CN103245296A - 一种基于图像测量与处理的丝杠螺纹参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于图像测量与处理的丝杠螺纹参数测量方法，该方法可以实现对采集到丝杠螺纹图像的处理，并实现螺纹主要参数，如外径、内径、中径、螺纹高度及螺距的测量。其特点是，包括如下步骤：（1）首先利用图像采集系统获得丝杠螺纹的图像信息，然后对螺纹图像进行中值滤波、边缘增强、二值化和边缘提取处理后，获得清晰的螺纹轮廓图像；（2）再分析该螺纹轮廓图像，分别得到第一直线L1、第二直线L2；（3）分别得到第三直线L3、第四直线L4。本发明的方法是利用数字图像处理技术对输入图像进行处理，获得清晰的螺纹轮廓图型，通过分析螺纹轮廓图像，建立数学模型，实现对丝杠螺纹主要参数的快速、准确的测量。

Description

一种基于图像测量与处理的丝杠螺纹参数测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于图像测量与处理的丝杠螺纹参数测量方法，该方法可以实现对采集到丝杠螺纹图像的处理，并实现螺纹主要参数，如外径、内径、中径、螺纹高度及螺距的测量。

背景技术

在目前的工业生产中，丝杠螺纹的使用频率非常高，对螺纹参数进行实时高精度的测量，有利于对提高配件质量。传统螺纹的检测主要采用两种方法：其一是综合检验法；另一种是单参数测量法。传统的接触式测量方法精度相对较低，测量过程耗时耗力，且易导致螺纹损伤以及引起人为误差等。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于图像测量与处理的丝杠螺纹参数测量方法，能够对采集到的螺纹图像进行快速、准确地处理，实现对螺纹主要参数的测量。

一种基于图像测量与处理的丝杠螺纹参数测量方法，其特别之处在于，包括如下步骤：

（1）首先利用图像采集系统获得丝杠螺纹的图像信息，然后对螺纹图像进行中值滤波、边缘增强、二值化和边缘提取处理后，获得清晰的螺纹轮廓图像；

（2）再分析该螺纹轮廓图像，首先在螺纹边缘两侧分别找到第一螺纹外径顶点M1、第二螺纹外径顶点M2、第三螺纹外径顶点M3、第四螺纹外径顶点M4，再得到这四个螺纹外径顶点的坐标，然后分别连接第一螺纹外径顶点M1与第二螺纹外径顶点M2，以及第三螺纹外径顶点M3与第四螺纹外径顶点M4，分别得到第一直线L1、第二直线L2；

（3）然后在螺纹内侧分别找到第一螺纹内径顶点N1、第二螺纹内径顶点N2、第三螺纹内径顶点N3、第四螺纹内径顶点N4，再得到这四个螺纹内径顶点的坐标，分别连接第一螺纹内径顶点N1与第二螺纹内径顶点N2、第三螺纹内径顶点N3与第四螺纹内径顶点N4，分别得到第三直线L3、第四直线L4；

（4）最后由第一直线L1、第二直线L2计算螺纹中间线L，再计算第一直线L1、第二直线L2之间的距离S1，即为螺纹外径；计算第三直线L3、第四L4之间的距离S2，即为螺纹内径；另外由距离S1和距离S2即可计算出螺纹中径S3和螺纹高度S4，最后计算出螺距S5。

步骤（2）中，首先在轮廓图像上，即在得到的外径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域R1，寻找R1区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为螺纹第一外径顶点M1，得到其X、Y坐标值；然后，在上部分的外径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域R2，寻找R2区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为第二螺纹外径顶点M2，得到其X、Y坐标值；

在下部分的外径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域R3，寻找R3区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为第三螺纹外径顶点M3，得到其X、Y坐标值；然后，在上部分的外径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域R4，寻找R4区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为第四螺纹外径顶点M4，得到其X、Y坐标值；

然后，分别连接第一螺纹外径顶点M1与第二螺纹外径顶点M2、第三螺纹外径顶点M3与第四螺纹外径顶点M4，分别得到第一直线L1、第二直线L2。

步骤（3）中，首先在轮廓图像上，即在得到的内径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域RR1，寻找RR1区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为螺纹第一内径顶点N1，得到其X、Y坐标值；然后，在上部分的内径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域RR2，寻找RR2区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为第二螺纹内径顶点N2，得到其X、Y坐标值；

在下部分的内径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域RR3，寻找RR3区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为第三螺纹内径顶点N3，得到其X、Y坐标值；然后，在上部分的内径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域RR4，寻找RR4区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为第四螺纹外径顶点N4，得到其X、Y坐标值；

