（机械工程专业论文）圆柱螺纹牙型非接触检测失真校正.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 阀门通常用螺纹与其它器件相连为保证连接质量，对有高气密性要求的阀门需要逐 一进行螺纹质量检测。在人力成本不断增加、对阀门产品的质量要求日渐提高的趋势下， 研究全自动化阀门检测流水线中的螺纹参数自动测量技术具有重要的意义 基于c c d 的视觉检测可以实现螺纹参数的自动测量，并且易于集成，但存在如下问题： 当c c d 摄像机光轴与螺纹轴线垂直时，螺纹牙型会产生失真现象；而将c c d 摄像机光轴与 螺纹轴线错开一个夹角的传统处理方法存在费时、需要高精度调整设备等缺点，不易在流 水线上集成。针对上述问题，本文提出了从螺纹牙型失真的几何原理出发，通过建立相应 的螺纹数学模型对采集的螺纹图像进行校正，从而获得真实螺纹牙型的图像校正的方法， 并通过软件仿真和试验验证了该模型的正确性。 第一章首先介绍了螺纹视觉检测的背景和涉及的相关理论，然后介绍了它的国内外研 究现状 第二章介绍了阀门自动检测流水线的总体方案设计、各工位的机械结构设计 第三章介绍了螺纹视觉检测系统的设计 第四章推导螺纹牙型失真数学模型。 第五章研究基于螺纹牙型失真数学模型的螺纹图像校正过程，论证其正确性。 第六章概括本文的研究内容并指出有待进一步深入研究的难点。 关键词：阀门检测流水线，基于c c d 摄像机的视觉检测，失真，校正 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h f e a d e dc 0 衄e c t i o n sa r eg e n e r a l l yu s e di nc o l l l l e c t i n gv a l v e s 谢mo t l l e rc o i n p o n e i i t s i i l o r d e rt 0e n s u r et l l eq u a l 毋o ft i l ec 0 皿e c t i o i l m ev a l v e sw i l i c hh a v el l i 曲r e q u i r e m e m so fa i r t i g h t n e s sm u s tb ei n s p c e do n eb yo n e w i 也t l l ei i l c r e 2 u s i n go fl a b o rc o s t s 觚dv a l v eq u a l i 哆 r e q u i r e l n e n t s ，i t 丽l lm a l 【e9 0 0 ds e n s et or e s e 碱o na u t o m a t i cv a l v ei n s p e c t e dp i p e l i n e c c d - b a s e d 啊s u a l i i l s p e c t i o n o f 1 r e a dp 黝e t e r si sag o o dw a yf o ra u t o m a t i c m e a s u r e m e mo nl i n e ，m e 觚w h i l e ，i te a s yt 0i n t e 伊a t e h o w e v e r ，c c d - b a s e dv i s u a li n s p e c t i o no f 廿a dp 撇n e t e r sh 嬲n 圮f 0 1 1 0 、 ，i n gp r o b l e m s ：1 1 鹏a df 0 衄w i l lc a u s ed i s t 砥i o i l ，w h 铋 m e a s u r i n gp a r a l l e ls c r e w t 1 1 r e a dp 啪曲e r sb a s e do nn o n - c o n t a c tm 甜1 0 d t h et r a d i t i o n a lw a yi s 删u s t i n g 廿l eo p t i c a la x i st oas u i 诎l ea 1 1 9 l e 晰mt h e l r e a da x i st 0a c q u i r em er e a l 恤e a df o m p r o j e c t i o l l ，w i l i c h h a u ss o m e d e f - e c t s ， s u c ha st i m ec o n s u m i r 培，n o ts u i tf o r p i p e l i n e ， l l i 曲e r - p r e c i s i o ne q u i p m e mf o r 删u s 妞1 e ma n ds oo n h e n c e ，an e wm e m o d l r o u 曲d i g i t a l i m a g e c 2 l l i b r a t i o ni s p r e s e n t e d