基于視覺的非接觸外螺紋關(guān)鍵參數(shù)測量方法*

劉 陽，劉 超

(1.重慶工程學(xué)院軟件學(xué)院, 重慶 400056; 2.貴州航天電器股份有限公司, 貴陽 550009)

0 引言

外螺紋是一種常用的聯(lián)接緊固零部件，其螺紋質(zhì)量好壞將影響產(chǎn)品或機(jī)構(gòu)緊固效果[1]。螺紋質(zhì)量不合格將影響緊固效果不佳，進(jìn)而可能導(dǎo)致產(chǎn)品、機(jī)構(gòu)甚至整個系統(tǒng)失效，因此，緊固裝配前應(yīng)對螺紋關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格管控。螺紋大徑與小徑尺寸是重點監(jiān)控參數(shù)，人工測量方式精度低、一致性差、大批量測量過程耗時費力，且易導(dǎo)致螺紋損傷[2]。隨著人工智能、圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，采用機(jī)器視覺替代人工進(jìn)行螺紋參數(shù)檢測已成為相關(guān)企業(yè)優(yōu)選方案與迫切需求[3]。

近年來國內(nèi)外學(xué)者對基于圖像處理技術(shù)的視覺檢測進(jìn)行了廣泛研究，并在螺紋檢測方面取得不少研究成果。文獻(xiàn)[4]采用機(jī)器視覺圖像處理技術(shù)對不同螺釘頭部型號進(jìn)行準(zhǔn)確識別且穩(wěn)定性強(qiáng)。文獻(xiàn)[5]采用激光傳感器與機(jī)器視覺相結(jié)合解決了車用螺紋尺寸測量。文獻(xiàn)[6]利用機(jī)器視覺技術(shù)對螺紋18個特征進(jìn)行了高精度測量。傾斜校正是把傾斜圖像繞其質(zhì)心沿著傾斜反方向旋轉(zhuǎn)一個角度的旋轉(zhuǎn)變換，是圖像預(yù)處重要環(huán)節(jié)之一[7-8]。

針對人工檢測不足以及企業(yè)迫切需求，提出一種外螺紋關(guān)鍵參數(shù)視覺非接觸式測量方法。該方法設(shè)計一種基于Hough變換的特征圓提取螺紋圖像傾角校正算法，通過特征圓圓心構(gòu)造螺紋虛擬直線以實現(xiàn)傾角計算并旋轉(zhuǎn)圖像；校正后螺紋圖像經(jīng)過一系列圖像處理后，采用最小二乘法[9]進(jìn)行螺紋牙頂、牙底輪廓點的直線擬合，實現(xiàn)螺紋大徑、小徑的精確測量。現(xiàn)場測試結(jié)果顯示設(shè)計的系統(tǒng)測量精度達(dá)到0.008 5 mm，具有良好推廣價值。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

1.1 視覺系統(tǒng)硬件設(shè)計

螺紋尺寸高精度視覺測量系統(tǒng)硬件主要由光源、相機(jī)、鏡頭組成。為保證系統(tǒng)的測試精度，采用70 mm×70 mm平行白色背景光源進(jìn)行系統(tǒng)的打光照明。根據(jù)檢測精度選擇500萬像素CMOS寶盟EXG50傳感器，芯片尺寸1/2.5"、幀率為14FPS。鏡頭選擇Computar M2514-MP2 百萬像素系列定焦鏡頭25 mm焦距C口工業(yè)鏡頭，焦距25、光圈數(shù)為16。視覺系統(tǒng)工作距離(WD)為132 mm，系統(tǒng)的視野達(dá)到30 mm×22 mm，滿足產(chǎn)品測試需求。

1.2 系統(tǒng)測量流程

外螺紋關(guān)鍵參數(shù)視覺測量流程如下：① 模組帶動張開的氣動夾爪運行到螺釘取料位置，氣動夾爪閉合夾緊螺釘頭部；② 模組帶動螺釘轉(zhuǎn)移到拍照位進(jìn)行螺紋圖像的采集；③ 將采集到的圖像傳入圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行圖像分析處理，并最終得到螺紋的大徑與小徑尺寸。測量流程如圖1所示。

不同規(guī)格的螺紋圖像如圖2所示。設(shè)計的系統(tǒng)能夠進(jìn)行多種規(guī)格螺紋尺寸柔性測量，因此在圖像處理中需設(shè)計一種通用的視覺測量算法。

