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青岛科技大学研究生学位论文 基于计算机视觉的油管螺纹参数非接触测量系统的研究 摘要 本课题来源于东营胜利油田与青岛恒基泰有限公司的合作项目。 针对目前油管螺纹形状参数检测技术中存在的问题，本文参照a p i ( 美国石 油学会) 对螺纹几何尺寸的有关规定，结合现有图像检测理论，提出了基于计算 机视觉的非接触式检测方法，用来测量油管外螺纹的各项几何参数，并对其中的 有关技术进行了分析研究。 该检测系统原理为：利用c c d 摄像机采集螺纹图像，通过图像采集卡将图像 输入到计算机，然后对所采集到的图像进行数字处理，得到螺纹的轮廓图像。螺 纹轮廓图像( 以像素点数量表示) 与实际尺寸( 以毫米表示) 之间具有对应的 线性关系，即两者之间的测量比为常数k ，由摄像物镜的放大比和c c d 器件的放 大比所决定。通过一定的算法计算出螺纹的几何参数，最后与标准尺寸相比较判 断是否合格。 本文通过分析比较，采用了中值滤波进行图像降噪，中值滤波是非线性滤波 器，其基本思想是用像素点邻域灰度值的中值来代替该像素点灰度值。试验证明， 中值滤波后的图像均匀，噪声消除，极好地保持了边界信息。 螺纹尺寸测量的关键在于边缘轮廓的提取，本文采用c a n n y 算子进行边缘检 测，提供所需的二维轮廓线。在得到螺纹边缘轮廓后，需进行轮廓跟踪。轮廓跟 踪的目的是为了获取只有单一像素边缘轮廓，并去除轮廓上的毛刺和其它非轮廓 线上的噪声点。 最后，编制了包括采集、图像处理和测量计算的检测程序，可存储原始数据 文件、图像及测量结果报表。 实验表明本系统实现了油管螺纹几何尺寸的非接触测量，测量速度快、精度 较高，符合a p i 的规定，是测量油管外螺纹几何尺寸的一种有效方法。 关键词：计算机视觉；c c d ：油管螺纹：边缘检测：参数测量 基于计算机视觉的油管螺纹参数非接触测量系统的研究 r e s e a r c ho ns y s t e mo fn o n c o n t a c t t u b i n gt h r e a dm e a s u i u n gb a s e d o nc o m p u t e rv i s l 0 n a b s t r a c t t h i st o p i cc o m e sf r o mt h ec o o p e r a t i o np r o j e c tb e t w e e ns h e n g l io i lf i e l di n d o n g y i n ga n dh e n g j i t a il i m i t e dc o m p a n y i nq i n g d a o a i m i n ga tt h ep r o b l e m si nt h em e a s u r e m e n to ft u b et h r e a dp a r a m e t e r s ，t h ep a p e r p r e s e n t san o n - c o n t a c tm e a s u r i n gw a yw h i c hm a k e su s eo ft h ec u r r e n ti m a g e m e a s u r i n gt h e o r ya n di sb a s e do nc o m p u t e rv i s i o na c c o r d i n gt oa p id e f i n i t i o na b o u t t h r e a ds i z e t h ek e yt e c h n o l o g i e si nt h em e t h o da r ed i s c u s s e di nt h ep a p e r t h ep r i n c i p l eo ft h i sm e a s u r e m e n ts y s t e mi st h ef o l l o w i n g f i r s t ，i tm a k e su s eo f c c dc a m e r at ot a k eat h r e a dp i c t u r e ，t h e nt r a n s p o r t st h ep i c t u r ei n t ot h ec o m p u t e rb y p c ic a r d ，f i n a l l yg e t st h ep i c t u r eb yd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt h ec o n t o u r i np i c t u r ei sp r o p o r t i o n a lt ot h ea c t u a lo n e a n dt h er a t i oi sac o n s t a n tkd e t e r m i n e db y c c dc a m e r am a g n i f i e dr a t i o c a l c u l a t i n gt h eg e o m e t r yp