陳琦峰，張 瑋，張青春

（1.國家標(biāo)準(zhǔn)件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，浙江 海鹽 314300；2.清華大學(xué)精密儀器與機械學(xué)系，北京 100084）

0引言

緊固件的根本任務(wù)是裝配緊固，因此緊固件包含互換性和安全性兩項職能。其中螺紋部分的加工質(zhì)量直接決定了緊固件的互換性以及與裝配強度有關(guān)的安全性，因此對于螺紋的質(zhì)量控制格外重要，應(yīng)通過檢驗及時發(fā)現(xiàn)問題、調(diào)整工藝。目前螺紋檢驗缺乏一種簡便的測量方法，每一項參數(shù)都要進行獨立測量，采用的方法、工具和設(shè)備都不一樣，對于螺紋各項指標(biāo)的定量檢驗就顯得非常不經(jīng)濟；常規(guī)的螺紋檢驗也只能進行大徑測量以及量規(guī)的定性檢驗，量規(guī)檢驗對螺紋的判定存在技術(shù)漏洞[1]，即使發(fā)現(xiàn)了次品螺紋，也很難直接反映出問題所在，往往還要通過借助單項檢驗進行原因排查。

該文通過搭建測量系統(tǒng)、編制軟件，研究圖像分析技術(shù)在螺紋測量應(yīng)用上的可行性，探討應(yīng)用該方法提高螺紋參數(shù)的檢測效率，實現(xiàn)全參數(shù)測量的可能性。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計原理為：運用圖像攝取工具獲得被測螺紋的圖像，編制軟件對真值與像素進行關(guān)系標(biāo)定，再通過對螺紋圖像的運算，輸出螺紋各項參數(shù)。

系統(tǒng)搭建的目的是盡可能獲取成像質(zhì)量好（局部變形小、輪廓清晰）的螺紋圖像，這是軟件進行精確運算的基礎(chǔ)。

1.1 光源設(shè)計

光路的平行性好，才能使成像質(zhì)量達到測量的要求。為選用符合測量要求的光源，搭建試驗系統(tǒng)，如圖1所示[2]。

以背光源與螺紋的距離10mn作為基準(zhǔn)，建立實測大徑值與像素值的對應(yīng)關(guān)系。分別選用不同的光源，通過移動光源改變背光源與螺紋的距離，觀察其對檢測結(jié)果的影響，進行光源的平行性驗證。通過試驗比較，LED背光源平行性較好，其實驗結(jié)果見表1。

表1 新加坡生產(chǎn)的LED背光源平行性實驗結(jié)果

1.2 相機選型

工業(yè)黑白相機的主要參數(shù)指標(biāo)為分辨率、AD精度、性噪比。相機的像素值越大，則分辨率越高，考慮性價比，這里選用130萬象素相機；常見的AD精度有8位和12位，位數(shù)越高，精度越大，這里選用的是12位的相機；性噪比主要和傳感器件的類型和電路系統(tǒng)的噪聲有關(guān)，這里選擇CMOS相機。最終選定西安方誠科技有限責(zé)任公司的130萬12位CMOS工業(yè)相機，型號為ID130M。

1.3 成像設(shè)計

主要設(shè)計參數(shù)為相機的工作距離和視場大小。工作距離應(yīng)該盡量小，減小光路的噪聲；視場大小在滿足檢測范圍的要求下應(yīng)盡量大以便提高檢測分辨率。設(shè)計中選擇的是日本工業(yè)130萬定焦鏡頭，焦距為25 mm。最終設(shè)計的系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)：焦距f為25mm，物距（工作距離）為114mm，視場寬度為22.78mm，檢測分辨率為0.0178mm/像素。

2 標(biāo)定方法

圖像運算得到的是像素值，若要得到檢測的真實值，需要對系統(tǒng)進行標(biāo)定。

2.1 標(biāo)定板

采用標(biāo)準(zhǔn)塊進行系統(tǒng)標(biāo)定是檢測設(shè)備最常用的方法，這里選用深圳納研科技公司的專業(yè)棋盤格標(biāo)定板，型號為NANO CBC50MM-1.0（總長精度：±5.0μm，圖形尺寸精度：±1.0～±3.0 μm，圖形位置精度：±1.0～±3.0μm，線條精度：±1μm，縫寬均勻度：≤1μm）。

采用圖1所示系統(tǒng)，在螺紋處放置標(biāo)定板，對標(biāo)定板進行間隔0.1mm的移動和測量，獲得一系列標(biāo)定比例。結(jié)果表明，物距偏差對標(biāo)定比例即測量結(jié)果產(chǎn)生影響，測試結(jié)果見表2。假定M6螺紋進行測試數(shù)據(jù)推算，如果標(biāo)定板到相機的距離與檢測螺紋中軸線到相機的距離相差1mm，檢測大徑的結(jié)果將相差0.067mm。而實際標(biāo)定中，很難保證標(biāo)定距離與測量距離的一致性，所以該系統(tǒng)不采用標(biāo)定板方案。

