一种大螺距锥形外螺纹检测装置及方法与流程

本发明属于螺纹检测技术领域，具体涉及一种大螺距锥形外螺纹检测装置及方法。

背景技术：

目前，螺纹检测的方法主要有接触式、非接触式两种检测方法，接触式检测法主要有综合测量法(如量规测量)和单项测量法(如三针测量)；非接触式方法主要是通过螺纹图像信息进行检测，有工具显微镜法、机器视觉检测法。随着螺纹检测技术的发展，螺纹检测自动化程度越来越高，传统的外螺纹接触式检测方法存在量具易磨损、工作效率低，难以满足大批量、在线检测要求；而机器视觉检测技术具有非接触、速度快、精度高、实时在线、自动化程度高等优点，应用机器视觉技术对螺纹进行检测是当前检测技术的发展趋势，螺纹检测是机器视觉检测的一种重要应用。

目前，国内已经在常规螺距、直螺纹检测中成熟应用视觉检测技术，方法是首先提取螺纹图像轮廓，之后将轮廓分割成直线、圆弧等常规几何形状，再进行拟合，通过拟合的轮廓直接测量螺纹相关参数。常规螺距螺纹牙底和牙顶多为直线相接，螺旋升角小，螺纹投影对螺纹相关测量参数影响较小，可通过螺纹图像尺寸直接获得螺纹加工后尺寸参数。对于普通、常规螺纹而言，目前这种检测方法检测精度较高，能够满足实际需求。但大螺距锥形螺纹与普通常规螺纹相比，其螺纹轮廓尺寸呈线性变化，螺纹螺旋升角大，螺纹平面投影面积大且投影面积随螺纹长度与锥度成函数性变化，相邻两个螺纹根部、单个螺纹牙顶部多为圆弧-直线-圆弧形式连接，大螺距锥形螺纹加工复杂，检测参数多，通过常规螺纹光学检测方法无法获得准确加工尺寸，目前在大螺距锥形螺纹检测方面尚无相关文献或报道。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种大螺距锥形外螺纹检测装置及方法，克服目前通过常规检测方法无法精确获得大螺距锥形螺纹尺寸的缺陷。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种大螺距锥形外螺纹检测装置，包括工件固定组件和取像组件；还包括检测组件和光源组件；所述光源组件为平面光源，用于向所述取像组件提供光源；所述检测组件包括显示界面、数据存储系统、螺纹轮廓提取模块和螺纹逆向计算模块，用以提取螺纹图像轮廓、计算螺纹加工参数和判定结果。

本发明还包括如下技术特征：

可选地，所述工件固定组件包括能自动夹紧的手爪和固定平台，用于夹持和固定旋转待测工件以及调整待测工件高度；

所述取像组件包括工业相机和远心镜头，用于通过所述光源组件对待测工件螺纹进行取像，并将得到的螺纹图像发送至检测组件；

所述数据存储系统用于支撑螺纹轮廓提取模块和螺纹逆向计算模块运行以及存储检测结果；

所述显示界面用于显示操作界面，设定模型参数以及显示所述螺纹轮廓提取模块和螺纹逆向计算模块计算结果。

本发明还提供了一种使用所述的大螺距锥形外螺纹检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤s1：在所述检测组件显示界面中，输入待测工件螺纹设计参数和加工螺纹所用刀具参数；所述螺纹设计参数包括螺纹大径、中径、螺距、牙型角、螺纹总长和锥度；

步骤s2：将待测工件放置在所述工件固定组件中，调整工件固定组件，使光源组件、待测工件螺纹、取像组件在同一水平线；

步骤s3：所述取像组件采集待测工件螺纹图像，并传输至检测组件；

步骤s4：所述检测组件及其螺纹轮廓提取模块对待测工件螺纹图像进行处理并提取螺纹轮廓，测量待测工件螺纹图像的螺纹投影尺寸，所述螺纹投影尺寸包括螺纹大径、中径、螺距、牙型角、螺纹总长和锥度；

步骤s5：所述检测组件及其螺纹逆向计算模块依据螺纹投影尺寸与螺纹轮廓，反算螺纹加工参数，所述螺纹加工参数包括螺纹大径、中径、螺距、牙型角、螺纹总长和锥度；

步骤s6：所述检测组件将螺纹加工参数与螺纹设计参数比对，给出判定结果，并将检测结果存储在数据存储系统中，同时根据判定结果给出动作指令到工件分拣机构和螺纹加工设备。