b e g i i l i l i n g 而廿1 n l et l l r e a d g e o m e 仃i c a lp r i n c i p l e ，也e m a t l l 锄撕c a lm o d e li sg i v e no u t w i 也m ea b l 0 v en l r e a dm 砒e m a t i cm o d e l ，i m a g e so b t a i n e d f 如mc 锄e ma r ec o r r e c t e d 缸dr e a lt 1 1 r e a df 0 珊c a nb e9 0 t w i mn l er e s m t so fr e l a t e d e x p e r i m e n t sa 1 1 ds 血u l a t i o nn l em a t h e m a t i cm o d e l i sc e n i f i e d n l ef i r s t 却t e ri n 仃o d u c e st 1 1 eb a c k g r o u i l d 锄dr e l e v 锄恤o r yo fc c d - b a s e dv i s 试 i l l s p e c t i o l l a l l dn l e nd e s c r i b e si t sr e s e a r c hs t a l 瑚 t h es e c o n dc h 印t e rd e s c r i b e sn l eo v e r a l ld e s i 印a 1 1 ds 眦i o nm e c h a i l i c a l 咖c t u r ed e s i 乒o f a u t o m a t i cd e t e c t i o nv a l v ep i p e l i i l e 1 1 1 et 1 1 i r dc h a p t e ri n 仃o d u c e st l l ed e s i 舭o fc c d b a s e dv i s 砌妇p e c t i o n n l ef o m lc h a p t e rr e s e a r c h e s0 n 缸e a dd i s t o r t i o nm 抽e m a t i c a lm o d e l t h ef i r hc h a p t e rr e s e a r c h e so n 也ec o r r e c t i o np r o c e s so ft 1 1 r e a di i i l a g ed i s t o r t i o n ，a n d d e m o n s t r a t e st l l ec o n e 以l e s so ft 1 1 em o d e l t h es i x 廿lc h a p t e rs u m m a r i z e s 也ec o n t e n t so ft l l i ss t u d y ，a n d 舀v e so u tm ep o i i l t sw l l i c hn e e d t ob er e s e a r c h e d 矗】r t b e r 1 ( e y w o r d s ：卸t o m a t i cv a l v ei i l s p e c t e dp i p e l i n e ，c c d - b 笛e dv i s u a l i n s p e c t i o n ，d i s t o r t i o n ，c 0 r r e c 协e s s 致谢 时间匆匆流逝，没有做丝毫的停歇。转眼闻研究生阶段即将结束，在这短短两年多时 间里，自己无论是在专业知识上，还是为人处世上都成长了许多首先我要感谢我的导师 沈萌红教授，从我们第一次见面开始，他就耐心的指导我，告诉我研究生阶段与本科生阶 段的不同，教我如何适应研究生的生活，如何安排好自己的时间。每当我在科研上遇到困 难，他都以他独有的方式教我如何看待问题、思考问题、解决问题、总结问题沈老师兢 兢业业、严谨求实的精神作风深深感染了我，使我受益匪浅。借此论文完稿之际，向他表 示由衷的感谢 衷心感谢浙江大学机械工程学系机械设计研究所的冯培恩教授、顾大强教授、陈宗农 教授、王玉新教授等对我学习和生活上的帮助和关怀。 感谢浙江大学宁波理工学院机械与能源分院机电所的陈俊华教授、林瓒老师、王贤成 老师、王向洋等老师在宁波理工学院的时光里，我在您们的团队中度过了美好的时光， 在与您们的交流中不断学习，在项目研发中不断成长 感谢同窗刘伟平、蒋扬峰、李荣鹏、陈仁武、褚伟锋、张世珍、刘屿等对我的帮助。 由于需要长时间随导师在宁波理工学院从事项目研发，许多消息、事情无法及时处理，你 们给我伸出了援助之手；感谢同门曾成洲，在研究生的两年多美好时光里，我们一起探讨 科研、一起面对困难、解决困难；感谢我的室友刘际轩、刘日明、彭新源，是缘分让五湖 四海的我们聚在了一起，是大家的努力让寝室成为一个温暖的家；感谢好友叶友本，在我 遇到困惑的时候，是你让我从中走了出来；感谢宁波市宁海县志清实业有限公司在项目研 发过程中对我的支持与帮助。 