a r a m e t e r sa n dc o m p a r i n g w i t ht h ed e f i n i t i o ns i z e ，w ec a nj u d g ei tw h e t h e r q u a l i f i e d t h i sp a p e ru s e st h em e d i a nf i l t e rt os m o o t hi m a g e ，a n dt h ep u r p o s ei st or e d u c e t h ei n t e r f e r e r s a c c o r d i n gt ot h et e s t ，w ec a nm a k et h ec o n c l u s i o nt h a tt h em e d i a nf i l t e r r e s u l ti sb e t t e rt h a no t h e rr e s u l t s ，b e c a u s et h ei m a g ei sc l e a r e ra n dt h ec o n t o u rl i n ei s w e l lp r e s e r v e d u n l e s sg e t t i n gt h ec o n t o u rl i n e ，y o uc a nn o td e t e c tt h eg e o m e t r yp a r a m e t e r so f t h r e a d t h i sp a p e ru s e st h ec a n n yo p e r a t o rt od e t e c te d g et of i n d2 - dc o n t o u rl i n e a f t e rt h i s ，i tn e e dt r a c et h ec o n t o u r t h ep u r p o s eo ft r a c i n gt h ec o n t o u ri st og e tt h e m o r ep e r f e c tc o n t o u rl i n e f i n a l l y ，at e s t i n gp r o g r a mi sd e v e l o p e dw i t ht h ef u n c t i o no fd a t a - c o l l e c t i o n ，i m a g e p r o c e s s i n ga n ds i z e sc a l c u l a t i o n t h eo r i g i n a ld a t af i l e 、i m a g e p r o c e s s i n ga n d m e a s u r i n gr e s u l tc a nb es a v e d 青岛科技大学研究生学何论文 a c c o r d i n gt ot h et e s t ，i ts h o w st h a tt h es y s t e mi sa c c u r a t ea n di t sp r e c i s i o n c o n f o r m st h ea p id e f i n i t i o na b o u tt h r e a ds i z e t h e r e f o r e ，i ti sa ne f f e c tw a yf o rt u b i n g t h r e a dm e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：c o m p u t e r v i s i o n ；c c d ；t u b i n gt h r e a d ；e d g ed e t e c t i o n p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 本课题的来源 第一章绪论 东营市胜利油田是我国东部重要的石油工业基地，是全国第二大油田，油田 自从转为抽油机井采油以来，逐渐出现了抽油管柱破坏和失效的情况，由此引起 的检泵作业量也越来越大，近几年的情况尤为突出，对采油厂的各项调研数据表 明，油管螺纹问题引起的检泵井数在逐年上升，而且占各种检泵情况之首。 因此，胜利油田技术部门联合青岛恒基泰有限公司开发研制一套基于c c d 的 螺纹参数非接触检测系统，对螺纹进行检测分析，做出评定，可有效减少不合格 螺纹下井，预防油管失效，从而保证油田的高产、稳产。 1 2 计算机视觉技术概述 计算机视觉又称机器视觉，计算机视觉技术作为计算机科学的一个重要分 支，在最近三十年中有迅猛的发展。其应用领域遍及工业、农业、科学研究、军 事等，对这些领域的自动化水平的提高发挥了重要作用。 计算机视觉系统是指用计算机来实现人的视觉功能，也就是用计算机来实现 对客观的三维世界的识别。计算机视觉系统主要由三部分组成：图像的获取、图 像的处理和分析、输出或显示。 计算机视觉作为一检测手段己经越来越引起人们的重视，逐步形成一种新的 检测技术计算机视觉检测( a u t o m a t e dv i s u mi n s p e c t i o na v i ) 技术。 