可选地，所述步骤s1中所述刀具参数包括刀具偏差、倾角和磨耗比。

可选地，所述步骤s2包括以下步骤：

步骤s201：工件分拣机构将待测工件放置在所述工件固定组件中，工件固定组件手爪自动夹紧待测工件；

步骤s202：工件固定组件根据待测工件螺纹段长度升降固定平台，使光源组件、待测工件螺纹段、取像组件在同一水平线上。

可选地，所述步骤s3包括以下步骤：

步骤s301：所述检测组件准备就绪，所述取像组件配合使用远心平行背光的光源组件，采集第一张螺纹图像；

步骤s302：所述工件固定组件以固定速度旋转360°，取像组件以固定间隔采集多张螺纹图像，并将螺纹图像传递至检测组件。

可选地，所述步骤s4包括以下步骤：

步骤s401：所述检测组件对获取的螺纹图像做灰度处理，提取螺纹区域，去除噪声点，得到初步螺纹图像；

步骤s402：利用prewitt算子对初步螺纹图像做一阶锐化，得到一阶梯度，将梯度值大于设定阂值部分记为轮廓边缘，对不连续边界做腐蚀膨胀处理，得到像素级螺纹轮廓；

步骤s403：基于领域面积的亚像素边缘提取算法，确定像素级螺纹轮廓的精确螺纹轮廓边界；

步骤s404：根据精确螺纹轮廓边界，测量初步螺纹投影尺寸lm，所述初步螺纹投影尺寸lm包括螺纹大径、螺距和螺纹总长；

步骤s405：根据初步螺纹投影尺寸lm、加工偏差δm、刀具偏差δt，计算螺纹投影尺寸lr。

lr＝lm-δm-δt

可选地，所述步骤s5包括以下步骤：

步骤s501：根据螺纹投影尺寸和螺纹投影关系，建立螺纹逆向计算模型，该模型如下：

螺纹大径(lt，d)：lt，d＝lr，d

螺纹总长(lt，l)：lt，l＝lr，l

螺纹螺距(lt，p)：lt，p＝lr，p

螺纹左侧下螺纹牙型线沿中心线对称至右侧，向上平移lt，p/2距离，螺纹右侧上螺纹牙型线沿中心线对称至左侧，向下平移lt，p/2距离，分别延长上下牙型线得到牙型角顶点、牙型角底点，计算牙型角、锥度、中径线：

1)牙型角α：α＝180°-arctan(k1)+arctan(k2)

其中，k1为螺纹牙型下线斜率，k2为螺纹牙型上线斜率。

2)锥度β：β＝180°-arctan(k3)-arctan(k4)

其中，k3为右侧螺纹牙型角顶点连线斜率，k4为左侧螺纹牙型角顶点连线斜率。

3)中径线：平行于右侧螺纹牙顶角连线的直线向左平移，与相邻两个螺纹牙相交于a1，a2，a3，a4四点，其中|a1a2|为螺纹厚度，|a2a3|为相邻两个螺纹距离，取|a1a2|＝|a2a3|时平行于牙顶角连线的直线为右侧螺纹中径线k1，同理，得左侧螺纹中径线k2；

步骤s502：将螺纹投影尺寸代入螺纹逆向计算模型，计算螺纹加工参数，并根据螺纹加工参数计算左右中线最大差值、左右牙顶线最大差值、左右牙底线最大差值；

步骤s503：将螺纹加工参数与螺纹设计参数做比对，计算误差值δm,n，m为螺纹参数类型，m∈{螺纹大径、中径、螺距、牙型角、螺纹总长和锥度}，n为同一螺纹图像张数，n＝1,2,3,4,5…n。

可选地，所述步骤s6包括以下步骤：

步骤s601：螺纹参数误差判定标准为δm，m为螺纹参数类型，m∈{螺纹大径、中径、螺距、牙型角、螺纹总长和锥度}，将各误差值与误差判定标准做比对：

同一参数合格图像张数为hm，该参数设定合格张数为h：

步骤s602：根据步骤s601得到所有参数检测结果，关键参数全部合格，非关键参数合格率大于设定值，则该螺纹检测合格，否则，判定该螺纹加工不合格；所述关键参数为：螺纹中径、锥度、牙型角和螺距，所述非关键参数为：螺纹大径和螺纹总长；

步骤s603：根据检测结果生成动作指令，传输给工件分拣机构；同时，将指令传输给机床控制系统，如果合格，继续加工；如果不合格，停止加工并做出下一步指令。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(ⅰ)本发明的大螺距锥形外螺纹检测装置结构简单，轮廓识别与尺寸换算算法简洁、高效，完全满足自动化生产线对螺纹检测的需求。