最后，我要感谢我的父母、妹妹一直以来对我的支持和无微不至的关怀。你们是我勇 往直前的精神动力，是你们让我感受到人生有多么美好。希望在以后的人生旅途中，自己 不辜负你们对我的期望。 沈绍锋 2 0 1 1 年1 2 月于浙大求是园 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题研究目的及意义 现代制造业的不断发展对零部件提出了新的、越来越高的要求。快速响应市场需求的 能力是企业竞争力的重要保证。企业一方面需要通过提升零部件的自动化生产能力，增加 生产效率，降低人力成本；另一方面，也需要提升零部件的出厂质量检测技术的水平，增 加检测的效率和一致性。并通过对检测结果进行分析，提供生产所需要的反馈信息在这 一发展趋势下，许多传统的检测方法已经无法满足人们的需求：手工检测方法效率低，一 致性差，对工人的操作水平有较高的要求，同时很难对结果进行量化分析和统计学分析， 难以及时地为生产提出改进方向 2 1 世纪以来，随着网络信息化技术和计算机技术的飞速发展，检测技术出现了一些 新的特点，主要体现在检测手段的多样性、检测过程的易操作性。视觉检测技术作为一种 新兴的计算机检测技术，得到了越来越多的重视它有其特别的优势：速度快、精度高、 非接触、和其它技术易于结合形成自动化控制系统，从而节约人力成本，满足现代化的需 求羽。 大部分阀门生产企业属于劳动密集型的制造企业，需要大量的车间操作工人，一部分 负责阀门生产，一部分负责阀门的检测。随着我国人民生活水平的提高，人力成本在不断 增加，人们对于阀门产品的质量要求提出更高的要求，针对阀门企业的具体需求，研发金 自动化的阀门流水线具有重要意义。 阀门通常通过螺纹联接的方式与其他元件相连，螺纹联接的可靠性对产品的质量有重 要影响口咱3 基于c c d 视觉检测可以在流水线上实现螺纹参数自动测量，并且易于集成 但基于c c d 摄像机的螺纹视觉检测存在如下问题：当c c d 摄像机的光轴与螺纹轴线垂直时， 螺纹螺旋线对螺纹牙型产生局部遮挡现象哺叫1 ，从而无法从图像中获得真正螺纹牙型传 统的处理方法是通过调整视觉轴线与螺纹轴线间的夹角以获得真实螺纹牙型的投影，但这 种方法需要精密的调整装置、费时、不易在流水线上集成。本文提出了运用图像校正方法， 即从螺纹遮挡现象产生的原因出发，建立相应的螺纹数学模型，包括真正螺纹牙型方程， 可视的螺纹牙型方程，以及它们之间的差值方程等；并通过上述方程，对来自摄像机图像 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 的点进行校正，然后通过曲线拟合这些经校正的点，得到更精确的螺纹牙型；最终得到更 精确的螺纹参数，包括螺距、牙型角、中径等等 1 2 背景与涉及的相关理论 1 2 1基于数字图像处理的非接触检测研究状况 在工业产品质量检测过程中，为了能更好获知产品性能参数，判断其是否符合标准， 人们设计了各种各样的测量途径。从方式上，测量可以分为接触式和非接触式 接触式测量时测量器具与被测物接触，如利用游标卡尺、千分尺测量零件长度，孔径， 三坐标测量仪测量复杂机械曲面的三维坐标，螺纹塞规检测内螺纹是否合格等等，但接触 式测量往往效率不高，不宜用于测量薄壁、易碎零件 非接触测量多数利用光进行测量利用光学图像确定被测物的尺寸、位置、形状、方 位等参数光测方法涉及光学的相关知识以及数字图像处理技术。传统的光学测量往往需 要人工作业，没有或很少有配套的软件资源支持，限制了光测阳3 的推广运用 随着计算机技术和数字图像处理技术的发展，光测迎来了新的飞跃。计算机数字图像 处理技术的运用，大大丰富了光测的手段，提高了光测的精度。 c c d 摄像机技术的迅速发展为非接触检测开辟了新的领域它将计算机技术与光测技 术有机结合起来，从c c d 摄像机的图像获取到利用p c 强大的数字图像处理能力以及超大 容量获得最终结果。随着网络技术、通信技术、数据库技术、控制技术的日益成熟，非接 触检测逐渐实现了系统化在工业化自动生产线上，基于c c d 摄像机的视觉检测系统发挥 越来越大的作用；而它的在线实时检测、数据存储统计、故障诊断、远程监控等功能也日 益成熟可以预计，在未来的几十年，基于c c d 的非接触视觉检测将为我国工业现代化提 高强有力的支持。 1 2 2 基于数字图像处理的非接触检测所涉及学科 基于数字图像处理的非接触检测涉及了包括计算机视觉、光学工程、数字图像处理等 多个学科 1 、计算机视觉 计算机视觉技术是一门涉及神经生物学、心理物理学、图像处理、模式识别、人工智 能的复杂学科q 。人类的视觉系统主要通过视网膜成像，由大脑加以控制，包括对人眼 感知到外界信号进行获取、处理、保存、判定、通过四肢作出反映等；通过两只眼睛，人 类可以对外界环境进行三维的理解。计算机具有强大的分析、处理能力，有超大的容量， 2 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 就好比人类的大脑，而这些优势可以运用到数字图像处理上此外，c c d 摄像机技术的发 展也推动了视觉技术在实际中的运用n 羽。 