淺談氣動(dòng)接頭外螺紋非接觸式檢測(cè)

李祎，李葉妮，陳子凱

（1．廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2．吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315000）

氣動(dòng)接頭在機(jī)電一體化設(shè)備中使用非常的廣泛，其螺紋的連接對(duì)于整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性具有不可忽視的作用。根據(jù)螺紋的幾何外形的不同，其檢測(cè)方法也是多種多樣。包括三坐標(biāo)機(jī)檢測(cè)、輪廓投影、激光檢測(cè)、顯微鏡測(cè)量、螺紋千分尺等。由于螺紋在設(shè)計(jì)過程中有30多個(gè)獨(dú)立的幾何特征和尺寸特征。按照最嚴(yán)格的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，螺紋的關(guān)鍵檢測(cè)特征有11個(gè)，且據(jù)報(bào)道，螺紋的中徑尺寸不合格超過中徑公差的150%會(huì)導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度降低4%。目前，基于非接觸式的螺紋檢測(cè)也得到了一定的發(fā)展。卜晨提出使用機(jī)器視覺的方法獲得螺紋的大徑、小徑和螺距，檢測(cè)精度達(dá)到了0.1mm。孫珂琪等一種連續(xù)自動(dòng)螺紋檢測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)螺紋的高精度檢測(cè)。于楊提出了一種抗干擾能力強(qiáng)、精度高的檢測(cè)方法，完成了外螺紋的大徑、中徑和小徑的測(cè)量。本文提出一個(gè)穩(wěn)定性好可靠性高的非接觸式螺紋精密檢測(cè)方法。采用高分辨率的工業(yè)相機(jī)，配合LED背光源，對(duì)外螺紋的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行全面有效的高精密檢測(cè)。

1 圖像處理原理

1.1 外螺紋基本參數(shù)

如圖1所示，為待測(cè)試氣動(dòng)接頭螺紋部分待測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)。大徑：與外螺紋牙頂相重合的圓柱體直徑；小徑：與外螺紋牙底相切的假想圓柱的直徑；中徑d：螺紋是由溝槽和凸起組成，當(dāng)螺紋輪廓線由高到低和由低到高變化過程中，其間距相等處，上下螺紋連線之間的距離；螺距P：相鄰兩牙對(duì)應(yīng)位置間軸向距離。

圖1 螺紋參數(shù)示意圖

1.2 圖像處理流程

本文螺紋檢測(cè)圖像處理流程如下：（1）首先對(duì)圖像進(jìn)行剪裁，獲得氣動(dòng)接頭螺紋部分圖像；（2）再進(jìn)行圖像的對(duì)比度和亮度的調(diào)整，顏色平面提取，將RGB圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像；（3）通過查找表中指數(shù)函數(shù)進(jìn)行圖像增強(qiáng)； （4）采用圖像濾波中的邊緣檢測(cè)Sobel算子，進(jìn)行螺紋邊緣提??；（5）最后進(jìn)行查找表的反變換，得到提取的螺紋邊緣線；（6）對(duì)相同視場(chǎng)下拍攝的卡尺進(jìn)行尺寸標(biāo)定，導(dǎo)入標(biāo)定文件；（7）采用卡尺卡尺測(cè)量出螺紋的大徑和小徑尺寸，測(cè)量連續(xù)采集的20張圖片。

1.3 邊緣提取算法

本文經(jīng)過圖像預(yù)處理后，采用Sobel邊緣檢測(cè)算法，提取螺紋輪廓。

該算子包含水平和垂直兩組矩陣，將兩個(gè)卷積核與平面中的圖像進(jìn)行卷積運(yùn)算，得到水平和垂直亮度差分的近似值。具體算法如式（1）：

分別為水平和垂直邊緣檢測(cè)到的圖像灰度值。矩陣為像素點(diǎn)的鄰域矩陣，可以計(jì)算得到式（2）。

其中，f(x,y)像素點(diǎn)是點(diǎn)(x,y)處的灰度值。

如圖2所示在邊緣檢測(cè)中，Canny算子和Laplacian算子背景區(qū)域的噪點(diǎn)較多，且邊緣不夠清晰，邊緣灰度變化帶過大，Sobel和Gradient算子邊緣提取背景噪點(diǎn)較少，且相對(duì)于Gradient算子而言，Sobel算子的邊緣非常清晰，在本文中的螺紋圖像提取中可以獲得更好的邊緣提取，因此，采用Sobel核心算子對(duì)外螺紋邊緣進(jìn)行提取。

圖2 典型的邊緣檢測(cè)算子

1.4 尺寸標(biāo)定

在相同的測(cè)量環(huán)境下，測(cè)試標(biāo)定尺視野大小為17.6mm×11.5mm，如圖3所示為標(biāo)定所用的顯微卡尺在相同視場(chǎng)下測(cè)量得到的圖像。采集圖像像素大小為5496×3672，顯微卡尺測(cè)量得到的尺寸為17.06×11.41mm，那么，可以計(jì)算得到圖像的像素當(dāng)量，根據(jù)這個(gè)標(biāo)定系數(shù)可以獲得外螺紋的實(shí)際測(cè)量結(jié)果。

圖3 顯微卡尺測(cè)得尺寸

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用基恩士VHX6000超景深三維顯微系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比測(cè)量分析，連續(xù)采集20張圖像，對(duì)20張圖像進(jìn)行測(cè)量后取平均值。測(cè)得型號(hào)為PC4-01氣動(dòng)接頭的大徑為4.912mm，中徑大小為4.395mm，小徑為3.981mm，螺距為0.833mm，測(cè)得型號(hào)為PC4-M5的氣動(dòng)接頭的大徑為9.536mm，中徑為9.005mm，小徑為8.381mm，螺距為0.918mm。其測(cè)量結(jié)果與本文設(shè)計(jì)的外螺紋檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，誤差結(jié)果計(jì)算如表1所示，最大誤差不超過25um，符合該螺紋加工誤差最大不超過65um的設(shè)計(jì)需求。

表1 誤差值對(duì)比

3 結(jié)語

本文根據(jù)氣動(dòng)接頭外螺紋加工要求的高精密性，設(shè)計(jì)了一套快速檢測(cè)其尺寸參數(shù)的自動(dòng)化設(shè)備，并基于LabVIEW軟件平臺(tái)開發(fā)了外螺紋關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，通過研究圖像預(yù)處理方法，獲得最清晰的外螺紋圖像，采用Sobel算子進(jìn)行邊緣提取，經(jīng)過圖像標(biāo)定后，最后采用卡尺工具進(jìn)行大徑、中徑、小徑以及螺距的測(cè)量。整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)誤差較小、速度較快，能夠滿足實(shí)際的生產(chǎn)需求。