（机械电子工程专业论文）基于机器视觉的螺纹测判系统的研究.pdf

l1 电， ，。 n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s 仃o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fm e c h a n i c a l & e l e c t c a le n g i n e e r i n g 燃 r e s e a r c ho nm e a s u r e m e n ta n de v a l u a t i o n s y s t e mo f t h es c r e wt h r e a d v i am a c h i n e s i o n t e c h n o l o g y a t h e s i si 1 1 m e c h a n i c a le n g i n e e r i r 培 b y w ud e x i n a d v i s e d b y a s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n g h o n 舒a o s u b m i 讹di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e 血g j a n u a 2 0 1 0 l i f j 。 ， j ； ， 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：丝圣釜 日期毕纽乒 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 螺纹是一种互换性和标准化程度要求很高的机械零件，广泛的应用在机电设备和仪器仪表 中。螺纹的接触式检测包括对螺纹合格性的综合性检验和确定中径、螺距、牙型角等某一几何 参数量值的单参数测量。一般手工使用螺纹量规实现螺纹的综合性检验，使用三针法、双球法 等实现螺纹的单项测量，而且需要根据被测螺纹的种类、尺寸查找相应的螺纹标准，人工判断 被测螺纹是否合格，检测速度慢、效率低，容易造成人为误差。 机器视觉技术是随着计算机技术的发展而产生的一门新兴技术，将其应用丁螺纹几何参数 量值的测量可提高检测效率，实现非接触测量。本文运用机器视觉技术实现了公制、美制外螺 纹的中径、螺距、牙型角等参数的非接触测量，利用w 矾d o w s 操作系统平台和c + + b u i l d e r6 o 设计了螺纹测判软件系统。具体工作内容如下： ( 1 ) 设计步进电机驱动的二维数控机械平台作为螺纹的测量平台，并以单片机为核心设计 该平台的运动控制系统，实现了对螺纹测量平台横向，纵向移动的控制；设计了机械平台位移量 的测量模块，采用光栅尺作为平台位移的检测装置，设计以单片机和f p g a 为核心的硬件电路， 实现了对光栅尺输出信号的采集、处理和与计算机的通讯。 ( 2 ) 设计了螺纹图像处理模块，利用d i r 优t s h o w 技术完成了螺纹的视频采集，得到了被测 螺纹的图像信息，通过对图像进行预处理、滤波、边缘提取等，获取了螺纹的轮廓信息。 ( 3 ) 设计了外螺纹参数测量模块，根据光栅信号处理模块得到的螺纹测量平台的位移量和 图像处理后获得的螺纹轮廓信息，实现了螺纹中径、牙型角和螺距等参数的测量。 ( 4 ) 在c + + b u i l d e r6 0 开发环境下，根据公制和美制统一螺纹的各个螺纹标准设计了外螺 纹评定模块，该模块根据被测螺纹的标称参数计算出螺纹的中径允值范围，并判断被测螺纹的 中径测量值是否在其中径允值范围内，从而实现了对被测螺纹合格性的判断；设计三针法测量 评判螺纹模块，该模块可根据被测螺纹的标称参数计算出测量所需的三针针径，并根据中径测 量值判断出被测螺纹是否合格。 利用本系统对普通公制、美制外螺纹进行了测量实验，并对测量结果和可能对实验结果产 生误差的因素进行了分析。实验结果表明，本文所设计的测判系统能够实现外螺纹参数的测量， 判断被测螺纹是否合格，不仅给出了正确的评判结果，而且避免了人工查表获取评判结果的烦 琐，提高了螺纹测量效率。 