2 、数字图像处理 数字图像处理技术又称为计算机图像处理技术n 3 峭3 ，它包括将图像信号转换成数字信 号和利用计算机对信号进行处理两部分在2 0 世纪5 0 年代，随着计算机技术的发展，人 们开始利用计算机处理图像信息。早期进行图像处理目的是改善图像质量 数字图像处理有如下优点：1 ) 再现性好；2 ) 适用面宽；3 ) 灵活性高；4 ) 信息压缩 潜力大。 数字图像处理关键技术包括图像的灰度分析、图像的数字化、图像增强、图像变换、 图像滤波、图像分割、图像复原、图像压缩编码、三维成像、边缘检测等。 目前，数字图像处理应用领域越来越多，涉及工业、农业、通信、航空航天等领域， 并且扮演着重要角色。它未来发展方向包括以下4 个方面：1 ) 朝高速度、高分辨率、立 体化、多媒体、智能化、标准化方向发展；2 ) 提高硬件处理速度；3 ) 研究新理论、新算 法；4 ) 研究硬件芯片，固化图像处理许多功能 1 3 国内外研究现状 螺纹检测最初使用螺纹量规进行人工检测，这种方法较繁琐，效率低下。随着科学技 术的发展，出现了专业螺纹测量仪器，它们可以分为接触式和光学瞄准式。接触式测量仪 测量原理是通过两个半球式探头自定心来测量螺纹参数，如通过螺纹千分尺、三针法等等 脚5 1 ，但是这些方法都存在缺点【凇7 】，例如费时、出错率高，对操作人员要求较高光学 瞄准式主要是利用万能工具显微镜等光学仪器，这样方法通过人为操作，不确定因素多， 自动化程度低，容易造成人眼疲劳 随着计算机技术和c c d 摄像机技术的迅速发展，基于c c d 摄像机的螺纹检测系统得 到快速发展2 粥羽。目前的螺纹测量仪基于图像处理技术，通过c c d 摄像机获取螺纹图像， 通过计算机对采集的图像进行处理、分析，涉及的算法主要包括滤波、二值化、边界提取、 亚像素定位、螺纹参数提取，最终得到螺纹的相关参数信息。由计算机获得的测量结果可 发送到控制系统( p l c 、单片机等) 或直接输出这种方法无需三针等辅助手段，不存在 探头磨损的问题，操作简单，一致性好，易于实现螺纹检测自动化和存储螺纹数据。 国内外相关学者也对基于视觉的螺纹非接触检测做了各种研究。j o h nc 锄y 【3 9 】提出了 一种基于计算机技术的边界检测方法。n l e op a v l i d i s 【4 0 】提出了一种图像分割的算法，这种 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 方法能将区域生长和边界检测联系起来j i a n gx i a o y i 【4 1 1 等基于扫描线近似技术提出了一 种新的边界检测算法，可用于各种图像处理中。 基于各种图像处理算法，出现了一系列非接触螺纹自动检测系统。y ul i j u l l 【4 2 】提出了 运用数字图像处理技术来测量螺纹参数的方法，包括c c d 摄像机校正、图像获取、边界 检测、图像处理，数据分析、误差分析。s h e ns h a o w e i 【4 3 1 开发了基于c c d 摄像机的螺纹 参数非接触测量系统esg a d e l m a w l a 【删运用m i c r o s o n s 砌c + + 6 0 开发了圆柱螺纹自 动检测、监控系统，这种系统不仅能检测各种螺纹，而且能检测螺纹大部分的参数( 1 6 种) ，提供参照螺纹和偏差范围检测 同时，研究者们也在拓展螺纹非接触检测的使用场合f u j u nh e 和x u m i n gc u i 【钉提 出了一种用于油管螺纹非接触检测的方法，这种方法采用的是视觉技术和图像处理技术 c r o b e r t s o n 和r b f i s h e r h 们提出一种从三维数据中提取螺纹参数的方法所以的这 些非接触方法的优点有，易于实现自动化或半自动化、快速检测、高的检测重复性但上 述的方法并没有考虑平行视觉平面下螺纹牙型失真的问题。 何富君和张瑞杰饰3 等在研究圆锥外螺纹的线阵c c d 非接触检测方法时，提出通过调整 视觉轴线与螺纹轴线问的夹角以获得真实螺纹牙型的投影的方法；常忠伟7 1 等在研究圆锥 螺纹测量成像方法时，也提出上述的方法，但这样方法需要高精度的调整设备、费时、不 易于自动检测流水线集成。 1 4 本文研究主要内容 本文的主要工作是完成各检测工位的机械结构设计研究，并完成外螺纹检测工位的视觉检 测系统设计具体如下： ( 1 ) 设计阀门自动检测流水线的整体方案和各工位的机械结构 ( 2 ) 螺纹视觉检测系统的硬件设计和常用图像处理算法分析 ( 3 ) 根据几何原理分析建立了螺纹的失真数学模型，包括真实螺纹牙型方程、阴影 区域阴影边界方程、差值方程，分析普通圆柱螺纹的牙型失真特点 ( 4 ) 运用软件m a t l a b 进行模拟仿真，绘制圆柱螺纹真实牙型曲线、阴影区域边界曲 线和校正所需的差值曲线。 ( 5 ) 通过试验数据，论证螺纹牙型失真数学模型的正确性。通过曲线拟合，重建真 实的螺纹牙型中径作为螺纹的一个重要参数，通过螺纹牙型的校正得到更精确的值，提 高阀门自动检测流水线上螺纹视觉检测工位检测的可靠性。 