一、引言：内螺纹齿形测量的行业痛点与技术需求

内螺纹作为机械连接、密封的核心结构，广泛应用于汽车发动机缸体、航空航天精密管件、液压阀组等关键领域。其齿形精度（包括牙型高度、齿底轮廓、牙侧斜面角度）直接决定了连接可靠性与密封性能。然而，内螺纹测量长期面临两大核心挑战：

1. 空间限制难题

   ：内螺纹孔腔狭窄，传统接触式测量工具（如螺纹量规）无法覆盖全齿形，非接触式传感器若体积过大（如直径＞10mm），则难以深入孔内；

2. 细节捕捉困境

   ：螺纹牙侧为 60° 倾斜面，牙型高度公差通常要求 ±5μm，齿底易存在微小毛刺或圆弧过渡，常规传感器（光斑直径＞50μm）无法精准区分齿顶、齿底与斜面的边界，导致测量误差超差；

3. 效率与精度平衡

   ：传统三坐标测量机（CMM）虽能实现高精度测量，但单次测量需 20-30 分钟，无法满足批量生产中的在线检测需求。

针对上述痛点，泓川科技 LTCR4000 系列光谱共焦传感器（侧出光探头）凭借其φ8mm 纤细结构、20μm 超小光斑、纳米级测量精度及灵活的扫描适配能力，成为内螺纹全齿形高精度测量的理想解决方案。本文以 60° 牙型角内螺纹（如 M10×1.5 细牙螺纹）的牙型高度、齿底轮廓、牙侧斜面测量为例，详细阐述其技术应用方案。

二、测量系统核心设备选型依据

基于内螺纹测量的 “小空间、高精度、全齿形扫描” 需求，LTCR4000 侧出光探头的选型核心参数与技术优势如下表所示，且均匹配泓川科技官方技术规格（参考 LTCR4000 参数表）：

三、内螺纹齿形测量系统搭建与方案设计

3.1 硬件系统组成

测量系统以 LTCR4000 侧出光探头为核心，搭配 “传感器 - 控制器 - 运动平台 - 数据处理单元” 四维架构，具体配置如下：

1. 核心测量单元

   ：LTCR4000 侧出光探头（FC/PC 接口光纤，光纤保护套避免弯折损伤），探头安装角度与螺纹牙侧 60° 倾斜角匹配（通过定制角度支架校准，误差 ±0.1°）；

2. 控制单元

   ：LT-CCH 控制器（16 通道，21KHz 最高采样率），支持多探头同步工作，若需批量检测可扩展通道；

3. 运动单元

   ：亚微米级精密运动平台（X/Y/Z 三轴，定位精度 ±0.5μm），搭载旋转轴（θ 轴）实现螺纹绕轴线的螺旋扫描，旋转精度 ±0.001°；

4. 辅助单元

   ：恒温测量舱（控制温度 25±2℃，避免结露），适配 LTCR4000 的工作环境要求。

3.2 测量路径规划：螺旋扫描覆盖全齿形

针对 60° 牙型角内螺纹，需设计 “螺旋线扫描路径” 以确保 20μm 光斑完全覆盖牙顶、齿底与斜面：

1. 径向定位

   ：运动平台 Z 轴带动 LTCR4000 探头深入内螺纹孔，直至探头光斑聚焦于螺纹牙侧中部（参考距离通过配套软件预校准，精度 ±1μm）；

2. 螺旋扫描参数

   ：

• 轴向步距（Z 轴）：5μm / 圈，匹配 20μm 光斑直径，确保相邻扫描线无漏扫；

• 旋转速度（θ 轴）：1°/ms，结合 LT-CCH 控制器 21KHz 采样率，每圈采集 360 个数据点，完整捕捉 60° 牙侧的斜面轮廓；

• 径向范围（X 轴）：覆盖螺纹牙型高度（如 M10 螺纹牙型高度 1.228mm），从齿顶到齿底的径向移动距离设为 1.5mm，预留冗余量。

3.3 关键测量流程

1. 系统标定

   ：采用标准镀银膜反射镜（参数表 * 2 标定件）进行精度校准，在 1kHz 采样率下连续采集 10000 组数据，均方根偏差（RMS）≤0.3μm，确保测量基准可靠；