关键词单片机，f p g a ，机器视觉，图像处理，螺纹测量，螺纹评判 基于机器视觉的螺纹测判系统的研究 a b s t r a c t 1 1 1 ee x t e m a lm 佗a di s 觚i n d i s p e 璐a b l ep a no f 眦c h 粗i c a li i n k a g e 锄dt i g h t e n ，、】l 恤c hi sw i d c l y 懈o di ni n s 饥l i n e n t sa n de l e c 自m m e c h a n i c a le 【l u i p m e n t s t h 佗a dc o n t a c t m e a 飘l 眦e n ti n c l u d i n g c o m p r e h s i v ed e t e c t i f o r 衄e a de h g i b i l 时狮ds i n g l e p a m m e t e rm e 锻e m ts u c h 嬲t h ep i t c h d i 锄e t e r ，p i t c h ，岫a d 锄g l ee t c g e n e m l 堍c o m p r e h e i v c 曲【e c t i i si m p l e m t c d 砌眦a n yw i m t h e 鲇r e w 岫a dg 叭g e ，s i n g l e - p 盯a m e t 盱m e 嬲u r e m 胁ti s i m p l e m 锄t e dw i t ht h r - n e e d l em e t h o d 1 d o u b l eb a l ls c 他we t ca n dt h em e 鹤u i 谢m r e a d se l i g i b m 够c a nb ee s t i m a t e dm 柚u a n yb y c h c c l 【i n gw i t h t h es t a l l d a r da c c o d i n gt 0t h et h r e a dc a a e g o 巧柚ds i z e ，t h i sm e t l l o ds l o w l y i f f i c i n y 蛆de a s y c a u s em a n - m a d ee n d l s w i t l lt h ed e v e l o p m 即to ft l l ec o m p u t e rt e c h n o l o g m a c h i n ev i s i o nt e c h n i q u eh a sc o m et ob e 姗n 职，w h i c hc 跹b ea p p l i e dt ot h f 船dm 船s u r e i n tt oi m p m v et l l ed e t e c i e 伍c i 钮c ya n d t o h i e v et l l en o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n t 。mt h i sp a p e f an o 加舱lm r c a dm e a s l l r i n g 觚de v a l u a t i n gs y s 锄n i sd e s i 舯c db 嬲e d w 玳d o w so p e 随t i n gs y s t e m 蛆dc + + b u i l d e r6 os o 脚峨，s ot h a tt h e 血d d l e d i a n 圮t e r ，p i t c h 舭d 慨a d 觚g l co fm e t r i c 1 1 e w 也m a d s 蛆du 1 1 i f i e ds c r c 、t h l 。e a d sc 蛆b em 船s u 他d n o n c o n t a c t l y t h em a i n 坞s e a r c hc o n l 船t sa 嬲f o l l o w s ： ( 1 ) a 也r e a dm e a 蚰托m e n tp l a b 肌w 髂d e s i g n e d ，、v h i c hi sat 、) l ，0 一d i m e 璐i o n 龇m e c h a n i c a l p l a 怕n n d i r v e db ys t 印p 盯咖t o r a n dam o t i o nc o n 仃d ls y s t e m sw 雒d e s i g n e dt o c o n 仃o lt h e 铆。