CN101995218B - 一种影像式螺纹样板自动检定仪 - Google Patents

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Abstract

本发明介绍了一种影像式螺纹样板自动检定仪，它以三轴CNC移动工作台为主体，配备显微镜、CCD、照明***、电气控制卡和个人计算机。三轴工作台可在计算机的控制下，由电气控制卡驱动，实现程序控制。个人计算机配备图像采集卡，接收由显微镜和CCD所构成光学成像***捕获的螺纹样板图像数据。个人计算机中提供了一种全自动的螺纹样板检定模块，包括螺纹样板搜索模块和螺纹参数测量模块。螺纹样板搜索模块搜索出螺纹样板测量区域位置和旋转角度。螺纹参数测量模块在测量区域内部完成螺距、牙型角、牙顶宽度、牙底宽度等数据的测量计算。两个模块交替工作，直到所有螺纹样板检定完成。

Description

一种影像式螺纹样板自动检定仪
技术领域
本发明为一种采用光学影像方式进行螺纹样板检定的全自动仪器，能自动地对成组螺纹样板进行快速检定，并直接生成检定报告。 
背景技术
目前的螺纹样板检定通常采用工具显微镜等设备，以手工操作方式完成。一组螺纹样板有多达20个的样板需要检定，每个样板需要依赖手工操作方式，对每片螺纹样板逐个聚焦清晰，并进行多次对齐，对螺距、牙顶宽度、牙底宽度、牙型半角逐个进行测量，工作量繁重、效率低下、检定数据客观性差，给检定部门带来了很大困难。 
在近年来的文献中，未见到有关于螺纹样板自动检定设备的报道。 
发明内容
影像式螺纹样板自动检定仪的结构包括：XYZ三轴移动工作台[1]、显微镜[2]、CCD、照明***[3]、电气控制卡[4]和个人计算机[5]；个人计算机[5]配备图像采集卡，接收由显微镜[2]和CCD所构成光学成像***的图像数据；个人计算机[5]包括螺纹样板检定模块，它利用图像处理技术，对获取的图像数据进行处理，完成对XYZ三轴移动工作台[1]上螺纹样板[6]的检定；个人计算机[5]通过向电气控制卡发送命令来移动XYZ三轴移动工作台[1]，使得螺纹样板上待测区域移动到显微镜的可视区域内；照明***[3]保证光学成像***获取到高质量的螺纹样板图像数据。图1给出了本发明的整体结构示意图。 
本发明的一个目的是提供一种高精度、可程序控制的三轴移动工作平台。通过个人计算机[5]中的螺纹样板检定模块控制平台移动，将螺纹样板待测区域逐个移动到显微镜视野内，顺序完成的成组螺纹样板的扫描工作。 
本发明的另一个目的是在个人计算机中提供了一种全自动的螺纹样板检定模块，该模块只需操作者做少量的设定后，即可全自动的完成成组螺纹样板的 检定。螺纹样板检定模块又分为螺纹样板搜索模块和螺纹参数测量模块。 
检定螺纹样板时，操作者只需将成组螺纹样板上所有样板平铺展开，固定在测量平台上，启动检定模块，选取该组样板中最高一片螺纹样板的外侧边缘作为检定起始位置，圆弧提取模块对个人计算机中图像采集卡获取的图像进行处理，计算得到最高螺纹样板的边缘点集，如有必要，驱动三轴工作台运动，以检测当前视野外的样板区域，完成最高螺纹样板边缘点集的提取。 
螺纹样板搜索模块内部记录了标准螺纹样板相关参数：每个规格螺纹样板的螺距、牙顶宽度、牙底宽度、螺纹有效长度等参数，同时还包括每个规格螺纹样板的轮廓数据。螺纹样板搜索模块在工作时，首先调用预存的螺纹样板轮廓数据，对提取的螺纹样板边缘点集进行匹配，确定当前螺纹样板测量区域的位置和旋转角度。在螺纹样板搜索模块确定测量区域后，仪器再调用螺纹参数测量模块，在测量区域内部完成螺距、牙型角、牙顶宽度、牙底宽度等数据的测量计算。 
完成一片螺纹样板的检定后，螺纹样板搜索模块根据当前检定螺纹样板边缘位置和高度，以及边缘点集的走势，预测出下一片螺纹样板的位置，控制三轴移动工作台移动到该位置处，自动聚焦，开始新的一片螺纹样板的检定。 
螺纹样板检定模块自动重复以上过程，直到完成所有的螺纹样板检定，最后直接打印生成检定部门所需的检定证书。 
本发明优点在于检定效率高，极大的降低了检定部门的工作量。同时，本发明检定数据的客观性和一致性好，受人为因素影响非常小。 
