（精密仪器及机械专业论文）螺纹螺距的在线检测技术研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 本文利用光电视觉检测系统实现螺纹螺距的在线检测，该系统由光源、标准尺、 c c d 照相机、图像采集卡、监视器、通讯输出输入单元构成。通过c c d 照相机获取待 测螺纹的图像，运用数字图像处理技术，对图像数据进行去噪、滤波，用s u s a n 算予 对螺纹的轮廓边界进行提取，应用数学形态学对边缘进行精细处理，运用图像的矩阵 形式进行亚像素边缘定位得到螺纹螺距的实际参数值，并与螺纹螺距的理论值相比较， 从而判断产品是否合格。 关键词：螺纹光电视党检测系统 c c d图像处理亚像素定位 误差分析 a b s t r a c t t h ep a p e rd i s c u s s e dap h o t o e l e c t r i cv i s i o nd e t e c t i n gs y s t e m ，w h i c hi su s e dt om e a s u r e t h et h r e a d p i t c ho fs c r e wo n l i n e i t i sc o n s i s to fl i g h ts o u r c e ，s t a n d a r dr u l e r , c c d c a m e r a ，f i g u r eg r a b e rb o a r d ，m o n i t o rc o m m u n i c a t i o n i n p u ta n do u t p u tu n i t t h ei m a g eo f s c r e wi sc a p t u r e db yt h ec c dc a m e r a ，t oe l i m i n a t en o i s ea n df i l t e r i n gw i t ht h ei m a g e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , a n ds u s a no p e r a t o ri su s e dt od r a wt h eo u t l i n ee d g eo fs c r e wa n d m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g yi su s e dt od oe x q u i s i t ep r o c e s s i n g ，i m a g ea r r a yf o r mi sa l s o a p p l i e di ns u b p i x e le d g e l o c a t i o nt og e tt h ea c t u a lp a r a m e t e r , w ec o u l dj u d g et h e q u a l i f i c a t i o nb yc o m p a r et h ev a l u ew i t ht h et h e o r e t i c a lr e s u l t k e yw o r d s ：s c r e wp h o t o e l e c t r i cv i s i o nd e t e c t i n gs y s t e m c c d i m a g ep r o c e s s i n g s u bp i x e ll o c a t i o ne r r o ra n a l y s i s 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，螺纹螺距的在线检测技术研究 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：坦褪燧建! 盘年。2 月2 加 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 盈梭坦丝篁年三月幺日 指导导师签名：二弓勇尹壁钆月丛日 1 。 弓l 嚣 第一章绪论 现代工业自动化尘产中涉及到各种各样的检验、生产监视和零件识别应用，如汽 车零配件批量加工的尺寸检查和自动装配的完整性检查、电子装配线的元件自动定位、 i c 上的字符识别等。通常这种带有高度重复性和智能性的工作是由肉眼来完成的，但 在某些特殊情提下，如对微小尺寸的精确快速测鬃、形状匹配以及颜色辨识等，依靠 鸯蔽鬏零滗法连续稳定蘧逶蟹王终，葵它兹理豢筵感器塑难爨熬强。入霞开始考纛躅 c c d 照相枫抓取图像后送入诗镣机或专用的强豫处理模块，通过数字纯处理，根据像素 分布和亮度、颜色等信息来避行尺寸、形状、颜德等的判别。这种方法是把计算机处 理的快速性、可重复性与肉眼视觉的高度智能化和抽象能力相结合，由此产生了光电 视觉检测技术盼概念。 必逛筏鬻捡测按寒是建立在诗算瓿援嚣磅突纂璇夔一门薪兴测试技术。与诗舅 枫视觉研究的视觉模式识别、视觉理解等内容不溺，光龟视觉裣浏技术重点研究静楚 物体的几何尺寸及物体的位鼹测量。