顧峰，丁勝明，陸洋，劉大猛，李寧，齊同

1.一汽解放發(fā)動機事業(yè)部錫柴工廠 江蘇無錫 214000

2.清華大學(xué)天津高端裝備研究院 天津 300304

目前，發(fā)動機事業(yè)部加工車間所有螺紋檢測均是操作工按檢測頻次，使用帶深度止口螺紋塞規(guī)進行定性檢測，無法獲取當(dāng)前加工螺紋的技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)，檢測效率低，監(jiān)控手段差。結(jié)合發(fā)動機事業(yè)部自制件缸體頂面螺栓孔和結(jié)合面螺栓孔這個應(yīng)用場景，發(fā)動機事業(yè)部聯(lián)合清華大學(xué)天津研究院開發(fā)了一款基于內(nèi)孔展開鏡與內(nèi)窺鏡雙模式，應(yīng)用圖像采集系統(tǒng)和建立算法模型進行尺寸及缺陷檢測的新型螺紋檢測系統(tǒng)。

檢測原理

1.內(nèi)窺鏡測量螺紋小徑

利用內(nèi)窺鏡正對螺紋孔進行拍攝，內(nèi)窺鏡實現(xiàn)過程包括圖像采集、紋理提取、小徑定標(biāo)及小徑計算四個步驟。通過標(biāo)定獲取每圈像素與實際值比例系數(shù){Ratei}和標(biāo)定的參考值{Ri}。

對所拍攝的螺紋內(nèi)孔展開照片使用數(shù)字圖形方法處理（見圖1），最終獲得一組按大小排序的從外向內(nèi)的每圈螺紋的像素半徑{ri}，然后與標(biāo)定的參考值{Ri}進行比例運算，即可得到每圈螺紋小徑的測量值。

圖1 小徑紋理提取的圖像處理

設(shè)某一圈的實際測量值{Radi}，每一圈的直徑計算公式如下：

2.雙目視覺檢測螺紋牙型

檢測內(nèi)螺紋牙型幾何參數(shù)的方法是通過不同角度的鏡頭對內(nèi)螺紋進行拍照成像，其基本原理為雙目視覺原理。

（1）雙目視覺原理 雙目視覺是利用視差原理的一種視覺方法，該方法是機器視覺立體成像的一種重要形式。利用兩臺相機從不同的位置獲取被測物體的兩幅圖像，通過計算圖像對應(yīng)點間的位置偏差來獲取物體三維幾何信息。

如圖2所示，空間中一點P（x，y，z）在左右相機中的成像點Pleft=（Xleft,Yleft）。

圖2 雙目視覺原理

Pright=（Xright，Yright）。將兩相機固定在同一平面上，則點P在Y方向的坐標(biāo)是相同的，即

Yleft=Yright=Y。根據(jù)三角原理，可得

式中f——相機焦距；

B——基線距離。

視差被定義為相同點在左右相機X方向的偏差，即Distance=Xleft-Xright。則點P在左相機坐標(biāo)系下的位置可以表示為：

當(dāng)兩個相機不對齊時，經(jīng)過標(biāo)定后可以知道左右兩臺相機光軸在實際空間坐標(biāo)系之間的夾角，然后通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和校正矩陣將圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到一組嚴格對齊的兩個相機坐標(biāo)系中，最后通過雙目視覺原理計算即可，圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式如下（設(shè)P點在左相機坐標(biāo)系中為（xL，yL，zL），右相機坐標(biāo)系為（xR，yR，zR）：

式中R——旋轉(zhuǎn)矩陣；

T——平移矩陣。

（2）內(nèi)螺紋牙型幾何參數(shù)測量 如圖3所示，內(nèi)螺紋檢測系統(tǒng)使用頂部安裝了可變角度平面反射鏡的內(nèi)窺鏡探頭，從不同角度反射后在相機上成像，就相當(dāng)于有兩臺相機分別從兩個角度拍攝，形成的一套雙目視覺檢測系統(tǒng)。探頭按拍攝角度阿a1，在-a2向里拍攝圖像，拼接成內(nèi)螺紋的完整圖像（見圖4）。

圖3 內(nèi)窺鏡的內(nèi)螺紋拍攝示意

圖4 α1和-α2角度拍攝示意

從某視角拍攝內(nèi)螺紋，照片效果如圖5所示，牙頂和牙底面由于與入射光方向接近垂直，反射光強度大，而牙側(cè)反射光強小，圖像實際表現(xiàn)為明暗相間的條紋狀。根據(jù)拍攝角度α（α1或-α2）與0°大小關(guān)系不同，明暗條紋的彎曲方向如圖5所示。從視角α拍攝內(nèi)螺紋時，圖6顯示牙型各部分對應(yīng)的條紋寬度（左牙側(cè)Ll，牙頂Lt，右牙側(cè)Lr，牙底Ld）。于是從兩個視角的牙型條紋寬度可以解出牙型實際參數(shù)。