a v i 是一种以计算机视觉方法为基础，综合运用图像处理、精密测量以及模 式识别、人工智能等技术的非接触检测方法。其基本原理是对由计算机视觉系统 得到的被测目标图像进行分析，从而得到所需要的测量信息，并根据己有的先验 知识，判断被测目标是否符合规范( 即合格或不合格) 。 1 3 计算机视觉工业检测现状阻“” 由于计算机视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易于同 设计信息以及加工控制信息集成，因此，在现代自动化生产过程中人们将计算 基于汁算机视觉的油管螺纹参数非接触测精系统的研究 机视觉系统广泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域。计算机视觉系统 的特点是提高生产的柔性和自动化程度。在一些不适合于人工作业的危险工作环 境或人工视觉难以满足要求的场合，常用计算机视觉来替代人工视觉；同时在大 批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高，用计算机视 觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度。而且计算机视觉易于实 现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。 国际上，图像和计算机视觉技术近年得到迅速发展，尤其是在一些高技术的 先进领域得到广泛应用。计算机视觉在工业在线检测的各个应用领域十分活跃， 如：印刷电路板的视觉检查、钢板表面的自动探伤、大型工件平行度和垂直度测 量、容器容积或杂质检测、机械零件的自动识别分类和几何尺寸测量等。此外， 在许多其它方法难以检测的场合，利用计算机视觉系统可以有效地实现。计算机 视觉的应用正越来越多地代替人去完成许多工作，这无疑在很大程度上提高了生 产自动化水平和检测系统的智能水平。 1 4 本课题研究的目的及意义 在石油工业中，要开采石油通常需要钻探很深的油井，随着钻探深度的增加， 钻杆的长度也要相应的增加，因此需要将多根钻杆连接在一起，油套管接头的作 用就是将两根钻杆连接起来。 钻探一口油井要花费大量的人力物力，旦钻杆断裂就会使这口油井报废， 这会造成巨大的损失和浪费，而从钻探工程现场事故分析得知，钻杆断裂与接杆 螺纹的精度密切相关，因此对油套管接头的精度要求非常高。 不规则的螺纹形貌如螺纹锥度误差过大，螺纹夹角尺寸误差较大，螺距不规 范等都会导致螺纹连接处应力场的特异变化，局部产生很强的应力集中，引起裂 纹源。螺纹连接尺寸的误差除了产生裂纹源，发生断裂外，还会使螺纹产生塑性 变形，降低螺纹的自紧性，易于产生脱扣现象，或者引起泄露，产生刺扣等破坏 现象。可见螺纹形貌对螺纹的连接性能有重要的影响。所以，对螺纹进行检测分 析，做出评定，可有效减少不合格螺纹下井，预防油管失效，从而保证油田的高 产、稳产。 要保证油套管接头的螺纹精度，螺纹检测和螺纹量规测量的工作量就非常繁 重。因此，加强螺纹特别是螺纹的检测和测量是当前螺纹测量领域中的一项重要 任务。 以往实现非接触测量几何尺寸，由于光电转换器件的局限性，使测量系统不 青岛科技火学研究生学位论文 仅机构复杂，而且在性能方面也难以满足测量精度和速度方面越来越高的要求。 近几年来各种新型c c d 器件的应用，使这些问题几乎都得到了很好的解决。c c d 具有的体积小、重量轻、分辨率高、精度高、稳定性良好等特点，使得测量系统 不必要配置十分复杂的运动机械结构，就可得到较高的测量精度和良好的测量稳 定性。 近几年来，随着高性能计算机的广泛使用，使得处理由c c d 采集到的大量数 据变得非常容易，包括对测量数据存储，自动补偿和校正，以致最后打印输出等 过程的处理速度越来越快，非常适用于产品的非接触测量、在线实时测量和质量 监控。因而基于计算机视觉的非接触式的检测技术，由于其具有检测效率高、成 本低，容易实现自动在线检测等优点。 而且采用对螺纹图像进行观察分析和检测的方法可以更加直观、有效地进行 螺纹失效研究。尤其对于损伤螺纹，接触式测量方法无法进行检测，而非接触测 量却有独到的优势。非接触式检测采用光学与图像处理技术相结合的方法，通过 对螺纹图像的分析实现各种几何尺寸的检测。 本课题基于计算机视觉技术，利用光电耦合摄像器件c c d 在自动非接触式在 线测试方面的显著优势，摄取油管螺纹的数字图像，应用数字图像处理技术的相 关原理与方法，提取出螺纹边缘轮廓图像，运用数字图像测量技术，以合理的算 法作为支撑，实现对油管外螺纹部分几何参数的测量。因此本课题的研究将是计 算机视觉技术与生产实际相结合的一个典型应用范例，具有极高的生产实践应用 价值，还有广泛的适用性。 1 5 论文的主要工作 通过分析系统的工作环境和所要实现的功能，通过分析目前油套管接头的现 阶段生产检测状况，通过检索各种参考文献，可以看出油套管接头的自动在线测 量仍然处于研究阶段。本文主要对油套管接头螺纹计算机测量系统进行了研究。 主要工作及成果为： 1 深入研究了基于图像处理的非接触检测方法，并在螺纹在线检测系统中 加以应用。所设计系统包括：图像采集、预处理、图像分割、边缘检测、断点连 接和螺纹几何参数计算等部分。 