因此，光电视觉检测系统在工姚在线检测的各个 领域得到广泛应用。归纳起来有以下几个方面： ( 1 ) 大溅工件平行度、垂敷度测量采用激光招撼与c c d 探测系统的大型工件平行度、 垂壹度测爨纹，它是淡稳定敬礁妻激毙寒为溯鬣簇线，配班霆转轻系，旋转五角耘棱 镜扫出互稳平行或垂直豹鏊凇乎嚣，并将其与被测大蝥工 譬熬蚤巍进行魄较。在魏工 或安装大型工件时，可用该l 认错器测量面问平行废及垂直度。 ( 2 ) 热轧螺纹钢几何参数在线动态检测系统 该系统以频闪光作为照明光源，利用面阵和线阵c c d 作为螺纹钢外形轮廓尺寸的 搽测嚣传，实臻热乾螺纹锶屁何参数在线测量黪磁态检涮。 ( 3 ) 辙承状态实薅薤控 采用视觉技术实时监控轴承的负载和温发炎化，消除过载和过热的危险。该技术 将传统的通过测量滚珠表面涞保证加工质量和安全操作的被动式测髓变为主动监控。 ( 4 ) 糕于机器视觉的仪表板总成智能集成测试系统 汽车仪表扳总成上安装褥速度晕程表、水涤震、汽油表、电流袭、信号报警灯等， 萁生产戴爨大，出厂嚣纛簧滋孬一次矮量终硷。捡测矮嚣包摇速震褒等盏令仪表豢镑 的指示瀑夔，2 4 个信号报警灯和若干照弱灯楚否损坏或漏装等。邋常采用人工舀测方 法检查，但误差大、可靠性麓，不能满足自动化f 扛产的需要。光电视觉测试技术的智 能集成测试系统改变了这种现状，实现了对仪表板总成智能化、全自动、高精度、快 速度的成爨检测，克服了人工检测所造成的各种漩差，大大提高了梭测的效率和可靠 性。 ( 5 ) 金属板表面自动探伤系统 在对表面质量要求很高的特殊大型金属板进行检测时，原始的检测方法是采用人 工目视或用百分表加探针进行检测，该方法不仅易受主观因素的影响，而且可能给被 测表面带来新的划伤。会属板表面自动探伤系统利用机器视觉测试技术对金属表面缺 陷进行自动检查，可在生产过程中高速、准确地进行检测，同时由于该系统采用非接 触式测量，避免了产生新划伤的可能。该系统采用激光器作为光源，通过针孔滤波器 滤除激光束周围的杂散光，采用扩束镜和准直镜使激光束变为平行光并以4 5 度的入射 角均匀照射在被测金属板表面上。金属板放在检验台上，检验台可在x 、y 、z 三个方 向上移动，摄像机采用t c d l 4 2 d 型2 0 4 8 线阵c c d ，镜头采用普通照相机镜头，c c d 接 口电路采用单片机系统。p c 主机主要完成图像预处理及缺陷的分类或划痕的深度运算 等，并可将检测到的缺陷或划痕图像在显示器上显示。c c d 接口电路和p c 机之间通过 r s 2 3 2 口进行双向通讯，构成人机交互式数据采集与处理。该系统主要利用线阵c c d 的自扫描特性与被检钢板在x 方向的移动相结合，提取金属板表面的三维图像信息。 ( 6 ) 汽车车身轮廓尺寸精度检测系统 英国r o v e r 汽车公司8 0 0 系列汽车车身轮廓尺寸精度的1 0 0 在线检测，是机器视 觉系统用于1 3 1 工业检测中的一个典型实例。该系统由6 2 个测量单元组成，每个测量 单元包括一台激光器和一个c c d 摄像机，用以检测车身外壳上2 8 8 个测量点；汽车车 身置于测量框架下，通过软件校准车身的精确位置。每个激光器、摄像机单元均在离 线状态下经过校准，同时还有一个在离线状态下用三坐标测量机校准过的校准装置用 以对摄像机进行在线校准；检测系统以每4 0 秒检测一个车身的速度，可检测三种类型 的车身；系统将检测结果与从c a d 模型中提取出来的合格尺寸相比较，测量精度为 0 1 m m 。r o v e r 公司的质量检测人员用该系统来判别关键部分的尺寸一致性，如车身整 体外型、车门、玻璃窗口等。检测实践证明，该系统可成功进行8 0 0 系列汽车车身轮 廓尺寸精度的在线检测，并将用于检测r o v e r 公司其它系列的车身轮廓尺寸精度。 ( 7 ) 奥迪白车身表面质量检测系统 奥迪公司最近研制成功了一种能够对白车身表面缺陷进行全自动检测的系统，取 名为“智能控制白车身表面质量检测系统”。该检测系统综合采用了投影光栅直接相位 采集、高速数字图象处理、表面缺陷图象模式自动识别、智能化质量判断、自适应系 统学习技术、高速数字信息网络、松散化自调节软硬件结构以及机器人系统控制技术， 可以在传动速度为5 m m i n 的生产线上，对焊装完毕的白车身进行l o o 的在线检测。 整车检验时| 日j 为1 分2 0 秒。通过自动测试与分析，将过去靠肉眼尢法分辨的表面缺陷 直接标记在车身上，使白车身进入喷漆 序之前即可对缺陷处进行打磨，节省了表面 喷涂过程中的打磨工序，既节约了大量制造成本，同时又提高了牟身的表面质量。 此外，在订：多其它方法难以检测的场合，利用机器视觉系统”r 以有效地实现。机 器视觉的应用1 f 越来越多地代替人去完成许多工作，这无疑在很人程度上提高了生产 2 自动化水平和检溯系统的智能水平。 光电视觉检测系统能够大幅降低梭验成本，提高产品质量，加快生产速艘和提高 生产效率。作为商精度、菲接触的溺羹方案，视觉系统涉及到光学帮淘豫处瑷算法， 本身就是高度专业化的产品，在整个测量控制系统中，往往要与运动控制系统配合完 成位餮和进绘赡翩。舅矫，生产线上霹多工廖进行弱步连续捡灞对，必须霞褫觉系绞 具备分靠式联网能力。