CN110260825A - 一种图像法螺纹牙型角求解方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像法螺纹牙型角求解方法，具体包括如下步骤：步骤1，求取螺纹图像中的平均行号；步骤2，根据步骤1求得的平均行号获得螺纹图像像素值的行列坐标；步骤3，根据步骤2所得的行列坐标求得螺纹图像牙廓的牙根行行号和牙顶行行号；步骤4，以步骤3所得的行号遍历螺纹图像，获得螺纹牙型边界点的行列坐标；步骤5，根据步骤4所得的行列坐标求得螺纹牙廓的牙型角α₁、α₁’。本发明解决了目前图像法测量螺纹时难以有效求解牙型角的问题。

Description

一种图像法螺纹牙型角求解方法

技术领域

本发明属于螺纹测量技术领域，涉及一种图像法螺纹牙型角求解方法。

背景技术

螺纹牙型角(或牙侧角)的测量一直十分繁琐，采用工具显微镜等仪器测量时不仅要按螺旋升角反复调整立柱，有时还要经过计算，效率十分低下。机器视觉等图像法测量螺纹具有效率高、可实现在线检测的特点，是当前螺纹实现高效测量的趋势。螺纹的牙顶和牙根在螺纹设计中不是工作表面，制造时没有较高制造精度要求，不能作为螺纹牙型角求解依据，而螺纹牙侧由于在正投影中受到延伸螺旋面影响，投影时会发生牙形失真现象，致使螺纹牙型角求解十分困难。由于螺纹牙侧边是螺纹工作表面，因此，螺纹牙型角求解方法除了要考虑必须以螺纹牙侧作为求解依据外，还必须便于牙形失真补偿量的修正。以螺纹相邻牙侧边拟合直线的几何方法(以下简称拟合法)求解牙型角，虽然在理论上可以求解出牙型角，但是当螺纹牙侧边有毛刺或油污时，往往不能正确得出结果。因此，对图像法螺纹测量找到一种能实用的螺纹牙型角求解方法是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种图像法螺纹牙型角求解方法，解决了目前图像法测量螺纹时难以有效求解牙型角的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种图像法螺纹牙型角求解方法，具体包括如下步骤：

步骤1，求取螺纹图像中的平均行号；

步骤2，根据步骤1求得的平均行号获得螺纹图像像素值的行列坐标；

步骤3，根据步骤2所得的行列坐标求得螺纹图像牙廓的牙根行行号和牙顶行行号；

步骤4，以步骤3所得的行号遍历螺纹图像，获得螺纹牙型边界点的行列坐标；

步骤5，根据步骤4所得的行列坐标求得螺纹牙廓的牙型角α₁、α₁’。

本发明的特点还在于，

步骤1的具体过程如下：

获取螺纹图像，并对所获取的螺纹图像进行二值化，设像素点A、B为螺纹图像中像素值由黑至白的临界像素点，像素点A′和B′为图像中像素值由白至黑的临界像素点，当以螺纹图像中部无像素值变化的黑色像素行i_o为界限，对行号小于i_o的行用行中临界像素点数目值最大为目标逐行遍历图像，得到螺纹上部区域中像素值变化数最多的最小行号i_t和最大行号i_b，取二者平均行号i，即

式(5)中，i_t为行号小于i_o，且行中临界像素点最多的最小行行号；i_b为行号大于i_o，且行中临界像素点最多的最大行行号；i为图像上部区域平均行号；

对行号大于i_o的行，用同样目标遍历图像，得到螺纹下部区域中像素值变化最多的最大行号i’_b和最小行号i’_t，求得平均值：

式(6)中，i’_t为行号大于i_o，且行中临界像素点最多的最小行行号，i’_b为行号大于i_o，且行中临界像素点最多的最大行行号。

步骤2的具体过程如下：

按列从第0列至N列遍历步骤1获取螺纹上部区域的第i行，依次获得该行由黑至白像素值改变临界点A₁、A₂、A₃、A₄、A₅的行列坐标，及由白至黑像素值改变临界点B₁、B₂、B₃、B₄、B₅的行列坐标；遍历第i′行，依次获得该行由黑至白像素值改变临界点A’₁、A’₂、A’₃、A’₄、A’₅的行列坐标，及由白至黑像素值改变临界点B’₁、B’₂、B’₃、B’₄、B’₅的行列坐标。