2 在图像预处理过程中，对常用的滤波技术进行了研究和分析，最后结合 线性光图像特有的特点采用了中值滤波算法，提高了滤波的效率。 3 分析总结了梯度法等多种边缘检测方法的优缺点，确定了c a n n y 算子在螺 基于计算机视觉的油管螺纹参数非接触测量系统的研究 纹参数图像边缘检测中最有效，并进行了分析和试验验证： 4 在对螺纹几何参数边缘目标提取过程中，根据图像测量的一般原理与方 法，通过几何计算提取出了螺纹的几何参数。 5 对测量系统的标定中，采用了新型的“网格式平行线标定法”，使系统较 传统标定参数更为准确。 青岛科技大学研究生学位论文 第二章油管螺纹参数测量的主要技术指标及方法 为了对油管螺纹计算机测量系统进行应用研究，首先要对螺纹参数测量的主 要指标进行讨论。 2 1 螺纹的种类及使用要求”6 螺纹联接在机电产品和仪器中应用十分广泛。按用途及使用要求的不同分为 三类：普通螺纹、传动螺纹及紧密螺纹。 1 普通螺纹 普通螺纹通常也称紧固螺纹，有粗牙和细牙两种。主要用于联结和紧固各种 机械零部件，如螺钉与机体的联结，以及用螺栓和螺母联结并紧固两个连轴器套。 对紧固螺纹，要求螺纹牙测面接触均匀、紧密，以保证一定的联结强度( 不过早 损坏) 和结合强度( 不自动松脱) ，同时要求具有良好的旋合性，以便于装配和 拆换。本文要研究的就是此类螺纹。这类螺纹在结合时，应保证其最小间隙等于 或接近于零，其公差带相当圆柱体间隙较小的几种配合。 2 传动螺纹 传动螺纹主要用于传递动力、运动或实现精确位移，如机床传动丝杠和量仪 测微螺杆上的螺纹。对传动螺纹，主要是要求具有传递动力的可靠性和足够的位 移精度，即保证传动比的准确性、稳定性及较小的空程；另外，还必须有足够的 灵活性( 传动轻便、效率高) 。故对这类结合必须保证最小间隙大于零。 3 密封螺纹 密封螺纹主要用于对气体的和液体的密封。对密封螺纹，要求保证具有足够 的联结强度和紧密性。如螺管纹必须保证不漏气、不漏水。显然，这类螺纹结合 必须有一定的过盈，它们的配合公差带，相当圆柱体的过盈和过渡配合。 2 2 油管螺纹的主要几何参数 对于油、套管螺纹。美国石油学会( a m e r i c a np e t r o l e u mi n s t i t u t e ，简称 a p i ) 规定了一套加工、测量和检验的标准。 螺纹联结是通过螺牙进行工作的。因此，为保证螺纹联结的使用要求，首先 介绍螺纹的基本牙型及其主要几何参数。 基于计算机视觉的油管螺纹参数非接触测量系统的研究 一普通螺纹的基本牙型 普通螺纹的牙型是在螺纹轴线的剖面上，截取原始三角形( 两个底边连接着 且平行于螺纹轴线的等边三角形，其高用h 表示) 的顶部和底部形成的。顶部截 去h 8 和底部截去h 4 形成基本牙型，如图2 1 所示。 从基本牙型可以看出，普通螺纹的主要几何参数有大径( d 、d ) 、小径( d l 、 d 1 ) 、中径( d 2 、d 2 ) 、螺距( p ) 和牙型半角( q 2 ) 等。代号中大写字母为内螺纹( 螺 母) ，小写字母为外螺纹( 螺栓、螺钉) 。此外，在保证使用要求方面还有旋合长 度。 图2 1 螺纹的基本牙型 f i g2 - i b a s l et u b i n gt h r e a dt o o t hs t r u c l u r e 二大径( d 、d ) 大径是指与内螺纹牙底或外螺纹牙顶相重合的假象圆柱面的直径。国际标准 规定大径的基本尺寸为螺纹的公称直径，内、外螺纹大径的基本尺寸相等。 三小径( d l 、d 】) 小径是指与内螺纹牙顶或外螺纹牙底相重合的假象圆柱面的直径。内、外螺 纹小径的基本尺寸相等( d l = d 1 ) 。由图2 1 知： d l d j d2 x 二。h = d 一1 0 8 2 5 p ( 2 - 1 ) o 式中h 原始三角形高度，h = 0 8 6 6 0 2 5 4 0 4 p 。 为了应用方便，与牙顶相重合的螺纹直径统称为顶径，即外螺纹大径和内螺 纹小径；与牙底相重合的螺纹直径统称为底径，即外螺纹小径和内螺纹大径。 四中径( d 2 、d 2 ) 中径是指通过螺纹牙型上沟槽和凸起宽度相等的一个假想圆柱的直径。此假 想圆柱称中径圆柱。内外螺纹中径的基本尺寸相等( d 2 = d 2 ) 。由图2 一l 知： 1 d 2 一d 2 d2 x 吾h = d o 6 4 9 5 p ( 2 - 2 ) 青岛科技大学研究生学位论文 五螺距( p ) 和导程( l ) 螺距是指相邻两同侧牙面，在中径线上对应两点问的轴向距离。对于大径 6 8 m m 的螺纹，同一个直径可以对应一个或几个螺距，其中最大的螺距称为粗 牙，其他均为细牙。 导程是指在同一条螺旋线上，相邻牙在中径线上对应两点间的轴相距离。对 单线螺纹，导程等于螺距；对多线螺纹，导程等于螺距与螺纹线数的乘积，l = n p 。 六牙型角( 口) 、牙型半角( 口2 ) 和牙侧角( 口。、5 2 ) 牙型角是指在通过螺纹轴线剖面内，相邻两牙侧间的夹角。牙型半角是指牙 型角的一半。普通螺纹的理论牙型角为6 0 0 ，牙型半角为3 0 0 。如图2 2 所示。 牙侧角是指在螺纹牙型上牙侧与螺纹轴线的垂线间的夹角。牙侧角基本值与 牙型半角相等。如图2 3 所示。 