基於機器視覺的數控（kòng）車螺紋修複方法
2020-5-21 來源： 安徽工程大學 作者：俞俊傑，劉有餘
摘要: 螺紋（wén）工（gōng）件在加工或在使用過程（chéng）中容易造成螺紋（wén）牙的損傷，結合數控車床修複螺紋工件的方法，提出基於機器視覺的數控車床螺紋修複方法。方法是利用（yòng） CCD 攝像機（jī）對所需修複的（de）螺（luó）紋工件進行圖像采（cǎi）集，並對圖（tú）像進行分析（xī）處理，得到（dào）螺紋工件（jiàn）相對於數控車床卡盤的位置變化信息; 對數控程（chéng）序中刀具移動參數的進行修正，控製數控刀具在（zài）加工過程中的準確定位，實現數控車床對螺紋工件的修複。本方法不需要在車床卡盤上標記點，也不（bú）需要多次調整工件，效率高，利於批量加工，提高經濟效益（yì）。
關鍵詞: 螺紋修複; CCD 攝像機; 圖像處理
引言
螺紋零件（jiàn）是最重要的機械基礎性零件之一，在螺紋的生產或使用過程中，會因各種不同的情況（kuàng）而導致螺紋零件無法（fǎ）正常地使用。如在刀具（jù）磨損的情況下，加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（wú）法正常使用; 在使用過程中，螺紋工件（jiàn）受到擠壓會導致螺紋局部變形，這就導致螺紋工件在拆卸後無法再次使用（yòng）。為了減（jiǎn）少材料的浪費，降低生產和使用成本，對於無法使用的螺紋工件需進（jìn）行修複，以降低（dī）生產成本，提高經濟（jì）效益。
目前，研究人員已提出了多種的螺紋（wén）修複方法（fǎ），數控車修複螺紋是目前（qián）普遍使用（yòng）的修複（fù）方法，如範（fàn）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）過設計一種主軸一（yī）轉零脈衝信號製（zhì）動電路，利用對刀點計算確定螺紋入刀點，但（dàn）是由於經濟型數控機床不具備定（dìng）向功能，在使用主軸自定位方法時，對機床需要改造，這樣（yàng）的修複方（fāng）式（shì）太過（guò）繁瑣，且經濟（jì）效益不高; 李恒征等人提出了一種利用固（gù）定程序段在待修複工（gōng）件上找正螺紋，通過將找正螺紋起點與待修（xiū）複螺紋（wén）起點重合的方式（shì）實現對（duì）螺紋修複的方法，但是此方法不但需要（yào）在車床卡盤上標記，而且在加工過程中需通過卡盤標（biāo）記點多次調整工件，才能（néng）完成修複工作，這種修複（fù）方式太過繁瑣，不利於大批量修複。
針對上述的不足（zú）之處，本文提出了一種基於機器視覺的數控車螺紋修複方法，此方法其重點在（zài）於，利用定位安裝好的 ccd 攝（shè）像機對螺紋工件進行圖像采集，把拍攝的數據（jù）傳送至電腦，運用 mat-lab 軟（ruǎn）件的圖像處理（lǐ）功能對采集圖像數據進行分析計算，根據圖像分析計算獲得螺紋某一（yī）點的軸（zhóu）向移動變量（liàng），運用（yòng）螺距與螺紋旋轉角（jiǎo）度的關係，計算出這一（yī）點的移動變量相對應（yīng）的螺（luó）紋旋轉角度，利用弧長與（yǔ）角度的（de）關係，結合螺紋半徑把旋（xuán）轉角（jiǎo）度（dù）轉換成弧長，通過數（shù）控加工中的主軸轉（zhuǎn）速和刀具移動速度，把螺紋的弧長（zhǎng）變量轉換成刀具的移動補償（cháng）量，在數控程序中對刀具移動進行修補，從而輸出指令使刀具準確（què）定位（wèi），完成螺紋的修複加工。
1、 總體方案
在修複工作前，先試加工一件標準（zhǔn）件，然後通過 CCD 攝像機對標準件的螺紋圖像進行采（cǎi）集，並傳輸給電腦（nǎo）。接著拆下標準件將待修複（fù）的螺紋工件送入機床卡盤，對待修複（fù）螺（luó）紋進行軸向定位並（bìng）夾緊工件，通過 CCD 攝像（xiàng）機獲取修複工件的螺紋圖像信息並傳輸（shū）給電腦（nǎo），通過 matlab 圖像分析標準件與（yǔ）被修複工件的螺紋圖像，通過重疊對比（bǐ）的方式獲得螺紋的軸向信息，同時計（jì）算出刀具的移動（dòng）補償值，操作人員隻需修改加工程序中刀（dāo）具移動參數，便可實現自動對刀，運行（háng）修複程序。螺紋修複步驟如圖 1 所示。
圖 1 螺（luó）紋修複（fù）步驟的流程圖
螺紋工件送入機床卡（kǎ）盤，螺紋右端靠上定位板之後鎖緊（jǐn）卡盤，啟動 CCD 相機對螺紋圖（tú）像（xiàng）進行（háng）采集傳輸，接著鬆開鎖緊螺（luó）栓，旋轉定位板並移動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（shí）現自動對刀。
