基于CCD的螺纹参数测量技术研究开题报告

1、西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)开题报告题目：基于CCD的螺纹参数测量技术研究 系 别： 光电信息系 专 业： 测控技术与仪器 班 级： B120101 学 生： 李星剑 学 号： B12010113 指导教师： 尚小燕 2015年 11 月 25 日开题报告填写要求1.开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成。2.开题报告内容必须按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）填写并打印（禁止打印在其它纸上后剪贴），完成后应及时交给指导教师审阅。3.开题报告字数应在1500字

2、以上，参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册，其中外文文献至少3篇），文中引用参考文献处应标出文献序号，“参考文献”应按附件中参考文献“注释格式”的要求书写。4.年、月、日的日期一律用阿拉伯数字书写，例：“2008年11月26日”。5.开题报告增加封面，封面格式：题目：宋体，加粗，四号；系别等内容格式：宋体，四号，居中。1. 毕业设计（论文）综述1.1 毕业设计（论文）题目背景和研究意义 螺纹在工业生产中使用频率非常高，对其进行实时高精度的测量对提高配件质量有重要作用。传统螺纹的检测主要采用两种方法：其一是综合检验法；另一种是单参数测量法。二者都需要人工操作，精度相对较低，整个测量过程耗时耗

3、力，工作效率低，且易导致螺纹损伤。而我的研究是利用面阵CCD成像系统，结合光学测量 计算机数字图像处理等技术，研制了螺纹参数非接触测量系统，并以matlab为平台，编制了检测程序，实现了图像数据采集 二维图像再现 边缘特征提取 边界拟合等功能，能够有效的测量螺纹的多项参数。长期以来，我国主要应用螺纹量规和其他通用测量仪及一些螺纹测量仪对螺纹进行检测，这些传统的方法都存在一定的缺陷。随着近年来光学成像技术和计算机技术的发展，一种基于计算机视觉的非接触螺纹测量技术成为研究的热点。基于计算机视觉的非接触自动测量系统硬件由照明光源、测量夹具CCU摄像机图像采集卡和计算机及输出设备组成。采集的图像有数字

4、图像处理技术进行处理，实现螺纹参数的测量。1.2国内外相关情况科技的进步就是社会发展的进步，科技进步主要是人工智能技术的创新。自18世纪第二次工业革命以来，科学技术得到迅速的发展。从18世纪到21世纪，随着现代化生产和加工技术的发展，对于工件加工的检测速度与精度有了越来越高的要求，一直沿着向高速度、高精度、非接触和在线检测方向挺进。CCD测量系统对于工业生产越来越普遍和重要。现代机械与工业生产领域对螺纹测量精度要求不断提高,多年来国内外研究人员对螺纹测量技术进行了大量的研究,但测量误差大,效率低的问题依然存在。近年来,CCD与计算机相结合的机器视觉图像处理技术日渐成熟,其具有精确、快速、可靠的

5、优点,它如何应用在螺纹测量领域,实现螺纹测量技术的智能化及高精度化,是目前急需解决的问题。1.2.1国内研究状况2005年8期浙江大学学报工学版徐爱群、项占琴、陈子辰中提出基于激光三角测量原理,提出了非接触式检测内外螺纹各参数的工作原理和实现方法.设计制造了由轴向位移测量模块、横向位移测量模块以及上位机数据处理、控制、评价模块组成的检测系统,并给出了检测螺纹各主要参数的算法. 利用激光测量头检测螺纹轮廓在横截面上的尺寸,结合由光栅测得的精密平台的轴向位移量和螺纹合格的判断标准完成螺纹轮廓曲线的检测和评价.该测量装置的检测分辨率可达1.5m,能满足绝大多数的螺纹表面检测要求.此测量方法能避免接触

6、式测量方式引起的变形问题,实时控制螺纹加工质量,提高检测精度和检测效率。2006年1期渤海大学学报（自然科学版）中于忠党、王龙山介绍了一种依据图像处理技术检测机械零件参数的测量方法。 以面阵CC为图像传感器 ,通过图像采集卡将机械零件的二维图像输入到计算机中。在对原始输入图像进行直方图校正和边缘保持滤波处理后, 对得到的较为平滑的零件图像进行边缘检测,利用最小二乘法进行边缘拟合,获得图像边缘的亚象素表示,并据此计算出零件的各参数值。此种测量方法非常适合于微小、易形变等接触测量难以准确测量的机械零件的参数检测,具有广阔的应用前景。同年10期机械科学与技术中王保保、刘华元、袁琴琴研究了一种基于亚像

