1、西安工業大學北方信息工程學院畢業設計(論文)開題報告題目：基于CCD的螺紋參數測量技術研究 系 別： 光電信息系 專 業： 測控技術與儀器 班 級： B120101 學 生： 李星劍 學 號： B12010113 指導教師： 尚小燕 2015年 11 月 25 日開題報告填寫要求1.開題報告作為畢業設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業設計（論文）工作前期內完成。2.開題報告內容必須按教務處統一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網頁上下載）填寫并打印（禁止打印在其它紙上后剪貼），完成后應及時交給指導教師審閱。3.開題報告字數應在1500字

2、以上，參考文獻應不少于15篇（不包括辭典、手冊，其中外文文獻至少3篇），文中引用參考文獻處應標出文獻序號，“參考文獻”應按附件中參考文獻“注釋格式”的要求書寫。4.年、月、日的日期一律用阿拉伯數字書寫，例：“2008年11月26日”。5.開題報告增加封面，封面格式：題目：宋體，加粗，四號；系別等內容格式：宋體，四號，居中。1. 畢業設計（論文）綜述1.1 畢業設計（論文）題目背景和研究意義 螺紋在工業生產中使用頻率非常高，對其進行實時高精度的測量對提高配件質量有重要作用。傳統螺紋的檢測主要采用兩種方法：其一是綜合檢驗法；另一種是單參數測量法。二者都需要人工操作，精度相對較低，整個測量過程耗時耗

3、力，工作效率低，且易導致螺紋損傷。而我的研究是利用面陣CCD成像系統，結合光學測量 計算機數字圖像處理等技術，研制了螺紋參數非接觸測量系統，并以matlab為平臺，編制了檢測程序，實現了圖像數據采集 二維圖像再現 邊緣特征提取 邊界擬合等功能，能夠有效的測量螺紋的多項參數。長期以來，我國主要應用螺紋量規和其他通用測量儀及一些螺紋測量儀對螺紋進行檢測，這些傳統的方法都存在一定的缺陷。隨著近年來光學成像技術和計算機技術的發展，一種基于計算機視覺的非接觸螺紋測量技術成為研究的熱點。基于計算機視覺的非接觸自動測量系統硬件由照明光源、測量夾具CCU攝像機圖像采集卡和計算機及輸出設備組成。采集的圖像有數字

4、圖像處理技術進行處理，實現螺紋參數的測量。1.2國內外相關情況科技的進步就是社會發展的進步，科技進步主要是人工智能技術的創新。自18世紀第二次工業革命以來，科學技術得到迅速的發展。從18世紀到21世紀，隨著現代化生產和加工技術的發展，對于工件加工的檢測速度與精度有了越來越高的要求，一直沿著向高速度、高精度、非接觸和在線檢測方向挺進。CCD測量系統對于工業生產越來越普遍和重要。現代機械與工業生產領域對螺紋測量精度要求不斷提高,多年來國內外研究人員對螺紋測量技術進行了大量的研究,但測量誤差大,效率低的問題依然存在。近年來,CCD與計算機相結合的機器視覺圖像處理技術日漸成熟,其具有精確、快速、可靠的

5、優點,它如何應用在螺紋測量領域,實現螺紋測量技術的智能化及高精度化,是目前急需解決的問題。1.2.1國內研究狀況2005年8期浙江大學學報工學版徐愛群、項占琴、陳子辰中提出基于激光三角測量原理,提出了非接觸式檢測內外螺紋各參數的工作原理和實現方法.設計制造了由軸向位移測量模塊、橫向位移測量模塊以及上位機數據處理、控制、評價模塊組成的檢測系統,并給出了檢測螺紋各主要參數的算法. 利用激光測量頭檢測螺紋輪廓在橫截面上的尺寸,結合由光柵測得的精密平臺的軸向位移量和螺紋合格的判斷標準完成螺紋輪廓曲線的檢測和評價.該測量裝置的檢測分辨率可達1.5m,能滿足絕大多數的螺紋表面檢測要求.此測量方法能避免接觸

6、式測量方式引起的變形問題,實時控制螺紋加工質量,提高檢測精度和檢測效率。2006年1期渤海大學學報（自然科學版）中于忠黨、王龍山介紹了一種依據圖像處理技術檢測機械零件參數的測量方法。 以面陣CC為圖像傳感器 ,通過圖像采集卡將機械零件的二維圖像輸入到計算機中。在對原始輸入圖像進行直方圖校正和邊緣保持濾波處理后, 對得到的較為平滑的零件圖像進行邊緣檢測,利用最小二乘法進行邊緣擬合,獲得圖像邊緣的亞象素表示,并據此計算出零件的各參數值。此種測量方法非常適合于微小、易形變等接觸測量難以準確測量的機械零件的參數檢測,具有廣闊的應用前景。同年10期機械科學與技術中王保保、劉華元、袁琴琴研究了一種基于亞像