(ⅱ)本发明的取像组件、工件固定组件、光源组件依次安装在同一工作台上，取像组件与检测组件相连接，相机拍摄比例设定为1:1，避免了检测过程中的尺寸多次换算。本发明的工件固定组件可上下移动，调整待测工件螺纹与取像和光源组件的水平位置，可满足不同尺寸工件的检测需求；水平位置调整并固定后，工件固定组件可沿轴线旋转，方便取像组件捕捉工件各个方向的图像。

(ⅲ)本发明的大螺距锥形外螺纹检测方法基于全自动检测装置与机器视觉轮廓检测算法，精确获得大螺距锥形螺纹平面投影尺寸，通过创新模型反演算法获得大螺距锥形外螺纹准确加工参数，实现大螺距锥形外螺纹非接触在线快速高精度检测。

(ⅳ)本发明的大螺距锥形外螺纹检测方法中，螺纹尺寸换算方法是在螺纹加工的基础上通过螺纹加工刀具参数对工件面向取像组件背向光源时，每个螺纹牙型的阴影面与其沿螺旋线旋转180°后的非阴影面各个相关尺寸进行换算，包括螺纹大径、中径、小径、螺距、牙型角、牙底圆弧半径、螺纹总长、牙高、螺纹中线锥度等。

附图说明

图1是本发明的外螺纹检测装置示意图；

图2是本发明的外螺纹阴影面与非阴影面示意图；

图3是本发明的螺纹投影关系原理示意图；

图4是本发明的螺纹检测流程图；

图5是本发明的螺纹投影尺寸计算流程图。

图中各标号表示为：1-检测组件，2-取像组件，3-工件固定组件，4-待测工件，5-光源组件；6-螺纹阴影，7-对称平移后牙型线，8-虚拟牙型顶角。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种大螺距锥形外螺纹检测装置，包括工件固定组件3和取像组件2；还包括检测组件1和光源组件5；光源组件5为平面光源，用于向取像组件2提供光源；检测组件1包括显示界面、数据存储系统、螺纹轮廓提取模块和螺纹逆向计算模块，用以提取螺纹图像轮廓、计算螺纹加工参数和判定结果；具体的，螺纹轮廓提取模块和螺纹逆向计算模块用以对螺纹图像进行处理、对螺纹图像尺寸进行测量和反演计算，从而获得螺纹加工参数，并对加工结果做出判定，同时将检测结果记录在数据存储系统中。

具体的，工件固定组件3包括能自动夹紧的手爪和固定平台，用于夹持和固定旋转待测工件4以及调整待测工件4高度；取像组件2包括工业相机和远心镜头，用于通过光源组件5对待测工件4螺纹进行取像，并将得到的螺纹图像发送至检测组件1；数据存储系统用于支撑螺纹轮廓提取模块和螺纹逆向计算模块运行以及存储检测结果；显示界面用于显示操作界面，设定模型参数以及显示螺纹轮廓提取模块和螺纹逆向计算模块计算结果。

实施例2：

如图1至图5所示，本实施例还提供一种使用所述的大螺距锥形外螺纹检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤s1：在检测组件显示界面中，输入待测工件螺纹设计参数和加工螺纹所用刀具参数；螺纹设计参数包括螺纹大径、中径、螺距、牙型角、螺纹总长和锥度等；

步骤s2：将待测工件放置在所述工件固定组件中，调整工件固定组件，使光源组件、待测工件螺纹、取像组件在同一水平线；

步骤s3：取像组件采集待测工件螺纹图像，并传输至检测组件；

步骤s4：检测组件及其螺纹轮廓提取模块对待测工件螺纹图像进行处理并提取螺纹轮廓，测量待测工件螺纹图像的螺纹投影尺寸，螺纹投影尺寸包括螺纹大径、中径、螺距、牙型角、螺纹总长和锥度等；

步骤s5：检测组件及其螺纹逆向计算模块依据螺纹投影尺寸与螺纹轮廓，反算螺纹加工参数，所述螺纹加工参数包括螺纹大径、中径、螺距、牙型角、螺纹总长和锥度等；

步骤s6：所述检测组件将螺纹加工参数与螺纹设计参数比对，给出判定结果，并将检测结果存储在数据存储系统中，同时根据判定结果给出动作指令到工件分拣机构和螺纹加工设备。

具体的，步骤s1中所述刀具参数包括刀具偏差、倾角和磨耗比。

具体的，步骤s2包括以下步骤：

步骤s201：工件分拣机构将待测工件放置在所述工件固定组件中，工件固定组件手爪自动夹紧待测工件；

步骤s202：工件固定组件根据待测工件螺纹段长度升降固定平台，使光源组件、待测工件螺纹段、取像组件在同一水平线上。

具体的，步骤s3包括以下步骤：

步骤s301：检测组件准备就绪，取像组件配合使用远心平行背光的光源组件，采集第一张螺纹图像；

步骤s302：工件固定组件以固定速度旋转360°，取像组件以固定间隔采集多张螺纹图像，并将螺纹图像传递至检测组件。

具体的，步骤s4包括以下步骤：

步骤s401：检测组件对获取的螺纹图像做灰度处理，提取螺纹区域，去除噪声点，得到初步螺纹图像；

步骤s402：利用prewitt算子对初步螺纹图像做一阶锐化，得到一阶梯度，将梯度值大于设定阂值部分记为轮廓边缘，对不连续边界做腐蚀膨胀处理，得到像素级螺纹轮廓；