表2 標(biāo)定板測試結(jié)果

2.2 大徑標(biāo)定

由于螺紋大徑測量方法簡便，測量精度容易保證，通常螺紋大徑的測量工具（微米千分尺）分辨力可達到0.01mm，滿足系統(tǒng)標(biāo)定精度要求。采用螺紋大徑進行系統(tǒng)標(biāo)定最大優(yōu)勢在于不用考慮標(biāo)定與測量距離的一致性，所以系統(tǒng)最終采用螺紋大徑標(biāo)定方案。

3 算法研究

檢測算法是檢測系統(tǒng)的核心部分，算法的優(yōu)劣直接決定了系統(tǒng)結(jié)果的可靠性。算法主要分為圖像預(yù)處理、邊緣提取、指標(biāo)解算3個步驟。

3.1 邊緣提取

相機得到的是灰度圖像，先進行濾波、邊緣增強等預(yù)處理，然后進行邊緣提取，這里采用的是Canny邊緣檢測算子進行邊緣提取[3-5]。

Canny算子利用高斯函數(shù)的一階微分對圖像進行濾波，得到每個像素的梯度大小和方向θ：

f為濾波后的圖像。該算法對梯度進行了非極大抑制處理，最終輸出一條邊緣細線，效果如圖2所示。

3.2 指標(biāo)解算

邊緣提取得到的邊緣線是不光滑的，不能用于計算，采用最小二乘法對提取的邊緣像素點進行直線擬合，獲得螺紋的各牙側(cè)線（圖3）、大徑線、小徑線。由牙側(cè)線的交點通過最小二乘法直線擬合并求取中線獲得螺紋的中徑線（圖3）。

表3 測量不確定度評定結(jié)果比較

圖2 邊緣提取

圖3 直線擬合

通過計算兩側(cè)大徑線、中徑線、小徑線間的距離可取得大徑、中徑、小徑像素值，通過對成組牙側(cè)線的橫向距離求平均值獲得螺距的像素值，通過相鄰牙側(cè)線的三角函數(shù)關(guān)系求得各螺紋的牙型角，再由大徑標(biāo)定結(jié)果推算各參數(shù)的真值，最終通過軟件界面輸出。

4 測量不確定度評定

為驗證該文設(shè)計的螺紋測量系統(tǒng)是否滿足緊固件螺紋測量要求，現(xiàn)取公制M10螺栓樣品進行螺紋測量系統(tǒng)和常規(guī)檢測方法測量不確定評定比較。測量時，分別由5名檢驗員，采用該系統(tǒng)和常規(guī)檢測方法對指定的螺紋段進行5組數(shù)據(jù)測量，以此為依據(jù)結(jié)合其他不確定因素進行測量不確定度評定[6]，評定結(jié)果見表3。

評定結(jié)果表明該文搭建的螺紋測量系統(tǒng)測定螺紋參數(shù)的可靠性與螺紋常規(guī)檢測方法相當(dāng)，僅牙型角較常規(guī)檢驗方法存在差距，這是由于牙側(cè)像素點過于接近，擬合的直線對個別像素點分布很敏感，導(dǎo)致牙型角測量結(jié)果不確定度增加。該項指標(biāo)不確度可以通過選用更高分辨率的工業(yè)攝相機得到改善。

5 結(jié)束語

該文通過搭建螺紋測量系統(tǒng)，對采用圖像分析技術(shù)實現(xiàn)螺紋自動化測量的可行性進行了研究。結(jié)果表明，基于圖像分析技術(shù)搭建的螺紋自動化測量系統(tǒng)可滿足緊固件螺紋的測量要求，該系統(tǒng)對于提高螺紋參數(shù)的檢測效率，實現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域?qū)o固件螺紋的全面控制、提高緊固件的裝配質(zhì)量與安全性具有重要意義。

該測量系統(tǒng)目前只對緊固件用60°三角螺紋[7]檢驗的適用性進行了驗證，系統(tǒng)原理理論上適用于其他形式的螺紋及型式尺寸檢驗，其適用性有待進一步研究。

[1] 李安民.緊固件標(biāo)準(zhǔn)實施指南[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006：125-126.

[2] 孫雙花，曲興華.基于圖像測試技術(shù)的復(fù)雜工件自動檢測系統(tǒng)研究[J].制造技術(shù)與機床，2007（11）：16-19.

[3]王植.多尺度自適應(yīng)邊緣檢測方法研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2004.

[4]趙宏中，張彥超.基于Canny邊緣檢測算子的圖像檢索算法[J].電子設(shè)計工程，2010，18（2）：75-77.

[5] 王克剛，耿國華.Canny邊緣檢測改進中的自適應(yīng)平滑與增強[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2008，28（3）：577-580.

[6] 王承忠.材料理化檢測測量不確定度評估指南及實例[M].北京：中國計量出版社，2007.

[7] 李曉濱.螺紋及其聯(lián)結(jié)[M].北京：中國計劃出版社，2004.