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基於（yú）機器視覺的數控車螺紋修複方法

2020-5-21 來源（yuán）：安徽（huī）工程大學作者：俞（yú）俊傑，劉有餘

摘要（yào）: 螺紋工件在加工或（huò）在（zài）使用（yòng）過程中容易造成螺紋牙的損傷，結合數（shù）控車床修複螺（luó）紋工件的方法，提出基於機（jī）器視覺的數控（kòng）車（chē）床螺（luó）紋修複方法。方法是利用 CCD 攝像機對所（suǒ）需修複的螺紋工（gōng）件進行圖像采集，並對（duì）圖像進行（háng）分析處（chù）理（lǐ），得（dé）到（dào）螺紋工件相對於數控車床卡盤的位（wèi）置變化信息; 對數控程序中刀具移動參數的進行修正，控（kòng）製（zhì）數控刀具在加工過程中的準確定位，實現數控車床對螺紋工件（jiàn）的修複（fù）。本（běn）方法不需要在車床卡盤上標記點，也不需要多次調整工件，效率高，利於批量加工，提（tí）高經濟（jì）效益。

關鍵詞: 螺紋（wén）修複; CCD 攝像（xiàng）機; 圖像處理

引言

螺紋零件是最重要的機械基礎性零件之一（yī），在（zài）螺紋的生產或使用過程中（zhōng），會因各種不同的情況而導致螺紋零（líng）件（jiàn）無法正常地（dì）使用。如（rú）在刀具磨損的情況下，加工的螺紋工件的螺紋深度就會出現偏差，這就導致在使（shǐ）用過程（chéng）中螺紋（wén）工件無法正常使用; 在使用過程中，螺紋工件受到擠壓會導致螺紋局（jú）部變形，這就導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（jiàng）低生（shēng）產和使用成本，對於無法使用的螺紋工件需進行修複，以降低生產（chǎn）成本，提高經濟效益。

目前，研究人員已提出了多（duō）種的（de）螺紋修複方法，數控車修複螺紋是目前普遍使（shǐ）用的修複方（fāng）法，如範（fàn）芳洪等人提（tí）出可通過主軸編碼器一轉零脈衝信號位置和螺紋起始位置重合的關（guān）係，通過設計（jì）一種主（zhǔ）軸一轉零脈衝信號製動電路，利用對刀點計算確定（dìng）螺紋入（rù）刀點，但是由於經濟（jì）型數控機床不具備定向功能，在使用主軸自定位方法時（shí），對機床需要改造，這樣的修複方式太過繁瑣，且經濟效益不高; 李恒征等人提出了一種利用固定程（chéng）序段在待修複工件上找正螺紋，通過將找正螺（luó）紋起點與待修複（fù）螺紋起（qǐ）點重合的方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（pán）上標（biāo）記，而且在加工過程中（zhōng）需通過（guò）卡盤標記點多（duō）次調整工件，才能完成修複工作，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（bú）足之處，本文提出了一種基於機器視覺的數控車螺紋（wén）修複方法，此方法其重點在（zài）於，利用定位安裝好的 ccd 攝像機對螺（luó）紋工件進行圖像采集，把拍攝（shè）的數據傳送至電（diàn）腦，運用 mat-lab 軟件（jiàn）的圖像處理功能對采集（jí）圖像數據進行分析計算，根據圖像分析計算獲得螺紋某一點的軸向（xiàng）移動變量，運用（yòng）螺距與螺（luó）紋旋（xuán）轉角度（dù）的關係，計算出這一點（diǎn）的移動變量相對應的螺紋旋（xuán）轉角（jiǎo）度，利用（yòng）弧長與角度的（de）關係（xì），結合螺紋半徑把旋（xuán）轉角度（dù）轉換（huàn）成弧長，通過數（shù）控加工中的主軸轉速和刀具移動速度，把螺紋（wén）的弧長變量轉換成刀具（jù）的移動補（bǔ）償量，在數控程序中對刀具（jù）移動（dòng）進行修補，從（cóng）而輸出指令使刀（dāo）具準確定位，完成螺（luó）紋的修複加工（gōng）。

1、總體方（fāng）案

在修複（fù）工作前，先試加工一件標準件，然後通過 CCD 攝像機對標準件（jiàn）的螺紋（wén）圖像進行采集，並（bìng）傳輸給電腦。接著拆下標準件將待修複的螺（luó）紋工件（jiàn）送入機床卡盤，對待修複螺紋進行軸（zhóu）向定位並夾緊工件，通過 CCD 攝像機獲取修（xiū）複工件的（de）螺紋圖像信息並傳輸給電腦，通過 matlab 圖像分析標（biāo）準件與被修複工件的（de）螺紋（wén）圖像，通過重疊對比（bǐ）的方式獲得螺紋的軸向（xiàng）信息，同時計算出刀（dāo）具的移動補償值，操作人員隻（zhī）需修改加工程序中刀具移動參數，便可實現自（zì）動對刀，運行修複程序。螺紋修複步（bù）驟（zhòu）如圖 1 所示。