捌m e n s i o n a l 眦c h 姐i c a lp l a 响m 脚v e ，w h i c hm ec 0 陀i sm c i ，a 舭c h 锄i c a lp l a 响珊 d i s p l a c 锄e n tm e 勰l u e m e n tm o d h j l ew 鹤d e s i g n e d i nw h i c hal i n e 盯i su d 弱也cp l a t f o 咖 d i s p l a c 锄e n td e t t i d e v i c e ，m c ua n df p g a 嬲t h ec o 他o fs i g n a lp m c e 嚣i n gc 跏t t h a tm e s i 弘a lo fl i n e 缸c 龃b cc o u e c t c d 姐dp r o c e s s e d 蛆dt l l ec o n 删c 删w i mc o m p u t e f 啪b e 。 j i n p l e m 如t e d ( 2 ) a t h 飑a di m a g ep r o c 髂s i n gm o d l i l ew 舔d e s i 鲈e m 也em s u 同t 1 1 r c a di m a g ei n f o m 叭i 啪b e0 b t a i n c db ) rm i n gt h et e c h n o l o g yo f d 慨t s h o w ，a n d m ei m g cp c c s s i n gw 勰c a 玎i e d0 u t 内rt h e 帆a di n m g e ，跚c h 鹊p 他- p r o 路i n g ，丘l t c 】曲g ，e d l g e 饮镌c d o np r o c 髂s i n ge t c ，t h a tt h e 优dc o n t o u ri n f o n n a t i o nc a nb e0 _ b t a i n e d ( 3 ) ae x t e 眦lt h r e a dp 甜锄e t 既m 翩凰珊洳肋tm o “l ew 雒d e s i 驴e d b a s e d t h e 岫a d m 翻舳gd i s p l a c 锄e n t 、) l ，：t l i c h 啪b eo l 岫c db yu s i n gt h eg r a t i l l gs i g n a lp r o c e 鼹i n gm o d u l c ，a n d t h 删p m n ei n f o 衄撕o n ，砌c h 啪b e0 b t a i n e db yu s i n gt h ei m a g ep m c 岱s i n gm o d i i l e ，s ot h r c a d p 蜀响蛆e t e 话，s u c h 鹊p i t c hd i 缸：t e r t 0 0 t h t ) r p e 柚g l e 勰dp i t c ：h c 姐b em s u 陀d - 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 4 ) b a s e do nt l l em e 仃i c 锄du s t l i 舱a d ss t a n d a r d ，at l l l ? e a dw a l u a t i o nm o d u l ew a sd e s i g n e d ，i n t h i sm o d u l e ，t 1 1 er 锄g eo fm ep i t c hd i m e t e rc 觚b ec a l c u l a t e d c o r d i n gt 0m ec a l i b m t i o np a 删m t e r s o f 也em e 嬲u r e dt l l 代a d ，锄dt h e nt h et l l r e a de l i g i b i l i 锣w 嬲e v a l u a t e db yc o m p a r i n gm e a s l l r e d p i t c h 司i a m e t c rw i t h 也es t a l m a r dv a l at l l 咒a dm e 嬲u r e m e n t 柚de v a l u a t i o nm o d u l ew 懿d e s i g n e d f o rt h 他e - w i m e 嬲u 他m 