步骤3的具体过程如下：

对第i行，以由白至黑的第一个像素点A₁与其右侧相邻点B₂获取二者的中点P₁列号，以P₁列按行递减方向获得牙顶边界点P’₁的行号i_p；接着以由白至黑的第二个像素点A₂与其右侧相邻点B₃获取二者的中点P₂列号，以P₂列按行递减方向获得牙顶边界点P’₂的行号i’_p；以点A₁和B₃获取二者中点G的列号，以G点的列号按行递增方向获得牙根点G’的行号i_G’；令

H＝i_G′-i_P (7)；

其中，i_G′为螺纹图像上半部分牙1牙根点行号；i_p为螺纹图像上半部分牙1牙顶点行号，H为牙1的牙根点行号与其牙顶点行号之差；

并取

和

式(8)和式(9)中，i_P′为牙廓扫描行中牙2牙顶点行号；i_C为螺纹图像上半部分区域所选牙廓牙根行行号；i_A为螺纹图像上半部分区域所选牙廓牙顶行行号；

对下侧螺纹的第i’行，以由白至黑的第一个像素点A’₁与其右侧相邻点B’₁获取二者的中点Q₁列号，以Q₁列按行递加方向获得牙顶边界点Q’₁的行号i_Q；接着以以由白至黑的第二个像素点A’₂与其右侧相邻点B’₂获取二者的中点Q₂列号，以Q₂列号按行递加方向获得牙顶边界点Q’₂的行号i’_Q；以点A’₁和B’₂获取二者中点R的列号，以R的列号按递减方向获得牙根点R’的行号i_R’；令

H'＝i_Q-i_R′ (10)；

式(10)中，i_Q为螺纹图像下半部分牙1’牙顶点行号；i_R′为螺纹图像下半部分牙1’牙根点行号；H'为牙1’的牙顶点行号与其牙根点行号之差；

并取

和

式(11)和式(12)中，i_Q′为螺纹图像下半部分牙2’牙顶点行号；i′_C为螺纹图像下半部分区域所选牙廓牙根行行号；i′_A为螺纹图像下半部分区域所选牙廓牙顶行行号。

步骤4的具体过程如下：

分别以行号i_A和i_C遍历螺纹图像，获得牙1上边界点A、B和C、D的行、列坐标：A(i_A,j_A)，B(i_A,j_B)，C(i_C,j_C)，D(i_C,j_D)；以i’_A和i’_C遍历螺纹图像，获得牙1’上边界点A’、B’和C’、D’的行、列坐标：A’(i’_A,j’_A)，B’(i’_A,j’_B)，C’(i’_C,j’_C)，D’(i’_C,j’_D)。

步骤5的具体过程如下：

按如下公式(13)、(14)对获得的A、B、C、D或A’、B’、C’、D’各点行、列坐标求得牙廓1和牙廓1’的牙型角α₁、α₁’：

式中，α₁是牙1牙廓由图像测量得到的牙型角；α₁’是牙1’牙廓由图像测量得到的牙型角。

本发明的有益效果如下：

(1)符合精密测量技术中的平均读数原理，可以很好抑制毛刺、微小油珠或水珠等缺陷对牙廓边的影响；

(2)直接采用图像像素作为计算依据，规避了最小二乘等大运算量计算过程，计算过程简单；

(3)可以采用牙形中部作为计算依据，规避了牙顶毛刺和牙根油污滞留对牙型角计算的影响。

附图说明

图1螺纹牙对图像法牙型角测量影响情况的示意图；

图2是本发明一种图像法螺纹牙型角求解方法的牙型角求解原理图；

图3是本发明一种图像法螺纹牙型角求解方法中像素行选择示意图；

图4是本发明一种图像法螺纹牙型角求解方法中像素点选择示意图；

图5是本发明一种图像法螺纹牙型角求解方法中螺纹上部区域的牙截型获取过程示意图；

图6是本发明一种图像法螺纹牙型角求解方法中螺纹下部区域的牙截型获取过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