步骤s403：基于领域面积的亚像素边缘提取算法，确定像素级螺纹轮廓的精确螺纹轮廓边界；

步骤s404：根据精确螺纹轮廓边界，测量初步螺纹投影尺寸lm，所述初步螺纹投影尺寸lm包括螺纹大径、螺距和螺纹总长等；

步骤s405：根据初步螺纹投影尺寸lm、加工偏差δm、刀具偏差δt，计算螺纹投影尺寸lr。

lr＝lm-δm-δt

具体的，步骤s5包括以下步骤：

步骤s501：根据螺纹投影尺寸和螺纹投影关系，建立螺纹逆向计算模型；螺纹投影关系具体指：在螺纹加工过程中，每一个螺纹牙型的两侧牙型角是由螺纹加工刀具的两侧刀刃在加工过程中形成的，平视工件时，它左侧第一个螺纹牙型的非阴影面与同一螺纹旋转180°至右侧的阴影面由刀具的同一侧刀刃加工而成，其右侧第一个螺纹牙型的非阴影面与同一螺纹旋转180°至左侧的阴影面由刀具的另一侧刀刃加工而成，故而，工件左侧螺纹的阴影面尺寸可通过右侧螺纹的非阴影面换算，而右侧螺纹的阴影面尺寸可通过左侧螺纹的非阴影面换算；其中，螺纹逆向计算模型如下：

螺纹大径(lt，d)：lt，d＝lr，d

螺纹总长(lt，l)：lt，l＝lr，l

螺纹螺距(lt，p)：lt，p＝lr，p

如图3中的螺纹投影原理示意图，螺纹阴影6，对称平移后牙型线7，虚拟牙型顶角8，螺纹左侧下螺纹牙型线沿中心线对称至右侧，向上平移lt，p/2距离，螺纹右侧上螺纹牙型线沿中心线对称至左侧，向下平移lt，p/2距离，分别延长上下牙型线得到牙型角顶点、牙型角底点，计算牙型角、锥度、中径线：

1)牙型角α：α＝180°-arctan(k1)+arctan(k2)

其中，k1为螺纹牙型下线斜率，k2为螺纹牙型上线斜率。

2)锥度β：β＝180°-arctan(k3)-arctan(k4)

其中，k3为右侧螺纹牙型角顶点连线斜率，k4为左侧螺纹牙型角顶点连线斜率。

3)中径线：平行于右侧螺纹牙顶角连线的直线向左平移，与相邻两个螺纹牙相交于a1，a2，a3，a4四点，其中|a1a2|为螺纹厚度，|a2a3|为相邻两个螺纹距离，取|a1a2|＝|a2a3|时平行于牙顶角连线的直线为右侧螺纹中径线k1，同理，得左侧螺纹中径线k2；

步骤s502：将螺纹投影尺寸代入螺纹逆向计算模型，计算螺纹加工参数，并根据螺纹加工参数计算左右中线最大差值、左右牙顶线最大差值、左右牙底线最大差值；

步骤s503：将螺纹加工参数与螺纹设计参数做比对，计算误差值δm,n，m为螺纹参数类型，m∈{螺纹大径、中径、螺距、牙型角、螺纹总长和锥度……}，n为同一螺纹图像张数，n＝1,2,3,4,5…n。

具体的，步骤s6包括以下步骤：

步骤s601：螺纹参数误差判定标准为δm，m为螺纹参数类型，m∈{螺纹大径、中径、螺距、牙型角、螺纹总长和锥度……}，将各误差值与误差判定标准做比对：

同一参数合格图像张数为hm，该参数设定合格张数为h：

步骤s602：根据步骤s601得到所有参数检测结果，关键参数全部合格，非关键参数合格率大于设定值，则该螺纹检测合格，否则，判定该螺纹加工不合格；其中，关键参数为：螺纹中径、锥度、牙型角和螺距，所述非关键参数为：螺纹大径和螺纹总长；

步骤s603：根据检测结果生成动作指令，传输给工件分拣机构；同时，将指令传输给机床控制系统，如果合格，继续加工；如果不合格，停止加工并做出下一步指令。