姐t ，s 0m ew i 他d i 锄e t e rc 8 nb em e a s u r e d 锄dp v i d e da c c o r d i i l gt ot h e c a l i b r a t i o np a m m e t e 姻o ft i l r e a da n dt l l em e a s u r e dn l r e a de l i g i b i l i 锣c a nb ee v a l u a t e db yc o m p a r i n g t h em 髓s 眦dp i t c hd i a m e t e rw i t hs t 姐d a r dv a l u e ，i nc + + b u i l d e r6 o v i r o 姗e n t t h 他a dm s u 他m e n t 甑p e f i m e n tw a s c o m p l i s h c d m e t r i c 蛐du s t h | e a 出，a n dt h e e x p e r i m e n t a l 娜l t sa n dp o s s i b i ef i a c 衄o ft h e 锄瑙w 淞粕a l y s e d t h ee x p e r i i l 舱n t a l 陀s u l t ss h o w t l l a tt h em e 踟r e i n e n t 蛐de v a l u a t i o no ft h et h r e a dp 盯锄噼t e r s 缸ei l n p l e m e n t e de f f i c i t l ya n d 伽唿t e l yb y 砸i n g t h em s u r 证gm e n l o d 弛dt h e 印p l i c a t i o ns y s t e mo ft h i sp a p e rp r o 们d e d n o to n i y t t l ec o 鹏c te 、，a l u a t i o n 托s u ni sp r o v i d e d ，b u ta l t h et e d i o u s 枷f i c i a lt h 聆a ds t 锄d a r d sl o o l 【u pi s a v o i d e d 觚dt h ei 嚣u 崩n 钮te m c i c yi si n c 瞅峪e dc o 嬲e q u e n t i a l l y k e y w o r d s ：m c u ，f p g a ，m a c h i n e s i o n ，h i l a g ep r o c e s s i n g ，1 1 1 陀a dm 髓鳓血g ，a de v a l 嘲i 基丁机器视觉的螺纹测判系统的研究 目录 第一章绪论l 1 1 课题的研究背景与意义l 1 2 基于机器视觉技术的螺纹测量的研究现状”4 1 3 工作内容及章节安排5 1 3 1 工作内容5 1 3 2 章节安排6 第二章螺纹测判系统总体设计7 2 1 系统总体结构7 2 2 系统软件组成8 2 3 测判系统的工作过程1 0 第三章系统硬件及相关软件设计“1 2 3 1 机械平台控制系统的设计”1 2 3 1 1 步进电机及其驱动控制器的选择1 2 3 1 2 步进电机控制电路的设计一1 3 3 1 3 步进电机控制程序的设计”1 4 3 2 机械平台位移量的测量1 5 3 2 1 光栅信号处理电路的设计1 5 3 2 2 光栅信号处理软件的设计”1 7 3 3 螺纹图像的获取与处理1 9 3 3 1 获取螺纹图像”1 9 3 3 2 图像预处理2 l 3 3 3 图像阈值处理2 5 3 3 4 螺纹轮廓提取2 6 3 3 5 螺纹轮廓边缘的亚像素提取3 0 第四章螺纹测判软件的设计”3 3 4 1 螺纹参数测量模块的设计3 3 4 1 1 普通螺纹的主要几何参数3 3 南京航空航天大学硕士学位论文 4 1 2 螺纹基准轴线位置的确定3 4 4 1 3 螺纹中径的测量“3 5 4 1 4 螺纹螺距的测量3 6 4 1 5 螺纹牙型角的测量“3 6 4 2 螺纹评判模块的设计3 8 4 2 1 公制螺纹评判模块的设计3 8 4 2 2 美制螺纹评判模块的设计4 4 4 2 3 三针法测量及评判模块的设计4 9 第五章实验结果与误差分析5 3 5 1 实验结果5 3 5 1 1c c d 摄像头单位像元代表的实际尺寸的测量实验5 