度。 9 垆轴线 图2 - 2 牙型角及牙型半角 f i g 2 2t o o t ht y p ea n g l ea n dt o o t ht y p eh a l f a n g l e 七螺纹旋合长度 一9 q 7 一! 一轴线 图2 - 3 牙侧角 f i g 2 3t o o t hs i d ea n g l e 螺纹旋合长度是指两个相互配合的螺纹，沿螺纹轴线方向彼此旋合部分的长 2 3 螺纹的作用中径及其合格条件 螺纹联接有以下的使用要求：可旋合性，即直径和螺距相同的内、外螺纹 能相互自由旋合；联接可靠性，即有足够的接触面积，从而保证一定的联接强 度。 为了保证可旋合性，在旋合长度内，内、外螺纹不得在大径及小径处相互干 涉，应在该两处留有一定的间隙，即内螺纹的大径和小径分别大于外螺纹的大径 和小径。因此，影响螺纹可旋合性及联接可靠性的主要因素是中径、螺距和牙侧 角偏差。 基于计算机视觉的油管螺纹参数非接触测量系统的研究 2 3 1 作用中径 实际生产中，螺距偏差和牙侧角偏差是同时存在的。为了保证旋合性，外螺 纹的实际中径必须减小，也可以理解为一个实际的外螺纹是不能与一个同样中径 大小的理想内螺纹旋合，而只能与一个中径较大的具有基牙型的理想内螺纹旋 合。其效果就相当于有螺距偏差和牙侧角偏差，使实际外螺纹的中径变大。在规 定旋合长度内，正好包罗变大了的实际外螺纹，且具有最小牙型的一个理想内螺 纹的中径，称为外螺纹的作用中径吐。它等于外螺纹的单一中径破。与螺距偏差 中径当量厶及牙侧角偏差中径当量厶，之和。对外螺纹为 d 2 n = 吐。+ ( 六+ 厶) ( 2 - 8 ) 当实际外螺纹各个部位的单一中径不同时，破。应取其中的最大值。 同理，螺距偏差和牙侧角偏差的存在，则会使实际内螺纹的中径减小，它只 能与一个中径较小的具有基本牙型的理想外螺纹旋台。在规定旋合长度内，恰好 与内螺纹旋合并具有最大牙型的个理想外螺纹的中径，称为内螺纹的作用中径 b 。它等于内螺纹单一中径d 2 。与螺距偏差中径当量耳及牙侧角偏差中径当量 艺之差。对内螺纹为 d 2 n = d 2 。+ ( 耳+ ) ( 2 - 4 ) 当实际内螺纹各个部位的单一中径不同时，d 2 。应取其中的最小值。 在大径与小径处不发生干涉的情况下，保证内、外螺纹能顺利旋合的条件为 d 2 m d 2 * ( 2 5 ) 2 3 2 中径极限偏差 由于螺纹偏差河牙侧角偏差对螺纹使用要求的影响，均可以折算为中径当 量，因此，对于普通螺纹零件，为了加工和检验方便，在国际中没有单独规定螺 距公差和牙侧角极限偏差而仅规定一项中径极限偏差。用螺纹中径的两个极限 尺寸，分别控制作用中径和单一中径，所以中径极限偏差具有三个作用：控制中 径本身的尺寸偏差、螺距偏差和牙侧角偏差。 23 3 螺纹的合格条件 合格的螺纹件，应符合极限尺寸判断原则，即泰勒原则。 对内螺纹d 2 m 2d 2 。= d 2 m d 2 。d 2 = d 2 ( 2 - 6 ) 青岛科技大学研究生学位论文 对内螺纹 以d 2 。= d 2 。 ( 2 7 ) 式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 说明：实际螺纹的作用中径，不允许超越其最大实体牙型 的中径，以保证可旋入性：实际螺纹任何部位上的单一中径，不允许超越其最小 实体牙型的中径以保证联结强度。 2 3 4a p l ( 美国石油学会) 关于油管螺纹的技术要求 油管在工作中不但要承受一定的内压，而且上部油管柱的螺纹接头在工作过 程中要受到1 0 多吨的轴向载荷，因此油管螺纹连接要有一定的高压密封性能( 普 通油管的密封能力应达到3 0 m p a ) ，又要有相当高的连接强度。螺距有每英寸l o 牙和8 牙不等。a p i ( 美国石油学会) 有一套美制油管螺纹尺寸规定，油管螺纹 的各种牙型尺寸，都是以油管螺纹轴线为基准的，在切割螺纹时，成型刀具的中 分线垂直螺纹轴线。 国产螺纹牙型尺寸是以a p i 为基准的。其基本尺寸理论值与美制螺纹理论值 相等，但在尺寸标注方法上更直接，而且将a p i 中要求间接推算的尺寸直接化了。 虽然a p i 油管螺纹与国产螺纹之间的尺寸规定方法不同，但他们的基本原理 和实际尺寸是一致的，各项尺寸都是以螺纹轴线为基准给出的。 2 4 外螺纹的传统测量方法 螺纹的检测分为综合检验和单项测量。 综合检验常用的量规是螺纹量规和光滑极限量规。用它们检验螺纹时，只能 判断被检测螺纹是否合格，而不能测出螺纹参数的具体数值。螺纹量规分为螺纹 塞规和环规，螺纹塞观和环规又分为“通规”和“止规”。综合检验的优点是效 率高，适用于大批量生产。 单项测量是对螺纹的各参数如中径d 。、螺距p 、牙型半角a 2 等分别进行测 量，主要用于精密螺纹，如螺纹量规、测微螺杆等：其次在加工过程中，为分析 工艺因素对各参数加工精度的影响，也要进行单项测量。该测量主要用于单件或 小批量生产。常用的测量器具有螺纹百分尺、万能工具显微镜等。 2 41 美国石油学会( a p i ) 对螺纹测量的有关规定 对于螺纹质量的检测，工业上使用的是螺纹环规和塞舰( 分别测量外螺纹和内 螺纹) ，用手上紧量规，根据上紧后螺纹与量规端面之间的尺寸是否在许用范围 内判断螺纹是否合格。 