7、素技術的外螺紋幾何參數計算。 在獲取螺紋圖像的基礎上,通過邊緣檢測算法獲取螺紋軸剖面外輪廓的邊緣。在已知邊緣點Sobel算子八方位邊緣梯度的基礎上確定未知點的多項式插值的亞像素定位算法和基于螺紋外輪廓形狀的曲線擬合對參數進行計算,并對螺紋的螺距等參數的求取過程進行了詳細的闡述。實踐證明,該算法具有較高的運算精度和較快的運算速度。直到2010年4期制造技術與機床中雷吉平、嚴樹華、沈少偉基于面陣CCD視覺檢測技術,設計并實現了一種螺紋參數非接觸式自動檢測系統,可實時準確地測量螺紋的牙型角、螺距、導程、螺紋升角、螺紋高度、大徑、中徑、小徑等參數。并著重研究了螺紋圖像預處理、邊緣檢測、亞像素定位等關鍵

8、技術,以提高螺紋參數的測量精度。實驗結果表明,該檢測系統可以完成各項螺紋參數測量,相對測量精度優于1.3%。至于已經成熟的產品如長春理工大學研制的非接觸激光螺紋檢測儀和西安同視機電科技有限責任公司生產的外螺紋參數非接觸自動測量裝置。1.2.2國外研究狀況由于歐美日企業制造技術計算機技術傳感器技術以及自動控制技術的綜合發展程度較高，在基于機器視覺的非接觸自動測量技術領域，處于世界領先地位。在對外螺紋的幾何參數測量方面，不少國家開發出基于機器視覺的非接觸自動測量螺紋參數測量儀，成型產品如意大利DMS680螺紋測量系統以及荷蘭LAC螺紋綜合檢查儀等。對多參數自動化螺紋測量儀的開發仍然是國外許多學者的

9、研究方向，2.本課題研究的主要內容和研究方法2.1本課題研究的主要內容 本課題的研究內容是運用數字圖像處理技術，建立基于CCD圖像傳感器，以螺紋輪廓為測量對象的圖像測量系統，獲得螺紋參數的測量。具體研究內容如下：（1）查閱資料。了解螺紋參數測量的方法,掌握基于CCD的螺紋自動測量系統的方案。（2）確定測試方案，以M10螺紋為測試對象，搭建螺紋測量的硬件系統。對螺紋圖像進行采集。（3）對采集的多幅圖像進行相應的圖像處理，其主要包括圖像二值化、邊緣檢測，輪廓提取及螺紋幾何參數的計算等。并給出了螺紋尺寸的測量結果。（4）查閱一篇與設計相關的外文文獻，并進行翻譯。2.2 本課題的研究方案2.2.1測量

10、原理 現有的螺紋CCD光學測量系統多采用平行光將螺紋形狀投影到CCD上,然后再據此進行后期的處理、計算,但是,這樣的成像系統中投影平行光的衍射較為嚴重,對精度影響較大,且不易消除。本文采用透鏡成像原理獲取螺紋形狀,避免了衍射對測量精度的影響。其原理結構如圖1所示,按照測量流程,首先螺紋由夾持裝置固定并保持與攝象機光軸垂直,然后螺紋圖像通過光學系統的放大成像到CCD攝像頭上,最后由圖像采集卡對其進行采集后送至計算機進行分析計算,并得出測量結果。這里的測試分析軟件主要包括圖像的預處理、邊緣提取、亞像素定位等幾方面。測試分析軟件方面由于現實條件不足我將在matlab語言中編程實現。圖1 檢測系統總體

11、結構2.2.2螺紋圖像處理螺紋特征參數測量軟件主要包括圖像處理 參數標定以及參數計算三個方面的內容，圖像處理又分為圖像預處理 螺紋輪廓邊緣的提取 擬合等幾個方面，其算法流程圖如圖2所示：圖2 螺紋特征參數測量軟件流程（1） 螺紋圖像的預處理 當螺紋圖像輸入到計算機后，為消除噪聲，穩定的進行特征抽出等處理，須對其進行濾波等處理。而圖像濾波的方法有空域法和頻域法兩大類，根據圖像中噪聲的特性，處理方法有空域低通濾波 頻域低通濾波 中值濾波 加權中值濾波 N×N鄰域的濾波和圖形平均等。邊緣保持濾波器是在上述濾波器的基礎上發展的一種濾波器，該濾波器在濾除噪聲脈沖的同時,又不致于使圖像邊緣十分模

12、糊,特別適合于像螺紋檢測這樣的我們只關心它的邊緣特征的情況。邊緣保持算法的基本過程如下:對灰度圖像的每一個像素點i,j取適當大小的一個鄰域(如3×3鄰域),分別計算i,j的左上角子鄰域、左下角子鄰域、右上角子鄰域和右下角子鄰域的灰度分布均勻度v,然后取最小均勻度對應區域的均值作為該像素點的新的灰度值。計算灰度均勻度的公式為： (1)由上式可得：分布越均勻，v值越小。（2） 圖像的邊緣檢測 兩個具有不同灰度值的相鄰區域之間總存在邊緣,邊緣是灰度值不連續的結果,這種不連續性通常可以利用求導數的方法方便地檢測到。一般常用一階導數和二階導數來檢測邊緣。 邊緣檢測的基本思想是首先利用邊緣增強算