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。 
图2是本发明的全自动螺纹样板检定的工作流程示意图。 
图3是本发明的螺纹参数测量模块的工作示意图。 
图4是本发明的螺纹参数计算示意图。 
图中主要结构为：1-XYZ三轴移动工作台、2-显微镜、3-照明***、4-电气控制卡、5-个人计算机、6-被检螺纹样板、7-螺纹样板测量范围、8-参数测量提取区。 
具体实施方式
螺纹样板检定模块又分为螺纹样板搜索模块和螺纹参数测量模块。螺纹样板搜索模块实现对被检样板的自动搜索，并获取该片样板上螺纹工作区域。螺纹参数测量模块在螺纹样板搜索模块给出的区域内，自动计算螺纹参数。完成一片螺纹样板的检定后，螺纹样板搜索模块预测下一片螺纹样板的位置，控制三轴移动工作台移动到该位置处，自动聚焦，开始下一片螺纹样板的检定，流程示意图见图2所示。在完成检定后，螺纹样板检定模块会直接输出规范的检定报告。 
螺纹样板检定模块预存了成组标准螺纹样板的相关数据：每个规格螺纹样板的螺距、牙顶宽度、牙底宽度和螺纹有效长度等参数，同时还包括每个规格螺纹样板的轮廓数据。模块以这些数据作为自动检定的依据，保证了检定的可靠性。 
为了提高检定效率，使用螺纹样板检定模块前，需要操作者将成组的螺纹样板均匀摊开，使得每片螺纹样板有效螺纹长度区域没有被遮挡，将其放置在检定仪工作台面上，用夹具固定牢固；并将镜头移动到最高一片螺纹样板的外侧区域，聚焦清晰。 
螺纹样板检定模块总体工作流程： 
①螺纹样板自动检定模块调用螺纹样板搜索模块开始样板搜索； 
②螺纹样板搜索模块获取当前检定样板的轮廓点集数据； 
③螺纹样板搜索模块载入预存的成组标准螺纹样板参数和每个规格螺纹样板的轮廓数据，对提取的螺纹样板边缘点集进行匹配，确定当前螺纹样板测量区域的位置和旋转角度； 
④螺纹样板检定模块根据螺纹样板搜索模块得到的测量区域，调用螺纹参数测量模块，在测量区域内完成螺距、牙型角、牙顶宽度、牙底宽度等数据的测量和计算； 
⑤螺纹样板检定模块根据当前检定样板的走势及高度，自动移动机台到下一片样板区域； 
⑥螺纹样板检定模块重复执行②～⑤，直到完成该组样板所有螺纹参数的测量； 
⑦螺纹样板检定模块以每片螺纹样板的测量值与标准值做比对，判定各片样板是否检定合格，输出详细的检定报告。 
螺纹样板搜索模块实现对被检样板的自动搜索，并获取该片样板上螺纹工作区域，具体工作流程如下： 
①螺纹样板搜索模块从图像采集卡获取CCD图像； 
②螺纹样板搜索模块使用高斯滤波算法对采集的图像数据进行滤波； 
③螺纹样板搜索模块采用Sobel算子进行边缘检测，得到当前影像区域的边缘点集； 
④螺纹样板搜索模块将保存在模块内部的螺纹样板轮廓数据与已经提取的所有边缘点集进行匹配，得到匹配度指标； 
⑤螺纹样板搜索模块根据已经提取边缘点集判断出边缘的走势，控制三轴工作平台按照边缘的走势移动到螺纹样板的下一个区域； 
⑥螺纹样板搜索模块再次进行匹配，得到新的匹配度指标； 
⑦螺纹样板搜索模块判断连续两次匹配度数据，若匹配度增大，则重复⑤～⑥，继续进行搜索、匹配；若匹配度减小，则将到上个循环步为止获取的边缘点集作为该片螺纹样板的测量范围； 
⑧螺纹样板搜索模块以测量范围内的边缘点集与内部保存的边缘点集再次进行匹配，得到该测量范围的旋转量和平移量； 
⑨螺纹样板搜索模块以边缘点集、测量范围、测量范围的旋转量和平移量为输出，结束该片样板的搜索工作。 
在完成一片螺纹样板的测量区域提取以后，螺纹样板检定模块调用参数测量模块，在测量区域内完成螺纹相关参数的测量。参数测量模块具体工作流程如下： 
①参数测量模块载入内部保存的测量参数，以及每个参数对应的测量提取区、各个测量提取区在测量范围中的相对位置；
②参数测量模块以测量范围的旋转量和平移量数据为参数，对测量范围和边 缘点集进行校正，将其调整到内部模板的方向； 
③参数测量模块将内部的各个测量提取区应用到校正后的点集数据中，划分出各个待测参数对应的测量点集，如图3所示； 
④参数测量模块使用最小二乘法，对每个待测参数点集数据进行拟合，得到需要的线段或圆弧数据，由此计算得到各个测量参数，完成一片螺纹样板的检定，如图4所示。 