然后，分别连接第一螺纹内径顶点N1与第二螺纹内径顶点N2、第三螺纹内径顶点N3与第四螺纹内径顶点N4，分别得到第一直线L3、第二直线L4。

本发明的方法是利用数字图像处理技术对输入图像进行处理，获得能够反应螺纹特征的清晰图像，分析图像灰度分布信息，获得清晰的螺纹轮廓图型，通过分析螺纹轮廓图像，建立数学模型，实现对丝杠螺纹主要参数的快速、准确的测量。具体是利用算法对采集到的螺纹图像进行快速、准确地处理，实现对螺纹主要参数的测量。该测量方法简单易行、性能稳定，成本较低，为快速、准确地测量螺纹主要参数提供了一种全新的解决方案。

附图说明

图1是用于实现本发明方法的螺纹图像数据采集系统的结构示意图；图中，1.工作台（1），2.LED灯（2），3.光学调节系统（3），4.CCD摄像头（4），5.USB数据线（5），6.计算机（6），7.计算机显示屏（7）；

图2是本发明的螺纹轮廓线计算原理图；

图3是本发明的图像采集和图像处理主程序流程图；

图4是本发明的参数测量与计算子程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明做进一步详细的说明：

如图1所示，是本发明所用到的利用光学调节系统3、CCD摄像头4以及计算机6等组合构成的丝杠螺纹主要参数图像测量系统，用于实现对螺纹图像的采集、处理和主要参数快速、精确的测量。该系统构成如附图1所示，包括工作台1，LED灯2，光学调节系统3，CCD摄像头4，USB数据线5，计算机6，计算机显示屏7。

采用本发明丝杠螺纹主要参数图像测量方法，如图1、2、3、4所示，具体按照以下步骤实施：

A.将需要测量的螺纹处放置在图1所示的工作台1上，摆正位置，由工作台1上的夹持装置固定，对准CCD摄像头4的中线位置。调节LED灯2，使灯光均匀的照射在螺纹上，使接收到的螺纹图像能够清晰完整的显示在计算机显示屏7上。

B.通过调节光学调节系统3，适当调节螺纹图像的放大倍数，提高螺纹边缘轮廓的像素度，以提高螺纹参数测量精度。

C.光学调节系统3对螺纹图像放大后，成像到CCD摄像头4上，通过USB数据线5，将图像信息传输到计算机6上进行进一步分析。

D.将螺纹换成量块，成像到CCD摄像头上4，然后由CCD摄像头4对螺纹图像进行采集，最后传输到计算机6上分析计算，利用软件对CCD摄像头4像素的实际长度进行标定。

E.利用软件对螺纹图像进行中值滤波、边缘增强、二值化和边缘提取处理，获得清晰的螺纹轮廓线，如图2中的实线所示。

F.在轮廓图像上，在上部分的外径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域R1，寻找R1区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为螺纹第一外径顶点M1，得到其X、Y坐标值；然后，在上部分的外径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域R2，寻找R2区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为第二螺纹外径顶点M2，得到其X、Y坐标值。

在下部分的外径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域R3，寻找R3区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为第三螺纹外径顶点M3，得到其X、Y坐标值；然后，在上部分的外径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域R4，寻找R4区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为第四螺纹外径顶点M4，得到其X、Y坐标值。

然后，分别连接第一螺纹外径顶点M1与第二螺纹外径顶点M2、第三螺纹外径顶点M3与第四螺纹外径顶点M4，分别得到第一直线L1、第二直线L2。

G.在轮廓图像上，在上部分的内径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域RR1，寻找RR1区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为螺纹第一内径顶点N1，得到其X、Y坐标值；然后，在上部分的内径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域RR2，寻找RR2区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为第二螺纹内径顶点N2，得到其X、Y坐标值。

在下部分的内径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域RR3，寻找RR3区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为第三螺纹内径顶点N3，得到其X、Y坐标值；然后，在上部分的内径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域RR4，寻找RR4区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为第四螺纹外径顶点N4，得到其X、Y坐标值。

然后，分别连接第一螺纹内径顶点N1与第二螺纹内径顶点N2、第三螺纹内径顶点N3与第四螺纹内径顶点N4，分别得到第一直线L3、第二直线L4。

H.由第一直线L1、第二直线L2计算中间线L；计算第一直线L1、第二直线L2之间的距离S1；计算第三直线L3、第四直线L4之间的距离S2；并由距离S1和S2计算出距离S3和S4；最后计算出距离S5。

以下从原理方面对本发明丝杠螺纹主要参数的图像测量原理进行说明，如图2所示。

在对螺纹图像采集时，光照会直接影响成像的质量，因此需要利用LED灯2进行亮度光线亮度调节以及对光学调节系统3进行变焦调距，来获得螺纹图像的放大与缩小，使螺纹图像放大到CCD摄像头4上，通过USB数据线5传输，将螺纹图像数据传输给计算机6，并在计算机显示屏7上显示。

获取清晰的螺纹图像后，对图像进行预处理、二值化、边缘提取后，获得螺纹轮廓线。对螺纹轮廓线进行分析，建立数学模型。如前所述，根据几何原理，利用软件算法自动识别该第一至第四螺纹外径顶点坐标M1、M2、M3、M4，分别连接第一螺纹外径顶点M1与第二螺纹外径顶点M2、第三螺纹外径顶点M3与第四螺纹外径顶点M4，得到第一直线L1、第二直线L2方程分别为：

y₁=k₁x₁+b₁    (1)

y₂=k₂x₂+b₂    (2)

