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基於機器視覺的數控車螺紋修複方法

2020-5-21 來源：安徽（huī）工程大學作者：俞俊傑，劉有餘

摘要: 螺（luó）紋工件在加工或在使用過程（chéng）中容易造成螺紋牙的損傷，結合數控車床修（xiū）複螺（luó）紋工（gōng）件的方法，提出基於機器（qì）視覺的數控車床螺紋修複（fù）方法。方法是利用 CCD 攝像機對（duì）所需修複的螺紋工件進行圖像采集，並對圖像（xiàng）進行分析處理，得到螺紋工件相對於數控車（chē）床卡盤的位置變（biàn）化信息; 對數控程序中刀具移動參數的進行修（xiū）正，控（kòng）製數（shù）控刀具在加工過程中的準確定位，實現數控車床對（duì）螺紋工件的修複。本方法不需要在車床卡（kǎ）盤上（shàng）標記點，也不需（xū）要多次調整工件，效率高，利於批量加工，提高經濟效益。

關鍵詞: 螺紋修複; CCD 攝像機; 圖像（xiàng）處理

引言

螺紋（wén）零件是最重要的機械基礎性零件之（zhī）一（yī），在螺紋的生產或使用過程中，會因各（gè）種不同的情況而導（dǎo）致螺紋零件無法正常地使用。如在刀具磨損的情況下，加（jiā）工的螺紋工件的螺紋深度就會出現偏差，這就導致在使用過程中螺紋工件無法正常使用; 在使用過程中，螺紋工件受到（dào）擠壓會導致螺紋局部變形，這就導（dǎo）致螺紋工件在拆卸後無法再次使用。為了減少材料的浪費，降低生產和使用（yòng）成（chéng）本（běn），對於無法使（shǐ）用的螺紋工件需進行修複，以降低生產成（chéng）本，提（tí）高經濟（jì）效益。

目前，研究人員已提出（chū）了多（duō）種的螺紋修複方（fāng）法，數控車（chē）修複螺紋是目前普遍使用的修複方法，如範芳洪等人提出可通過主軸編碼器一轉零脈（mò）衝信號位置和螺紋起始位置重（chóng）合的關係，通（tōng）過設計一種主軸（zhóu）一轉零脈衝信號製動電路，利（lì）用對刀點計算確定螺紋入刀點（diǎn），但是由於經濟型數控機（jī）床不具備定向功能，在使用主軸（zhóu）自定位（wèi）方法（fǎ）時，對機床需要改造，這樣的修複（fù）方式太過繁瑣，且經濟效益不高; 李恒征等人提出了一種利（lì）用固定程序段在待修複工件上找正（zhèng）螺紋，通過將找正（zhèng）螺紋起點（diǎn）與待修複螺紋起點（diǎn）重合（hé）的方（fāng）式實現對螺紋修複的方法，但是此方法不但需要在車床卡盤上標（biāo）記，而且在加工過程中需通過（guò）卡盤標記點多次調整工件，才能（néng）完成修複工（gōng）作，這種修複方式太過繁瑣，不利於大批量修複。

針對上述的（de）不足之處，本文提出了（le）一（yī）種（zhǒng）基（jī）於（yú）機器視覺的數控車螺紋修複方（fāng）法，此方法其重點在於，利用定位安裝好的 ccd 攝像機（jī）對螺紋工件（jiàn）進行圖像采集，把（bǎ）拍攝的（de）數據（jù）傳送至電腦，運用 mat-lab 軟件（jiàn）的圖像處理功（gōng）能對采集圖像數據進行分析計算（suàn），根（gēn）據（jù）圖像分析計算獲得螺紋某一（yī）點的軸向移動（dòng）變量，運用螺距與螺（luó）紋旋（xuán）轉（zhuǎn）角度的關係，計算出這一點的移動變量（liàng）相對應的螺紋旋轉角度，利用弧（hú）長與角（jiǎo）度的關係，結合螺紋半徑把旋轉角度轉換成弧（hú）長，通過數控加工（gōng）中的主軸轉速和刀具移動速度，把螺紋的弧長變量轉換成（chéng）刀（dāo）具的移動補償量，在數控（kòng）程序中對刀具移動進行修補，從而輸出指令使刀具準確定位，完成螺（luó）紋的（de）修複加工。

1、總體方案

在修複工作前，先試加工一件標準件，然後（hòu）通過 CCD 攝像（xiàng）機對標準件的螺紋圖（tú）像進行采集，並傳輸給電腦。接著拆下標準（zhǔn）件將待修複的螺（luó）紋工件送入機床卡盤，對待修複螺紋進行軸向定位並夾緊工件，通過 CCD 攝像機獲取修複工件（jiàn）的螺紋圖像信息並傳輸給（gěi）電腦，通過 matlab 圖像分析（xī）標準（zhǔn）件與（yǔ）被修複工件的螺紋圖像，通過重疊對比的方式獲得螺紋的軸向信息，同時計算出刀具（jù）的移動補償（cháng）值，操作人員（yuán）隻需修改（gǎi）加工程序中刀具移動參數，便可實現自動對刀，運行修（xiū）複（fù）程序。螺紋修複步驟如圖（tú） 1 所示。

圖 1 螺紋修複步驟的流程圖

螺紋工（gōng）件送入機床卡（kǎ）盤，螺紋右端靠上（shàng）定位板之後（hòu）鎖緊卡盤，啟動 CCD 相機對螺（luó）紋圖像進（jìn）行采集傳輸，接（jiē）著鬆（sōng）開鎖緊螺（luó）栓，旋轉定（dìng）位板並移動CCD 相機遠離被加工件，在數控車床的程序中輸入計算結果，實現（xiàn）自動對刀。