按解析几何知识，当两条相交直线的斜率分别为k₁和k₂时，可以用下式得到其夹角

按此原理，在理想情况下，当对螺纹图像相邻牙侧拟合出直线L₁和L₂时，就可以由其各自斜率按上式得到所夹锐角α。螺纹由于制造原因存在表面毛刺，也会因为制造过程中使用冷却液的原因，螺纹表面会附着冷却液，分别见图1(a)、(b)，图1(a)是螺纹牙侧所存在毛刺对图像法牙型角测量影响情况示意图；图1(b)是螺纹牙侧附着冷却油对图像法牙型角测量影响情况示意图；在这种情况下，以牙侧投影拟合得到的直线L′₁、L′₂或L″₁、L″₂将偏离实际牙侧边L₁和L₂，由此得到的牙型角α′或α″会与其实际牙型角α存在较大差异，而对延伸螺旋面投影造成的牙形失真，如图1(c)所示，图1(c)是螺纹牙形失真对图像法牙型角测量影响情况示意图；(图1(c)中L₁和L₂螺纹实际牙侧边，L″′₁和L″′₂是因牙形失真获得的螺纹牙侧边，Δ₁和Δ₂分别是牙形失真(延伸螺旋面投影所致)造成的牙两侧边投影面积增加量，α是实际牙型角，α″′是牙形失真后获得的螺纹牙型角)，也不易找到有效补偿方法。

本发明一种图像法螺纹牙型角求解方法，具体计算原理如下：

当包含梯形ABCD网格阵列M×N的M、N数值足够大时，由微积分原理，梯形ABCD的面积可以由其所包含的网格数与单个网格面积的乘积来表示，对于比值而言，则可以由网格数之比表示。数字图像也可以利用像素数来代替网格数；按照这种方法，建立图2(a)所示几何模型，对于任意梯形ABCD，作两侧边AC与BD延长线交点为E，侧边AC过B点的平行线交BD于F，当设其上、下平行边像素数为a、b，两侧边AC(或BF)、BD像素数为c、d，可以由梯形ABCD和三角形△BFD几何关系及图2(b)可知：

∠CED＝∠FBD＝α (2)；

当梯形ABCD所包含区域总像素数为N_ABCD，平行四边形ABCF区域总像素数为N_ABCF时，可以表征三角形△BFD面积为S_ΔBFD＝N_ABCD-N_ABCF。则由三角形△BFD和α可以求得面积为：

梯形ABCD和平行四边形ABCF的总像素数可由二值化的图像通过计算机计数非常方便地获得。两式相等，即

本发明一种图像法螺纹牙型角求解方法，具体包括如下步骤：

步骤1：采用背光源方法对简单夹持的螺纹工件获得螺纹图像，并对所获取的螺纹图像进行二值化，如图3所示，设像素点A、B为图像中像素值由黑至白的临界像素点，像素点A′和B′为图像中像素值由白至黑的临界像素点，当以螺纹图像中部无像素值变化的黑色像素行i_o为界限，对行号小于i_o的行用行中临界像素点数目值(既包括由黑至白的像素点A、B，也包括由白至黑的像素点A′、B′)最大为目标逐行遍历图像，得到螺纹上部区域中像素值变化数最多(即A、B点或A′、B′点数目总和最多)的最小行号i_t和最大行号i_b，取二者平均行号i，即

式(5)中i_t为行号小于i_o，且行中临界像素点最多的最小行行号；

i_b为行号大于i_o，且行中临界像素点最多的最大行行号；

i为图像上部区域平均行号；

对行号大于i_o的行，用同样目标遍历图像，得到螺纹下部区域中像素值变化最多(即A、B点或A′、B′点数目总和最多)的最大行号i’_b和最小行号i’_t，求得平均值：