对于油、套管螺纹，美国石油学会( a m e r i c a np e t r o l e u mi n s t i t u t e ，简称 基于计算机视觉的油管螺纹参数1 f 接触测量系统的研究 a p i ) 规定了一套加工、测量和检验的标准。该标准中规定了一组量规用于螺纹的 生产检验，包括校对环规，校对塞规，工作环规，工作塞规，不同尺寸的螺纹配 有不同规格的量规。它们的基本尺寸与待测螺纹相同，但尺寸公差更精细。其中 校对量规用来校核螺纹既光滑又清洁的工作量舰，工作量规用于测量产品螺纹。 以环规为例，测量时用手拧紧环规，根据环规端面相对螺纹管端的紧密距离是否 符合给定的公差范围来判断螺纹产品的合格性。工作量规使用过程中耍定期检查 配对的环规和塞规之间的紧密距是否在公差范围内，并用校对量规进行检查确 定。该套量规的使用方便了生产，但并不能给出螺纹尺寸的数量化概念。 为了细致地检查螺纹的各种公差尺寸，a p i 又规定了一套仪器，对螺纹的各 种尺寸采用不同的仪器测量，并读出数值。锥度量规、螺距量规、高度量规和螺 纹轮廓显微镜分别用于测量螺纹的锥度、螺距、牙高和螺纹的侧面角。这套精密 仪器线性尺寸的测量精度为0 o l m m ，角度的测量精度为2 。测量每种螺纹尺寸要 使用不同的仪器，而且对不同规格的螺纹要选用不同的触头，仪器要求定位精确， 操作时应十分谨慎而灵巧，以保证按规范进行检验所要求的高准确度和精度。任 何仪器被摔或受剧烈震动就应重新校准或与已知精度的计量基准对比。仪器的使 用条件是严格的，适用于在制造地点进行产品验收。所以这套量具尽管功能齐全 但操作繁琐，使用不便，需要有一定资格的人员操作，效率较低，而且，该套量 规不能完成螺纹牙顶圆弧半径、牙底圆弧半径以及螺纹母线直线度的测量。 a p i 量规适用于螺纹的生产检验，它的测量要依据一些理想条件，例如，对 螺纹高度的测量是以牙顶母线为参考位置的，如果牙顶不平，或有加工缺陷，如 牙顶毛刺等，将引起测量误差。螺距量规测量螺距时，先用标准样板调零，以保 证补偿平行于圆锥锥体测量时造成的误差。标准样板是以标准的锥度值设计的， 当螺纹的实际锥度不是标准值时会带来测量误差。在对油管接头的实验分析中， 螺纹会随载荷的变化而产生变形，螺纹的变形将影响a p i 量规测量的准确性。 2 4 2 中径d 。的测量 1 牙型量头法 在螺纹轴线两边牙型上，分别卡入与螺纹牙型角规格相同的v 槽型和圆锥形 侧头，如图所示，与比较仪或干分尺结合使用，可测外螺纹中径。 将外径千分尺的平测头改成可插式牙型量头，就构成了螺纹千分尺，它附有 一套适应不同尺寸和牙型的成对量头。 由于半角误差等多种因素的影响，使测得值误差较大，用绝对法测量时，误 差达0 1 0 1 5 m m ；用比较法测量则误差可在0 0 3 m m 左右。故此法只适用于测量 精度较低的螺纹。 青岛科技大学研究生学位论文 图2 - 4 千分尺测中径 f i g 2 4m e a s u r em e d i u md i a m e t e rb yk i l oc e n tf e e t 2 量针法 把测量用的刚性圆柱形量针放在被测工件牙型内，然后，用相应的量具测出 量针外母线间的跨距m ，再通过计算求出中径的实际尺寸。可见，量针法实际上 是一种精密的间接测量方法。测量时，根据不同情况，可用三针、两针或单针三 种方法。由于三针量法测量结果稳定，应用最广。当螺纹牙数很少，如止端螺纹 量规，无法用三针时，可用两针量法。当螺纹直径 l o o m m 时，可用单针量法。 ( 1 ) 三针法( 又称三线法) 如图所示，根据被测螺纹的螺距所选取适当直径d 。，的量针，将其延螺旋线方 向分别放在工件两侧的三个螺纹牙槽中，然后用接触式量仪( 测微仪或光较仪等) 测出三针外母线之间的跨距m j 。 图2 - 5 量针法 f i g2 5m e a s u r eh a n dm e t h o d 根据图示的几何关系可知： 肇：d o _ + 生+ 一d c 一一b c ( 2 8 ) 基于计算机视觉的油管螺纹参数1 f 接触测量系统的研究 故 m ，= 吐+ 如+ 2 ( 丽一丽) b c 可在轴截面上求得，故 丽：! c o t 兰 42 d c 应在法截面上求得，则 所以 丽：立l _ 2 s i n 里 d 2 = m 3 一d o1 + j l s i n 生 ( 2 9 ) ( 2 一1 0 ) ( 2 一1 1 ) + ! c o t 竺( 2 1 2 ) 22 t a n 孚一詈c o s 妒 1 ( 2 一1 3 ) 式中妒量针与牙型角切点e 处的螺旋升角； 口轴向牙型角； 口。法向牙型角。 为减小半角误差对测量结果的影响，所选的量针直径与被测螺纹牙廓应刚好 在中径圆柱面上相切，此时为最佳量针直径d 。其表达式为 d o = 等( 2 - 1 4 ) c o s 2 当螺旋升角不大，且量针具有最佳直径时，则可用轴向螺旋升角口代替法向 升角口。，式( 2 1 2 ) 可写成 当口= 6 0 。时， d 2 = m 3 d o d 2 = m 3 3 d o + o 8 6 6 p ( 2 1 6 ) 但 甜一2 毗 p 一2 击气 + 青岛科技大学研究生学位论文 当g t = 3 0 。