一种机器视觉螺纹牙型角补偿方法与流程

本发明属于螺纹测量技术领域，涉及一种机器视觉螺纹牙型角补偿方法。

背景技术：

机器视觉可以高效地实现螺纹参数测量。螺纹联接是机械联接中应用最为广泛的联接形式，螺纹联接的工作面为螺纹牙侧面，而螺纹牙侧面沿轴向存在螺旋升角，受延伸螺旋面的遮挡或投影重叠影响，无论以获取螺纹轴截面为目标的视觉图像，还是以螺纹法截面为目标的视觉图像，都存在螺纹牙廓视觉图像局部失真现象。相对于以获取螺纹轴截面为目标的视觉图像，以获取螺纹法截面的为目标的视觉图像牙廓失真程度较小，但是需要图像采集设备依照螺纹螺旋升角进行机构调整，调整时不仅不易调整准确，且后续尺寸换算十分繁琐。因此，实际机器视觉螺纹参数测量中，仍然以获取螺纹轴截面为目标的方式进行螺纹牙廓图像采集。但是采用这种方式，螺纹牙廓失真程度较高，要想获取精确的螺纹牙廓尺寸，必须找到合理可行的牙廓失真补偿方法。螺纹牙廓失真不仅随着其螺旋升角增大而程度加大，还与影像仪调焦精确水平、螺纹牙廓表面反光程度、光源以及螺纹公称直径关系密切。螺纹牙廓失真补偿必须针对不同螺旋升角、不同测量仪、不同螺纹牙廓反光程度、不同光源以及不同螺纹公称直径有不同补偿量，这就使得螺纹牙廓补偿变得十分困难。螺纹测量中之所以要获取精确的牙廓，主要原因是涉及螺纹的牙型角这个重要参数。螺纹牙型角可以利用螺纹两侧牙廓斜率直接求出，但受螺旋升角的影响，螺纹牙图像的左侧边和右侧边都会受延伸螺旋面的遮挡或投影重叠影响。机械制造中对某种材质和具体参数的螺纹零件，找到其对应牙型角补偿量，不仅可以提高螺纹加工精度，还将有助于实现螺纹在线智能检测和制造。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种机器视觉螺纹牙型角补偿方法，解决了目前机器视觉螺纹测量中难以得到精确获得螺纹牙型角参数的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种机器视觉螺纹牙型角补偿方法，具体包括如下步骤：

步骤1，按目标螺纹制作螺纹零件样件，螺纹零件样件上制造有需要检测的螺纹b，和没有螺旋升角的螺纹截面环沟a，并按螺纹图像方位定义上侧螺纹牙bt、下侧螺纹牙bb，上侧螺纹截面环沟at、下侧螺纹截面环沟ab；

步骤2，采集螺纹零件样件上的螺纹图像；

步骤3，获取步骤2所采集的螺纹图像斜率；

步骤4，根据步骤3所得螺纹图像斜率计算螺纹图像左侧牙侧角和右侧牙侧角补偿量；

步骤5，求取螺纹左侧牙侧角和右侧牙侧角平均补偿量；

步骤6，求取螺纹牙型角平均补偿量cα。

本发明的特点还在于，

步骤2的具体过程为：对螺纹零件样件的上侧螺纹bt、下侧螺纹牙bb和上侧螺纹截面环沟at、下侧螺纹截面环沟ab图像进行采集。

步骤3的具体过程为：对螺纹bt、bb和螺纹截面环沟at、ab的图像依次按相同二值化阈值和边界求取方法，获得螺纹bt左牙侧斜率kl1、右牙侧斜率kr1，螺纹截面环沟at的左牙侧斜率kl0、右牙侧斜率kr0，螺纹bb左牙侧斜率k’l1、右牙侧斜率k’r1，以及螺纹截面环沟ab的左牙侧斜率k’l0、右牙侧斜率k’r0。

