(zhǔn)激光紅點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)粗調(diào)焦轉(zhuǎn)手輪使紅點(diǎn)聚焦為最小；將開(kāi)關(guān)打到CCD一方，打開(kāi)照明光源和測(cè)量軟件，在顯示屏中出現(xiàn)工件的像，根據(jù)圖像精確調(diào)焦，直至工件成像的邊緣最清晰為止。如果是使用頂針安裝方式測(cè)量回轉(zhuǎn)體工件，首先將定焦桿安裝在頂針上，按上述步驟進(jìn)行調(diào)焦，將定焦桿小孔內(nèi)的刀口像調(diào)至最清晰，此時(shí)焦面已通過(guò)頂針軸心。然后裝上工件，在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，不再做焦面的調(diào)整。

3.3 測(cè)量螺紋中徑及牙半角

調(diào)整工件的方向使得工件的螺紋成像在計(jì)算機(jī)屏幕上，單擊計(jì)算功能菜單項(xiàng)中組合計(jì)算功能區(qū)上的螺紋計(jì)算按鈕，選擇測(cè)量半角和中徑，用十字線中的中心與牙型輪廓影像的一個(gè)側(cè)邊重合，通過(guò)移動(dòng)橫向托架和船形工作臺(tái)按圖4步驟依次采集從第1點(diǎn)到第8點(diǎn)，即第1點(diǎn)到第2點(diǎn)、第3點(diǎn)到第4點(diǎn)、第5點(diǎn)第6點(diǎn)、第7點(diǎn)到第8點(diǎn)。而且兩點(diǎn)之間X坐標(biāo)不得移動(dòng)。采集完畢后，圖形顯示窗和結(jié)果顯示窗顯示出螺紋半角和中徑的值。

圖4 采集步驟

3.4 測(cè)量螺距

接著用鼠標(biāo)點(diǎn)擊測(cè)量螺距相鄰螺距值及距累積值按鈕，進(jìn)入測(cè)量螺距狀態(tài)，填入欲測(cè)量的螺紋牙數(shù)n，用十字線中的中心與牙型輪廓影像的一個(gè)側(cè)邊重合，依次采集第1點(diǎn)至第2n點(diǎn)，采集過(guò)程中Y坐標(biāo)不得移動(dòng)，采集完畢后，在圖形顯示窗和結(jié)果顯示窗中顯示螺紋的螺距值。

4 測(cè)量過(guò)程中應(yīng)注意的事項(xiàng)

4.1 溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

JX13C型萬(wàn)能工具顯微鏡縱向Y的測(cè)量行程為200mm，橫向X的測(cè)量行程為100mm，X、Y坐標(biāo)的測(cè)量分辨率為0.0002mm，X、Y坐標(biāo)值準(zhǔn)確度為：（1+L/100）μm，可知測(cè)量長(zhǎng)度值的變化直接影響儀器的準(zhǔn)確度。由于物體有熱脹冷縮的特性，以20℃為標(biāo)準(zhǔn)溫度，任何對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溫度所引起的尺寸變化ΔL為：ΔL=L×α×Δt。由上式可知，由于溫度而引起的尺寸變化除和工件的長(zhǎng)度L，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溫度的偏差Δt有關(guān)外，還和工件的線性膨脹系數(shù)α有關(guān)。由于被測(cè)工件和儀器的線性膨脹系數(shù)不同，而產(chǎn)生測(cè)量誤差。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，為了減少溫度對(duì)測(cè)量帶來(lái)的誤差，應(yīng)從以下三個(gè)方面考慮：

（1）在溫度接近20℃時(shí)測(cè)量，儀器最好放置在恒溫恒濕房間內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。

（2）測(cè)量前將工件放在恒溫恒濕的房間內(nèi)控到恒溫為止。

（3）測(cè)量時(shí)佩戴手套，避免人手溫度對(duì)工件和儀器的影響。

4.2 光欄和亮度調(diào)節(jié)的影響

對(duì)于測(cè)量一定厚度帶有螺紋的工件的內(nèi)、外尺寸，光欄孔徑的大小會(huì)使工件的投影尺寸帶來(lái)測(cè)量誤差，儀器的說(shuō)明書(shū)給出了根據(jù)被測(cè)工件的直徑大小對(duì)應(yīng)的最佳光欄孔徑值，以便獲得清晰的輪廓像。同時(shí)，不同的亮度調(diào)節(jié)也會(huì)對(duì)測(cè)量帶來(lái)誤差，圖像過(guò)于明亮?xí)箖?nèi)尺寸變大、外尺寸變小；反之，圖像過(guò)于灰暗會(huì)使內(nèi)尺寸表小、外尺寸變大。調(diào)整時(shí)應(yīng)兼顧圖像的黑區(qū)和亮區(qū)，以達(dá)到：黑區(qū)最黑，亮區(qū)最白，為最佳。

4.3 儀器水平位置及工件毛刺磕痕的影響

儀器的水平位置也會(huì)使工件的尺寸在測(cè)量過(guò)程中帶來(lái)誤差，所以在安裝調(diào)試前，一定要將儀器調(diào)整到水平位置，通過(guò)調(diào)節(jié)儀器的底部螺釘使得顯示水平位置的小氣泡調(diào)到圓圈的正中心。另外，被測(cè)件在加工、使用和運(yùn)輸過(guò)程中均可能產(chǎn)生一些毛刺和磕痕，這些缺陷，會(huì)使得在測(cè)量中容易引起萬(wàn)工顯的對(duì)線錯(cuò)誤或造成測(cè)量面不在同一焦平面上而形成一定的局部虛影，從而影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以一定要徹底清除這些表面毛刺和磕痕。

5 結(jié)語(yǔ)

萬(wàn)能工具顯微鏡影像法在測(cè)量螺紋參數(shù)的過(guò)程中，由于工件螺紋自身在加工過(guò)程中就會(huì)使得螺紋產(chǎn)生偏差，所以在螺紋的實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，一定要多點(diǎn)多次的測(cè)量工件的螺紋，以降低測(cè)量誤差。