时 d 2 = 坞一4 8 6 3 d o + 1 8 6 6 p ( 2 - 1 7 ) 在最有利的情况下，三针量法比在万能工具显微镜上的测量精度和测量效率 高，且应用方便。 ( 2 ) 双针法 当被测螺纹小于三扣，放置三针有困难时，可在螺纹两侧半扣的沟槽中各放置一 根量针，两根量针外母线间跨距m 2 与三针法跨距m 3 问的关系如图所示。其计算 关系式为 蝎= j ( ”盯一他 ( 2 - 1 8 ) 将等式右边第一项展开 ( 如吨) 2 一( 导 2 = ( a t 一乩) 一i i x ；：j 万一去( z 一，。， 图2 - 6 双针法 f i g 2 6d o u b l eh a n dm e t h o d 取展开式前两项带入式( 2 - 1 9 ) 得： 坞= 鸩一丽p 2 再将此式代入式( 2 一1 2 ) 得： 破m 2 8 ( m 1 2 - d o ) a 2 一d o p 2 l + 上 口 s l n 一 2 ( 2 2 0 ) + 知詈( 2 - 2 1 ) 基于计算机视觉的油管螺纹参数非接触测量系统的研究 当口= 6 0 。时 d 2 = m 2 - 3 d 0 + 0 8 6 6 卜桶( 2 - 2 2 ) ( 3 ) 单针法 单针法是以测量螺纹外径d 为测量基准，测量出如图所示的跨距m 。m 与m 间的关系为 m 2 = ( m 2 + d ) 2( 2 - 2 3 ) m 3 = 2 m i d( 2 - 2 4 ) 将上述关系代入( i ) 式可得单针法的计算式为 d 2 = 2 m d o ( 1 + s i n - i 詈) + i pc o t 詈一d ( 2 - 2 5 ) 用两针和单针法测量中径时，测量误差与三针法相同。但两针法测量不易稳 定；单针法以外圆定位，测量精度不如三针法高。 2 4 3 螺距p 和牙型半角2 的测量 1 用组合量块比较测量 对于直径大于2 0 0 r a m 、p ) 3 m m 的螺纹，可以用下图所示的量块及正弦尺进行 测量。被测螺纹轴线垂直需垂直置于斜度等于a 2 的正弦尺上，再用杠杆干分表 先将螺纹牙型一个侧面找平，相邻牙侧量块问差距值应为 吼一h = p c o s 罢( 2 2 6 ) 图2 7 用组合量块比较测量 f i g2 7c o m p a r em e a s u r eb yc o m b i n e dm e a s u r em a s s 由式( 2 - 2 6 ) 可求出螺距p 。 牙型角的计算公式为 青岛科技大学研究生学位论文 s i n 薹= t h ( 2 - 2 7 )2 为了消除端面对轴线不垂直的影响，需在相距1 8 0 的相对位置上各测一次， 求其平均值。 2 用三针测量法测量牙型角 图2 - 8 三针法测量牙型角 f i g 2 8m e a s u r et o o t ht y p ea n g l eb yt h r e eh a n dm e t h o d s 如图2 - 8 所示，测量前先选择两种不同直径的三针，依照中径的三针测量法 分别测得跨距m l 和m 2 值，按式( 2 2 8 ) 计算： 口 s l n 一 彳 b 一爿 式中a 一一大小两套三针直径差，即a = d l - d 2 ； b - - 一用两套三针测量所得的跨距的读差数，即b = m 1 m 2 。 f 2 2 8 ) 基于计算机视觉的油管螺纹参数非接触测量系统的研究 第三章检测系统的构成及其测量原理 3 1 检测系统的基本构成 基于计算机视觉的非接触式检测平台是以c c d 测量系统的核心，在广泛研 究了光、机、电等各门学科相关理论的基础上，严格按照测量要求选用、购买仪 器及加工配件，既要保证测量精度、测试方法的先进性，又要兼顾经济、高效的 原则1 5 i 。 基于计算机视觉原理的油管螺纹螺纹非接触检测系统主要由以下两个重要 部分组成，即数字图像摄像系统( 硬件部分) 与数字图像处理及测量系统( 软件部 分) 。硬件部分示意图如3 1 所示。 图3 一lc c d 检测系统硬件示意图 f i g 3 1h a r d w a r eo f c c dm e a s u r i n gs y s t e m 数字图像摄像系统即螺纹检测系统的硬件组成部分，它主要由以下三部分构 成：外部光路成像系统、c c d 数据采集系统、步进电机驱动的机械传动系统。如 图3 2 所示。 6 青岛科技大学研究生学位论文 图3 - 2c c d 油管螺纹参数检测系统框图 f i 9 3 2d i a g r a mo f c c dm e a s u r i n gs y s t e mf o rt u b i n gt h r e a d 数字图像处理及测量系统即油管螺纹检测系统的软件处理部分，它的功能主 要是对摄取的数字图像进行相关的数字图像处理，以得到清晰的螺纹外形轮廓曲 线，并在此基础上进行螺纹尺寸参数的测量，并将测量的参数输出。数字图像处 理及测量系统共有两大模块，即图像处理模块和图像测量模块。其中图像处理模 块主要实现图像预处理、图像二值化、图像的边缘轮廓提取等功能；图像测量模 块主要实现测量系统标定、螺纹几何参数检测等功能。螺纹检测系统软件流程的 具体结构如图3 3 所示。 