淺談視覺技術(shù)在螺紋檢測上的應(yīng)用

顧峰，丁勝明，陸洋，劉大猛，李寧，齊同

1.一汽解放發(fā)動(dòng)機(jī)事業(yè)部錫柴工廠 江蘇無錫 214000

2.清華大學(xué)天津高端裝備研究院 天津 300304

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)事業(yè)部加工車間所有螺紋檢測均是操作工按檢測頻次，使用帶深度止口螺紋塞規(guī)進(jìn)行定性檢測，無法獲取當(dāng)前加工螺紋的技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)，檢測效率低，監(jiān)控手段差。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)事業(yè)部自制件缸體頂面螺栓孔和結(jié)合面螺栓孔這個(gè)應(yīng)用場景，發(fā)動(dòng)機(jī)事業(yè)部聯(lián)合清華大學(xué)天津研究院開發(fā)了一款基于內(nèi)孔展開鏡與內(nèi)窺鏡雙模式，應(yīng)用圖像采集系統(tǒng)和建立算法模型進(jìn)行尺寸及缺陷檢測的新型螺紋檢測系統(tǒng)。

檢測原理

1.內(nèi)窺鏡測量螺紋小徑

利用內(nèi)窺鏡正對(duì)螺紋孔進(jìn)行拍攝，內(nèi)窺鏡實(shí)現(xiàn)過程包括圖像采集、紋理提取、小徑定標(biāo)及小徑計(jì)算四個(gè)步驟。通過標(biāo)定獲取每圈像素與實(shí)際值比例系數(shù){Ratei}和標(biāo)定的參考值{Ri}。

對(duì)所拍攝的螺紋內(nèi)孔展開照片使用數(shù)字圖形方法處理（見圖1），最終獲得一組按大小排序的從外向內(nèi)的每圈螺紋的像素半徑{ri}，然后與標(biāo)定的參考值{Ri}進(jìn)行比例運(yùn)算，即可得到每圈螺紋小徑的測量值。

圖1 小徑紋理提取的圖像處理

設(shè)某一圈的實(shí)際測量值{Radi}，每一圈的直徑計(jì)算公式如下：

2.雙目視覺檢測螺紋牙型

檢測內(nèi)螺紋牙型幾何參數(shù)的方法是通過不同角度的鏡頭對(duì)內(nèi)螺紋進(jìn)行拍照成像，其基本原理為雙目視覺原理。

（1）雙目視覺原理 雙目視覺是利用視差原理的一種視覺方法，該方法是機(jī)器視覺立體成像的一種重要形式。利用兩臺(tái)相機(jī)從不同的位置獲取被測物體的兩幅圖像，通過計(jì)算圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的位置偏差來獲取物體三維幾何信息。

如圖2所示，空間中一點(diǎn)P（x，y，z）在左右相機(jī)中的成像點(diǎn)Pleft=（Xleft,Yleft）。

圖2 雙目視覺原理

Pright=（Xright，Yright）。將兩相機(jī)固定在同一平面上，則點(diǎn)P在Y方向的坐標(biāo)是相同的，即

Yleft=Yright=Y。根據(jù)三角原理，可得

式中f——相機(jī)焦距；

B——基線距離。

視差被定義為相同點(diǎn)在左右相機(jī)X方向的偏差，即Distance=Xleft-Xright。則點(diǎn)P在左相機(jī)坐標(biāo)系下的位置可以表示為：

當(dāng)兩個(gè)相機(jī)不對(duì)齊時(shí)，經(jīng)過標(biāo)定后可以知道左右兩臺(tái)相機(jī)光軸在實(shí)際空間坐標(biāo)系之間的夾角，然后通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和校正矩陣將圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到一組嚴(yán)格對(duì)齊的兩個(gè)相機(jī)坐標(biāo)系中，最后通過雙目視覺原理計(jì)算即可，圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式如下（設(shè)P點(diǎn)在左相機(jī)坐標(biāo)系中為（xL，yL，zL），右相機(jī)坐標(biāo)系為（xR，yR，zR）：

式中R——旋轉(zhuǎn)矩陣；

T——平移矩陣。

（2）內(nèi)螺紋牙型幾何參數(shù)測量 如圖3所示，內(nèi)螺紋檢測系統(tǒng)使用頂部安裝了可變角度平面反射鏡的內(nèi)窺鏡探頭，從不同角度反射后在相機(jī)上成像，就相當(dāng)于有兩臺(tái)相機(jī)分別從兩個(gè)角度拍攝，形成的一套雙目視覺檢測系統(tǒng)。探頭按拍攝角度阿a1，在-a2向里拍攝圖像，拼接成內(nèi)螺紋的完整圖像（見圖4）。

圖3 內(nèi)窺鏡的內(nèi)螺紋拍攝示意

圖4 α1和-α2角度拍攝示意

從某視角拍攝內(nèi)螺紋，照片效果如圖5所示，牙頂和牙底面由于與入射光方向接近垂直，反射光強(qiáng)度大，而牙側(cè)反射光強(qiáng)小，圖像實(shí)際表現(xiàn)為明暗相間的條紋狀。根據(jù)拍攝角度α（α1或-α2）與0°大小關(guān)系不同，明暗條紋的彎曲方向如圖5所示。從視角α拍攝內(nèi)螺紋時(shí)，圖6顯示牙型各部分對(duì)應(yīng)的條紋寬度（左牙側(cè)Ll，牙頂Lt，右牙側(cè)Lr，牙底Ld）。于是從兩個(gè)視角的牙型條紋寬度可以解出牙型實(shí)際參數(shù)。