圖5 內(nèi)窺鏡拍攝及螺紋圖像處理結(jié)果

圖6 計算原理示意

設(shè)牙側(cè)角分為y，計算步驟如下：

1）讀取所拼接的兩個視角的內(nèi)螺紋照片，使用自適應(yīng)閾值方法提取二值化明暗條紋。

2）經(jīng)過均值模糊、閉運算降低二值化噪聲。

3）使用形態(tài)學(xué)圖像處理算法將明暗條紋進行分割、標(biāo)記并計算每個條紋的寬度。

4）以螺紋口進行對齊，得到4條條紋為兩組的螺紋牙型像素寬度序列分別對應(yīng)兩個視角α1、α2。

5）根據(jù)平面幾何原理以及雙目視覺原理有如下計算公式。

結(jié)合前述計算的螺紋小徑與上述牙高、牙側(cè)角等數(shù)據(jù)，可進一步計算內(nèi)螺紋大徑和中徑，其中大徑為小徑與牙高之和，中徑為螺紋軸向截面內(nèi)牙型上的溝槽和凸起寬度相等處的高度與小徑之和，螺紋深度等于螺距乘以螺紋圈數(shù)n，其計算公式如下。

其中，θ=0.5+0.5（Ld-Lt）/（Ll+Lr）。

試驗方案設(shè)計

1.試驗平臺

如圖7所示，內(nèi)螺紋檢測裝置包括機器人、機器視覺模塊、控制模塊和中央處理模塊。如圖8所示，機器人是帶動視覺模塊移動的裝置，與控制模塊相連，接收控制模塊發(fā)送來的的指令進行相應(yīng)移動。

圖7 螺紋檢測總成結(jié)構(gòu)示意

圖8 機器視覺模示意

2.程序設(shè)計

內(nèi)螺紋檢測系統(tǒng)是以內(nèi)孔展開圖像和內(nèi)窺圖像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別計算內(nèi)螺紋小徑、牙高、牙寬、牙側(cè)角以及螺距等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)基本原理講述的方法，再進行大徑、中徑、螺紋深度計算，最終將數(shù)據(jù)結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫同時輸出到Excel表格等文件中。軟件實現(xiàn)總體流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)工作流程

計算機程序操作，選擇內(nèi)螺紋類型，可實時采集圖像也可以讀取固定目錄下的圖像進行處理（正常工作時是采集圖像）。采集圖像后，根據(jù)圖像種類不同選擇不同的處理函數(shù)進行處理，完成3個基礎(chǔ)圖像處理后，點擊“計算牙型參數(shù)”按鈕，則開始計算所有參數(shù)并進行存儲和輸出。

試驗及數(shù)據(jù)分析

1.試驗過程

為驗證內(nèi)螺紋檢測系統(tǒng)的準確性，加工了20個內(nèi)螺紋工件，其中M18和M16各10個。這20個工件在第三方檢測機構(gòu)進行了檢測，獲得了螺紋螺距、小徑、中徑及大徑等準確的螺紋參數(shù)數(shù)據(jù)。本次測量試驗以此20個工件為樣本，選擇M18和M16各5個進行檢測。檢測內(nèi)容包含螺紋小徑、中徑、大徑、螺距以及螺紋深度。利用檢測數(shù)據(jù)與第三方檢測機構(gòu)測量數(shù)據(jù)進行對比，通過對比數(shù)據(jù)檢驗測量的準確性。

2.試驗數(shù)據(jù)及分析

試驗中選取了20個工件中的6個，分別對每個工件的第3圈螺紋進行了測量，測量值統(tǒng)計見表1、表2。

表1 M16螺紋檢測數(shù)據(jù)

表2 M18螺紋檢測數(shù)據(jù)

其中選擇M16中徑和小徑為例，進行25組數(shù)據(jù)MSA分析，分析結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 M16中徑MSA分析

圖11 M16小徑MSA分析

結(jié)語

本次試驗是利用內(nèi)螺紋檢測系統(tǒng)對每一個標(biāo)準工件的同一位置重復(fù)測量，其數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性表現(xiàn)良好，所有測量數(shù)據(jù)的平均測量值和標(biāo)準值的差值均在0.01mm以下，表明系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計以及算法設(shè)計能夠滿足系統(tǒng)精度要求。將附件每一個工件的測量數(shù)據(jù)填入Cgk表格中，其可接受率為100%，系統(tǒng)測量均能夠滿足Cgk表格測量要求。