淺談氣動接頭外螺紋非接觸式檢測

李祎，李葉妮，陳子凱

（1．廈門理工學院機械與汽車工程學院，福建 廈門 361024；2．吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315000）

氣動接頭在機電一體化設備中使用非常的廣泛，其螺紋的連接對于整機的穩定性和可靠性具有不可忽視的作用。根據螺紋的幾何外形的不同，其檢測方法也是多種多樣。包括三坐標機檢測、輪廓投影、激光檢測、顯微鏡測量、螺紋千分尺等。由于螺紋在設計過程中有30多個獨立的幾何特征和尺寸特征。按照最嚴格的檢測標準，螺紋的關鍵檢測特征有11個，且據報道，螺紋的中徑尺寸不合格超過中徑公差的150%會導致抗拉強度降低4%。目前，基于非接觸式的螺紋檢測也得到了一定的發展。卜晨提出使用機器視覺的方法獲得螺紋的大徑、小徑和螺距，檢測精度達到了0.1mm。孫珂琪等一種連續自動螺紋檢測系統，應用LabVIEW軟件實現螺紋的高精度檢測。于楊提出了一種抗干擾能力強、精度高的檢測方法，完成了外螺紋的大徑、中徑和小徑的測量。本文提出一個穩定性好可靠性高的非接觸式螺紋精密檢測方法。采用高分辨率的工業相機，配合LED背光源，對外螺紋的關鍵參數進行全面有效的高精密檢測。

1 圖像處理原理

1.1 外螺紋基本參數

如圖1所示，為待測試氣動接頭螺紋部分待測量關鍵參數。大徑：與外螺紋牙頂相重合的圓柱體直徑；小徑：與外螺紋牙底相切的假想圓柱的直徑；中徑d：螺紋是由溝槽和凸起組成，當螺紋輪廓線由高到低和由低到高變化過程中，其間距相等處，上下螺紋連線之間的距離；螺距P：相鄰兩牙對應位置間軸向距離。

圖1 螺紋參數示意圖

1.2 圖像處理流程

本文螺紋檢測圖像處理流程如下：（1）首先對圖像進行剪裁，獲得氣動接頭螺紋部分圖像；（2）再進行圖像的對比度和亮度的調整，顏色平面提取，將RGB圖像轉換為灰度圖像；（3）通過查找表中指數函數進行圖像增強； （4）采用圖像濾波中的邊緣檢測Sobel算子，進行螺紋邊緣提??；（5）最后進行查找表的反變換，得到提取的螺紋邊緣線；（6）對相同視場下拍攝的卡尺進行尺寸標定，導入標定文件；（7）采用卡尺卡尺測量出螺紋的大徑和小徑尺寸，測量連續采集的20張圖片。

1.3 邊緣提取算法

本文經過圖像預處理后，采用Sobel邊緣檢測算法，提取螺紋輪廓。

該算子包含水平和垂直兩組矩陣，將兩個卷積核與平面中的圖像進行卷積運算，得到水平和垂直亮度差分的近似值。具體算法如式（1）：

分別為水平和垂直邊緣檢測到的圖像灰度值。矩陣為像素點的鄰域矩陣，可以計算得到式（2）。

其中，f(x,y)像素點是點(x,y)處的灰度值。

如圖2所示在邊緣檢測中，Canny算子和Laplacian算子背景區域的噪點較多，且邊緣不夠清晰，邊緣灰度變化帶過大，Sobel和Gradient算子邊緣提取背景噪點較少，且相對于Gradient算子而言，Sobel算子的邊緣非常清晰，在本文中的螺紋圖像提取中可以獲得更好的邊緣提取，因此，采用Sobel核心算子對外螺紋邊緣進行提取。

圖2 典型的邊緣檢測算子

1.4 尺寸標定

在相同的測量環境下，測試標定尺視野大小為17.6mm×11.5mm，如圖3所示為標定所用的顯微卡尺在相同視場下測量得到的圖像。采集圖像像素大小為5496×3672，顯微卡尺測量得到的尺寸為17.06×11.41mm，那么，可以計算得到圖像的像素當量，根據這個標定系數可以獲得外螺紋的實際測量結果。

圖3 顯微卡尺測得尺寸

2 實驗驗證

采用基恩士VHX6000超景深三維顯微系統進行對比測量分析，連續采集20張圖像，對20張圖像進行測量后取平均值。測得型號為PC4-01氣動接頭的大徑為4.912mm，中徑大小為4.395mm，小徑為3.981mm，螺距為0.833mm，測得型號為PC4-M5的氣動接頭的大徑為9.536mm，中徑為9.005mm，小徑為8.381mm，螺距為0.918mm。其測量結果與本文設計的外螺紋檢測系統測量結果進行對比，誤差結果計算如表1所示，最大誤差不超過25um，符合該螺紋加工誤差最大不超過65um的設計需求。

表1 誤差值對比

3 結語

本文根據氣動接頭外螺紋加工要求的高精密性，設計了一套快速檢測其尺寸參數的自動化設備，并基于LabVIEW軟件平臺開發了外螺紋關鍵參數測量系統，通過研究圖像預處理方法，獲得最清晰的外螺紋圖像，采用Sobel算子進行邊緣提取，經過圖像標定后，最后采用卡尺工具進行大徑、中徑、小徑以及螺距的測量。整個系統檢測誤差較小、速度較快，能夠滿足實際的生產需求。