机器视徽与运动控制、网络通汛等先进技术的结合正在改变工 渡自动纯生产豹西貌。隧着辊器视觉技术窘舅豹成熟帮发震，可瑷预计，它将在现代 和未来制造企业中得到越来越广泛的应用。 1 2 需求背景与相关理论 1 2 1 纂于图像的非接触检测的发展现状 工照主静耪俸形貔检测方法多释多样，获溅量方式上分秀续缝式鞫菲接融式琵释。 接触式测量都带有不同类型的探头，通过探头在物体表面滑动感知物体形貌的变化。 这类表蘸震量溅蟹系统，霉懿检测平缓懑瑟帮平瑟夔矮曼，翔褒瑟有纛疆凌等小蔌陷。 例如，轮廓仪可以精确测定物体轮廓的起伏变化：三坐标测量仪可以测艟较为复杂的机 械热工表瑟，遴过搽势在表垂激动可激绘出表瑟各熹戆三维礅糍。苏士设冬测量糖淡 高，价格昂贵，要求测量表面的起伏范围极小，一般都是平缓变化的曲面或平面。对 予缘螺纹牙这撵凸凹懿轮瘩，擞然也以月三坐标纹测量，儇成本毫、效率低，难以 进行测麓。 菲接触式测量以光测为主。剥用光学图像黠露标的使置、尺寸、形状、方位积鹾 标问相飘关系等参数进行测量，是图像处理分析的重溪研究和应用领域，这种通过利 用光学图像进彳亍的测量就是光测“1 。 传统光学测量中，光测信息源是一幅图像或图像序列，其记录介质为胶片、干板 等。以往对光测图像主要是由人工进行处理。例如直接在照片上用直尺、脚舰等工其 进行铡潼，或掰投影仪将胶片放大弱群幕上再对目标滋行翔读测量。这稃采用入工判 读处理的方式，不但需鼹专门的判读设备，而鼠耗时耗力，易比错，精度低，从而限制 了光测的应用。 利用计算机数字图像处理分析技术对光测图像进行处理和分析就形成了光测数字 图像处疆分 厅技术。该彼术筏褥定溅方法有了蔟静飞跃，增强了光学溺董的手段，扩 大了光学测量的应用范网，有效提高了测量精度 近年来，诗算辊技术及先 电耩合黎 孛c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 圈钵摄像器技 术的迅速发展为非接触式测量j f ：辟了广阔的空间。这种测量方法主要是将光测技术弓 诗算辊黧豫处毽避嚣鸯撬兹结合，瘸c c d 残豫系统对渡测物钵影豫邀孬摄取，孬由待 算机对图像进行处理并分析、i 5 别，最终得到各项检测数据。所以这种非接触枪测挝 3 术又可以称为基于数字图像的精密测嫩技术。图像测璧技术是近年来在测鬣领域形成 的一门新的测量技术。它以光学为綦础，融光电子学、计算机技术、激光技术、图像 处理技术等现代科学技术为一体，组成光、机，电、算练合的测量系统 对螺纹的各项凡鹰参数进行图像测量，是一种测量耩发帮测量效率都比较嵩的菲 接魅式测量技零。觳将螺纹至予一个平行竞场孛，程掰懋学系统送章子投影袋反射残 像，用c c d 摄像机作为接受图像的磷件设备，该图像数字化后，由计算机进行管理、 图像处理和分析。 1 2 。2 应用领域 精密光测数字豳像处理分桥技本，藏基于图像懿靖密测鳖技术，在当今酶数字信 息时代得到了越来越迅速的发展和越来越广泛的应用，并显示了越来越重骤的地位。 例如，对电路板照相后，根据图像分析虚焊位置：医学上所用的自动细胞诊断装置， 其原理是将细胞核、细胞质等所具商的特征进行定量的评价，并与图像处瑷、模式识 列技术结合起来，将诲多缨憝蚕像汇集起来遂行分卡厅，从褥区别缨照鲍正鬻与异零。 勇舞，这耱 酶妥簸式方法氇广泛羹羹藏耀予耱俸形获尺寸豹蔻接溅量。 1 2 3 涉及的学科和理论 l 、数字图像她理 这是一门躅诗黪辍瓣蚕缘数据避行鸯羹王处理懿学秘渺”，它主要有良下凡方瑟豹内套： 豳像的数字往、黼像分割、图像箍逐、图像增强、图像复原、图像懿压缀编鹞良及运 动图像的处理等。数字图像的各项内容渗透在螺纹检测系统的诸多环节中。 2 、光学工稷 光学和光学工程是- - 1 7 古老的学科“1 ，它的历史几乎和人类的文明同步，人们从远 古对找就把光佟为戆深帮抟递信息的王舆薅加以裂用了。牮6 0 年 弋，由予激光静出现 和发震，光学纛惫予学静密韵缝合激及工艺水平静提薅，褥鸯瑶上7 0 年代竞纾j 摹瑟固钵或 像器件的实用化8 0 年代以光盘为代袭的光存储的进展，使得光学工程发生了革命性 的变化，科学上露了突破性的进展，随之而来的是应用领域的迅速扩展。本文所研究 的系统中用到的c c d 摄像机、照明系统等都是光学工程的典型应用。 3 、计算机视爨 褪觉是夫类获敬售怠静主要柬源，也是适应复杂、变绽环境熬感躲鏊鹚。经诗算 机具有与人类相似的视觉处理能力，从丽能更好地协驹以至代替人的工作，这是人类 长期追求的梦想。人类的视觉系统利用投影剑视网膜一k 的二维的像对物体进行三维的 理解。为此，计算机需要具有处理、分析和础解图像的能力。计算机视觉慰门用计 算机来实现人的税髓功能，实现客躐三维世界的识别的学科。 4 4 、数学形态学 数学形念学是- - f 3 建立谯严格数学理论基础上的学科，其基本思想和方法对图像 处理的理论和技术产生了重大影响。许多非常成功的理论模型和视微检测系统都采用 了数学形态学算法作为其理论基础或组成部分。攀实上数学形态学穗经构成一种新型 夔图像照联方法窝理论“”。 5 、澎像素定位技术 近二十年来，在光测数字图像处理领域，许多研究者试图利用软件处理的方法来 解决图像中目标的高精度定位问题。