13、子,突出圖像中的局部邊緣,然后定義像素的“邊緣強度”,通過設置門限的方法提取邊緣點集。比較Canny算法、Prewitt算子、Sobel算子、拉普拉斯算子極小值算法四種方法的優略并選擇一種進行邊緣檢測 （3） 圖像輪廓的亞像素提取算法邊沿檢測得到的粗定位在螺紋參數的高精度測量中是遠遠不夠的,必須利用其他辦法提高其定位精度。按照基本原理的不同,比較成熟的亞像素細分算法有以下幾類:矩方法、形心法、灰度重心法、擬合算法和數字相關法等。根據實際情況進行比較、選取及計算得出結果。2.2.3測量及比較（1） 測量系統放大倍數的標定 將輪廓進行擬合后如果直接計算得出的參數只能以像素為單位表示,如何將像素結果

14、轉化為實際距離和長度則必須借助于測量系統放大倍數的標定。因此測量系統放大倍數的標定精度是保證測量系統高精度的前提。在進行實際測量之前,先對系統進行了標定實驗,在同一測量條件下,對標準量塊和直尺(3級、3等)進行測量,然后通過最小二乘法進行擬合,去除粗大誤差,得到該測量條件下的系統的放大比例系數。例如在螺紋1的測量中,k=像素數/物長=160/7,在螺紋2的測量中,k=104/3,k值的大小決定了測量系統的分辨率,因此可以使物體的像素跨度盡可能大一些以增大k值,提高測量精度。但是,由于鏡頭在x方向和y方向的畸變和放大倍數在理論上是不一樣的,所以要對其x方向和y方向分別進行標定。（2） 螺紋幾何形

15、狀參數計算 螺紋的幾何尺寸有:牙型角(牙型半角)即螺紋 夾角(側面角)、螺距、導程、螺紋高度、大徑、小徑、中徑、螺紋升角等。對于一些用于密封的管螺紋還有螺紋錐度等參數。（3） 實驗結果及精度分析（4） 誤差分析 3.本課題研究的重點及難點，前期已開展工作3.1 研究的重點 （1）學習并熟練運用數字圖像處理技術，建立基于CCD圖像傳感器，以螺紋輪廓為測量對象的圖像測量系統，獲得螺紋參數的測量。（2） 學習matlab，它是一種做圖像處理的工具，我需要在極短的時間里熟練掌握它并進行圖像處理。（3） 圖像的邊緣檢測方法的分類比較和選擇（4）掌握圖像像素與現實單位的轉換 3.2 研究的難點（1） 對采

16、集的多幅圖像進行相應的圖像處理，其主要包括圖像二值化、邊緣檢測，輪廓提取及螺紋幾何參數的計算等。并給出了螺紋尺寸的測量結果。（2） 對得到的圖像進行圖像處理需要我在極短的時間里掌握并熟練運用matlab。（3） 圖像輪廓的亞像素提取算法的比較和選擇3.3 前期已展開工作 前期的工作主要了解課題并進行文獻查閱，制定實驗方案，撰寫開題報告。4. 完成本課題的工作方案及進度計劃（1）第一周至第四周：查閱資料，掌握基于CCD的螺紋自動測量系統的方案，進行開題報告。 （2）第五周至第八周：搭建螺紋測量的硬件系統，對螺紋圖像進行采集，并進行相應的圖像處理知識的學習。（3）第九周至第十一周：對實拍圖像進行相

17、應的圖像處理，求出測試結果。（4）第十二周至第十五周：撰寫畢業論文，參加畢業答辯。5.參考文獻【1】徐愛群、項占琴、陳子辰中基于激光三角測量原理,提出了非接觸式檢測內外螺紋各參數的工作原理和實現方法.2005年8期浙江大學學報工學版【2】于忠黨、王龍山介紹了一種依據圖像處理技術檢測機械零件參數的測量方法2006年1期渤海大學學報（自然科學版）【3】王保保、劉華元、袁琴琴研究了一種基于亞像素技術的外螺紋幾何參數計算2006年10期機械科學與技術【4】雷吉平、嚴樹華、沈少偉螺紋參數非接觸式自動檢測系統制造技術與機床2010年4期【5】王世峰; 趙馨; 佟首峰; 劉云清; 劉鵬; 范靜濤;基于激光位

18、移檢測技術的螺紋檢測儀研制，長春理工大學.【6】西安同視機電科技有限責任公司仝福安; 黨志斌外螺紋參數非接觸自動測量裝置專利號CN97239415.X【7】徐孝恩.螺紋測量M.北京:機械工業出版社,1986【8】鐘 建.圖像測量及分析系統的研究與實現D重慶 ：重慶大學，2002.【9】王慶有 CCD 應有技術M. 天津：天津大學出版社 2000.【10】Aoki K, Yabe T, Nakagawa R, et al. Numerical and experimentl studies of laser propulsion toward microairplane.Proc. SPIE, 2002,4 760:918-928.【11】Myrabo L N, Mssitt D G, Mead Jr F B. Ground and flight tests of laser propelled vehicle . AIAA Paper, 1998, 98-1001:1-10.【12】Dennis J, Richard W, Carroll P. Power absorption inlaser-sustained argon plasmas . A