3 5 1 2 螺纹测判实验5 4 5 2 误差分析5 9 5 2 1 系统误差因素5 9 5 2 2 螺纹轮廓提取算法和参数测量算法造成的误差6 0 第六章总结与展望6 2 6 1 总结6 2 6 2 展望6 2 参考文献6 4 致 射6 7 攻读硕士学位期间发表( 录用) 论文情况6 8 v 基丁机器视觉的螺纹测判系统的研究 图清单 图1 1 三针法测螺纹中径l 图1 2m 2 5 d 数字式万能测长仪2 图1 3 马尔测长仪2 图1 4 “图像三针法”测量系统4 图1 5 螺纹参数测量仪4 图2 1 螺纹测判系统结构框图7 图2 2 测判系统软件的组成框图8 图2 3 螺纹测判系统的工作流程图1 0 图3 1 步进电机控制电路简图1 4 图3 2 单片机程序流程图1 4 图3 3 光栅信号处理模块硬件电路框图1 5 图3 4f p g a 的硬件电路简图1 6 图3 5 单片机硬件电路连接简图1 7 图3 7 单片机程序流程图1 8 图3 8 螺纹图像处理流程图1 9 图3 9 螺纹视频捕捉的f i l t c rg r a p h 。2 0 图3 1 0 灰度处理后的螺纹图像2 2 图3 1 1 中值滤波后的螺纹图像2 5 图3 1 2 阈值处理后的螺纹图像2 6 图3 1 3 两种边缘和边缘点处的一阶方向导数和二阶方向导数的变化规律2 7 图3 15c 锄y 算子流程图。2 8 图3 1 4 各算子检测到的螺纹边缘3 0 图4 1 普通外螺纹的主要几何参数示意图3 3 图4 2 螺纹中径位置示意图3 5 图4 3h 伽g h 变换中点线的对偶性3 6 图4 4h 伽g h 变换后得到的螺纹牙型两侧边的直线3 7 图4 6 公制普通螺纹的基本牙型。3 9 图4 7 外螺纹公差带位置4 0 图4 8 检查工件内螺纹用的螺纹塞规中径公差带。4 2 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 9 美制螺纹评判模块界面4 8 图4 1 0 三针法的测量原理4 9 图4 1 l 三针法测量模块的界面5 2 图5 1 图像法待测螺纹5 4 图5 2m 6 。5 5 图5 31 4 2 吼j n c 2 a 测量结果显示界面5 5 图5 4m 6 1 6 h 评判显示界面5 5 图5 5l 4 2 0 u n c 2 a 评判显示界面5 5 图5 6 三针法待测螺纹。5 7 图5 7m 4 5 0 5 6 9t s 三针法测量评判的结果显示界面5 8 图5 86 _ 4 吼n 旺3 a t s 三针法测量评判的结果显示界面5 8 表清单 表3 1 步进电机的技术参数。1 2 表3 2 步进电机细分驱动器引脚定义1 3 表4 1 螺纹顶径和中径的公差等级。3 8 表4 2 螺纹公差计算公式4 0 表4 3 螺纹量规的名称、代号、功能及使用规则4 l 表4 4 螺纹量规的中径公差和有关的位置要素值。4 2 表4 5 螺纹量规中径及其偏差计算公式4 3 表4 6 各螺纹系列每英寸牙数的可选数值4 5 表4 7 美制螺纹中径公差计算公式。4 6 表4 8 美制螺纹量规具体的名称、功能、代号标记及实例4 7 表4 9x 级和w 级公差4 7 表4 1 0 螺纹量规中径极限尺寸计算公式4 8 表5 1 单位像素对应的实际尺寸的测量实验结果5 3 表5 2 螺纹测量结果5 6 表5 3m 6 o 5 6 h 结果分析5 7 表5 4l 4 - 2 0 u n c 2 a 结果分析5 7 基于机器视觉的螺纹测判系统的研究 注释表 d 外螺纹大径 d 内螺纹大径 如 外螺纹中径 d 2 内螺纹中径 p螺距h 牙型角原始三角形高度 船 外螺纹基本偏差 e l 内螺纹基本偏差 外螺纹中径公差内螺纹中径公差 乃 外螺纹大径公差 殇 内螺纹大径公差 通端止端螺纹塞规中径公通端止端螺纹环规中径公 硫 差 差 环规中径中心线与其检验 校对螺纹塞规中径公差 ，卯 塞规中心线的距离 通端螺纹塞规中径公差中通端螺纹环规中径公差中 z p l 心线与工件螺纹下偏差的 z r 心线与工件螺纹上偏差的 通端螺纹量规中径公差中止端螺纹量规中径公差中 矽面 心线与磨损极限之间的距 w n g 心线与磨损极限之间的距 d 脚 三针针径最佳值 d m 标准中三针针径值 口 螺纹牙型角偏差c i牙型角偏差口的修止值 p螺距偏差 c 2 螺距偏差p 的修止值 三针针径偏差c 3 三针针径偏差的修止值 螺纹升角引起的偏差的修 测力引起的压陷变形的修 c 4c 5 正值 止值 v 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景与意义 螺纹是一种互换性和标准化程度要求很高的机械零件，广泛的应用在机电设备和仪器仪表 之中。