如果能用软件方法将图像上的特征目标定位在亚 像素级别，就相当于提高了测爨系统精度例如，当算法的精度为0 1 个像素，则相当 于测量系绞豹硬终分藜率掇蠢了卡售。困瑟，慰霾豫中曩拣进行嵩耱度戆定位裁残必 提高光溅系统测量精度静簸黧瑟的巧节之一。这耱亚像素定霞基予稽密图像处理戆螺 纹在线检测系统研究技术具肖十分重要的理论意义和实践意义，魑光测数字图像分析 中的重要特色技术之一”。 1 。3 本谍题来源及磅究的霾的和意义 本漾照来源予辽宁省科羹下达的参数测试系统( 螺纹螺距) 。 本论文研究的光电视觉检测系统主要用于大批量生产过程中的在线质量检查、工 况监视、成品检验以及在一贱不适合人工作业的危险工作环境或人置视觉难以满足要 求的场合，目的是为了能够大幅度降低检验成本，提高质量，加快擞产速度和提高生 产效率，获纛- 海译定产品性缝撬貘重要蔹据。 光泡税觉在线捡瓣技术鹣斑用在以下凡个方藤有重大意义： l 是究成微小尺寸在线梭测任务的必需 有些被测物体的尺寸是a e 常小的，人眼根本不能完成测量任务，因此，为了确保 任务的完成和测量结果的精确度，我们选择光电视微j i 矗测系统。 2 是完成菲接触在线捡溯l 量务懿必需 在冗簿测量，魏长度，熊缱或表嚣精糙瘦测麓中，铡头与被溯物衰蟊接艇露，搿 得到接触点出的实际尺寸，假测头的形状( 针尖、球面或平面) ，为保持接触可靠而加 上的测量力，测头与被测物的材料硬度，被测袭丽的半h 糙度等因素，都会对测量结果 有很大的影响；在力学量测量时，接触式测量餐的测量力必然会影响到被测量，在热 工量测爨时，接触式测量的测头会消耗被测物的一部分能量，从丽影响到测量，为了 避受毅上静蚤秘猿凝，操持测蘩懿薅穗度，我髓逸铎 接簸式溅羹法。 3 是完成不适合人工作她的危险环境的在线梭测任务的必要从生产现场环境条件 出发，宥+ 螳不适合人工作、业的危险工作环境，如高温、高压、空气稀薄等，需要我 们采用光电视觉束代替人工视馓。 4 会瞒螺纹套管加工中的在线舱测所必需。金属螺纹在生产线中，设备连续运转， 5 每根螺纹管长5 5 0 m ，需实时检出螺纹的外径和螺距是否合格，并通过反馈系统和执行 机构来调整机床，使加工设备始终处于最佳的加工状态，使废品率减至最低。 综上所述，研究在线检测系统是十分必要的。 1 4 国内外发展历史及研究现状 在线检测技术的起源与发展是与大工业的发展密切相关的。以机械加工工业为例， 随着有互换性要求的大批量高精度零件生产的发展，要求在金属切削机床上严格控制 被加工尺寸在一个很小的公差范围内。因此，从3 0 年代开始，在磨床上出现一些测量 装置，能够在磨削过程中，指示出零件被磨的外圆或内圆直径。这些测量装置多是机 械杠杆传动放大，加上机械式或光学机械式指示测微表，指示磨加工尺寸变化，当指 针到达公差范围内，立即停止加工。这就是机床上的尺寸在线检测的起源。到4 0 年代 初，欧洲和苏联等工业较发达的国家，已出现很多种按测量点与工件接触的点数不同 而称为一点式、两点式及三点式尺寸测量仪，它们对控制加工过程出现废品起到主动 积极的作用，因而当时称为加工过程主动检验。这些在线检测装置已开始在一些大批 量生产的机械工业中得到实际应用。例如19 5 0 年在苏联第一轴承厂，已有3 1 种不同 的主动检验装置用于不同的磨削工序。加上其它工业部门，大约已有1 4 0 种主动检验 装置。此外还有一些用在加工、轧制过程中检验纸张、细丝、冷轧钢带厚度的在线检 测装置。 5 0 年代，由于工业电子学的发展，在线检测技术也由机械式检测装置发展到电气 化装置，从简单的红绿灯指示报警、在检测装置的放大杠杆或位移弹性元件上加上微 小电接触点发信号，进而通过继电器反馈控制加工机床，按照既定工序进行加工。在 这时期，由于高压式气动量仪的实用化，带有电气触点和控制线路的气动量仪逐步用 于在线检测中。5 0 年代末，在孔的珩磨机上成功运用了气动量仪在磨削中连续监测孔 径尺寸。到6 0 年代初，几乎所有的珩磨机都具有了这种在线检测功能。 6 0 年代，世界经济继续迅速发展，微电子技术，计算机技术，传感器技术都有了 令人瞩目的发展，从而给在线检测技术提供了发展的物质基础。原先在机械加工过程 的主动测量仪采用晶体管元器件及电路，技术逐渐成熟，并开始产业化。如意大利马 尔波斯公司，美国谢菲尔德公司等，己成批生产各种电动量仪供在线检测用。此外， 在线检测对象己不单是尺寸加工量，还扩展到冶会、化工、能源、交通运输、航空航 天等部门，测量参数从单参数到多参数，检测装置从单机到成套机械及整个车问。自 动化程度从简单的闭环控制到以计算机为基地的多参数综合监控和故障自动诊断。例 如从6 0 年代中期丌始，法国、德国、英国、意大利、瑞典等欧洲国家丌始在船舶上安 装在线监测系统，可监测船上的轮机和发电设备运行状态，船体振动和应力应变情况， 冷藏货物状况等。飞机的匕行数据监测与记录也是在线检测发展的一个方面。1 9 5 8 年 美国已要求在大型民航客机上带有可靠的抗摔坏的数掘记录装置随后在法国、澳大利 6 亚，以及1 9 6 5 年在英国，也有此项强制性要求。早期的飞行记录装置只记录压力、气 流速度、飞行航向及加速度等参数。今天，飞行记录的“黑匣子”已是众所周知的先 进的飞行数据记录装置。