式(6)中i’_t为行号大于i_o，且行中临界像素点最多的最小行行号，如附图3所示；

如附图3所示，i’_b为行号大于i_o，且行中临界像素点最多的最大行行号；

i′为图像下部区域平均行号；

步骤2：如图4所示，按列从第0列至N列遍历步骤1获取螺纹上部区域的第i行，依次获得该行由黑至白像素值改变临界点(即该像素左侧为白色像素而右侧为黑色像素)A₁、A₂、A₃、A₄、A₅的行列坐标(i_A1,j_A1)、(i_A2,j_A2)、(i_A3,j_A3)、(i_A4,j_A4)、(i_A5,j_A5)，及由白至黑像素值改变临界点(即该像素左侧为黑色像素而右侧为白色像素)B₁、B₂、B₃、B₄、B₅的行列坐标(i_B1,j_B1)、(i_B2,j_B2)、(i_B3,j_B3)、(i_B4,j_B4)、(i_B5,j_B5)；同样方法遍历第i′行，依次获得该行由黑至白像素值改变临界点(即该像素左侧为白色像素而右侧为黑色像素)A’₁、A’₂、A’₃、A’₄、A’₅的行列坐标(i′_A1,j′_A1)、(i′_A2,j′_A2)、(i_A3,j_A3)、(i′_A4,j′_A4)、(i′_A5,j′_A5)，和由白至黑像素值改变临界点(即该像素左侧为黑色像素而右侧为白色像素)B’₁、B’₂、B’₃、B’₄、B’₅的行列坐标(i′_B1,j′_B1)、(i′_B2,j′_B2)、(i′_B3,j′_B3)、(i′_B4,j′_B4)、(i′_B5,j′_B5)；

步骤3：对第i行，如图5所示，以由白至黑的第一个像素点A₁的列号j_A1与其右侧相邻点B₂的列号j_B2获取二者的中点P₁列号j_P1，以P₁列按行递减方向获得牙顶边界点P’₁的行号i_p；接着以由白至黑的第二个像素点A₂的列号j_A2与其右侧相邻点B₃的列号j_B3获取二者的中点P₂列号j_P2，以P₂列按行递减方向获得牙顶边界点P’₂的行号i’_p；以点A₁和B₃获取二者中点G的列号，以G点的列号按行递增方向获得牙根点G’的行号i_G’；令

H＝i_G′-i_P (7)；

其中，i_G′为螺纹图像上半部分牙1牙根点行号，如附图5所示；i_p为螺纹图像上半部分牙1牙顶点行号，如附图5所示；H为牙1的牙根点行号与其牙顶点行号之差，如附图5所示(图5中的数字标号1、2指的是螺纹牙型1和螺纹牙型2，简称牙1、牙2，牙1和牙2代表的是螺纹图像中的任意一牙型，不是特指某个牙型)；

并取

和

式(8)和式(9)中，i_P′为牙廓扫描行中牙2牙顶点行号，如附图5所示；i_C为螺纹图像上半部分区域所选牙廓牙根行行号，如附图5所示；i_A为螺纹图像上半部分区域所选牙廓牙顶行行号，如附图5所示；

同理，如图6所示，对下侧螺纹的第i’行，以由白至黑的第一个像素点A’₁的列号j′_A1与其右侧相邻点B’₁的列号j′_B1获取二者的中点Q₁列号j_Q1，以Q₁列按行递加方向获得牙顶边界点Q’₁的行号i_Q；接着以以由白至黑的第二个像素点A’₂的列号j′_A2与其右侧相邻点B’₂的列号j′_B2获取二者的中点Q₂列号j_Q2，以Q₂列号按行递加方向获得牙顶边界点Q’₂的行号i’_Q；以点A’₁和B’₂获取二者中点R的列号，以R的列号按递减方向获得牙根点R’的行号i_R’；令

