基于機器視覺的數(shù)控車螺紋修復(fù)方法
2020-5-21 來源： 安徽工程大學 作者：俞俊杰，劉有余
摘要: 螺紋工件在加工或在使用過程中容易造成螺紋牙的損傷，結(jié)合數(shù)控車床修復(fù)螺紋工件的方法，提出基于機器視覺的數(shù)控車床螺紋修復(fù)方法。方法是利用 CCD 攝像機對所需修復(fù)的螺紋工件進行圖像采集，并對圖像進行分析處理，得到螺紋工件相對于數(shù)控車床卡盤的位置變化信息; 對數(shù)控程序中刀具移動參數(shù)的進行修正，控制數(shù)控刀具在加工過程中的準確定位，實現(xiàn)數(shù)控車床對螺紋工件的修復(fù)。本方法不需要在車床卡盤上標記點，也不需要多次調(diào)整工件，效率高，利于批量加工，提高經(jīng)濟效益。
關(guān)鍵詞: 螺紋修復(fù); CCD 攝像機; 圖像處理
引言
螺紋零件是最重要的機械基礎(chǔ)性零件之一，在螺紋的生產(chǎn)或使用過程中，會因各種不同的情況而導(dǎo)致螺紋零件無法正常地使用。如在刀具磨損的情況下，加工的螺紋工件的螺紋深度就會出現(xiàn)偏差，這就導(dǎo)致在使用過程中螺紋工件無法正常使用; 在使用過程中，螺紋工件受到擠壓會導(dǎo)致螺紋局部變形，這就導(dǎo)致螺紋工件在拆卸后無法再次使用。為了減少材料的浪費，降低生產(chǎn)和使用成本，對于無法使用的螺紋工件需進行修復(fù)，以降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。
目前，研究人員已提出了多種的螺紋修復(fù)方法，數(shù)控車修復(fù)螺紋是目前普遍使用的修復(fù)方法，如范芳洪等人提出可通過主軸編碼器一轉(zhuǎn)零脈沖信號位置和螺紋起始位置重合的關(guān)系，通過設(shè)計一種主軸一轉(zhuǎn)零脈沖信號制動電路，利用對刀點計算確定螺紋入刀點，但是由于經(jīng)濟型數(shù)控機床不具備定向功能，在使用主軸自定位方法時，對機床需要改造，這樣的修復(fù)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復(fù)工件上找正螺紋，通過將找正螺紋起點與待修復(fù)螺紋起點重合的方式實現(xiàn)對螺紋修復(fù)的方法，但是此方法不但需要在車床卡盤上標記，而且在加工過程中需通過卡盤標記點多次調(diào)整工件，才能完成修復(fù)工作，這種修復(fù)方式太過繁瑣，不利于大批量修復(fù)。
針對上述的不足之處，本文提出了一種基于機器視覺的數(shù)控車螺紋修復(fù)方法，此方法其重點在于，利用定位安裝好的 ccd 攝像機對螺紋工件進行圖像采集，把拍攝的數(shù)據(jù)傳送至電腦，運用 mat-lab 軟件的圖像處理功能對采集圖像數(shù)據(jù)進行分析計算，根據(jù)圖像分析計算獲得螺紋某一點的軸向移動變量，運用螺距與螺紋旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系，計算出這一點的移動變量相對應(yīng)的螺紋旋轉(zhuǎn)角度，利用弧長與角度的關(guān)系，結(jié)合螺紋半徑把旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)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，把螺紋的弧長變量轉(zhuǎn)換成刀具的移動補償量，在數(shù)控程序中對刀具移動進行修補，從而輸出指令使刀具準確定位，完成螺紋的修復(fù)加工。
1、 總體方案
在修復(fù)工作前，先試加工一件標準件，然后通過 CCD 攝像機對標準件的螺紋圖像進行采集，并傳輸給電腦。接著拆下標準件將待修復(fù)的螺紋工件送入機床卡盤，對待修復(fù)螺紋進行軸向定位并夾緊工件，通過 CCD 攝像機獲取修復(fù)工件的螺紋圖像信息并傳輸給電腦，通過 matlab 圖像分析標準件與被修復(fù)工件的螺紋圖像，通過重疊對比的方式獲得螺紋的軸向信息，同時計算出刀具的移動補償值，操作人員只需修改加工程序中刀具移動參數(shù)，便可實現(xiàn)自動對刀，運行修復(fù)程序。螺紋修復(fù)步驟如圖 1 所示。
圖 1 螺紋修復(fù)步驟的流程圖
螺紋工件送入機床卡盤，螺紋右端靠上定位板之后鎖緊卡盤，啟動 CCD 相機對螺紋圖像進行采集傳輸，接著松開鎖緊螺栓，旋轉(zhuǎn)定位板并移動CCD 相機遠離被加工件，在數(shù)控車床的程序中輸入計算結(jié)果，實現(xiàn)自動對刀。