圖 1 螺（luó）紋修複步驟的流程圖（tú）

螺紋工件送入機床卡（kǎ）盤，螺紋右端（duān）靠上定位板之（zhī）後鎖緊卡盤（pán），啟動 CCD 相機對螺紋圖像進行采集傳輸，接著鬆開鎖緊螺栓，旋轉定位板（bǎn）並移動CCD 相機遠離被加工件，在數控車床的程序中輸入計（jì）算結果，實現自動對刀。

由於 CCD 攝像機易受飛屑損傷、冷卻液遮擋等，因此在（zài）攝像機的外部加裝防護罩，並設計成可伸縮的形式（shì），通過固定軸上的刻度（dù），調（diào）節（jiē） CCD 相機的位置，從而達到 CCD 相機的定位準確，這樣保證拍攝出來的圖像的一致性，為（wéi）後麵圖像處理（lǐ）對比的準（zhǔn）確性提供了保障（zhàng）。相機安裝圖如圖 2 所示。

圖 2 相機安裝圖

2、螺紋修複係統

2． 1 機械部分

2． 1． 1 定位板的運動軌跡

定位板通過螺栓連接在移動軸上，移動軸通過螺栓連接（jiē）在固定軸上，移動軸采用軸向伸縮式，定位板采用上下移（yí）動式（shì），當要修複（fù）螺紋時，先移動定位板至合適位置，再調節移（yí）動軸使定位板靠在試（shì）加（jiā）工標準（zhǔn）件的螺紋頂端，鎖緊螺母，為需修複螺紋定位（wèi），完成定位後，移（yí）動定位板至不（bú）妨礙刀具加工的（de）位置。

2． 1． 2 相機（jī）外罩設計

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

2． 2 圖像處理部分

2． 2． 1 圖像預處（chù）理（lǐ）

圖像（xiàng）會因采集設備鏡頭（tóu）的分（fèn）辨率、外部場景（jǐng）的光線等一係列（liè）的（de）原因導致圖像變得模糊，且在圖像的掃描（miáo）、采樣、量化的過程中，會引入噪聲，最終導（dǎo）致傳輸進電腦的圖像因噪（zào）聲汙染而變（biàn）得畫質下降，由於圖像質量的（de）高低（dī）直（zhí）接影響後續的處理（lǐ）效果，所以必須消除噪聲對圖像（xiàng）的影響，因此對圖像需（xū）要做預先處理。本（běn）文所（suǒ）采樣的處理方式是先（xiān）對圖像做灰度化處理，接著（zhe）對（duì）圖像做平滑處理，最終對（duì）圖像做銳化處理。其效果圖如圖 3 所示（shì）。

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理，其目的在於（yú）把圖像中（zhōng）的重點信（xìn）息與無關背景（jǐng）信息區分開來，通過（guò）分割的方式獲得準確的特征圖像，本文（wén）的分割的方式是: 根據圖像直方圖特征，選擇合適的閾值，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 目標區域提取圖

2． 2． 3 獲取螺距變（biàn）量

目標區域的提取（qǔ）後的圖像通過連通域（yù）分析剔除小麵積，對於其他目標進行（háng）質心坐標，接著通過對質心坐標進行排序，如圖 5 所示，選取（qǔ）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，最終兩組螺距求差就可得到螺距的變量，如圖 7 所示。

圖 5 質心（xīn）坐標圖

圖 6 螺距對（duì）比圖

圖 7 螺距變量（liàng）圖

2． 2． 4 刀具（jù）對（duì）刀補償（cháng）計算

因沿原螺旋線軌（guǐ）跡對螺紋進行修（xiū）複，必須保證（zhèng）刀具在開（kāi）始車削前定位到螺紋入口端點（diǎn）位置，但是由於螺紋工件裝夾時無法保證周向定位，所以在不重新對刀的前提下，刀具在移動到起始點（diǎn）的位置時，螺紋旋轉後與刀具相接處的點（diǎn）未必（bì）是螺紋的入口端點，這樣就（jiù）會對螺紋造成更加（jiā）嚴（yán）重的破壞。

要完成自動（dòng）對刀必（bì）須使螺紋的旋轉周向移動量轉換成刀具得（dé）軸向移（yí）動量（liàng），其計（jì）算公式（shì）為:

其中: d 為刀具的軸向移動量; α 為螺紋旋轉角度的（de）變化值; r 為螺紋半徑，s 為主軸轉速，F 為移動（dòng）進（jìn）給速度（dù），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（shù）控車螺紋修複方（fāng）法，實現了對螺紋的非無（wú）接觸（chù）檢測定位，避免（miǎn）人工手（shǒu）動測量定位帶來的螺紋修複誤差，操作人員隻（zhī）需在機床程序中對刀（dāo）具的移動（dòng）參數（shù）進行修改就能精確而高效地實現螺紋的修複。

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