步骤4的具体过程为：

对上侧螺纹，螺纹左侧牙侧角补偿量δβ1

δβ1＝|tan^-1kl1-tan^-1kl0|；

右侧牙侧角补偿量δγ1

δγ1＝|tan^-1kr1-tan^-1kr0|；

对下侧螺纹，螺纹左侧牙侧角补偿量δβ'1

δβ'1＝|tan^-1k'l1-tan^-1k'l0|；

对下侧螺纹，螺纹右侧牙侧角补偿量δγ'1

δγ'1＝|tan^-1k'r1-tan^-1k'r0|；

第i个上侧螺纹，牙左侧补偿量δβi

δβi＝|tan^-1kli-tan^-1kl0|；

第i个上侧螺纹，右侧补偿量δγi

δγi＝|tan^-1kri-tan^-1kr0|；

第i个下侧螺纹，牙左侧补偿量δβ'i

δβ'i＝|tan^-1k'li-tan^-1k'l0|；

第i个下侧螺纹，牙右侧补偿量δγ'i

δγ'i＝|tan^-1k'ri-tan^-1k'r0|。

步骤5的具体过程为：

左侧牙侧角平均补偿量

螺纹右侧牙侧角平均补偿量

步骤6的具体过程为：

根据如下公式求取螺纹牙型角平均补偿量cα；

也即

本发明的有益效果如下：

(1)解决了机器视觉螺纹牙型角参数不能精确测量的技术难题；

(2)利用相同材质、相同螺纹参数和刀具制造螺纹和无螺旋升角的螺纹截面环沟对比，既排除了其它因素影响，又在机械制造中易于实现，补偿实时性好；

(3)为螺纹实现高效的在线检测提供了可行的方法。

附图说明

图1螺纹样件示意图；

图2是本发明一种机器视觉螺纹牙型角补偿方法中螺纹牙廓图像获取方法示意图；

图3是本发明一种机器视觉螺纹牙型角补偿方法中螺纹牙廓截面环沟获取方法示意图；

图4是本发明一种机器视觉螺纹牙型角补偿方法中上侧螺纹牙图像和螺纹牙截面环沟图像左、右侧角示意图；

图5是本发明一种机器视觉螺纹牙型角补偿方法中下侧螺纹牙图像和螺纹牙截面环沟图像左、右侧角示意图；

图6是本发明一种机器视觉螺纹牙型角补偿方法中螺纹牙型角平均补偿量示意图。

图中，1.夹具，2.螺纹零件样件，3.图像传感器，4.平行背光源，5.沿螺纹轴向移动工作台。

具体实施方式

本发明一种机器视觉螺纹牙型角补偿方法，具体包括如下步骤：

步骤1，如图1所示，按目标螺纹(指需要进行检测和补偿螺纹牙型角的螺纹)制作螺纹零件样件2，螺纹零件样件2上制造有需要检测的螺纹b，和没有螺旋升角的螺纹截面环沟a，并按螺纹图像方位定义上侧螺纹牙bt、下侧螺纹牙bb，上侧螺纹截面环沟at、下侧螺纹截面环沟ab；

步骤2，如图2、3所示，利用夹具1、平行背光源4、沿螺纹轴线方向移动工作台5、图像传感器3依次对螺纹零件样件2的上侧螺纹bt、下侧螺纹牙bb和上侧螺纹截面环沟at、下侧螺纹截面环沟ab图像进行采集；

利用同一把螺纹加工刀具，在螺纹零件样件2的相同直径位置上加工无螺旋升角的螺纹截面环沟和螺纹，将螺纹零件样件2用双顶尖夹具1进行定位和夹紧，并打开位于螺纹零件样件2正下方的平行背光源4，沿着螺纹轴线方向间歇移动工作台5，使得位于螺纹零件样件2正上方的图像传感器3能依次获取螺纹零件样件2上的上侧螺纹bt和上侧螺纹截面环沟at的图像，然后沿着垂直于螺纹轴线方向移动工作台5，再沿螺纹轴线方向间歇移动工作台5，使得位于螺纹零件样件2正上方的图像传感器3能依次获取螺纹零件样件2上的上侧螺纹bb和上侧螺纹截面环沟ab的图像；当图像传感器镜头视场足够的情况下，也可通过一次沿着螺纹轴线方向间歇移动，获得bt、bt、bb、ab图像。

步骤3，对获取的螺纹bt、bb和螺纹截面环沟at、ab的图像依次按相同二值化阈值和边界求取方法，获得螺纹bt左牙侧斜率kl1、右牙侧斜率kr1，螺纹截面环沟at的左牙侧斜率kl0、右牙侧斜率kr0，螺纹bb左牙侧斜率k’l1、右牙侧斜率k’r1，以及螺纹截面环沟ab的左牙侧斜率k’l0、右牙侧斜率k’r0；

图4中将螺纹牙截面环沟廓形边界画在上侧螺纹牙图像中；图4中，kl0、kr0是上侧螺纹牙截面环沟图像中螺纹牙的左侧边、右侧边，α0是螺纹牙截面环沟的左侧边与右侧边夹角，即实际的牙型角，β0是螺纹牙截面环沟图像中螺纹牙的左侧角，即螺纹牙实际左侧角，γ0是螺纹牙截面环沟图像中螺纹牙的右侧角，即实际右侧角；kl1、kr1是螺纹牙投影图像的左侧边、右侧边(即获得的螺纹牙左侧边、右侧边)，α1是螺纹牙投影图像上左侧边与右侧边夹角，即获得的牙型角，β1是螺纹牙投影图像的左侧角，也即获得的螺纹牙左侧角；γ1是螺纹牙投影图像的右侧角，也即获得的螺纹牙右侧角。