H'＝i_Q-i_R′ (10)；

式(10)中，i_Q为螺纹图像下半部分牙1’牙顶点行号，如附图6所示；i_R′为螺纹图像下半部分牙1’牙根点行号，如附图6所示；H'为牙1’的牙顶点行号与其牙根点行号之差，如附图6所示；

并取

和

式(11)和式(12)中，i_Q′为螺纹图像下半部分牙2’牙顶点行号，如附图6所示；i′_C为螺纹图像下半部分区域所选牙廓牙根行行号，如附图6所示；i′_A为螺纹图像下半部分区域所选牙廓牙顶行行号，如附图6所示；

步骤4，分别以行号i_A和i_C遍历螺纹图像，获得牙1上边界点A、B和C、D的行、列坐标(边界点A、C为遍历中首个像素值由白至黑改变的点，而B、D为点A、C后首个像素值由黑至白的改变的点)：A(i_A,j_A)，B(i_A,j_B)，C(i_C,j_C)，D(i_C,j_D)；同理，以i’_A和i’_C遍历螺纹图像，获得牙1’上边界点A’、B’和C’、D’的行、列坐标(边界点A’、C’为遍历中首个像素值由白至黑改变的点，而B’、D’为点A’、C’后首个像素值由黑至白的改变的点)：A’(i’_A,j’_A)，B’(i’_A,j’_B)，C’(i’_C,j’_C)，D’(i’_C,j’_D)；

步骤5：按如下公式(13)、(14)对获得的A、B、C、D或A’、B’、C’、D’各点行、列坐标求得牙廓1和牙廓1’的牙型角α₁、α₁’：

式中，α₁是牙1牙廓由图像测量得到的牙型角；α₁’是牙1’牙廓由图像测量得到的牙型角；用同样方法，可依次求出对其余牙廓如2、2’、3、3’、……、4’的牙型角。

步骤6，如果考虑牙形失真问题，针对某具体尺寸螺纹，需要补偿量为Δ₁、Δ₂时，可以由如下公式(15)或(16)计算得出：

或

式中α_1b是牙1牙廓考虑牙形失真补偿后得到的牙型角；α_1b’是牙1’牙廓考虑牙形失真补偿后得到的牙型角。

Claims (6)

1.一种图像法螺纹牙型角求解方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

步骤1，求取螺纹图像中的平均行号；

步骤2，根据步骤1求得的平均行号获得螺纹图像像素值的行列坐标；

步骤3，根据步骤2所得的行列坐标求得螺纹图像牙廓的牙根行行号和牙顶行行号；

步骤4，以步骤3所得的行号遍历螺纹图像，获得螺纹牙型边界点的行列坐标；

步骤5，根据步骤4所得的行列坐标求得螺纹牙廓的牙型角α₁、α₁’。

2.根据权利要求1所述的一种图像法螺纹牙型角求解方法，其特征在于：所述步骤1的具体过程如下：

获取螺纹图像，并对所获取的螺纹图像进行二值化，设像素点A、B为螺纹图像中像素值由黑至白的临界像素点，像素点A′和B′为图像中像素值由白至黑的临界像素点，当以螺纹图像中部无像素值变化的黑色像素行i_o为界限，对行号小于i_o的行用行中临界像素点数目值最大为目标逐行遍历图像，得到螺纹上部区域中像素值变化数最多的最小行号i_t和最大行号i_b，取二者平均行号i，即

