基於機器（qì）視覺的數控車螺紋修複方法
2020-5-21 來源： 安徽工（gōng）程大學 作（zuò）者：俞俊傑，劉有餘
摘要: 螺紋（wén）工件在加工或在（zài）使用（yòng）過程中容易造成螺紋牙的損傷（shāng），結合數控車床修複螺紋工件的方法（fǎ），提出基（jī）於機器視覺的數控（kòng）車床螺紋修複方（fāng）法。方法是利用 CCD 攝像機對所需修複的螺紋工件進行圖像采集，並對圖像進行分析處理，得到螺紋工件相對於（yú）數控車床卡盤的位置變化信息; 對數控程序中刀具移動參（cān）數的進行（háng）修正，控製（zhì）數控刀具在加工過程中的（de）準確定位，實現數控車床對螺紋工件的修複（fù）。本方法（fǎ）不需（xū）要在車床卡（kǎ）盤上標（biāo）記點，也不需要多次調整工件，效率高，利於批量加工，提高經濟效益（yì）。
關鍵詞: 螺紋修複（fù）; CCD 攝像（xiàng）機; 圖（tú）像處理
引言
螺紋零件是最重要的機械（xiè）基礎性零件之一，在（zài）螺紋的生產（chǎn）或使（shǐ）用過程中，會因各種不同的情況而導（dǎo）致螺（luó）紋零件無法（fǎ）正常地使用。如在刀具磨損的情況下，加工的螺紋工件的螺紋（wén）深度就會出現（xiàn）偏差，這就導致在使用過程中螺紋工（gōng）件（jiàn）無法正常使用; 在使用過程中，螺紋工件（jiàn）受到（dào）擠壓（yā）會導致螺（luó）紋局部變（biàn）形（xíng），這就導致（zhì）螺紋工件在拆卸後無法再次使用（yòng）。為了減少材料的浪費，降低生（shēng）產和使用（yòng）成本，對於無法（fǎ）使用的螺紋（wén）工件需進行修（xiū）複，以降低生產成本，提高經濟效益。
目前，研究人員已提出了多種的螺紋修複方法，數控車修複螺紋是目前普遍（biàn）使用的修複方法，如範芳洪等人提出可（kě）通過主軸編碼器一轉零脈（mò）衝（chōng）信號位置和螺（luó）紋起始位置重合的關係，通過設計一種主軸一（yī）轉零脈衝信號（hào）製動電路，利用對刀點計算確定螺紋入（rù）刀點，但是（shì）由於經（jīng）濟型數控機床不具備定向功能，在使用主軸自定位方法時，對機床（chuáng）需要改造，這（zhè）樣的修複方式太過繁瑣，且經（jīng）濟效益不高; 李恒征等人提出了一種利用固定程序段在待修（xiū）複工件上（shàng）找正螺紋，通過將找正螺紋起點與待（dài）修複螺紋起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（chē）床卡盤上標記，而且（qiě）在加工過程中需（xū）通過卡盤標（biāo）記點多次調整工件，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。
針對上述的不足之（zhī）處，本文提出了一種基於（yú）機器視覺的數控車（chē）螺紋修複方法，此方法（fǎ）其重點在於，利用定位安裝好的 ccd 攝像機對螺紋工件進行圖像采集（jí），把拍攝（shè）的數據傳送至電腦，運用 mat-lab 軟件的（de）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（jì）算獲得螺紋某一點的軸向移動（dòng）變量，運用螺距與螺紋旋轉角度的關係，計算（suàn）出這一點的移（yí）動變量相對應的螺紋（wén）旋轉角度，利用弧長與角度的關係，結合螺紋半徑把旋轉角度轉換成弧長，通過（guò）數控（kòng）加工中的主軸轉速和刀具移動（dòng）速度，把螺紋的弧長變量轉換成刀具的移動補償量，在數控程（chéng）序（xù）中對刀具移動進行修補，從而輸出指令使刀具準確定（dìng）位（wèi），完成螺紋的修複加工。
1、 總體方案
在修複工作（zuò）前，先試加工一件標準件，然後通過 CCD 攝像機對標準件的螺紋（wén）圖像進行采集，並（bìng）傳（chuán）輸給電腦。接著拆下標準件將待（dài）修複的螺紋工件送入機床卡盤，對待修複（fù）螺紋進行（háng）軸（zhóu）向定位並夾緊工件，通過 CCD 攝像機獲（huò）取修複工件的（de）螺紋圖像信息並傳輸給電腦，通過 matlab 圖像分析標準件與（yǔ）被修複工（gōng）件的螺紋（wén）圖像，通過重疊（dié）對比（bǐ）的方式獲得螺（luó）紋的軸向信息，同時計算出刀具的移動補（bǔ）償值，操作人員隻需修改加工程序中刀具移（yí）動參數，便可實（shí）現自動對刀，運行修複程序。螺紋修複步驟如圖 1 所示。
圖 1 螺紋修複步驟（zhòu）的流程圖
螺（luó）紋工件送入機床卡盤，螺紋右端靠上定位板之後鎖緊卡盤，啟動 CCD 相機對螺紋圖像（xiàng）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算結果（guǒ），實（shí）現自動對刀（dāo）。
