基于圖像處理技術的YSQ-3型液化石油氣瓶閥外螺紋加工質量檢測方法的研究

王曉東1，渠立琛2，張 煒2，孫 銳2

（1.長春工業(yè)大學 工程訓練中心，長春 130012；2.長春工業(yè)大學 機電工程學院，長春 130012）

基于圖像處理技術的YSQ-3型液化石油氣瓶閥外螺紋加工質量檢測方法的研究

The study on detection method of machining quality of YSQ-3 liquefied oil cylinder valve external thread based on Image processing technology

王曉東1，渠立琛2，張 煒2，孫 銳2

（1.長春工業(yè)大學 工程訓練中心，長春 130012；2.長春工業(yè)大學 機電工程學院，長春 130012）

介紹了基于圖像處理技術對YSQ-3型液化氣瓶閥外螺紋各參數(shù)的非接觸檢測方法。通過對采集的圖像進行圖像預處理、二值化處理、邊緣檢測，得到外螺紋的清晰輪廓。擬合提取的輪廓，計算出外螺紋各參數(shù)的值，實現(xiàn)對外螺紋的加工質量的準確判定。試驗結果表明，相比傳統(tǒng)的檢測方法，該方法克服了環(huán)規(guī)檢測方法效率低，人為因素影響大等缺點。應用此方法，螺紋的檢測效率提高了近50倍，中徑、螺距和牙高的檢測精度達到了0.001mm。

圖像處理；液化氣瓶閥外螺紋；非接觸檢測

0 引言

YSQ-3型液化石油氣瓶閥主要用于輸氣管和鋼瓶的連接，其表面螺紋的加工質量是影響螺紋的密封性進而引發(fā)氣體泄漏的主要因素之一，在閥門出廠使用前要嚴格對其圓錐外螺紋進行檢測，從而有效地保證加工質量。目前，國內現(xiàn)有的液化氣瓶閥外螺紋的加工質量檢測方法，通常是校對規(guī)法及三針法[1]。這些接觸式的檢測方法存在許多不足之處，如：受人為因素影響很大，判定存在不確定性，效率低，滿足不了大批量產(chǎn)品的實時在線檢測要求[2]。同時，測量中產(chǎn)生的應力會引起工件的變形，更會導致量具磨損，成本增加。因此，尋求一種對螺紋的非接觸在線檢測方法成為廠家們共同追求的目標。

本文基于圖像處理技術對YSQ-3型液化氣瓶閥外螺紋各參數(shù)進行檢測。通過對CCD攝像機獲取的圖像進行分析處理，根據(jù)錐螺紋各參數(shù)的定義，精確地計算出螺紋的幾何參數(shù)，與標準螺紋數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行判定。此種非接觸測量方式，精度高，效率高，適合螺紋的多參數(shù)實時在線檢測[3]，對實現(xiàn)液化氣瓶閥外螺紋檢測的自動化、精確化、快速化具有重大的現(xiàn)實意義。

1 圖像處理

為了實現(xiàn)對液化氣瓶閥外螺紋的有效判定，我們需要盡可能多的提取所獲圖像的特征信息。由于外界的噪聲干擾，所獲取的圖像包含一些不需要的信息，如果直接從原始圖像中提取特征點，得不到準確的輪廓信息。因此，在特征提取之前需要對原始圖像進行處理，處理流程如圖1所示。

圖1 圖像處理流程圖

1.1 灰度變換

如圖2所示，外螺紋的原始圖像中灰度對比度不足，螺紋輪廓顯得較為模糊，需要對圖像進行灰度級修正，將我們感興趣的外螺紋輪廓邊緣的灰度區(qū)間[a,b]擴展，對不感興趣的螺紋體中間部分的灰度區(qū)間[0,a]與[b,m]進行壓縮抑制，所用的分段線性變換數(shù)學表達式為：

其中f(x,y)為輸入圖像，g(x,y)為輸出的圖像。

通過灰度調整，如圖3所示，原始圖像各部分的灰度反差得到增強，提高了圖像的質量，更好的為后續(xù)二值化、邊緣檢測做準備。

1.2 圖像濾波

圖2 外螺紋的原始圖像

圖3 灰度調整后的圖像

由圖4可以看出經(jīng)過灰度調整后的圖像在螺紋邊緣處仍然存在一些噪聲，這些噪聲會對螺紋邊緣的精確提取產(chǎn)生不利影響，需要進一步對圖像進行相應的濾波處理。對比各種濾波方式，中值濾波更適合對外螺紋圖像進行銳化濾波[4]，用排序后的像素的中間灰度代替濾波器的輸出灰度，公式為：

從圖5為可以看出原先那些突兀的、離散的、孤立的噪聲被過濾掉，同時很好的保存了邊緣信息，防止了螺紋輪廓的模糊。

圖4 濾波前的輪廓局部放大圖

圖5 中值濾波處理后的外螺紋圖像

1.3 二值化處理

中值濾波后的外螺紋圖像受干擾較小，且外螺紋體與背景區(qū)域間的對比度較好，如圖6所示，得到的外螺紋圖像的灰度直方圖是較為理想的兩峰一谷狀，通過實際測算，選取閥值為155。