这一时期也开始注意发电设备和发电厂的运行状态监测，例 如振动监测，绝缘状念，冷却系统泄漏，润滑油分析等在线检测分析。 进入7 0 年代，在线检测技术己明确作为种新技术和学科，受到世界各国工业界 科技界的重视。1 9 7 4 年1 0 月，由美国伊利诺斯理工学院，与美国国防预备协会、美国 制造工程师协会以及美国质量杂志联合发起，召开第一届国际自动检验及产品控制会 议( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo na u t o m a t e di n s p e c t i o na n dp r o d u c tc o n t r 0 1 ) 。以后每两年召 开一次。讨论自动检测和产品质量控制的意义，传感技术，微机应用，在线检测与控 制系统等方面的最新成就和发展。 8 0 年代至今，国际上一些工业发达国家在钢铁工业、交通运输、化工、机械加工、 造纸、发电等工业上的在线检测技术都有较大发展。例如，1 9 9 0 年初，英国钢铁公司 安装了一套双镜头视频在线检测系统，当高速钢板通过热轧机，系统可对钢带上下表 面同时进行检测，可发现1c n l 以下的小缺陷，显示清晰的图象，既监测钢带质量，又 提高了生产率。又如美国铁路协会在9 0 年代初研制成铁路导轨负载车( t l v ) ，可对电 气机车和架空线磨损情况进行在线监测，以保证铁路运输安全。在汽车工业中，也广 泛应用在线检测，例如对零部件焊接位置尺寸，以及整个车身的检测点进行在线检测， 每班生产产品的质置都有数据可查，以使质量有保证。目前国外已有一些专业公司生 产成套的在线检测仪器和系统，供用户选择使用。 我国在线检测技术的研究和应用起步较晚。5 0 年代开始引进苏联的机床及其配套 的加工中主动测量仪。6 0 年代开始仿制苏式仪器，用在轴承专用磨床上。1 9 6 6 年引进 日本技术，建成中原量仪厂，它是我国第一个专门生产自动测量尺寸用的气动量仪和 电动量仪的工厂，其产品可用于轴承、汽车、拖拉机等行业的机械加工尺寸自动测量 和在线检测。八五期间国家投资引进美国技术，建成中美合资无锡爱锡量仪有限公司， 专门生产在线检测用的各种测量单元f 模块) 、量规、测量夹具及多参数测量系统。可用 于连杆、曲轴等零件综合检查，以及汽车部件整体在线测试系统。7 0 年代以来，我国 丌始大力扶持发展传感技术，数显技术，机电一体化技术等，已有近百家工厂生产在 线检测用的元器件，如光栅、磁栅、感应同步器等，以及激光大位移测量系统i 三坐 标测量机等，为在线检测提供了很多技术手段。7 0 年代末到8 0 年代初，在线检测技术 在我国得到了明显的重视和发展。在机械、电子、化工、轻工、冶金、纺织、发电、 水泥等工业部门都有了成功的应用。 在此基础上，在线检测技术的学术研究和成果也有了发展。i 9 8 6 年，由中国计量 测试学会、上海市计量测试学会、上海市在线检测技术办公室在上海联合举办了第一 届全国在线检测学术交流会，发表论文7 5 篇，论文摘要6 5 篇。1 9 9 0 年在上海举办第 二届学术会，发表论文7 9 篇，论文摘要1 1 篇。1 9 9 2 年在威海市利斤了大型的技术交 流会。这些活动都有利于我国在线检测技术的推广和发展。 目静豳内外在线检测技术发展的趋势主要荫：在线检测系统的研究。从单参数 检测向多参数综合检测；从单机检测向全生产线以及全车日j 全厂的谯线检测：从单纯 检测向检测与控制的闭环系统；从应用于大批量生产向应用于中小批缀生产的柔性检 测系统发鼹。微机化智能化。采用微机智能功能来保证在线检测系统能满足生产线 上各争争参数交像及羚赛篆侮予貔懿，系统能迅遮遂应交伲霹攘除予撬。在线硷溅系 统的可靠畿。生产线要求长麓连续运行，因戴要求扶可靠性设计开始，保证元器 孛制 造、调试安装各环节的可靠性，并在系统中加入故障自检白诊断功能，从而提高在线 检测系统的可靠度。在线检测装置产业化。在推广应用中，建立专门研究与制造在 线检测装缀的产业，并使装鬻模块化，通用化，标准化，以利于降低成本，推广应用。 5 本文豹主要工作 ( 1 ) 研究利用c c d 技术检测螺纹螺距尺寸的工作原理； ( 2 ) 研究应用数字图像处理技术对图像进行分析并且使图像易于a d 转化； ( 3 ) 研究在线检测系统特镊参数溟l 试中的信号传输与计算机数攒处理软件； ( 4 ) 磺究分撰在线检溅系绕审雩| 起戆捡溅诶麓耱各舜嚣素及撬巍捻溅精度戆荣憨； 8 第二章系统设计方案 2 1 系统总体技术指标及使用要求 2 1 1 技术指标 1 测量任务 在线测量螺纹螺距的尺寸，并实时记录与输出； 2 被测螺纹名义直径尺寸：1 6 1 一矿1 0 7 3 r a m ； 3 测量精度测量精度范围 螺纹直径：以6 1 q m 3 m m ；螺距测量精度：6s _ - 2 0 2 m m 爹4 3 一矿1 0 7 3 r a m ； 6s o 6 r a m 4 工作时间：连续工作1 2 h ； 5 整机可靠性：m t b f 5 0 0 h ，m t t r 。 2 h ： 6 微机系统：主频不低于2 o g h z 、硬盘容量不低于8 0 g 、内存不低于2 5 6 m 、一台 1 7 纯平显示器、一台激光打印机。 