式(5)中，i_t为行号小于i_o，且行中临界像素点最多的最小行行号；i_b为行号大于i_o，且行中临界像素点最多的最大行行号；i为图像上部区域平均行号；

对行号大于i_o的行，用同样目标遍历图像，得到螺纹下部区域中像素值变化最多的最大行号i’_b和最小行号i’_t，求得平均值：

式(6)中，i’_t为行号大于i_o，且行中临界像素点最多的最小行行号，i’_b为行号大于i_o，且行中临界像素点最多的最大行行号。

3.根据权利要求2所述的一种图像法螺纹牙型角求解方法，其特征在于：所述步骤2的具体过程如下：

按列从第0列至N列遍历步骤1获取螺纹上部区域的第i行，依次获得该行由黑至白像素值改变临界点A₁、A₂、A₃、A₄、A₅的行列坐标，及由白至黑像素值改变临界点B₁、B₂、B₃、B₄、B₅的行列坐标；遍历第i′行，依次获得该行由黑至白像素值改变临界点A’₁、A’₂、A’₃、A’₄、A’₅的行列坐标，及由白至黑像素值改变临界点B’₁、B’₂、B’₃、B’₄、B’₅的行列坐标。

4.根据权利要求3所述的一种图像法螺纹牙型角求解方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程如下：

对第i行，以由白至黑的第一个像素点A₁与其右侧相邻点B₂获取二者的中点P₁列号，以P₁列按行递减方向获得牙顶边界点P’₁的行号i_p；接着以由白至黑的第二个像素点A₂与其右侧相邻点B₃获取二者的中点P₂列号，以P₂列按行递减方向获得牙顶边界点P’₂的行号i’_p；以点A₁和B₃获取二者中点G的列号，以G点的列号按行递增方向获得牙根点G’的行号i_G’；令

H＝i_G′-i_P (7)；

其中，i_G′为螺纹图像上半部分牙1牙根点行号；i_p为螺纹图像上半部分牙1牙顶点行号，H为牙1的牙根点行号与其牙顶点行号之差；

并取

和

式(8)和式(9)中，i_P′为牙廓扫描行中牙2牙顶点行号；i_C为螺纹图像上半部分区域所选牙廓牙根行行号；i_A为螺纹图像上半部分区域所选牙廓牙顶行行号；

对下侧螺纹的第i’行，以由白至黑的第一个像素点A’₁与其右侧相邻点B’₁获取二者的中点Q₁列号，以Q₁列按行递加方向获得牙顶边界点Q’₁的行号i_Q；接着以以由白至黑的第二个像素点A’₂与其右侧相邻点B’₂获取二者的中点Q₂列号，以Q₂列号按行递加方向获得牙顶边界点Q’₂的行号i’_Q；以点A’₁和B’₂获取二者中点R的列号，以R的列号按递减方向获得牙根点R’的行号i_R’；令

H'＝i_Q-i_R′ (10)；

式(10)中，i_Q为螺纹图像下半部分牙1’牙顶点行号；i_R′为螺纹图像下半部分牙1’牙根点行号；H'为牙1’的牙顶点行号与其牙根点行号之差；

并取

和

式(11)和式(12)中，i_Q′为螺纹图像下半部分牙2’牙顶点行号；i′_C为螺纹图像下半部分区域所选牙廓牙根行行号；i′_A为螺纹图像下半部分区域所选牙廓牙顶行行号。

5.根据权利要求4所述的一种图像法螺纹牙型角求解方法，其特征在于：所述步骤4的具体过程如下：

分别以行号i_A和i_C遍历螺纹图像，获得牙1上边界点A、B和C、D的行、列坐标：A(i_A,j_A)，B(i_A,j_B)，C(i_C,j_C)，D(i_C,j_D)；以i’_A和i’_C遍历螺纹图像，获得牙1’上边界点A’、B’和C’、D’的行、列坐标：A’(i’_A,j’_A)，B’(i’_A,j’_B)，C’(i’_C,j’_C)，D’(i’_C,j’_D)。

6.根据权利要求5所述的一种图像法螺纹牙型角求解方法，其特征在于：所述步骤5的具体过程如下：

按如下公式(13)、(14)对获得的A、B、C、D或A’、B’、C’、D’各点行、列坐标求得牙廓1和牙廓1’的牙型角α₁、α₁’：

式中，α₁是牙1牙廓由图像测量得到的牙型角；α₁’是牙1’牙廓由图像测量得到的牙型角。