Claims (1)

1.一种影像式螺纹样板自动检定仪，由三轴CNC移动工作台(1)、显微镜(2)、CCD、照明***(3)、电气控制卡(4)、个人计算机(5)组成，其特征在于：所述三轴CNC移动工作台(1)的每个轴由直线导轨、丝杠和直流伺服控制***组成；所述的个人计算机(5)具有全自动螺纹样板检定模块，全自动螺纹样板检定模块包括螺纹样板搜索模块和螺纹参数测量模块；螺纹样板搜索模块自动搜索被检样板，并获取该片样板上螺纹工作区域；螺纹参数测量模块在螺纹样板搜索模块给出的区域内，自动计算螺纹参数；两个模块交替工作，直到所有螺纹样板检定完成；
所述螺纹样板搜索模块从图像采集卡获取CCD图像，使用高斯滤波算法对图像数据进行滤波，采用Sobel算子进行边缘检测，得到当前影像区域的边缘点集，使用保存在模块内部的螺纹样板轮廓数据与已经获取的所有边缘点集进行匹配，得到匹配度指标，根据已经提取边缘点集判断出边缘的走势，控制三轴CNC移动工作台按照边缘的走势移动到螺纹样板的下一个区域，再次进行检测并匹配，得到新的匹配度指标，若匹配度增大，则继续进行搜索；若匹配度减小，则将到上个循环为止获取的边缘点集作为该片螺纹样板的测量范围，并计算得到测量范围的旋转量和平移量；螺纹参数测量模块载入内部保存的测量参数，以及每个参数对应的测量提取区、各个测量提取区在测量范围中的相对位置；以测量范围的旋转量和平移量数据为参数，对测量范围和边缘点集进行校正，将其调整到内部模板的方向；将内部的各个测量提取区应用到校正后的点集数据中，划分出各个待测参数对应的测量点集，再使用最小二乘法，对每个待测参数点集数据进行拟合，得到需要的线段或圆弧数据，由此计算得到各个测量参数，完成一片螺纹样板的测量。
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