由于 CCD 攝像機易受飛屑損傷、冷卻液遮擋等，因此在攝像機的外部加裝防護罩，并設(shè)計成可伸縮的形式，通過固定軸上的刻度，調(diào)節(jié) 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，為后面圖像處理對比的準確性提供了保障。相機安裝圖如圖 2 所示。
圖 2 相機安裝圖
2、 螺紋修復(fù)系統(tǒng)
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在固定軸上，移動軸采用軸向伸縮式，定位板采用上下移動式，當要修復(fù)螺紋時，先移動定位板至合適位置，再調(diào)節(jié)移動軸使定位板靠在試加工標準件的螺紋頂端，鎖緊螺母，為需修復(fù)螺紋定位，完成定位后，移動定位板至不妨礙刀具加工的位置。
2． 1． 2 相機外罩設(shè)計
因修復(fù)的精度的高低與圖像采集的清晰度息息相關(guān)，保護相機鏡頭免收加工中飛屑的劃傷和切削液的侵入至關(guān)重要，所以相機的外罩必須設(shè)計成可移動式，在需要拍攝時移動至拍攝位置，在加工時，移動至遠離加工工件的位置，以達到保護鏡頭不受飛屑和冷卻液的侵入。此外相機焦距與曝光度的調(diào)節(jié)直接關(guān)系圖像的清晰度，因此相機的外罩必須留有可調(diào)節(jié)窗口，這樣可方便調(diào)節(jié)鏡頭使其拍攝的圖像更加清晰。相機外罩上的調(diào)節(jié)窗口不應(yīng)是開放式的，需安裝遮擋簾，以保護內(nèi)部的相機。
2． 2 圖像處理部分
2． 2． 1 圖像預(yù)處理
圖像會因采集設(shè)備鏡頭的分辨率、外部場景的光線等一系列的原因?qū)е聢D像變得模糊，且在圖像的掃描、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聲污染而變得畫質(zhì)下降，由于圖像質(zhì)量的高低直接影響后續(xù)的處理效果，所以必須消除噪聲對圖像的影響，因此對圖像需要做預(yù)先處理。本文所采樣的處理方式是先對圖像做灰度化處理，接著對圖像做平滑處理，最終對圖像做銳化處理。其效果圖如圖 3 所示。
2． 2． 2 目標區(qū)域的提取
在圖像預(yù)處理后，需對圖像進行分割處理，其目的在于把圖像中的重點信息與無關(guān)背景信息區(qū)分開來，通過分割的方式獲得準確的特征圖像，本文的分割的方式是: 根據(jù)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(jié)果如圖 4 所示。
圖 3 圖像預(yù)處理圖
圖 4 目標區(qū)域提取圖
2． 2． 3 獲取螺距變量
目標區(qū)域的提取后的圖像通過連通域分析剔除小面積，對于其他目標進行質(zhì)心坐標，接著通過對質(zhì)心坐標進行排序，如圖 5 所示，選取所需要的質(zhì)心坐標，并求出之間的差值，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(zhì)心坐標圖
圖 6 螺距對比圖
圖 7 螺距變量圖
2． 2． 4 刀具對刀補償計算
因沿原螺旋線軌跡對螺紋進行修復(fù)，必須保證刀具在開始車削前定位到螺紋入口端點位置，但是由于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的位置時，螺紋旋轉(zhuǎn)后與刀具相接處的點未必是螺紋的入口端點，這樣就會對螺紋造成更加嚴重的破壞。
要完成自動對刀必須使螺紋的旋轉(zhuǎn)周向移動量轉(zhuǎn)換成刀具得軸向移動量，其計算公式為:
其中: d 為刀具的軸向移動量; α 為螺紋旋轉(zhuǎn)角度的變化值; r 為螺紋半徑，s 為主軸轉(zhuǎn)速，F(xiàn) 為移動進給速度，如圖 8 所示。
圖 8 刀具移動補償圖
結(jié)論
作者提出的基于機器視覺的數(shù)控車螺紋修復(fù)方法，實現(xiàn)了對螺紋的非無接觸檢測定位，避免人工手動測量定位帶來的螺紋修復(fù)誤差，操作人員只需在機床程序中對刀具的移動參數(shù)進行修改就能精確而高效地實現(xiàn)螺紋的修復(fù)。
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