1 5 本章小结 4 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 本章首先介绍了本文研究的目的及意义，介绍了螺纹视觉检测相关的理论知识、背景， 主要包括基于数字图像处理的非接触检测的发展现状、涉及的相关学科然后介绍螺纹视 觉检测的国内外研究状况、相关学者的研究成果。最后介绍本文的主要研究内容。 浙江大学硕士学位论文 第2 章阀门自动检测流水线设计 第2 章阀门自动检测流水线设计 2 1 阀门自动检测流水线系统总体设计 所设计的阀门自动检测流水线检测对象为宁波市宁海县志清实业有限公司的一种瓶 阀( 如图2 1 ，图2 2 所示) 图2 1 瓶阎实物图图2 2 瓶阀示意图 图2 3 阀门自动检测流水线 浙江大学硕士学位论文 第2 章阀门自动检测流水线设计 自动检测流水线由十五个工位组成，分别是手工上件工位、流量检测工位、低压开启 密封检测1 、低压开启密封检测2 、高压开启密封检测1 、高压开启密封检测2 、拧紧工位 1 、拧紧工位2 、高压闭合密封检测1 、高压闭合密封检测2 、外螺纹检测、内螺纹通规检 测、内螺纹止规检测、压紧螺母收口及打标工位、工件分拣工位，如图2 4 所示 m 4 4m 1 4 4m 4 3m 1 4 3m 4 2m 1 4 2 第2 位 内螺纹 止规检测 ( h 0 9 工位) 压紧螺母收 口打标 ( 1 1 0 工位) 工件分拣 ( j l l 工位) 内螺纹 通规检测 ( g 0 8 工位) 外螺纹检测 ( f 0 7 工位) 射位 躬位等潞m 5 _ 3 | 。黜，li 。瓣，聪 第1 l 位u 苎竺 兰些型ju 些婴善主划用”世 粼2i 。黛麓，m 1 5 2m 5 2i ，n n 1 _ 广脚、 m 4 5m 1 4 5第5 位l _ r m 4 洲1 4 石酆位粼。愿 第9 位l 幺赫， m 1 5 1m 5 1i ，：= 。、 m 4 7 m 1 4 7 第7 位 第8 位n 葫蚕莉吾两 m m o m 5 o m 5 力i ( b 尝翌位) m 4 0 第0 位 手工上件i 流量检测 ( m o l 工位) li ( a 0 2 工位) i 奇数 衾孤 数少 拧紧螺纹2 ( d 0 5 - 2 工位) 高压开启密封 检测2 ( c 0 4 - 2 工位) 低压开启密封 检测2 ( b 0 3 2 工位) 盯 第1 4 位 m 1 5 6 m 5 6 第1 3 位 m 1 5 5 m 5 5 第1 2 位 m 1 5 4 m 5 4 m 4 1 弟1 位 图2 4 阀门自动检测流水线流程图 其中，m 4 一m 5 表示工位开关，m 1 4 一m 1 5 表示该工位检测结果是否合格，第0 位一第 1 5 位表示该工位检测超时 各工位的基本功能如下： ( 1 )手工上件工位：完成待检测阎门的上件、检测完成阀门的下件、触摸屏的命 令操作 ( 2 )流量检测工位：检测阀门的气流量，通过流量传感器实现。 ( 3 )低压开启密封检测工位：检测阀门在低压( 0 8 朋黝) 开启情况下的气密性 ( 4 )高压开启密封检测工位：检测阀门在高压( 2 5 脚口) 开启情况下的气密性。 ( 5 )拧紧工位：完成阀门状态的转换，即由开启状态转换为闭合状态。 8 浙江大学硕士学位论文 第2 章阀门自动检测流水线设计 ( 6 ) 高压闭合检测工位：检测阀门在高压( 2 5 朋r 尸口) 闭合情况下的气密性。 ( 7 )外螺纹检测工位：完成阀门外螺纹参数的测量。 ( 8 )内螺纹通止规检测工位：完成阀门内螺纹的检测。 ( 9 )压紧螺母收口及打标工位：完成阀门螺纹口的收紧、阀门序列号的打印。 ( 1 0 ) 分拣工位：完成阀门不合格品的分离 顶并汽缸6内螺纹检测外螺纹视觉顶升! 气缸5顶升；气缸4 顶升汽缸l顶升汽缸2 分布式流水线顶升；气缸3 图2 5 分布式流水线示意图 图2 5 为分布式流水线的示意图。流水线由五条单独的线构成的，每条线独立驱动。 为了能让工装板在不同的线上切换，在线的交汇处安装顶升汽缸。当工装板流经指定位置， 电磁感应开关感应到信号，控制系统启动电磁阎，抬起工装板，在带轮的作用下，工装板 顺利通过交汇处，适当延时后，顶升汽缸恢复原状，等待下一工装板。 为了能让阎门依次经过流水线上的各个工位，需要专门设计阀门工装板，工作板上安 装承阀模具只要设计不同的承阀模具就可适用于不同的阀门，从而增加了阀门自动检测 流水线的适用性。工装板上安装有感应体，与流水线上的电磁感应开关配合使用，用于感 知工装板的位置工装板的材料选用耐磨、质轻、摩擦系数小的尼龙。 流水线采用链传动，并在链轮上安装尼龙滚动体，这样一方面减少与工装板的摩擦， 另一方面增大工装板在流水线上的流动速度。为了增大阀门自动检测流水线的检测效率， 流水线采用多条分布式结构，根据实际需求可以选择单线制或多线制，流水线上每个工位 9 浙江大学硕士学位论文第2 章阀门自动检测流水线设计 安装有挡位汽缸，它有放行和阻挡两种状态，当对应工位处检测状态时，挡位汽缸处于阻 挡状态；当对应工位检测完成需要放行时，挡位汽缸此时处于放行状态，这些可以通过 p l c 加以控制，如图2 6 所示 图2 6 承载阀门用工装板 下面各节将对各检测工位的机械结构设计和工作过程进行介绍。 