由於 CCD 攝像機易受飛屑損傷、冷卻液（yè）遮擋等（děng），因此在攝像機（jī）的外部加裝防護罩，並設計成可伸縮的形式，通過固定軸上的刻度，調節（jiē） CCD 相機（jī）的位置，從而（ér）達到 CCD 相機的定位準確（què），這樣（yàng）保證（zhèng）拍（pāi）攝出來的圖像的（de）一（yī）致性，為後麵圖像處理對比的準確性提供了保（bǎo）障。相機（jī）安（ān）裝圖如圖（tú） 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（dòng）軌跡
定位板通（tōng）過螺栓連接在移（yí）動（dòng）軸上，移動軸通過螺栓連接在固定軸上，移動軸采用軸向伸縮式，定位板采用上（shàng）下移動式，當要修複螺紋（wén）時（shí），先（xiān）移動定位板至合適位置，再（zài）調節移動（dòng）軸使定位板靠在試加工標準件的螺紋頂（dǐng）端，鎖緊螺母，為需修複螺紋定位，完成定位（wèi）後，移（yí）動定位（wèi）板至不妨礙刀具加工的位置。
2． 1． 2 相機外罩設計
因（yīn）修複的精度的高低與圖像采集的清晰度息息相關，保護（hù）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（dòng）至（zhì）遠離加工工件的位置，以（yǐ）達到保護（hù）鏡頭不受飛屑和冷卻液的侵入。此外（wài）相機焦距與曝光度的（de）調節直接關（guān）係圖（tú）像的清晰度，因（yīn）此相（xiàng）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（gèng）加清晰。相機外罩上的調（diào）節窗口（kǒu）不應是開放式的，需安裝遮（zhē）擋（dǎng）簾，以保護內部的相（xiàng）機。
2． 2 圖像處理部分
2． 2． 1 圖像預處（chù）理
圖像會因采集設備鏡頭的分辨率、外部場（chǎng）景的光線等一係列的原因（yīn）導致（zhì）圖像變得模糊（hú），且在圖像的掃描、采樣、量化的過程中（zhōng），會引入噪聲，最終導致傳（chuán）輸進電腦的圖（tú）像因（yīn）噪聲汙染而（ér）變得畫質下降，由於圖像質量的（de）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（de）影響（xiǎng），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做灰度化處（chù）理，接著對圖像做平滑處理，最終對圖（tú）像（xiàng）做（zuò）銳（ruì）化處理。其效果圖如圖 3 所示。
2． 2． 2 目標區（qū）域的提（tí）取
在圖（tú）像預處理後，需（xū）對圖像進（jìn）行分割處理，其目（mù）的（de）在於把（bǎ）圖像中的重點信息與無關背景信息區分開來，通過分割的方式獲得準確的特征圖像（xiàng），本文的分割（gē）的方式是: 根據圖像直方（fāng）圖特征，選擇合適的閾值，從而將物體與背景分離（lí）出來。其結果如圖 4 所示。
圖 3 圖（tú）像預處理圖
圖 4 目標區域提取（qǔ）圖
2． 2． 3 獲取螺距變量
目標區域的提取後的圖像通過連（lián）通域分析剔除小麵積，對於其（qí）他目（mù）標進行質心坐（zuò）標，接著通過對質心（xīn）坐標進行排序，如圖 5 所示，選取所需要的質（zhì）心坐標，並求出之間的差值，其差（chà）值就是螺（luó）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 質心坐標圖
圖 6 螺距對比圖
圖（tú） 7 螺距變量圖
2． 2． 4 刀具對刀（dāo）補償計算
因沿原螺旋線軌跡對螺紋進行修複，必須保證刀具在開始車削前定（dìng）位到螺紋入口端點位置，但是由（yóu）於螺紋工件裝夾時無法保證周向（xiàng）定位，所以在不重新對刀的前提下，刀具在移動到起（qǐ）始點的位置時，螺紋旋轉後與刀（dāo）具相接處的點未必是螺紋的（de）入口端（duān）點，這樣就會對螺紋造成更加嚴重的破壞。
要完（wán）成自動對刀必須使螺紋（wén）的旋轉周向移動量轉換成刀具得軸向（xiàng）移動量，其計算公式為:
其中: d 為刀具（jù）的軸向移動量; α 為螺紋旋轉角度的變（biàn）化值; r 為螺紋半徑，s 為主軸轉速（sù），F 為（wéi）移動進給速度，如圖 8 所示。
圖 8 刀具（jù）移動補償圖（tú）
結論
作者（zhě）提出的基（jī）於機器視覺的數控車螺紋（wén）修複方法，實現了（le）對螺紋的非無接觸檢測定位，避免人工手動（dòng）測量定位帶來的螺紋修複誤（wù）差，操作人員隻需在機（jī）床（chuáng）程（chéng）序中對（duì）刀具的移（yí）動參數進行修改就能（néng）精確而高效地實現螺紋的修複。
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