式中，k1、k2分别是直线L1、L2的斜率，b1、b2分别是直线L1、L2的截距。解方程，得到k1、k2、b1、b2。

如前所述，根据几何原理，利用软件算法自动识别该第一至第四螺纹内径顶点坐标N1、N2、N3、N4，分别连接第一螺纹内径顶点N1与第二螺纹内径顶点N2、第三螺纹内径顶点N3与第四螺纹内径顶点N4，得到第三直线L3、第四直线L4的方程分别为：

y₃=k₃x₃+b₃    (3)

y₄=k₄x₄+b₄    (4)

式中，k3、k4分别是直线L3、L4的斜率，b3、b4分别是直线L3、L4的截距。解方程，得到k3、k4、b3、b4。

根据下式计算螺纹外径为：

s₁=(cosarctank₁)*(b₂-b₁)    (5)

根据下式计算螺纹内径为：

s₂=(cosarctank₃)*(b₄-b₃)    (6)

由式（5）、（6），得到螺纹中径、螺纹高度为：

s₃=(s₁+s₂)/2    (7)

s₄=(s₂-s₁)/2    (8)

由点M1、M2得到螺距为：

$s_5=\sqrt{{(x_{M1}-x_{M2})}^2+{(y_{M1}-Y_{M2})}^2}---\left(9\right)$

即得到螺纹相关参数。

Claims (3)

1.一种基于图像测量与处理的丝杠螺纹参数测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）首先利用图像采集系统获得丝杠螺纹的图像信息，然后对螺纹图像进行中值滤波、边缘增强、二值化和边缘提取处理后，获得清晰的螺纹轮廓图像；

（2）再分析该螺纹轮廓图像，首先在螺纹边缘两侧分别找到第一螺纹外径顶点M1、第二螺纹外径顶点M2、第三螺纹外径顶点M3、第四螺纹外径顶点M4，再得到这四个螺纹外径顶点的坐标，然后分别连接第一螺纹外径顶点M1与第二螺纹外径顶点M2，以及第三螺纹外径顶点M3与第四螺纹外径顶点M4，分别得到第一直线L1、第二直线L2；

（3）然后在螺纹内侧分别找到第一螺纹内径顶点N1、第二螺纹内径顶点N2、第三螺纹内径顶点N3、第四螺纹内径顶点N4，再得到这四个螺纹内径顶点的坐标，分别连接第一螺纹内径顶点N1与第二螺纹内径顶点N2、第三螺纹内径顶点N3与第四螺纹内径顶点N4，分别得到第三直线L3、第四直线L4；

（4）最后由第一直线L1、第二直线L2计算螺纹中间线L，再计算第一直线L1、第二直线L2之间的距离S1，即为螺纹外径；计算第三直线L3、第四L4之间的距离S2，即为螺纹内径；另外由距离S1和距离S2即可计算出螺纹中径S3和螺纹高度S4，最后计算出螺距S5。

2.如权利要求1所述的一种基于图像测量与处理的丝杠螺纹参数测量方法，其特征在于：

步骤（2）中，首先在轮廓图像上，即在得到的外径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域R1，寻找R1区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为螺纹第一外径顶点M1，得到其X、Y坐标值；然后，在上部分的外径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域R2，寻找R2区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为第二螺纹外径顶点M2，得到其X、Y坐标值；

在下部分的外径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域R3，寻找R3区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为第三螺纹外径顶点M3，得到其X、Y坐标值；然后，在上部分的外径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域R4，寻找R4区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为第四螺纹外径顶点M4，得到其X、Y坐标值；

然后，分别连接第一螺纹外径顶点M1与第二螺纹外径顶点M2、第三螺纹外径顶点M3与第四螺纹外径顶点M4，分别得到第一直线L1、第二直线L2。

3.如权利要求1所述的一种基于图像测量与处理的丝杠螺纹参数测量方法，其特征在于：

步骤（3）中，首先在轮廓图像上，即在得到的内径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域RR1，寻找RR1区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为螺纹第一内径顶点N1，得到其X、Y坐标值；然后，在上部分的内径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域RR2，寻找RR2区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为第二螺纹内径顶点N2，得到其X、Y坐标值；

在下部分的内径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域RR3，寻找RR3区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为第三螺纹内径顶点N3，得到其X、Y坐标值；然后，在上部分的内径轮廓线上，选取包含一个螺纹顶点的区域RR4，寻找RR4区域中各个轮廓点坐标Y值，找到Y值最大的点即为第四螺纹外径顶点N4，得到其X、Y坐标值；

然后，分别连接第一螺纹内径顶点N1与第二螺纹内径顶点N2、第三螺纹内径顶点N3与第四螺纹内径顶点N4，分别得到第一直线L3、第二直线L4。

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