圖1 螺紋尺寸視覺測量流程 圖2 不同規(guī)格螺紋圖像

2 螺紋傾角校正

傾斜圖像校正是圖像自動識別過程的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其關(guān)鍵是如何計算傾斜角度大小。圖2所示的螺紋是在圓柱母體上制出的螺旋線形，在圖像空間，可看作是由一系列圓環(huán)沿軸向方向堆疊而成，因此，可認(rèn)為螺紋沿軸線方向存在大量圓，這些圓心在一條直線上，也即螺紋圓柱母體軸線。根據(jù)擬合得到的直線就可求出該直線與水平線之間夾角，并將圖像繞其質(zhì)心沿著傾斜反方向旋轉(zhuǎn)以實現(xiàn)任意傾角螺紋圖像的校正。Hough變換是一種可利用圖像目標(biāo)的全局信息直接檢測出所需輪廓的方法[10]。基于Hough變換傾斜校正算法描述如下：① 利用Hough變換進(jìn)行螺紋圓特征提取；② 利用最小二乘法擬合圓心直線；③ 利用擬合直線求得與水平線的夾角；④ 將螺紋圖像按照夾角反方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)得到水平的螺紋圖像。

采用Hough變換進(jìn)行圓特征提取，是將目標(biāo)從圖像空間變換到參數(shù)空間進(jìn)行圓描述。設(shè)圓的3個參數(shù)為中心點(a0,b0)和半徑r，圓數(shù)學(xué)模型描述如下：

(x-a0)2+ (y-b0)2=r02

(1)

將圓上任意點(xi,yi)投影到參數(shù)空間，及將(x,y)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到(a,b,r)坐標(biāo)系，表示為：

(a-x0)2+(b-y0)2=r2

(2)

由式(2)可知，圖像空間圓特征任意一點(xi,yi)對應(yīng)參數(shù)空間中的圓錐圖形。隨著(xi,yi)的變化，參數(shù)空間中的圓錐圖形能形成多個圓錐面簇，并相交于一個點(a0,b0,r0)，即式(1)中圓的3個參數(shù)，即通過Hough變換求出了相應(yīng)圓的圓心、半徑參數(shù)，Hough變換原理圖如圖3所示。

圖3 Hough變換原理圖

某型號螺紋圖像如圖4所示，其中左圖為傾斜螺紋圖像。采用Hough變換進(jìn)行螺紋圖像圓特征提取，如右圖所示。通過直線擬合得到過圓心的螺紋虛擬直線，計算直線與水平軸線的夾角即為螺紋圖像傾角，如圖5a所示，計算得到的旋轉(zhuǎn)角度為3.338 9°，根據(jù)傾角進(jìn)行旋轉(zhuǎn)得到圖5b所示校正后的圖像。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行螺紋參數(shù)測量有利于提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量精度。

圖4 Hough變換圓特征提取

(a)傾角計算 (b) 螺紋圖像校正圖5 螺紋圖像傾角校正結(jié)果

3 螺紋尺寸測量

3.1 ROI區(qū)域確定

校正后的圖像通過二值化、輪廓提取可以得到螺紋的輪廓圖像，通過豎直搜索線從右往左搜索螺紋輪廓圖像，就可得到螺紋圖像X軸方向像素值最大的點即螺紋圖像頂點，如圖6藍(lán)色線中方框表示的即為搜索到的螺紋圖像頂點。搜索線間距越小，搜索精度越高。以頂點為參考點，依據(jù)螺紋長度、高度等特征設(shè)置螺紋測量ROI區(qū)域，如圖6中紅色矩形和綠色矩形框，該矩形框分別為螺紋測量ROI上下區(qū)域。在ROI區(qū)域再次進(jìn)行圖像增強(qiáng)、輪廓提取等圖像處理，然后采用最小二乘直線擬合，就能得到螺紋大徑、小徑的上下擬合直線，通過直線間距離計算就能精確測量螺紋參數(shù)。

圖6 確定ROI區(qū)域

3.2 最小二乘法直線擬合

最小二乘法是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)[11]，通過最小化殘差平方和尋找一組實驗數(shù)據(jù)的最佳匹配函數(shù)，利用最小二乘法可有效求得函數(shù)的未知參數(shù)。最小二乘法數(shù)學(xué)原理描述如下：

給定n個數(shù)據(jù)(xi,yi)，假設(shè)擬合匹配函數(shù)為f(x)，函數(shù)未知系數(shù)為an。則n個數(shù)據(jù)的殘差平方和e為：

(3)