图5中将螺纹牙截面环沟廓形边界画在下侧螺纹牙图像中；图5中，k’l0、k’r0是下侧螺纹牙截面环沟图像中螺纹牙的左侧边、右侧边，α’0是螺纹牙截面环沟的左侧边与右侧边夹角，即实际的牙型角，β’0是螺纹牙截面环沟图像中螺纹牙的左侧角，即螺纹牙实际左侧角，γ’0是螺纹牙截面环沟图像中螺纹牙的右侧角，即实际右侧角；k’l1、k’r1是螺纹牙投影图像的左侧边、右侧边(即获得的螺纹牙左侧边、右侧边)，α’1是螺纹牙投影图像上左侧边与右侧边夹角，即获得的牙型角，β’1是螺纹牙投影图像的左侧角，也即获得的螺纹牙左侧角；γ’1是螺纹牙投影图像的右侧角，也即获得的螺纹牙右侧角。

步骤4，计算螺纹左侧牙侧角和右侧牙侧角补偿量；

令

α0＝β0+γ0

αi＝βi+γi

α'i＝β'i+γ'i

对上侧螺纹，螺纹左侧牙侧角补偿量δβ1

δβ1＝|tan^-1kl1-tan^-1kl0|；

右侧牙侧角补偿量δγ1

δγ1＝|tan^-1kr1-tan^-1kr0|；

对下侧螺纹，图6所示螺纹左侧牙侧角补偿量δβ'1

δβ'1＝|tan^-1k'l1-tan^-1k'l0|；

图6中，为便于对比将螺纹牙截面环沟图像分别画在螺纹图像的上侧螺纹牙和下侧螺纹牙图像中左侧；kl0、kr0是上侧螺纹牙截面环沟图像中螺纹牙的左侧边、右侧边，α0是螺纹牙截面环沟的左侧边与右侧边夹角，即实际的牙型角，β0是螺纹牙截面环沟图像中螺纹牙的左侧角，即螺纹牙实际左侧角，γ0是螺纹牙截面环沟图像中螺纹牙的右侧角，即实际右侧角；kl1、kl2、kl3、……、kln-1、kln是螺纹牙投影图像的左侧边，kr1、kr2、kr3、……、krn-1、krn是螺纹牙投影图像的右侧边(即获得的螺纹牙左侧边、右侧边)，α1、α2、α3、……、αn-1、αn依次是上述螺纹牙投影图像上左侧边与右侧边夹角，即获得的牙型角，β1、β2、β3、……、βn-1、βn是螺纹牙投影图像的左侧角，也即获得的螺纹牙左侧角；γ1、γ2、γ3、……、γn-1、γn是螺纹牙投影图像的右侧角，也即获得的螺纹牙右侧角；k’l0、k’r0是下侧螺纹牙截面环沟图像中螺纹牙的左侧边、右侧边，α’0是螺纹牙截面环沟的左侧边与右侧边夹角，即实际的牙型角，β’0是螺纹牙截面环沟图像中螺纹牙的左侧角，即螺纹牙实际左侧角，γ’0是螺纹牙截面环沟图像中螺纹牙的右侧角，即实际右侧角；k’l1、k’l2、k’l3、……、k’ln-1、k’ln依次是螺纹牙投影图像下侧的左侧边(即获得的螺纹牙左侧边)，k’r1、k’r2、k’r3、……、k’rn-1、k’rn依次是螺纹牙投影图像下侧的右侧边(即获得的螺纹牙右侧边)，α’1、α’2、α’3、……、α’n-1、α’n依次是上述螺纹牙投影图像的左侧边与右侧边夹角，即获得螺纹牙下侧图像的牙型角，β’1、β’2、β’3、……、β’n-1、β’n是螺纹牙投影图像下侧的左侧角，也即获得的螺纹牙下侧图像的左侧角；γ’1、γ’2、γ’3、……、γ’n-1、γ’n依次是螺纹牙投影图像下侧的右侧角，也即获得的螺纹牙下侧右侧角；

对下侧螺纹，螺纹右侧牙侧角补偿量δγ'1

δγ'1＝|tan^-1k'r1-tan^-1k'r0|；

第i个上侧螺纹，牙左侧补偿量δβi

δβi＝|tan^-1kli-tan^-1kl0|；

第i个上侧螺纹，右侧补偿量δγi

δγi＝|tan^-1kri-tan^-1kr0|；

第i个下侧螺纹，牙左侧补偿量δβ'i

δβ'i＝|tan^-1k'li-tan^-1k'l0|；

第i个下侧螺纹，牙右侧补偿量δγ'i

δγ'i＝|tan^-1k'ri-tan^-1k'r0|。

步骤5，求取螺纹左侧牙侧角和右侧牙侧角平均补偿量，左侧牙侧角平均补偿量

螺纹右侧牙侧角平均补偿量

步骤6，求取螺纹牙型角平均补偿量cα；

也即

式中，αi—螺纹上侧图像相邻左、右牙侧边牙型角(如图1中bt所示)；

α0—螺纹牙截面环沟上侧图像的左侧边与右侧边夹角(如图1中at所示)；

α’i—螺纹下侧图像相邻左、右牙侧边牙型角(如图1中bb所示)；

α’0—螺纹牙截面环沟下侧图像的左侧边与右侧边夹角(如图1中ab所示)。