螺纹检测有接触式测量和非接触式测量两种，其中接触式测量包括对螺纹合格性的综合 性检验和对螺纹中径、螺距、牙型角等某一几何参数量值的单参数测量；非接触式测量主要 是利用机器视觉技术的图像法和在工具显微镜上的影像法测量外螺纹参数。 综合检测法是按照泰勒的包容原则，用完整牙型的通端螺纹量规检验螺纹制件的可旋合性， 用截短牙型的止端螺纹量规检验中径单项的制造偏差【2 】，其检验合格的标志是通端量规能顺利 的与被检螺纹在全长上旋合，而止端量规不能完全旋合或不能旋合，否则即为不合格螺纹。综 合检测法在螺纹大批量生产抽检中使用方便，但是对于数量不大而又种类繁多的螺纹检测中， 由丁不同种类、不同尺寸的螺纹需要配套的螺纹量规，这就大大的增加了螺纹检测的成本，并 且综合检测只适用于一般精度螺纹制件的检测，且只能判断螺纹合不合格，若被检螺纹不合格， 问题的症结是无法得知的。 图1 1 三针法测螺纹中径 单参数测量法就是对螺纹的某个参数进行独立的测量，如三针法、双球法、千分尺法等， 其中最通用的方法是三针法测量螺纹中径。三针法的测量原理如图1 1 所示。三针法测量螺纹 时，首先要根据被测螺纹选择合适的量针，将具有同样直径d 棚的三根量针放置在被测螺纹凹槽 内，用接触式仪器或测微量具测出尺寸m 的值【3 】，通过计算可求出螺纹中径测量值。 以三针法为测量原理发展出的螺纹测量仪很多，例如数字式测长仪，该仪器能将测量结果 显示出来，但是对于螺纹的合格与否没有做出判断，如图1 2 所示的j d 2 5 - d 数字式万能测长 仪，只是将测得的结果显示出来，因此，使用这种测长仪仍然需要去查找各标准手册来判断所 基于机器视觉的螺纹测判系统的研究 测的螺纹是否合格。图1 3 所示为德国的马尔测长仪，该测量仪采用三针法和叔球法测螺纹， 可以得到内、外螺纹的中径，并对测量结果进行评判，可以判断被测螺纹是否合格，但是这种 测长仪的体积庞大，价格昂贵，而且一旦出现问题，维修起来也是非常麻烦的。 图1 2j d 2 5 d 数字式万能测长仪 图1 3 马尔测长仪 螺纹是一种标准零件，各国根据自己的实际情况对螺纹牙型和尺寸制定的螺纹标准也不尽 相同，现在和曾经常用的标准螺纹有【4 】： 1 国际公制标准螺纹( i n t i 舶a t i o n a lm e t r i c ds y s t e m ) 这也是我国国家标准c n s 采用的螺纹标准。牙顶为平面，易于车削，牙底则为圆弧形， 以增加螺纹强度，螺纹角为6 0 度，规格以m 表示，公制螺纹可分粗牙、细牙二种，表示法如 m 8 x1 2 5 ( m ：公制螺纹代号；8 ：公称直径；1 2 5 ；螺距) 。 2 美国标准螺纹( 加m r i c 锄s t a n d a r dt h r e a d ) 原美国国家螺纹标准。螺纹项部与根部皆为平面，强度较佳，螺纹角为6 0 度，规格以牙 数英寸表示，此种螺纹可分为租牙( n c ) 、细牙( n f ) 、特细牙( n e f ) 三级，表示法如l 2 - 1 0 n c ( 1 2 ： 外径；1 0 ：每寸牙数；n c ：螺纹代号) 。 3 统一标准螺纹n i f i e dn 【r e a d ) 由美国、英国、加拿大三国共同制订，为目前常用的美制螺纹。螺纹角为6 0 度，规格以 牙数英寸表示，此种螺纹可分为粗牙刑n c ) 、细牙( u n f ) 、特细牙n e f ) ，表示法如l 2 一l 吼烈c ( 1 2 ：外径；l o ：每寸牙数；u n c ：螺纹代号) 4 v 形螺纹( s h a r p v l l l r d ) 顶部与根部均成尖状，强度较弱，易坏，不常使用，螺纹角为6 0 度。 5 惠式螺纹m i t 、】l ，o n h1 1 b 哟d ) 英国国家标准采用的螺纹。螺纹角为5 5 度，表示符号为q 瞩， ，适用于滚压法制造，表示 法如w l 2 1 0 ( w ：惠氏螺纹代号l 2 ：外径；l o ：每寸牙数) 。 要判断被测的螺纹是否合格，需要选择与被测螺纹相对应的国家标准，然后将测量结果与 2 南京航空航天大学硕士学位论文 标准手册中的数据进行比较，从而判断螺纹是否合格，可见螺纹的整个测量过程是非常繁琐的。 