2 1 2 使用要求 1 测量环境温度：2 0 5 。c ： 2 电源电压：2 2 0 v ： 3 系统应具有防磁、防水、防尘能力 2 2 总体方案的考虑 2 2 1 测量原理的选择 根据设计任务书要求采取非接触式测量，可供选择的测量原理有：光学与光电式、 电涡流式、气动式。 1 光学与光电式 主要有光学成象法( 包括光学投影、光学图像处理等) 和光学瞄准测距法( 包括激光 准值或反射等) 这些方法的优点是精度高，测量速度快缺点是：光源( 如激光器) 价高， 寿命短，环境要求高：光学系统结构复杂，光学仪器多适应于计量室，不宜于现场使用： 光学图像处理系统复杂价高：螺纹表面粗糙，不宜光学测量 9 2 电涡流式 利用被测工件表面形成的电涡流，作用于电涡流传感器，获得输出信号，该信号大 小与工件和传感器之间的间隙大小成比例，从而可测量尺寸的变化这种原理的优点是： 传感器结构简单，直接把尺寸变为电信号，便于自动测量，造价也低但由于电涡流大小 与工件材质、表面氧化硬化有关，因而不适用于螺纹螺距的测量。 3 气动式尺寸测量 利用高压气流经过测量喷嘴与工件表面之间的气隙流出时，测量气室的反压力与 气隙大小( 即工件尺寸偏差) 有一定函数关系，从而测定工件尺寸偏差气动式测量有很 多优点：气动侧头结构简单造价低：测量精度完全可以满足本项目要求：喷出气流可吹 去工件表面灰尘( 即有自洁能力) ：对环境条件要求不高：高压气源使用方便：维修容易 寿命长缺点是测量线性范围较小。 通过以上分析可知，三种测量原理都不适用本项目的测量，为了实现螺纹螺距的参 数测量，在此提出了另一种测量原理，即光电视觉在线检测原理。 光电视觉在线检测系统的工作原理图： 图2 - 1 系统，l ：作原理图 光电视觉在线检测原理 采用光学的方法，结合机械传动通过c c d 摄像机获取螺纹的图像，获得的图象运用 数字图像处理技术，通过a d 装置实现模数转换，对图像数据进行去噪滤波取边缘， 亚像素边缘定位得到螺纹螺距的实际参数值，并应用标准螺纹零件对系统进行标定， 从而获取高精度的测量结果。 2 2 2 总体方案 光电视觉在线检测系统由光源、待测螺纹、标准尺、c c d 照相机、图像采集卡( 或 图像处珲币元) 、图像处理软件、监视器、通讯输出输入单元构成( 参见图2 - 1 ) 。 光电视t j = 在线检测系统总体结构：首先，把标准螺纹安装在榆测系统中，经图像处理 1 0 与分析，得到单个像素的尺寸，然后，再把待测螺纹放在检测系统中，利用公式 d ：堕。删( d ：标准螺纹实际的尺寸：m ：标准螺纹包含的像素值：肼：待测螺纹包含的像 ，竹 素值) 测得待测螺纹的长度，并与标准螺纹长度相互比较，检验待测螺纹是否合格( 参 见图2 2 ) 。 图2 - 2 系统示意图 2 3 光电视觉检测系统技术方案 1 计算机系统 光电视觉在线检测系统应完成自动判读、自动控制、数据分析处理、显示等功能。 为了更好的实现一机多用，所以在设计时应进行模块化管理，分工统一协调，并具备 良好的扩充性。据此，选用i b m p c 机作为机，利用其管理功能强、速度快、数据处理 功能强、编程灵活、显示方便等特点。主控机主要完成以下功能：测量对象选择、测 量条件选择；公式计算、精度分析等；结果显示；测量状态实时显示，最终结果显示。 2 人机对话系统 该系统软件是基于视窗操作系统的测量控制程序，是利用面向对象的高级语言 v c + + 及m a t l a b 来开发的，所以具有良好的可视化效果、界面友好、操作简单、升级维 护方便等特点。该系统软件主界面结构上由菜单栏、工具栏、命令按钮三大部分组成， 与当f i i 流行的常用办公软件界面相同，所以很容易掌握。在功能上主要由任务编辑、 设备初始化、设备调试、测量试验、数据显示及打印h 大功能组成。 多样化的输出方式为人机对话提供了方便的条件，操作人员可根据系统输h 显示 的各种提示作有效的操作，通过人机对话减少操作和读数的错误，并为及时修改错误 提供了方便，这样可提高系统的灵活性。 3 图像的采集系统 图像的采集系统是靠数字化设备来完成的。数字化设备是完成将光学成像设备得 到的模拟电信号转化为数字信号的电路元器件。它可以集成在成像设备中，也可以独 立在成像设备之外。前者就是目前逐渐流行的数字摄像机，后者就是各类图像采集卡。 图像采集卡的作用就是将捕获的模拟图像经过采样和量化处理，变换成为计算机能够 处理的数字图像信号。将采集卡插入通用计算机中，可以在不浪费原有计算机资源的 情况下，构成具有图像采集功能的计算机。 在开发过程中应根据实际需要选择合适的视频采集卡。这里采用加拿大m a t r o x 公司的m e t e o r i i d i g i t a l 采集卡。m e t e o r i i d i g i t a l 采集卡具有r s 一4 2 2 接口可用于 对线阵及面阵摄像机的图像采集。具有3 2 位p c i 总线。内置4 m b 缓存，以保证图像数 据的实时传输。 c c d 摄像机选取主要考虑四个因素啪。1 ： ( 1 ) 像元大小： ( 2 ) 靶面尺寸( 成像视场) ； ( 3 ) 动态范围； ( 4 ) 工作温度范围。 