图3 - 3c c d 检测系统软件流程示意图 f i g ，3 3s o f t w a r ep r o c e s so f c c dm e a s u r i n gs y s t e m 基丁计算机视觉的油管螺纹参数非接触测量系统的研究 3 2 数据采集系统的构成“”1 3 1 数据采集的硬件部分包括照明光源、c c d 摄像头和数据采集卡。 3 2 1 照明光源 在基于计算机视觉油管螺纹检测系统硬件组成结构中，对于本身不能发光的 被测油管螺纹件进行测量时，需外加照明光源或辅以照明系统对其照明，将被测 螺纹置于尽可能均匀照明的可控背景前，以使被测螺纹轮廓清晰地投影成像于 c c d 上。对照明光源的选择要求是必须使被检测的螺纹得到均匀照明，否则会使 c c d 的成像质量受到影响，最终将影响测量结果。由于c c d 器件所需要的光强不 大，因此在实验过程中应使用平行光源或应用自然光近似做平行光源，如果有条 件再加一块红色滤光片；又因自然光的抗干扰能力较弱，为提高测量系统的稳定 性，应尽量消除外界杂光干扰或将整个测量系统放在一个封闭空间内。 3 2 2c c d 摄像头“” c c d 是英文( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 的缩写，中文通常将其译成“电荷 耦合器件”。 1 c c d 器件的基本结构及工作原理 c c d 是在m o s 晶体管电荷存贮器的基础上发展起来的，其工作原理是被摄物 体反射光线，传播到镜头，经镜头聚焦到c c d 芯片上，c c d 根据光的强弱积聚相 应的电荷，经周期性放电，产生表示一幅幅画面的电信号，经过滤波、放大处理， 通过摄像头的输出端子输出一个标准的复合视频信号。 2 c c d 摄像头的主要参数及型号选择 a ) 像素数 像素数指的是摄像机c c d 传感器的最大像素数，有些给出了水平垂直方向的 像素数，如5 0 0 h x5 8 2 v ，有些则给出了前两者的等待乘积值，如3 0 万像素。对 于定尺寸的c c d 芯片，像素数越多则意味着每一像素单元的面积越小，因而由 该芯片构成的摄像机的分辨率也就越高。 b ) 分辨率 分辨率是衡量摄像机优劣的一个重要参数，指的是当摄像机摄取等间隔排列 的黑自相问条纹时，在监视器( 应比摄像机的分辨率高) 上能够看到的最多线数， 当超过这一线数时，屏幕上就只能看到灰蒙蒙的一片而不再能分辨出黑白相问的 线条。 e ) 最低照度 最低照度也是衡量摄像机优劣的一个重要参数，有时省掉“最低”两个字而 直接简称“照度”。最低照度是当被摄景物的光亮度低到一定程度而使摄像机输 青岛科技大学研究生学位论文 出的视频信号电平低到某一规定值时的景物光亮度值。测定此参数时，还应特别 注明镜头的最大相对孔径。例如，使用f 1 2 的镜头，当被摄景物的光亮度值低到 0 0 4 l x 时，摄像机输出的视频信号幅值为最大幅值的5 0 ，即达到3 5 0 m v ( 标准视频 信号最大幅值为7 0 0m v ) ，则称此摄像机的最低照度为0 0 4 l u x f 1 2 。被摄景物 的光亮度值再低，摄像机输出的视频信号幅值就达不到3 5 0m v 了，反映在监视 器的屏幕上，将是一屏很难分辨出层次的、灰暗的图像。 d ) 信噪比 信噪比也是摄像机的一个主要参数。当摄像机摄取较亮场景时，监视器显示 的画面通常比较明快，观察者不易看出画面中的干扰噪点：而当摄像机摄取较暗 的场景时，监视器显示的画面就比较昏暗，观察者此时很容易看到画面中雪花状 的干扰噪点。干扰噪点的强弱( 也即干扰噪点对画面的影响程度) 与摄像机信噪 比指标的好坏有直接关系，即摄像机的信噪比越高，干扰噪点对画面的影响就越 小。 所谓“信噪比”指的是信号电压对于噪声电压的比值，通常用符号s n 来表 示。由于在一般情况下，信号电压远高于噪声电压，比值非常大，因此，实际计 算摄像机信噪比的大小通常都是对均方信号电压与均方噪声电压的比值取以1 0 为底的对数再乘以系数2 0 ，( s n ) d b = l o l g ( s n ) ，单位用d b 表示。 一般摄像机给出的信噪比值均是在a g c ( 自动增益控制) 关闭时的值，因为 当a g c 接通时，会对小信号进行提升，使得噪声电平也相应提高。c c d 摄像机信 噪比的典型值一般为4 5 d b 5 5 d b 。如果为5 0 分贝则图像有少量噪声，但图像质 量较好：如果能达到6 0 分贝，就不会出现噪声。 由此该测试系统采用了f i 本s o n y 公司生产的2 1 6 x 系列4 8 a p b p 型号的c c d 摄像机，它具有l 4 高清晰摄像头，它的具体参数如表3 一l 所示 图3 - 4c c o 摄像头 f i g 3 - 4c c dc a m e r a 基于计算机视觉的油管螺纹参数非接触测揖系统的研究 项目参数 图片像素 7 5 2 ( h ) x 5 8 2 ( v ) 水平解析度4 8 0 t vl i l 3 e 最低照度0 0 5 l u x 信噪比 4 8 d b 电子快门 1 5 0 1 i 0 0 0 0 秒 外形尺寸 11 8 m m ( l ) x b o m m ( w ) x 7 5 m m ( h ) 表3 1c c d 参数表 t a b l e 3 - 1c c dp a r a m e