机器视觉技术是用计算机来模拟人的视觉功能获取客观事物的图像，加以处理后最终用于 实际检测、测量和控制p 】。机器视觉系统主要由三部分组成：图像获取、图像处理和图像分析。 图像的获取实际上是将被测物体的可视化图像和内在特征转换成能被计算机处理的一系列数 据，它主要由照明、图像聚焦、图像形成三部分组成。视觉信息的处理技术主要依赖于图像处 理方法，它包括图像增强、平滑、边缘锐化等内容，经过这些处理后，输出图像的质量得到相 当程度的改善，既改善了图像的视觉效果，又便于计算机对图像进行分析、处理和识别。图像 分析主要包括图像分割、特征抽取、图像识别与理解等内容，通过提取描绘图像本质对象，并 对其特征进行研究，并利用其结果实现测量、分类、定位等需求睁7 1 。 基丁机器视觉的图像测量技术，是把被测目标的图像当作检测和传递信息的手段，它是以 现代光学为基础，融光电子学、计算机图像学、信息处理、计算机视觉等科学技术为一体的现 代测量技术，该方法广泛用于各种实时、在线的精密测量【8 】。基于机器视觉技术检测方法一般 有四种：基于参考的检测方法、非参考型检测方法、混合检测方法和基丁c a d 的检测方法【9 】o ( 1 ) 基丁参考的检测方法该方法采用点对点( 或特征对特征) 比较，利用了检测目标与参 考的差别完成检测。这类方法有：剪影法、模板匹配法、树法、句法和图匹配法。 ( 2 ) 非参考型检测方法该方法利用的是待测目标的一般特性，而不是特定的一个检测目 标，它不需要任何参考模式，而是利用设计规则，如果不符合设计规则就认为是不合格或有缺 陷。 ( 3 ) 混合检测方法上述两类方法各有优缺点，混合检测方法的思想就是采两者之长，避 两者之短。典型的方法有：用边界分析的模式检测、射线匹配算法、形状比较法、圆形模式匹 配法等。 ( 4 ) 基于c a d 的检测方法利用c 脒a m 技术建立物体的三维几何模型，成为c a d 模 型，将待测物体的图像与c a d 模型进行比较完成检测。 基于机器视觉的测量技术是适合现代制造技术和测量技术发展的一种检测方式，它具有以 下优点【i o 】l ( i ) 机器视觉系统比光学或机器传感器有更好的可适应性，它们使自动测量机器具有了多 样性、灵活性和可重组性； ( 2 ) 非接触测量使得被测物不用加以任何干扰限制，因此可以独立地、客观地对被测对象 进行静态和动态的测量，这使得许多不能在被测物上附加传感器的测量成为可能，且更客观、 直观； ( 3 ) 图像测量技术可以利用提高摄像机、扫描仪等图像采集设备的硬件的分辨率、调整光 学镜头放大倍数等方法，同时利用各种目标模式定位方法，特别是亚像素定位技术，明显的提 3 基丁机器视觉的螺纹测判系统的研究 高测量精度； ( 4 ) 随着计算机技术的不断发展，各类图像采集、处理新硬件的出现为图像测量技术提供 了新的方法和手段，再加上处理算法自动化程度和效率的提高，极大地减少了处理的工作量和 时间，大大的提高了自动化程度。 1 2 基于机器视觉技术的螺纹测量的研究现状 随着机器视觉技术和图像处理技术的发展，基于机器视觉技术的非接触式螺纹测量逐渐发 展起来，该测量方法采用机器视觉技术获取螺纹视频，采用图像处理技术获取外螺纹轮廓信息， 然后利用适当的算法测得螺纹参数，如螺纹中径、牙型角、螺距等。运用机器视觉和图像处理 技术检测螺纹，是非接触式测量，检测效率高，是螺纹检测的发展方向。 陈志刚等人【l l 】提出将传统的螺纹三针测量原理与图像测量技术相结合，使用图像的方法虚 拟出传统测量螺纹所需的三针，设计开发了一种基于c c d 图像的锥螺纹中径参数三维自动测 量系统，如图1 4 所示，该系统主要由照明系统、c c d 成像系统、图像及光栅数据采集卡、三轴 运动控制卡、计算机以及相应的图像处理和交互式软件组成，实现了图像三针法测量锥螺纹的 中径，并对图像三针测量法进行了误差分析。 图1 4 “图像三针法”测量系统图1 5 螺纹参数测量仪 t gqb 等【1 2 】采用激光测量器和p s d ( 相位敏感解调器) 制作了螺纹参数测量仪，如图1 5 所示。测量时将激光照射到被测螺纹上，其反射光达到p s d 上，由高精度的光栅尺记录螺纹移 动位移。这样就可以得到螺纹轮廓点的坐标，根据这些坐标测出螺纹参数的值。 王保保等【1 3 】提出了一种基于亚像素技术的外螺纹几何参数测量方法。在获取螺纹图像的基 础上，通过s o b e l 边缘检测算法获取螺纹轴剖面外轮廓的边缘，然后采用多项式插值的亚像素 定位算法精确定位螺纹轮廓，再采用曲线拟合算法拟合出螺纹外轮廓的形状，在此基础上实现 锥螺纹螺距的测量。 