由於 CCD 攝像（xiàng）機易受飛屑損傷、冷卻液遮擋等，因此在（zài）攝像機的外（wài）部加裝（zhuāng）防護罩，並設計成可伸縮（suō）的形式，通過固定軸上（shàng）的刻度，調（diào）節 CCD 相機的位置，從而達到 CCD 相機的定位準（zhǔn）確，這樣保（bǎo）證拍攝出來的圖像的一致性，為後麵（miàn）圖像處（chù）理對（duì）比（bǐ）的準確性提供了保障。相機（jī）安裝圖如（rú）圖 2 所示。

圖（tú） 2 相機安裝圖

2、螺紋修複係統

2． 1 機械部分

2． 1． 1 定位板的運動軌（guǐ）跡

定位板通過螺栓連接在移動軸上，移（yí）動（dòng）軸通過螺栓連接在（zài）固定軸上，移動軸（zhóu）采用軸向伸縮式，定位板采用上下移動式，當要修複螺紋時，先移動定位板至合適位置，再調（diào）節移動軸使定位板（bǎn）靠在試加工標（biāo）準（zhǔn）件的（de）螺紋頂端，鎖緊（jǐn）螺母，為需修複（fù）螺紋定位，完成定位後，移動定位板至（zhì）不妨礙刀具加工的位置。

2． 1． 2 相機外罩設計

因修複的精度的高低與圖像采集的清晰度息息（xī）相關，保護相機鏡頭免收加工中飛屑的劃傷和切削液的侵入至關重要，所以相機的外罩（zhào）必須設計成可移（yí）動式，在需要拍攝時移動至拍攝位置（zhì），在加（jiā）工時，移動至遠離加工工件的位置，以達到保護鏡頭不受飛屑和冷卻液的侵入。此外相機焦距與曝光度的調節直接關（guān）係圖像的清晰度，因（yīn）此相機的外罩必須留有可調節窗口，這樣可方便調節鏡頭使其拍攝的圖像更加（jiā）清晰。相機外罩上的調節窗口不應是開放式的，需安裝遮擋簾，以保護內部的相（xiàng）機（jī）。

2． 2 圖像（xiàng）處理部分

2． 2． 1 圖像預處理

圖像會因采集設備鏡頭的（de）分辨率、外部場景的光線等一係列的（de）原因（yīn）導（dǎo）致圖像變得模糊，且在圖像的（de）掃描、采樣、量化的過（guò）程中，會引入噪聲，最終導致傳輸進電腦的圖像因噪聲汙染而變得畫（huà）質下降，由於圖像質量的高低直接影響後續（xù）的處理效果，所（suǒ）以必須（xū）消除（chú）噪聲對（duì）圖像的影響，因此對圖像需要做預先處理。本文所采樣（yàng）的處理（lǐ）方式是先對圖像做（zuò）灰度化處理，接著（zhe）對圖像做平滑處理，最終對圖（tú）像做銳化處理。其效果圖如圖 3 所示。

2． 2． 2 目標區域的提取

在圖像預處理後，需對圖像進行分割處（chù）理，其目的在於把圖像中的（de）重點信息與無關背景信息區（qū）分開來，通過分割的方（fāng）式獲得準確（què）的特征圖像，本文的（de）分（fèn）割的（de）方式是: 根據圖像直方圖特征，選擇合適的（de）閾值，從而將物體與背景分離出來。其結果如圖 4 所示。

圖 3 圖像預處理圖

圖 4 目標（biāo）區域提取圖

2． 2． 3 獲取螺距變量

目標區域（yù）的提（tí）取後的（de）圖像通過（guò）連通域分析剔除小麵積，對於其（qí）他（tā）目（mù）標進行質心坐標，接著通過對質心坐標進行排序，如圖 5 所示，選取所需要的質心坐標，並求出之間的差值，其差值就是螺紋的螺距（jù），圖 6 所示，最終兩組螺距求差就可得到螺（luó）距的變量（liàng），如圖 7 所示。

圖 5 質心坐標圖

圖 6 螺距對比圖（tú）

圖 7 螺距變量（liàng）圖

2． 2． 4 刀具對刀補償計算

因沿（yán）原螺旋線軌跡對螺紋進行修複，必須保（bǎo）證刀具在開始車削前定位到螺紋入口（kǒu）端點位置，但是由於螺紋工（gōng）件裝夾時無法保（bǎo）證周向定位，所以在不重新對刀的前提下，刀具在（zài）移動到起始點的位置時（shí），螺紋（wén）旋轉後與刀具相（xiàng）接處的點未必是螺紋的入口端點（diǎn），這樣就會對螺紋造成更加嚴重的破壞。

要完成自動對刀（dāo）必須使螺紋的旋轉周向移動量轉換成刀具得軸向移動量，其計算公式為:

其中: d 為刀具的軸向移動量; α 為螺紋旋轉（zhuǎn）角度的變化值; r 為螺（luó）紋半徑（jìng），s 為主軸轉速，F 為移動進給速度，如圖 8 所示。

圖 8 刀具移（yí）動補償圖

結論

作者（zhě）提出的基於機器視覺的數控車螺紋修複方法，實（shí）現了對螺（luó）紋（wén）的非無接觸檢測定（dìng）位，避免人工手動測量定（dìng）位帶來的螺紋修複誤差，操作人員隻需在機床（chuáng）程序中對刀具的移動參數進行修改就能精確而高效地實現螺紋的（de）修複。

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