2 2 流量检测工位结构设计 通气量即单位时间内通过阀门的气体流量，是阀门的一个重要参数。装置采用流量传 感器测量流量大小，经a d 转换后与预设值比较以判定流量值是否合格。 图2 7 流量检测工位实物图 流量检测工位检测实物如图2 7 所示，当工装板到达流量检测工位时，电磁感应开关 感应到工装板信号，同时光电开关判定工装板上是否有阀。如果电磁感应开关和光电开关 都有信号，工位进入检测状态，顶升汽缸将工装板连同阀门顶出流水线，下压汽缸下压压 紧阀门，堵嘴气缸伸出，压紧阀门出气口，此时通过阀门的气体只能经管路流入流量传感 1 0 浙江大学硕士学位论文第2 章阀门自动检测流水线设计 器，低压气体由低压气体入口通入阀门，并由低压气体出口流入流量传感器，流量数值可 以通过液晶屏实时显示。在检测过程中，p l c 采集其中一段时间的数值，并进行合格性判 定每个汽缸都安装磁性开关，当汽缸到达指定位置时，磁性开关感应到信号，从而很好 的控制整个检测的过程检测过程中，工装板必须离开流水线，避免造成流水线链轮损坏。 2 3 低压开启气密性检测工位结构设计 低压开启气密性检测工位测量阀门在低压情况下( o 8 朋翰) 的气密性状况该装置 共用到四个汽缸，分别是顶升汽缸、下压汽缸、堵嘴汽缸、压紧汽缸。检测流程为：电磁 感应开关检测到工装板信号，顶升汽缸将工装板连同阀门顶起，下压汽缸下压，堵嘴汽缸 和压紧汽缸伸出，上述工作完成后，阀门位置已经固定通过压差法测量阀门的气密性， 待检测完成，堵嘴汽缸和压紧汽缸收回，下压汽缸上升，顶升汽缸下降，工装板与阀门回 复到流水线上，等待挡位汽缸的发行，低压开启检测工位实物图如图2 8 所示。 图2 8 低压开启检测工位实物图 2 4 高压开启气密性检测工位结构设计 高压开启气密性装置测量阀门在高压气体( 2 5 脚口) 情况下旋盖处的气密性状况。 考虑到通入高压气体后密封较为困难，需要用较大缸径的汽缸，高压开启气密性检测工位 没有嵌套在流水线上，而是放置在流水线一侧 抓取阀门通过操纵气动机械手( 如图2 9 所示) 实现，包括推进汽缸、取料汽缸、提 升汽缸、气爪四部分组成。检测前气动机械手操作流程为：推进汽缸伸出，取料汽缸伸出， 气爪闭合，抓紧待测阎，提升汽缸上升，取料汽缸缩回，提升汽缸下降，气爪张开，推进 汽缸缩回检测完成后气动机械手操作流程为：推进汽缸伸出，气爪闭合，抓紧阀门，提 升汽缸上升，取料汽缸伸出，提升汽缸下降，气爪张开，取料汽缸缩回，推进汽缸缩回。 由磁性开关判断汽缸位置状态。 1 l 浙江大学硕士学位论文第2 章阀门自动检测流水线设计 图2 9 气动机械手示意图 高压气密性检测原理如图2 1 0 所示，气动机械手将待检测阀门放入下盖的模具中， 上压盖在下压汽缸的作用下，压紧下盖，上压盖与下盖之间有密封圈起密封作用，堵嘴汽 缸伸出，将阀门出口处堵死，由高压气体入口处通入高压气体，如果阀门旋盖处有泄漏问 题，则高压泄漏气体会从旋盖处流入上下盖形成的腔体中，腔体通过气管与压差传感器的 一端相连，而压差传感器的另一端与空气相连。如果阀门旋盖密封不合格，压差传感器会 实时显示压力差值，同时，压力差值通过a d 模块传入p l c 存储器，与预先设定值比较判 定合格性检测完成后，堵嘴汽缸缩回，上压盖在下压汽缸的作用下缩回，通过气动机械 手将阀门放回工装板，等待挡位汽缸的放行。 蝴 一蚪 啊一，筹。、一。，问 培嘴汽缸 匕 1 璺 t 曩， ， 巳 t 。! l 】、 _y 上压盖 ，7 ：一，。 7 ：彳 j i 。 一 囊 l 、_ _ ，_ v 1 一r - 一 下差0 1 p 堡漏气碚 ： 口_ 一 - 一 叫 ，舡h _ k 1 、 口靠小i绸芝lli 一 j 口 、 、 晕 7 l r i 彳、 l_：t j ：i 图2 1 0 高压开启气密性检测原理图 浙江大学硕士学位论文第2 章阀门自动检测流水线设计 2 5 拧紧工位结构设计 拧紧工位检测如图2 1 1 所示，当工装板到达拧紧工位时，电磁感应开关感应到工装 板信号，顶升汽缸将工装板和阀门顶出流水线，伺服电机通过连接器与拧紧爪子相连，并 驱动拧紧爪子旋合阀门，为后续的阀门高压闭合气密性检测工位做准备。 图2 1 1 拧紧工位实物图 根据实际需求，选用伺服电机功率为5 朋，模式选择为扭矩限制、位置限制。设定 最大旋合圈数二为1 0 圈，最大允许扭矩为k ，在圈数满足 ，一条件下，当 丁时，判定阀门满足闭合条件。伺服电机驱动器通过编码线控制伺服电机，它同时 与p l c 控制系统相连，并受p l c 控制系统控制。通过对伺服电机驱动器的参数设定，可以 改变伺服电机的力矩大小，圈数等参数。 2 6高压密封检测工位结构设计 高压密封工位检测阀门在旋合情况下，阀门出气口的高压气体泄漏状况，测量原理与 高压开启检测相同，只是无需使用堵嘴汽缸，检测实物图以及原理如图2 1 2 所示。 