s h e nsw f l 4 】提出利用面阵c c d 成像系统，结合光学测量、计算机图像处理等技术，研制了 螺纹参数非接触测量系统，并以啦a b 为平台编制螺纹检测程序，利用边缘增强算法和c 姐n y 算子提取图像边缘信息，使用最小二乘法拟合出螺纹轮廓，实现外螺纹中径、牙型角等参数的 4 焦距等已知条 。 用图像边缘提 取算法提取出螺纹轮廓，并以此来测量外螺纹各个牙型处的螺纹中径值，取其平均值，即为被 测螺纹的中径值。 左建中等【1 7 1 提出使用十字窗图像边缘检测算法，使图像边缘精确定位在一个像素上，在此 基础上用二次多项式插值函数实现亚像素边缘检测，据此测量外螺纹中径、螺距，并利用h o u g h 变换算法确定螺纹牙型角。 刘庆民等【1 8 1 提出基于工业c t 技术及图像处理技术的滚珠丝杠副内螺纹的非接触测量方 法，利用工业c t 机采集内螺纹图像，经过图像预处理、二值化化后提取螺纹轮廓，然后利用 自编的程序测量和计算螺母的齿形圆弧、珠心径、滚道跳动及螺距，测量误差分别为o 0 1 7 衄、 士0 0 1 5 m m 、o 0 1 3 m m 和士o 0 2 5 m m 。 g a d e l i n a w l aes 【1 9 】设计的螺纹参数测量仪，使用高倍率的c c d 摄像头获取螺纹图像，使用 图像边缘提取算法获取螺纹轮廓，然后分析螺纹轮廓上的某些特征点，如拐点、极值点等，根 据这些点的特征测量螺纹参数。 梁学军等b 0 1 提出利用模板比对法检测螺纹的方法通过c c d 摄像头获取螺纹图像，使用 逐行扫描法提取螺纹轮廓，将提取的螺纹轮廓与对应的螺纹模板进行比较，从而判断被测螺纹 是否合格。 李国止等提出采用r 0 b e n s 算子提取螺纹边缘信息，然后使用以最小二乘法为引导的 h 0 u g l l 变换提取螺纹轮廓，据此测量外螺纹中径。 h 0 n gms 【2 2 1 和h efj 【2 3 1 提出利用h o u g h 变换拟合螺纹轮廓线，并据此来测量外螺纹的中 径、螺距等参数。 本文不仅利用机器视觉技术和图像处理技术得到螺纹边缘轮廓图像，实现了公制、美制外 螺纹的螺纹中径、螺距、牙型角等参数的非接触测量，而且为避免人工查表获取被测螺纹评判 结果的繁琐、提高测量效率设计了相应的螺纹测判软件。 1 3 工作内容及章节安排 1 3 1 工作内容 本文利用机器视觉技术获取螺纹边缘轮廓图像，不仅实现公制、美制外螺纹的螺纹中径、 螺距、牙型角等参数的非接触测量，而且为避免人工查表获取被测螺纹评判结果的烦琐、提高 测量效率设计了相应的螺纹测判软件。本文主耍工作内容如下。 5 基于机器视觉的螺纹测判系统的研究 ( 1 )设计螺纹测量装置。为螺纹测量设计二维移动平台及其运动控制系统，并在机械平台 上安装合适的光栅尺，以测量机械平台的移动位移。 ( 2 ) 在机械平台的止上方安装合适的c c d 摄像头，采用机器视觉技术来实现对外螺纹图 像信息的采集。 ( 3 )选取合适的图像处理算法对获取的螺纹图像进行处理，以获取被测螺纹的边缘信息， 并据此测量螺纹的中径、螺距、牙型角等参数。 ( 4 ) 根据螺纹标准手册设计计算螺纹中径极值的软件模块。 ( 5 ) 设计螺纹评判模块，软件上实现普通外螺纹的评判工作。 1 3 2 章节安排 本文主要实现普通外螺纹的图像法测量和被测螺纹评判的软件设计，全文章节安排如下： 第一章主要论述普通外螺纹测量技术的概况，以及基于机器视觉技术的螺纹测量的发展现 状。从而引出了本文的选题； 第二章主要介绍螺纹测判系统的总体方案设计、系统软件设计以及系统的测量原理； 第三章主要论述螺纹测量装置的实现，即机械平台控制的控制系统和平台位移测量系统的 硬件设计和软件设计，以及螺纹图像的处理算法的设计； 第四章主要论述螺纹测量软件的实现，即螺纹各参数的测量算法、螺纹评定算法、以及各 软件模块的开发过程； 第五章主要是螺纹的测量和评判的实验、结果分析和误差分析； 第六章为全文总结与展望，总结了本文的主要工作内容，并对论文工作的后续研究方向做 了说明。 6 2 1 系统总体结构 本文设计的螺纹测判系统主要由二维机械平台、图像采集系统、运动控制系统、光栅位移 测量系统、主控计算机及相关系统软件组成，其结构框图如图2 1 所示。 图2 1 螺纹测判系统结构框图 1 二维机械平台 二维机械平台用来放置被测螺纹，是螺纹的测量平台，由丁本文设计的测量螺纹系统需要 用投射光从螺纹下方