7、素技术的外螺纹几何参数计算。 在获取螺纹图像的基础上,通过边缘检测算法获取螺纹轴剖面外轮廓的边缘。在已知边缘点Sobel算子八方位边缘梯度的基础上确定未知点的多项式插值的亚像素定位算法和基于螺纹外轮廓形状的曲线拟合对参数进行计算,并对螺纹的螺距等参数的求取过程进行了详细的阐述。实践证明,该算法具有较高的运算精度和较快的运算速度。直到2010年4期制造技术与机床中雷吉平、严树华、沈少伟基于面阵CCD视觉检测技术,设计并实现了一种螺纹参数非接触式自动检测系统,可实时准确地测量螺纹的牙型角、螺距、导程、螺纹升角、螺纹高度、大径、中径、小径等参数。并着重研究了螺纹图像预处理、边缘检测、亚像素定位等关键

8、技术,以提高螺纹参数的测量精度。实验结果表明,该检测系统可以完成各项螺纹参数测量,相对测量精度优于1.3%。至于已经成熟的产品如长春理工大学研制的非接触激光螺纹检测仪和西安同视机电科技有限责任公司生产的外螺纹参数非接触自动测量装置。1.2.2国外研究状况由于欧美日企业制造技术计算机技术传感器技术以及自动控制技术的综合发展程度较高，在基于机器视觉的非接触自动测量技术领域，处于世界领先地位。在对外螺纹的几何参数测量方面，不少国家开发出基于机器视觉的非接触自动测量螺纹参数测量仪，成型产品如意大利DMS680螺纹测量系统以及荷兰LAC螺纹综合检查仪等。对多参数自动化螺纹测量仪的开发仍然是国外许多学者的

9、研究方向，2.本课题研究的主要内容和研究方法2.1本课题研究的主要内容 本课题的研究内容是运用数字图像处理技术，建立基于CCD图像传感器，以螺纹轮廓为测量对象的图像测量系统，获得螺纹参数的测量。具体研究内容如下：（1）查阅资料。了解螺纹参数测量的方法,掌握基于CCD的螺纹自动测量系统的方案。（2）确定测试方案，以M10螺纹为测试对象，搭建螺纹测量的硬件系统。对螺纹图像进行采集。（3）对采集的多幅图像进行相应的图像处理，其主要包括图像二值化、边缘检测，轮廓提取及螺纹几何参数的计算等。并给出了螺纹尺寸的测量结果。（4）查阅一篇与设计相关的外文文献，并进行翻译。2.2 本课题的研究方案2.2.1测量

10、原理 现有的螺纹CCD光学测量系统多采用平行光将螺纹形状投影到CCD上,然后再据此进行后期的处理、计算,但是,这样的成像系统中投影平行光的衍射较为严重,对精度影响较大,且不易消除。本文采用透镜成像原理获取螺纹形状,避免了衍射对测量精度的影响。其原理结构如图1所示,按照测量流程,首先螺纹由夹持装置固定并保持与摄象机光轴垂直,然后螺纹图像通过光学系统的放大成像到CCD摄像头上,最后由图像采集卡对其进行采集后送至计算机进行分析计算,并得出测量结果。这里的测试分析软件主要包括图像的预处理、边缘提取、亚像素定位等几方面。测试分析软件方面由于现实条件不足我将在matlab语言中编程实现。图1 检测系统总体

11、结构2.2.2螺纹图像处理螺纹特征参数测量软件主要包括图像处理 参数标定以及参数计算三个方面的内容，图像处理又分为图像预处理 螺纹轮廓边缘的提取 拟合等几个方面，其算法流程图如图2所示：图2 螺纹特征参数测量软件流程（1） 螺纹图像的预处理 当螺纹图像输入到计算机后，为消除噪声，稳定的进行特征抽出等处理，须对其进行滤波等处理。而图像滤波的方法有空域法和频域法两大类，根据图像中噪声的特性，处理方法有空域低通滤波 频域低通滤波 中值滤波 加权中值滤波 N×N邻域的滤波和图形平均等。边缘保持滤波器是在上述滤波器的基础上发展的一种滤波器，该滤波器在滤除噪声脉冲的同时,又不致于使图像边缘十分模

12、糊,特别适合于像螺纹检测这样的我们只关心它的边缘特征的情况。边缘保持算法的基本过程如下:对灰度图像的每一个像素点i,j取适当大小的一个邻域(如3×3邻域),分别计算i,j的左上角子邻域、左下角子邻域、右上角子邻域和右下角子邻域的灰度分布均匀度v,然后取最小均匀度对应区域的均值作为该像素点的新的灰度值。计算灰度均匀度的公式为： (1)由上式可得：分布越均匀，v值越小。（2） 图像的边缘检测 两个具有不同灰度值的相邻区域之间总存在边缘,边缘是灰度值不连续的结果,这种不连续性通常可以利用求导数的方法方便地检测到。一般常用一阶导数和二阶导数来检测边缘。 边缘检测的基本思想是首先利用边缘增强算