圖5 內(nèi)窺鏡拍攝及螺紋圖像處理結(jié)果

圖6 計(jì)算原理示意

設(shè)牙側(cè)角分為y，計(jì)算步驟如下：

1）讀取所拼接的兩個(gè)視角的內(nèi)螺紋照片，使用自適應(yīng)閾值方法提取二值化明暗條紋。

2）經(jīng)過均值模糊、閉運(yùn)算降低二值化噪聲。

3）使用形態(tài)學(xué)圖像處理算法將明暗條紋進(jìn)行分割、標(biāo)記并計(jì)算每個(gè)條紋的寬度。

4）以螺紋口進(jìn)行對(duì)齊，得到4條條紋為兩組的螺紋牙型像素寬度序列分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)視角α1、α2。

5）根據(jù)平面幾何原理以及雙目視覺原理有如下計(jì)算公式。

結(jié)合前述計(jì)算的螺紋小徑與上述牙高、牙側(cè)角等數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步計(jì)算內(nèi)螺紋大徑和中徑，其中大徑為小徑與牙高之和，中徑為螺紋軸向截面內(nèi)牙型上的溝槽和凸起寬度相等處的高度與小徑之和，螺紋深度等于螺距乘以螺紋圈數(shù)n，其計(jì)算公式如下。

其中，θ=0.5+0.5（Ld-Lt）/（Ll+Lr）。

試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.試驗(yàn)平臺(tái)

如圖7所示，內(nèi)螺紋檢測裝置包括機(jī)器人、機(jī)器視覺模塊、控制模塊和中央處理模塊。如圖8所示，機(jī)器人是帶動(dòng)視覺模塊移動(dòng)的裝置，與控制模塊相連，接收控制模塊發(fā)送來的的指令進(jìn)行相應(yīng)移動(dòng)。

圖7 螺紋檢測總成結(jié)構(gòu)示意

圖8 機(jī)器視覺模示意

2.程序設(shè)計(jì)

內(nèi)螺紋檢測系統(tǒng)是以內(nèi)孔展開圖像和內(nèi)窺圖像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算內(nèi)螺紋小徑、牙高、牙寬、牙側(cè)角以及螺距等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)基本原理講述的方法，再進(jìn)行大徑、中徑、螺紋深度計(jì)算，最終將數(shù)據(jù)結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫同時(shí)輸出到Excel表格等文件中。軟件實(shí)現(xiàn)總體流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)工作流程

計(jì)算機(jī)程序操作，選擇內(nèi)螺紋類型，可實(shí)時(shí)采集圖像也可以讀取固定目錄下的圖像進(jìn)行處理（正常工作時(shí)是采集圖像）。采集圖像后，根據(jù)圖像種類不同選擇不同的處理函數(shù)進(jìn)行處理，完成3個(gè)基礎(chǔ)圖像處理后，點(diǎn)擊“計(jì)算牙型參數(shù)”按鈕，則開始計(jì)算所有參數(shù)并進(jìn)行存儲(chǔ)和輸出。

試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

1.試驗(yàn)過程

為驗(yàn)證內(nèi)螺紋檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，加工了20個(gè)內(nèi)螺紋工件，其中M18和M16各10個(gè)。這20個(gè)工件在第三方檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行了檢測，獲得了螺紋螺距、小徑、中徑及大徑等準(zhǔn)確的螺紋參數(shù)數(shù)據(jù)。本次測量試驗(yàn)以此20個(gè)工件為樣本，選擇M18和M16各5個(gè)進(jìn)行檢測。檢測內(nèi)容包含螺紋小徑、中徑、大徑、螺距以及螺紋深度。利用檢測數(shù)據(jù)與第三方檢測機(jī)構(gòu)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過對(duì)比數(shù)據(jù)檢驗(yàn)測量的準(zhǔn)確性。

2.試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

試驗(yàn)中選取了20個(gè)工件中的6個(gè)，分別對(duì)每個(gè)工件的第3圈螺紋進(jìn)行了測量，測量值統(tǒng)計(jì)見表1、表2。

表1 M16螺紋檢測數(shù)據(jù)

表2 M18螺紋檢測數(shù)據(jù)

其中選擇M16中徑和小徑為例，進(jìn)行25組數(shù)據(jù)MSA分析，分析結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 M16中徑MSA分析

圖11 M16小徑MSA分析

結(jié)語

本次試驗(yàn)是利用內(nèi)螺紋檢測系統(tǒng)對(duì)每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工件的同一位置重復(fù)測量，其數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性表現(xiàn)良好，所有測量數(shù)據(jù)的平均測量值和標(biāo)準(zhǔn)值的差值均在0.01mm以下，表明系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及算法設(shè)計(jì)能夠滿足系統(tǒng)精度要求。將附件每一個(gè)工件的測量數(shù)據(jù)填入Cgk表格中，其可接受率為100%，系統(tǒng)測量均能夠滿足Cgk表格測量要求。