通過極小化e可求得未知參數(shù)an，進(jìn)而求得n個數(shù)據(jù)的最佳擬合函數(shù)，該函數(shù)使得殘差平方和最小。假設(shè)直線數(shù)學(xué)擬合模型為：

f(x)=ax+b

(4)

式中，a,b為待求未知系數(shù)。采用最小二乘法進(jìn)行直線擬合時極小化殘差的平方和：

(5)

通過殘差e分別對參數(shù)a,b求偏導(dǎo)，并令偏導(dǎo)為0，即可求得參數(shù)a,b：

(6)

整理后得到正規(guī)方程組：

(7)

解正規(guī)方程組可得直線參數(shù)a、b：

(8)

3.3 螺紋大徑、小徑測量

螺紋圖像經(jīng)過傾角校正、ROI定位、二值化預(yù)處理后，需進(jìn)行邊緣輪廓檢測。常用的邊緣檢測算子有Prewitt算子、Roberts算子、Laplacian算子等。Canny算子邊緣檢測屬于基于頻譜分析方法，具有檢測精度高、信噪比大等特點[12-13]。圖7a所示為經(jīng)過Canny算子操作后的邊緣特征提取結(jié)果。

邊緣檢測完后提取輪廓數(shù)據(jù)點，依據(jù)Y軸方向最大、最小值可獲得螺紋大徑與小徑上、下兩條母線輪廓點。依據(jù)最小二乘法對大、小徑輪廓點進(jìn)行直線擬合，如圖7b、圖7c所示。直線方程為Ax+By+C=0，圖7b中上下兩條邊的參數(shù)為：A=0,B=1,C=-929.27與A=0,B=1,C=-1 137.84；圖7c上下兩條邊的參數(shù)為：A=0,B=1,C=-948.94與A=0,B=1,C=-1 110.89。經(jīng)過傾角校正后，螺紋圖像水平，螺紋大徑測量可通過上、下兩條直線的C值相減計算得到，即D=|C1-C2|=abs(-929.27-(-1 137.84))= 208.57 pix；同理，小徑像素值為D1=161.95 pix，經(jīng)過相機(jī)標(biāo)定就可得到螺紋大徑、小徑的實際物理尺寸值。

(a) Canny算子邊緣檢測結(jié)果

(b) 大徑直線擬合結(jié)果

(c) 小徑直線擬合結(jié)果圖7 直線擬合結(jié)果

4 系統(tǒng)測試

利用設(shè)計的系統(tǒng)對某型號螺紋進(jìn)行測量實驗，采用提出的方法進(jìn)行螺紋圖像校正與螺紋大小徑測量，實驗結(jié)果如表1所示，系統(tǒng)重復(fù)性精度測試結(jié)果如表2所示。表1中給出了提出方法對6個螺釘?shù)穆菁y圖像處理結(jié)果，能夠正確計算出螺紋圖像的傾角角度。螺紋參數(shù)測量結(jié)果平均精度最小值為0.005 5 mm，最大平均精度為0.008 5 mm，可以看出提出的方法能夠?qū)β菁y尺寸進(jìn)行高精度測量，測量誤差不超過0.008 5 mm；表2是對某顆螺釘?shù)穆菁y進(jìn)行10次獨立重復(fù)試驗，其中傾角角度最大值為1.90°，最小值為1.89°，傾角測量重復(fù)誤差為0.01°；螺紋大徑和小徑的重復(fù)性精度分別為3 μm和4 μm，重復(fù)精度高、穩(wěn)定性好，滿足工程實際需求。

表1 螺紋參數(shù)測量結(jié)果

表2 系統(tǒng)重復(fù)性精度測試結(jié)果

續(xù)表

5 結(jié) 論

外螺紋作為常用的聯(lián)接緊固零部件，其質(zhì)量問題日益引起重視。為解決螺紋關(guān)鍵參數(shù)人工測量存在的問題，提出一種基于視覺的非接觸外螺紋關(guān)鍵參數(shù)測量方法，用于螺紋大徑、小徑的準(zhǔn)確測量。通過Hough變換進(jìn)行特征圓提取并構(gòu)造螺紋虛擬直線有效地解決螺紋測量中圖像傾斜的問題。在ROI區(qū)域中，利用最小二乘法直線擬合技術(shù)對螺紋輪廓進(jìn)行直線擬合，生產(chǎn)螺紋大徑線、小徑線，完成螺紋大徑與小徑參數(shù)的非接觸式測量。現(xiàn)場測試顯示提出的方法在螺紋參數(shù)測量中精度達(dá)到0.008 5 mm，滿足工程實際需求，具有應(yīng)用推廣價值。