13、子,突出图像中的局部边缘,然后定义像素的“边缘强度”,通过设置门限的方法提取边缘点集。比较Canny算法、Prewitt算子、Sobel算子、拉普拉斯算子极小值算法四种方法的优略并选择一种进行边缘检测 （3） 图像轮廓的亚像素提取算法边沿检测得到的粗定位在螺纹参数的高精度测量中是远远不够的,必须利用其他办法提高其定位精度。按照基本原理的不同,比较成熟的亚像素细分算法有以下几类:矩方法、形心法、灰度重心法、拟合算法和数字相关法等。根据实际情况进行比较、选取及计算得出结果。2.2.3测量及比较（1） 测量系统放大倍数的标定 将轮廓进行拟合后如果直接计算得出的参数只能以像素为单位表示,如何将像素结果

14、转化为实际距离和长度则必须借助于测量系统放大倍数的标定。因此测量系统放大倍数的标定精度是保证测量系统高精度的前提。在进行实际测量之前,先对系统进行了标定实验,在同一测量条件下,对标准量块和直尺(3级、3等)进行测量,然后通过最小二乘法进行拟合,去除粗大误差,得到该测量条件下的系统的放大比例系数。例如在螺纹1的测量中,k=像素数/物长=160/7,在螺纹2的测量中,k=104/3,k值的大小决定了测量系统的分辨率,因此可以使物体的像素跨度尽可能大一些以增大k值,提高测量精度。但是,由于镜头在x方向和y方向的畸变和放大倍数在理论上是不一样的,所以要对其x方向和y方向分别进行标定。（2） 螺纹几何形

15、状参数计算 螺纹的几何尺寸有:牙型角(牙型半角)即螺纹 夹角(侧面角)、螺距、导程、螺纹高度、大径、小径、中径、螺纹升角等。对于一些用于密封的管螺纹还有螺纹锥度等参数。（3） 实验结果及精度分析（4） 误差分析 3.本课题研究的重点及难点，前期已开展工作3.1 研究的重点 （1）学习并熟练运用数字图像处理技术，建立基于CCD图像传感器，以螺纹轮廓为测量对象的图像测量系统，获得螺纹参数的测量。（2） 学习matlab，它是一种做图像处理的工具，我需要在极短的时间里熟练掌握它并进行图像处理。（3） 图像的边缘检测方法的分类比较和选择（4）掌握图像像素与现实单位的转换 3.2 研究的难点（1） 对采

16、集的多幅图像进行相应的图像处理，其主要包括图像二值化、边缘检测，轮廓提取及螺纹几何参数的计算等。并给出了螺纹尺寸的测量结果。（2） 对得到的图像进行图像处理需要我在极短的时间里掌握并熟练运用matlab。（3） 图像轮廓的亚像素提取算法的比较和选择3.3 前期已展开工作 前期的工作主要了解课题并进行文献查阅，制定实验方案，撰写开题报告。4. 完成本课题的工作方案及进度计划（1）第一周至第四周：查阅资料，掌握基于CCD的螺纹自动测量系统的方案，进行开题报告。 （2）第五周至第八周：搭建螺纹测量的硬件系统，对螺纹图像进行采集，并进行相应的图像处理知识的学习。（3）第九周至第十一周：对实拍图像进行相

17、应的图像处理，求出测试结果。（4）第十二周至第十五周：撰写毕业论文，参加毕业答辩。5.参考文献【1】徐爱群、项占琴、陈子辰中基于激光三角测量原理,提出了非接触式检测内外螺纹各参数的工作原理和实现方法.2005年8期浙江大学学报工学版【2】于忠党、王龙山介绍了一种依据图像处理技术检测机械零件参数的测量方法2006年1期渤海大学学报（自然科学版）【3】王保保、刘华元、袁琴琴研究了一种基于亚像素技术的外螺纹几何参数计算2006年10期机械科学与技术【4】雷吉平、严树华、沈少伟螺纹参数非接触式自动检测系统制造技术与机床2010年4期【5】王世峰; 赵馨; 佟首峰; 刘云清; 刘鹏; 范静涛;基于激光位

18、移检测技术的螺纹检测仪研制，长春理工大学.【6】西安同视机电科技有限责任公司仝福安; 党志斌外螺纹参数非接触自动测量装置专利号CN97239415.X【7】徐孝恩.螺纹测量M.北京:机械工业出版社,1986【8】钟 建.图像测量及分析系统的研究与实现D重庆 ：重庆大学，2002.【9】王庆有 CCD 应有技术M. 天津：天津大学出版社 2000.【10】Aoki K, Yabe T, Nakagawa R, et al. Numerical and experimentl studies of laser propulsion toward microairplane.Proc. SPIE, 2002,4 760:918-928.【11】Myrabo L N, Mssitt D G, Mead Jr F B. Ground and flight tests of laser propelled vehicle . AIAA Paper, 1998, 98-1001:1-10.【12】Dennis J, Richard W, Carroll P. Power absorption inlaser-sustained argon plasmas . A