2. 被测件定位

   ：将内螺纹件固定于运动平台，通过 CCD 视觉定位（辅助）确定螺纹起始牙位，误差 ±0.01mm；

3. 齿形扫描

   ：启动螺旋扫描，LTCR4000 探头实时输出距离数据（基于光谱共焦原理，精度 ±0.1μm），控制器将数据传输至测控软件；

4. 数据处理

   ：软件通过 C# SDK 调用算法，对原始数据进行滤波（去除工业环境振动干扰）、拟合（60° 斜面拟合、齿底圆弧拟合），计算牙型高度（齿顶 - 齿底距离）、牙侧角度（与 60° 理论值的偏差）、齿底粗糙度（Ra 值）；

5. 结果输出

   ：生成齿形轮廓图（横坐标：径向距离，纵坐标：轴向距离）、关键尺寸报表（如牙型高度测量值 1.227±0.002mm），支持数据导出至 MES 系统。

四、关键技术突破：解决内螺纹测量三大核心难点

4.1 小空间适配：φ8mm 探头突破内孔限制

传统非接触传感器（如激光三角传感器）头部直径多为 12-15mm，无法深入 φ10mm 以下的内螺纹孔。LTCR4000 采用压铸铝外壳（φ8×39mm），轻量化设计（24g）可直接安装于小型运动平台，配合侧出光光路设计（避免探头尾部光纤干扰），能深入深度≥20mm 的内螺纹孔，实现全孔深范围内的齿形测量。

4.2 60° 斜面精准测量：20μm 光斑 + 角度校准联动

螺纹牙侧 60° 倾斜角的测量误差主要源于 “光斑照射角度偏差”。本方案通过两大技术保障精度：

1. 光斑聚焦控制

   ：20μm 超小光斑可聚焦于牙侧局部区域，避免传统大光斑（如 50μm）因覆盖牙侧与齿底过渡区导致的轮廓模糊；

2. 角度联动校准

   ：运动平台 θ 轴与探头角度支架联动，实时补偿螺纹加工中的角度偏差（如实际牙侧角 59.8°），软件通过斜面拟合算法计算实际角度与 60° 理论值的偏差，测量精度 ±0.05°。

4.3 齿顶 / 齿底边界识别：纳米级标定保障精度

齿顶（尖锐边缘）与齿底（圆弧过渡）的边界识别是测量牙型高度的关键。LTCR4000 通过 “纳米级激光干涉仪标定”（参数表 * 3）确保距离测量精度，在 1kHz 采样率下，连续 10000 组数据的 RMS≤0.3μm，可清晰区分齿顶（距离突变点）与齿底（距离平稳区）的边界，牙型高度测量误差≤±2μm，远优于行业 ±5μm 的公差要求。

五、实验验证：M10 内螺纹齿形测量实例

5.1 实验条件

• 被测件

  ：M10×1.5 内螺纹（材质：45# 钢，牙型角 60°，理论牙型高度 1.228mm，齿底圆弧半径 0.15mm）；

• 环境

  ：温度 25℃，湿度 45%，无结露（符合 LTCR4000 工作环境要求）；

• 对比设备

  ：三坐标测量机（CMM，精度 ±1μm）。

5.2 测量结果对比

实验结果表明，LTCR4000 的测量精度与 CMM 持平，且效率提升 4 倍以上，可满足批量生产中的在线检测需求。

六、应用价值与行业拓展

泓川科技 LTCR4000 光谱共焦传感器的内螺纹齿形测量方案，不仅解决了 “小空间、高精度、高效率” 的测量痛点，还可拓展至以下场景：

1. 异形螺纹测量

   ：如梯形螺纹（30° 牙型角）、锯齿形螺纹（3°/30° 牙型角），通过软件自定义牙型角度算法实现适配；

2. 高温工况应用

   ：可订制 200℃高温版探头（参数表可选），用于发动机缸体等高温环境下的内螺纹测量；

3. 多参数集成测量

   ：结合 SDK 二次开发，可同时测量螺纹中径、螺距误差，实现 “全参数一站式检测”。

未来，随着工业制造对精密零部件的要求不断提升，LTCR4000 凭借其灵活的硬件适配性与纳米级精度，将成为内螺纹、深孔等复杂结构测量的核心工具，助力行业实现 “高精度检测与高效率生产” 的双向突破。

参考文献：泓川科技 LTCR4000/LTCR4000B/LTCR4000S 光谱共焦传感器参数表；GB/T 197-2003《普通和精密螺纹 公差与配合》