由於 CCD 攝像機易受飛屑損傷、冷卻液遮擋等，因此在攝像（xiàng）機（jī）的（de）外部加裝防護罩，並（bìng）設計成可伸縮的形式，通過固定（dìng）軸上的刻度，調節 CCD 相機（jī）的位置，從而達到 CCD 相機的（de）定位準確，這樣保證（zhèng）拍攝出來的（de）圖像（xiàng）的（de）一致性，為後麵（miàn）圖像處理對（duì）比的準確性提供了保障。相機安裝（zhuāng）圖如（rú）圖 2 所示。
圖 2 相機安裝圖（tú）
2、 螺紋修複係統
2． 1 機械部分
2． 1． 1 定位板的運動（dòng）軌跡
定位（wèi）板通過螺栓連接在移動軸上（shàng），移動軸通（tōng）過螺栓連接（jiē）在固定軸上，移動軸（zhóu）采用軸向伸縮式，定位板（bǎn）采用上下移動式，當（dāng）要修複螺紋時，先移動定位板至合適位置，再（zài）調節移動軸使定位板靠在試加工標（biāo）準件（jiàn）的螺紋頂端，鎖緊螺母，為需修複螺紋（wén）定位，完成定位後，移動定位板至不妨礙刀（dāo）具加工的位（wèi）置。
2． 1． 2 相（xiàng）機外罩設計
因修複的精（jīng）度的（de）高（gāo）低與圖（tú）像（xiàng）采集的清晰度息息相關，保護相機鏡（jìng）頭免收（shōu）加工中飛屑的劃傷和切削液的侵入至關重（chóng）要，所以（yǐ）相機的外罩必須設計成（chéng）可移動式，在需要拍（pāi）攝時移動至拍攝位置，在加工時，移動至遠離加工工件的位置，以達到保護（hù）鏡頭不（bú）受飛屑和冷卻液的侵入。此外相（xiàng）機（jī）焦距（jù）與曝光度的調節直（zhí）接關係圖（tú）像的（de）清晰度，因此相機的外罩必須留有可調節窗（chuāng）口，這樣可方便調節鏡頭使其拍（pāi）攝的圖像更加清晰。相機外（wài）罩上（shàng）的調節窗口不應是開放式的，需安裝遮擋簾（lián），以保護內部的（de）相（xiàng）機。
2． 2 圖（tú）像處（chù）理部分
2． 2． 1 圖（tú）像預處理（lǐ）
圖像會因采集設備鏡頭的分辨（biàn）率、外部場（chǎng）景的光（guāng）線等一係列（liè）的原因導致圖像變得（dé）模（mó）糊，且在圖像的掃描、采樣、量化的過程中，會引入噪（zào）聲，最（zuì）終導致傳輸進電腦的圖像因噪（zào）聲汙染而變（biàn）得（dé）畫質下降，由於圖像質（zhì）量的高低直接影響後續的處理效果，所以必須消除噪（zào）聲對圖像的影響，因此對圖像需要做預先處理。本文所采樣的處理方式是先對圖像（xiàng）做灰度化處理，接（jiē）著對圖像做平滑處理，最終對圖像做（zuò）銳化處理。其效果（guǒ）圖如圖（tú） 3 所（suǒ）示。
2． 2． 2 目標區域的提（tí）取
在圖像預處（chù）理後，需對（duì）圖像進行分割處理，其目的在於把（bǎ）圖像中（zhōng）的重點信息與無關背景信息區分開來，通過分（fèn）割的方式獲得準（zhǔn）確的特征圖像，本文的分割的方（fāng）式是: 根據圖像（xiàng）直方圖特（tè）征，選擇合適的閾值，從而將物體與背景分離出來。其（qí）結果如圖（tú） 4 所（suǒ）示。
圖 3 圖像預處理圖
圖 4 目標區域提（tí）取圖
2． 2． 3 獲取螺距變量
目標區域的提取後的圖像通過連通域分析剔除小麵積，對於其他目標進行質心坐標，接著通過對質心坐標進行排序，如圖 5 所示，選（xuǎn）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，圖 6 所示，最終兩組螺距求差（chà）就可得（dé）到螺距（jù）的變量，如圖 7 所示。
圖 5 質心坐標圖
圖 6 螺距對比圖
圖 7 螺距變量圖
2． 2． 4 刀具對刀補（bǔ）償計算
因沿原螺旋線軌跡對螺紋進行修複，必須保證（zhèng）刀具在開始車削前定位到螺紋入口端（duān）點位置（zhì），但是由於螺紋工件裝夾時（shí）無法保證周（zhōu）向定位，所以在不重（chóng）新對刀的前提下，刀具在移動到起始點的位置時（shí），螺紋旋轉後與刀具相接處的點未（wèi）必是螺紋的入口端點，這樣就會對螺紋造成更加嚴（yán）重（chóng）的破壞。
要完成自動對（duì）刀必須使螺紋（wén）的旋轉周向移動量轉換（huàn）成刀（dāo）具（jù）得軸向移動量，其（qí）計算公式為（wéi）:
其中（zhōng）: d 為刀具的軸向移動（dòng）量（liàng）; α 為螺紋（wén）旋轉角（jiǎo）度（dù）的變化值（zhí）; r 為螺紋半徑，s 為主軸轉（zhuǎn）速，F 為移動進給速度，如圖 8 所示。
圖 8 刀具移動補償圖
結論
作者提出的基於機器視覺（jiào）的數控車螺紋修複方法，實現了對螺紋的非無接觸檢（jiǎn）測（cè）定位，避免人工手動測量定位帶（dài）來的螺紋修複誤差，操作人員（yuán）隻需在機床程序中對（duì）刀具的移動參數進行修改就（jiù）能（néng）精（jīng）確而高效地實（shí）現螺（luó）紋的修複。
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