利用閥值對YSQ-3型液化氣瓶閥外螺紋圖像進行二值化，將0～255共256個灰度值進行分割，像素灰度大于閥值155，記為1，小于閥值155記為0，圖7是二值化后的外螺紋圖像。

圖7 二值化的外螺紋圖像

1.4 外螺紋邊緣檢測及輪廓的提取

完成了圖像的二值化后，對黑白二值圖像中的螺紋邊界進行搜索，提取出清晰地外螺紋輪廓。由于Canny算子能在抑制噪聲和邊緣檢測之間取得較好的平衡，對真實存在的邊緣不會漏檢，更不會把非邊緣點檢出，得到的信噪比較大[5]，所以選用Canny算子對錐螺紋輪廓進行邊緣檢測運算，過程可表示為：

如圖8是Canny算子邊緣檢測的結果，具有良好的邊緣外螺紋輪廓。

圖8 Canny算子檢測的外螺紋局部輪廓

2 外螺紋幾何參數(shù)的計算

中徑、螺距和牙高是對螺紋密封性和可靠性影響較大的幾個參數(shù)，也是螺紋加工質量的主要判定依據(jù)。計算各個幾何參數(shù)，需要測量出圖像上的螺紋參數(shù)所包含的像素點數(shù)，然后用像素點數(shù)除以提前確定好的標定系數(shù)k，即可獲得螺紋幾何參數(shù)的實際尺寸[6]。其中，實測的標定系數(shù)k=L1/L0約等于0.0455mm/pixel，L1為圖像上的尺寸（以像素點數(shù)量表示），L0為外螺紋的實際尺寸（以cm或mm表示）。

2.1 主要螺紋參數(shù)的計算

在對螺紋參數(shù)進行測量之前，用最小二乘法先對螺紋外輪廓牙型的兩側進行擬合，根據(jù)建立的坐標系計算各個參數(shù)值。查氣瓶專用螺紋標準[7]，此型號螺紋的基距L為17.67mm，在y軸上找出距離螺紋小端面L處的基準平面位置，然后對外螺紋輪廓進行掃描，如圖9所示，找到|AB|=|BC|時的直線AC，同時找到直線DF。兩直線與垂直于軸線的直線l分別交于M(xg,yg)和N(xh,yh)，得基面中徑d=|xg-xh|。

圖9 外螺紋中經(jīng)測量示意圖

圖10 外螺紋螺距測量示意圖

圖11 外螺紋牙型高度測量示意圖

2.2 測量數(shù)據(jù)的評定

YSQ-3型液化氣瓶閥外螺紋規(guī)格是PZ27.8，牙數(shù)為14，錐度為3:25。對表1，表2中隨機抽取的10個樣本的測量結果進行計算均值和標準偏差s，其中，

分析可得，外螺紋的幾個主要參數(shù)的測量精度可以達0.001mm。其中，基面中經(jīng)的圖像測量精度比人工的測量精度高出了一個數(shù)量級，圖像所測的基面中經(jīng)=26.6094mm更接近液化石油氣瓶閥外螺紋的標準值，且用圖像測量的數(shù)據(jù)更可靠，s為0.08123小于人工的0.08644。另外，用此方法測量的螺距值，極限偏差都在標準螺距的偏差范圍內，其s為0.02395，準確性和可靠性都能滿足螺距的在線檢測要求；由于螺紋牙高較小，均值只有1.1586mm，人工測量困難，而用此方法測量的牙高的最大偏差為+0.019mm，其標準偏差僅為0.01231。綜上，用此方法對YSQ-3型液化氣瓶閥外螺紋各參數(shù)測量均滿足檢測要求，具有很高的可靠性。

表3是我們對10個工件的圖像檢測時間和人工檢測時間做的記錄，從中可得，基于圖像處理方法的單件檢測時間僅為190ms～220ms，遠遠的低于人工所用時間，大大縮短了在線檢測的周期，提高了效率。

3 結論

對YSQ-3型液化氣瓶閥外螺紋的加工質量采用的基于圖像處理的檢測方法，實現(xiàn)了螺紋幾何參數(shù)精確測量，大大的縮短了工件的檢測周期，提高了對工件加工質量的檢測效率。實踐應用結果證明，該方法能滿足工業(yè)生產(chǎn)流水線的100%檢測要求，保證了外螺紋實時、準確、快速的檢測，盡可能的避免了工件誤收及誤廢的產(chǎn)生，具有很高的市場價值和應用價值。

表1 螺紋基面中徑人工測量與圖像測量的比較 （單位：mm）

表2 對10個工件主要參數(shù)的測量結果（單位：mm）

表3 圖像檢測與人工檢測的時間比較

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WANG Xiao-dong1, QU Li-chen2, ZHANG Wei2, SUN Rui1

TP273

B

1009-0134(2015)07(下)-0060-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.07(下).19

2015-04-06

吉林省科技廳科技攻關項目（20130206032GX ）；吉林省教育廳重點項目（2014113）

王曉東（1970 -），男，吉林長春人，教授，博士，研究方向為機電測控。

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