图2 1 2 高压密封检测实物图以及原理图 1 3 浙江大学硕士学位论文第2 章阀门自动检测流水线设计 2 7 内螺纹通止规工位结构设计 阀门出气口处采用内螺纹连接，所以需要检测内螺纹是否满足质量要求，通常采用通 止规进行测量只有满足通规能顺利与阀门内螺纹旋合，止规不能旋入阀门内螺纹，阀门 才满足质量要求在本系统中，通过连续的通规检测工位、止规检测工位来实现阀门内螺 纹的检测旋合驱动力由伺服电机来控制，进给力有直线汽缸实现，即通止规与阀门内螺 纹的旋合是伺服电机旋转运动和直线汽缸直线运动的矢量合成，如图2 1 3 所示。 图2 1 3 通止规检测工位实物图 2 8 压口工位结构设计 阀门阀体部分有一条多余的飞边，在检测过程中需将它切除，在阀门企业中，通常通 过四个直线汽缸联合将飞边顶下，本系统通过三爪卡盘来实现，伺服电机通过减速器、连 接器与三爪卡盘相连，驱动三爪卡盘的卡爪一起运动这种方式易于实现多个卡爪运动的 一致性，切除飞边的效果较好。由于切除飞边需要较大的力，所以本工位选用较大扭矩的 伺服电机，并通过减速器增大扭矩。 图2 1 4 压口检测工位实物图 1 4 浙江大学硕士学位论文 第2 章阀门自动检测流水线设计 检测流程为：待检测阀门位于起始位置，顶升汽缸上升，阀门处于检测位置，伺服电 机启动快速正向旋转，三爪卡盘的卡爪向里运动，到达阀体螺母下方，伺服电机停止转动， 顶升汽缸下降，伺服电机再次启动慢速正向旋转，卡爪顶压飞边，完成任务后，伺服电机 启动慢速反转，几秒钟后，顶升汽缸顶起，延时后顶升汽缸下降，伺服电机启动快速反转， 到达初始位置，三爪卡盘恢复原位。伺服电机完成一个循环经过快速正转，慢速正转、慢 速反转、快速反转四次运动，这样可以提高检测效率，压口检测工位实物如图2 1 4 所示， 三爪卡盘上方压紧机构为保证阀门的垂直度，压口检测工位原理如图2 1 5 所示。 2 9 打标工位结构设计 图2 1 5 压口检测工位原理图 2 1 6 打标工位实物图 打标工位完成阀门序列号的打印，打标工位的流程为：电磁感应开关感应工装板信号， 顶升汽缸上升，下压汽缸下压，压紧汽缸伸出，完成上述工作后，气动打标机按预先设定 的轨迹运动。完成打标任务后，气动打标机移动回原点，顶紧汽缸缩回，下压汽缸上升， 顶升汽缸下降，工装板与阀门回到流水线上，等待挡位汽缸的放行，如图2 1 6 所示。 1 5 浙江大学硕士学位论文第2 章阀门自动检测流水线设计 打标机有驱动控制器加以控制，驱动控制器通过串口与工控机相连，上位机软件设计 序列号的编写规则，包括自增一功能，印阀门的序列号会依次增加 2 1 0 分拣工位结构设计 当阀门随流水线完成各项性能指标的检测后，检测数据保存在p l c 控制器的存储器内， 根据检测结果，需要将不合格产品分离，并放置到相应的筐中，如图2 1 7 所示。驱动力 来自伺服电机，伺服电机根据不同的结果移动不同的距离到相应的筐上方，松开气爪，然 后回归原位，等待下一次的动作。 2 1 7 分拣工位实物图 2 1 1 阀门自动检测流水线硬件控制系统设计 本阀门自动检测流水线是一个较为庞大的系统，需要操控大量的汽缸、电磁阀、伺服 电机等，同时需要接收大量来自磁性开关、光电开关等的信号，综合选用西门子s 7 3 0 0 系列p l c 。本控制系统可以分为三层，分别是控制层、信号层、执行层。控制层包括p l c 、 工控机、触摸屏，其中触摸屏、工控机通过通信协议与p l c 进行信息交互，由于系统较为 庞大，所以p l c 增加了扩展模块。 信号层包括数字量输入、数字量输出、模拟量输入，其中模拟量输入信号来自光电开 关、电感式接近开关、磁性开关、c c d 摄像机输出信号；数字量输出信号主要通过继电器 控制汽缸、电磁阀，伺服电机驱动器控制伺服电机；模拟量输入来自压差传感器、流量传 感器。执行层包括汽缸、三相电机、伺服电机、电磁阀、报警灯，如图2 1 8 所示。 工控机起到实时过程监控、历史数据保存的功能，它上面安装w i n c c 软件，能实时读 取p l c 上的数值，并通过生动的画面反映给操作人员，同时它通过数据库技术保存阀门检 测结果，用于对结果的统计分析。 浙江大学硕士学位论文第2 章阀门自动检测流水线设计 图2 1 8 阀门自动检测流水线控制系统图 2 1 2 本章小结 本章主要介绍阀门自动检测流水线的设计。针对宁波市宁海县志清实业有限公司的一 种瓶阀，根据它的性能指标，进行总体的方案以及各个检测工位的机械结构设计，包括流 量检测工位、低压开启密封检测、高压开启密封检测、拧紧工位、高压闭合密封检测、内 螺纹通规检测、内螺纹止规检测、压紧螺母收口及打标工位、工件分拣工位。最后介绍阀 门自动检测流水线的硬件控制系统。 浙江大学硕士学位论文 第3 章螺纹视觉检测系统设计 第3 章螺纹视觉检测系统设计 3 1 螺纹视觉检测系统组成 在阀门各项性能指标中，进气口外螺纹质量是一项重要的指标，关系到阀门使用过程 中的气密性状况，特别是对于安全性要求较高的阀，如煤气瓶阀、天然气阀、出油阀。