4 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 电荷耦合器件摄像机的接受系统 c c d 摄像机也称为固态摄像机，它由许多个称为感光像元( p h o t o s i t e ) 的离散成像 元素构成。这种感光像元在接收输入光后，会产生一定的电荷转移，于是形成了和输 入光成正比的输入电压。按照芯片几何组织形式的不同，c c d 摄像机分为线阵和面阵两 种。 本系统采用面阵c c d 摄像机，其工作原理是当入射光在c c d 像元上成像时，入射 光被c c d 像元吸收并产生相应数量的光生电荷。在光积分期间，光生电荷被积累并存 储在彼此隔离的像元的势阱中，每个像元势阱中所积累的信号电荷数与照射在该像元 面上的平均照度和光积分时问的乘积成正比。在电荷转移期间，光生电荷依次转移至 输出区，通过复位脉冲的控制，在输出级形成视频信号。每次积分的输出波形代表目 标光图像在c c d 采样方向的瞬态强度的空间分布。由c c d 基于精密图像处理的螺纹在 线检测系统研究输出的模拟信号是一个脉冲信号，这些随时问变化的脉冲信号与随空 间分布的光敏像元光强对应，通过物距、像距关系及c c d 输出脉冲量的计算来检测零 件尺寸。 5 照明系统 照明系统采用了l e d 阵列光源，l e d 是冷光源，发光效率高，它具有光源利用率高、 视场均匀的特点。 发光二极管 强2 - 3 照骧系统忝意霆 照明系统中l e d 阵捌光源和毛玻璃以适当的距离平行放置，使窀发出的光均匀， 适用于此系统( 参见图2 3 ) 。 2 4 螺纹在线检测系统的组成 螺绞在线梭测系统由磺箨系统鞠较 孛系统缀威。硬 譬环凌一觳分为嚣大类鍪：筵 在计算机主板的p c i 插槽中插入一个采集卡，该卡有刷新图像存储器等专用硬件，而 图像进步处理、分析、计算、判断等工作则由计算机软件来完成，这种类型可简称 为软件型图像处理系统，其处理速度完全取决予计算机c p u 的运算速度和图像卡采集 速度。另一类是利用专用硬件图像处理，两主极仅俸为发毒命令及避章亍小部分处理， 图像瑗磐楚理蜀竣疆穰送行。忿专爰硬终称为瀚像诗算魏，蠢藏这一类霹称为图像诗 算机型图像处理系统。 1 、硬件系统 螺纹参数检测系统采用的是软件型图像处理系统，它采用的硬件是通用的、市场 量大，技术支持好，性能价格比高，弗且可以缀方便的更新其中的浆一个部件；而遴 遥软 孛黪缝霉霉鞋缀好爨舞发滋灵活适蘑豹图像楚瑾算法，霹溅整数掘进行丰富数鲶 理，对分轿的结果按要求反馈给控制系统以及与器个通信、控制、梭测部件进行协调， 有利于整个系统按规定协同工作；某个硬件的升级更换也可以很方便的通过模块化的 软件设计束保证其正常的工作。 测量时，螺纹经照明系统照明后成像于面阵c c d 接收靶面上，筒眸c c d 完成图像的 光一电转羧及毒芟频售号输出功熊。援频信号由图像卡- 经a d 转诧为数字繁，诗算提对浚 数字图像狻鞠应算法雩# 链理麓，计算出螺纹浆螺鞭参数，并与棘礁滋行比较计算出褊 差。在洲照过程中，监示器可以实时显示检测处理过程，以便操作者监控。 2 、软件系统 螺纹参数检测系统的软件系统主要包括系统控制模块、图象处理模块、螺纹判废 o o o o o o o o o o o o o 0 0 0 0 o o 0 0 0 0 0 0o o o o o o o o oo o o o o o o oo o o o o o o o oo o o o o o 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 o o o o 0 0 0 0 0 o o 0 0 0 0 0 0 0o 0 0 0 0 0 0 0 0o o o o o o o o o 模块、数据管理模块等。 ( 1 ) 系统控制模块： 初始化：完成系统、图象接口卡及标准参数的初始化配置。图像采集操作：动念 采集并保存8 位的灰度图像，捕获图像到内存。 ( 2 ) 图像处理部分： 图像预处理：噪声消除是图像处理的关键。本文对常用的滤波技术进行研究和分 析，最后综合考虑选用了中值滤波算法。图像边缘提取：图像边缘的有效提取是图像 处理的难点，也是本论文的主要工作之一。根据螺纹图像的特征，综合考虑比较了多 种图像边缘提取技术。最后提出了s u s a n 提取边缘算法。 边缘点的亚象素定位：主要对提取后的边缘点进行亚象素定位，在综合分析了各 种亚像素算法基础上研究了基于多项式插值的亚象素定位算法。 螺纹几何参数计算模块：主要根据a p i 测量方法，运用最小二乘法拟合算法等拟 合算法，计算螺纹的几何参数，得到螺纹几何参数。 ( 3 ) 螺纹判废模块：根据a p i 测量标准，对测量得到的几何参数进行严格比较， 判断螺纹是否在标准许可范围内。 ( 4 ) 数据管理：把螺纹计算结果与判废结果保存到数据库中，并且对数据库中的 数据提供增加，删除、编辑、报表查询打印等功能。 图2 3 软件系统模块图 软件系统模块如图2 3 所示，各模块功能描述如下： ( 1 ) 系统初始化：设置螺纹预定参数值，误差值等。 ( 2 ) 图像获取：通过c c d 部分获取螺纹部分图像，并保存为b m p 格式的图象文件。 ( 3 ) 参数计算：运用数字图像处理技术，对图像数据进行去噪滤波取边缘，亚像 素边缘定位得到螺纹的实际参数值等。 ( 4 ) 螺纹判废：按照设定的公差要求，根掘系统设定的误差对螺纹的螺距进行判 废。 1 4 ( 5 ) 打印输出：按照生产实际要求给出检测结果及报表。 2 软件算法及实现 由于本论文在线检测系统要求精度高，如果采用传统像素级边缘定位方法，在精度 方面不能保证。必须采取亚像素技术来提高螺纹参数计算的精度。 软件系统流程图如图2 4 所示： 幽2 - 4 软件系统流程图 ( 1 ) 图象预处理 图像预处理使用平滑处理的方法，其主要目的是减少噪声。中值滤波是最简单的非 线性滤波，其基本思想是用象素点邻域灰度值的中值来代替该像素点灰度值。中值滤 波窗v 1 的大小选7 x 7 ，窗口选定后把窗1 5 1 内各象元按狄度大小排列，最后取该序列的中 值来代替窗口中心象素点的值。中值滤波的优点是滤波后的图像均匀，消除了噪声， 极好地保持了边界的信息。 ( 2 ) 螺纹边缘提取 螺纹边缘提取算法采用的是第p q 章的4 1 2 所述的s u s a n 算子。 ( 3 ) 边缘点驻像素定位 这一步是在前颟像素级边缘提取的基础上进一步进行驻像素定位，采用了基于多项 式插值的亚像素邂位算法，详细阐述见第四章的4 3 7 。 ( 4 ) 基于螺纹外轮癣形状豹拟合求取参数并判废 这一多是在蘸蘸寒敬了委像素边缘点静基磋上求取参数。缮至参数鏊嚣壤鬃螺纹稼 准对螺纹进行判废。 1 6 第三章图像的预处理 经图像信息输入系统获取的源图像中通常都含有各种各样的噪声与畸变，会大大 影响图像的质量。因此，为了更好的改善图像的质量，获取更多的图像信息，我们对 图像进行预处理。 3 1 读取图像并显示 在读取图像之前，应该首先清除m a t l a b 所有的工作平台变量，并关闭打开的图形 窗口，为此，可使用以下命令行： c l e a r ：c l o s ea 1 1 然后使用图像选取函数i m r e a d 就可以读取一副图像，并将它存储在一个名为i 的数组 中，可以使用命令： i = i m r e a d ( m a0 9 4 j p g ) ； 然后调用命令i m s h o w 来显示图像： i m s h o w ( i ) ： 如图3 1 3 2 图像类型转换 图3 - 1 图像m a0 9 4 j p g 在图像操作中，需要对图像类型进行转换。如果不将图像进行转换，m a t l a b 7 0 则对图像调色板的序号进行滤波，这没有任何意义。 r g b 2 9 r a y 函数用于将一副真彩图像转化为灰度图像，其语法格式为： i l = r g b 2 9 r a y ( i ) ： 1 7 3 3 图像灰度调整 3 。3 1 畿接灰度调整 翻3 - 2 濂盈豫转换豹获度幽像 在空间域内对图像进行点运算是一种既简犟又重要豹图像处理技术，它能让用户 改变图像。卜像素点的灰度值，这样通过点运算处理将产生一幅新图像。简单地说，灰 度调整就是指对图像上各个像索点的灰度值x 接某个函数t ( x ) ) 变换到y 。例如，为了 提高圈像的清晰度，需要将图像的灰度级整个范围或其中某一段( a ，b ) 扩展或压缩到 ( a ，b7 ) ；夺需要曼示爨黟像醵缨节部分等娃都要求采鬟反度变换方法。获度变换有 时又被称为爱像豹对比凄增强或对魄度拉 率。骰定输入图像中的一令像素的荻度级为 z ，经过函数t ( z ) 变换后输出对应的灰度级为z ，其中要求z 和z 都要在图像的灰度 范围之内。根据t ( z ) 的形式，可以将灰度变换分为线性变换和非线性变换。具体应用 中采用何种t ( z ) ，需要根据变换的要求而定。为了选择一种合理的变换函数，首先应 该对艨始辫像熊像素获度倦商一个大概了解，然压根据豫素的统讨特征来确定需要的 变接垂数类型。m a t l a b 强缘处理工其旗提供了多个函数阻返回与擒或潮像的荻度相关 的信息。 l - 像素选择 为了能够提供图像上指定的像素的信息。m a t l a b 图像处理工具箝提供了两个函数： p i x v a l 和i m p i x e l 。下面对这两个函数分别说明。 ( i ) 函数p i x v a l 。 功能：得到像素的数据瓿，并 1 能够显示两个像素矧的欧凡攀得几何距离。 语法格式； p i x v a l0 1 1 p i x v a lo f f p i x v a l p i x v a l ( f i g ，o p ti p n ) 说明： 使髑p i x v a l 函数静必须强显示图像，然后谯命令窗口中输入p i x v a l ( o n ) ，则 在被显示瓣缘戆疼凌窭王燕一令爨色凌叁拦。当纛稼在图缘土移凌辩，瘸在黑色获态栏 中显示光标所在像素豹坐栎和该像素的颜色数箍。当在图像中点毒鬣标并拖动对，在 黑色条中将显示最初点击像索和当前像素间的几何距离。 当在命令窗口中输入p i x v a l ( o f f ) ，则念退出当前的交互操作。 ( 2 ) 踊数i m p i x e l 功戆；褥到像素静数攒。 语法臻式： 【c ，r ，p = i m p i x e l ( x