本 阀门自动检测流水线各工位包括外螺纹视觉检测工位，如图3 1 所示螺纹的视觉检测工 位包括机械结构、视觉检测系统，其中视觉检测系统由c c d 摄像机、镜头、光源、网线、 变压器、电源线组成 图3 1 螺纹视觉检测系统 测量控制过程如下：被测物随工装板运行到外螺纹检测工位时，被挡位汽缸挡住，接 近开关感应到工件到位信号；适当延时后启动电磁阀，顶升汽缸将被测物顶起，到达顶端 后适当延时，c c d 摄像机i 0 口接收来自p l c 控制系统的信号，启动拍摄，获取螺纹图 像，并通过图像算法完成螺纹图像的预处理、二值化、边界提取、参数测量、合格性判定、 完成i o 口输出，同时计算机系统保存螺纹图像，通过数据库加以保存，在后续的分拣工 位完成外螺纹不合格品的分离。 外螺纹视觉检测流程如图3 2 所示。 1 9 浙江大学硕士学位论文第3 章螺纹视觉检测系统设计 图3 2 螺纹视觉检测流程图 3 2 螺纹视觉检测系统元件的选择 3 2 1 光源的选择 照明的目的主要是使螺纹图像中的螺纹轮廓线等重要特征显现，抑制不需要的特征， 从而使有用的信息与背景区分开。光源的选择就是要获得高对比度的图像。不同的环境下， 比如被测物的不同、需要获取的信息不同，往往会选择不同的光源。所以在定制照明系统 时，应该了解各种光源的优缺点 ( 1 ) 白炽灯通过灯丝中传输电流发出光，一般情况下，灯丝的材料是钨。在白炽灯 发出的全部辐射中，可见光辐射只占到6 1 5 h 7 1 ，属于低效率发光器件。为延长灯泡 的使用寿命，常在玻璃灯泡中充入碘等卤素气体，防止灯丝氧化。白炽灯的光谱功率分布 是连续的，当实际电压高于额度电压时，它的寿命会急剧降低。白炽灯的优点是相对较亮， 缺点是发热严重，寿命短，老化快，使用时间较长后，亮点迅速下降。 ( 2 ) 氙灯在玻璃灯泡中充入氙气，它分为连续发光的短弧灯、长弧灯和闪光灯。它 的优点是可形成现状光源或点光源、发光效率高，它的缺点是供电负责、价格昂贵。 ( 3 ) 荧光灯通过电流激发在如氩、氖等惰性气体中的水银蒸汽，形成紫外线辐射 荧光灯是交流供电，对于为了避免图像明暗变化的应用中，需要使用不低于2 2 k h z 的供电 频率它的优点：照明面积大，价格便宜；它的缺点：老化快、寿命短、光谱分布不均匀 ( 4 ) 发光二极管是一种弱光源它发出光的颜色取决于所用半导体材料的成分，可 以制成红外、可见光、近紫外、白光l e d 。通过在半导体涂上黄磷涂层，将蓝光转化成白 光。l e d 光源的优点：寿命很长，超过1 0 00 0 0 h ，它可以作为闪光灯，响应速度快，不易 老化，亮点容易控制，同时它的发热小、光源功耗小；它的缺点：l e d 的性能随环境温度 的变化而变化，温度高，寿命短l e d 是机器视觉中应用最多的一种光源。 2 0 浙江大学硕士学位论文第3 章螺纹视觉检测系统设计 由于现场工作温度不高，光源要求寿命很长，价格较适宜，同时光谱分布要求较均匀， 发热小，所以选用康视达公司l e d 面光源，型号为h f l 一1 0 0 1 0 0 一r 。 3 2 2 照明方式的选择 在工业运用中，目前所用的照明方式有：前景照明、背景照明、暗场照明、结构光照 明根据螺纹检测的具体条件，这里选用背景光源。所谓背景光源是指c c d 摄像机与光源 分别位于被测物的不同侧，如图3 3 所示这种照明方式可以较好的获得螺纹的轮廓线， 用于测量螺纹参数，如中径、牙型角、螺距，但它不能用于测量螺纹表面的刮痕、伤痕 c d 摄像机 旋升角 源 图3 3 背景光源方式 3 2 3c c d 摄像机的选择 c c d ( 金称为c h a r g e dc o u p l e dd e v i c e ) 摄像机是一种电荷耦合器件。c c d 应用技术 是一门综合性技术，它包括光学、电子学、计算机技术、精密机械。c c d 以电荷为信号， 实现电荷的存储和电荷的转移。所以c c d 主要实现电荷的产生、存储、传输、检测。它的 工作原理：被测物经镜头在c c d 光敏区成像，在光的作用下，光敏区对应电极形成信号电 荷，信号电荷聚集形成电荷包。当光积分周期结束时，时钟脉冲使成像区的信号电荷转移 到存储区中，然后通过适当的脉冲使c c d 输出端得到图像的视频信号h 引输出的电荷信号 有如下关系： p = 毛压 ( 3 。1 ) 一 其中，e 为光敏面的光照度； f 为积分时间； 毛为比例常数； 2 l 浙江大学硕士学位论文第3 章螺纹视觉检测系统设计 对于特定的c c d 摄像机积分时间r 为常数，所以有： ( ：! = k e ( 3 2 ) ， 式中，七2 = 毛f 为比例常数； 日= 厨为曝光量，它的上限值为饱和曝光量虬，由于积分时间f 是常数，所以调节 曝光量主要通过光强度e ，有： e 生 f c c d 摄像机上主要通过调节光源亮度和镜头光圈大小，来调节光强度e ，进而改变曝光 量h ，获得较好的螺纹图像效果。 在机器视觉行业中，基于p c 的机器视觉检测系统较为广泛。它包括以下部分：工业 摄像机、计算机，光源执行机构，如图3 4 所示。基于p c 存在如下优点：需要计算机 强大的处理能力，需要的存储容量大，图像处理算法兼容移植性好。但这样方案也存在一 些缺点：系统的体积大，占用较大的现场空间，不稳定性较高。综合而言，基于p c 方案适 用如下场合：现场空问