基于CCD的螺紋參數(shù)測(cè)量技術(shù)研究開題報(bào)告

1、西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告題目：基于CCD的螺紋參數(shù)測(cè)量技術(shù)研究 系 別： 光電信息系 專 業(yè)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 班 級(jí)： B120101 學(xué) 生： 李星劍 學(xué) 號(hào)： B12010113 指導(dǎo)教師： 尚小燕 2015年 11 月 25 日開題報(bào)告填寫要求1.開題報(bào)告作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成。2.開題報(bào)告內(nèi)容必須按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)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(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師審閱。3.開題報(bào)告字?jǐn)?shù)應(yīng)在1500字

2、以上，參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊(cè)，其中外文文獻(xiàn)至少3篇），文中引用參考文獻(xiàn)處應(yīng)標(biāo)出文獻(xiàn)序號(hào)，“參考文獻(xiàn)”應(yīng)按附件中參考文獻(xiàn)“注釋格式”的要求書寫。4.年、月、日的日期一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫，例：“2008年11月26日”。5.開題報(bào)告增加封面，封面格式：題目：宋體，加粗，四號(hào)；系別等內(nèi)容格式：宋體，四號(hào)，居中。1. 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）綜述1.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目背景和研究意義 螺紋在工業(yè)生產(chǎn)中使用頻率非常高，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度的測(cè)量對(duì)提高配件質(zhì)量有重要作用。傳統(tǒng)螺紋的檢測(cè)主要采用兩種方法：其一是綜合檢驗(yàn)法；另一種是單參數(shù)測(cè)量法。二者都需要人工操作，精度相對(duì)較低，整個(gè)測(cè)量過程耗時(shí)耗

3、力，工作效率低，且易導(dǎo)致螺紋損傷。而我的研究是利用面陣CCD成像系統(tǒng)，結(jié)合光學(xué)測(cè)量 計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理等技術(shù)，研制了螺紋參數(shù)非接觸測(cè)量系統(tǒng)，并以matlab為平臺(tái)，編制了檢測(cè)程序，實(shí)現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)采集 二維圖像再現(xiàn) 邊緣特征提取 邊界擬合等功能，能夠有效的測(cè)量螺紋的多項(xiàng)參數(shù)。長期以來，我國主要應(yīng)用螺紋量規(guī)和其他通用測(cè)量儀及一些螺紋測(cè)量儀對(duì)螺紋進(jìn)行檢測(cè)，這些傳統(tǒng)的方法都存在一定的缺陷。隨著近年來光學(xué)成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一種基于計(jì)算機(jī)視覺的非接觸螺紋測(cè)量技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)?；谟?jì)算機(jī)視覺的非接觸自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)硬件由照明光源、測(cè)量夾具CCU攝像機(jī)圖像采集卡和計(jì)算機(jī)及輸出設(shè)備組成。采集的圖像有數(shù)字

4、圖像處理技術(shù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)螺紋參數(shù)的測(cè)量。1.2國內(nèi)外相關(guān)情況科技的進(jìn)步就是社會(huì)發(fā)展的進(jìn)步，科技進(jìn)步主要是人工智能技術(shù)的創(chuàng)新。自18世紀(jì)第二次工業(yè)革命以來，科學(xué)技術(shù)得到迅速的發(fā)展。從18世紀(jì)到21世紀(jì)，隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)和加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于工件加工的檢測(cè)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(cè)方向挺進(jìn)。CCD測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)越來越普遍和重要?，F(xiàn)代機(jī)械與工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)β菁y測(cè)量精度要求不斷提高,多年來國內(nèi)外研究人員對(duì)螺紋測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了大量的研究,但測(cè)量誤差大,效率低的問題依然存在。近年來,CCD與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的機(jī)器視覺圖像處理技術(shù)日漸成熟,其具有精確、快速、可靠的

5、優(yōu)點(diǎn),它如何應(yīng)用在螺紋測(cè)量領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)螺紋測(cè)量技術(shù)的智能化及高精度化,是目前急需解決的問題。1.2.1國內(nèi)研究狀況2005年8期浙江大學(xué)學(xué)報(bào)工學(xué)版徐愛群、項(xiàng)占琴、陳子辰中提出基于激光三角測(cè)量原理,提出了非接觸式檢測(cè)內(nèi)外螺紋各參數(shù)的工作原理和實(shí)現(xiàn)方法.設(shè)計(jì)制造了由軸向位移測(cè)量模塊、橫向位移測(cè)量模塊以及上位機(jī)數(shù)據(jù)處理、控制、評(píng)價(jià)模塊組成的檢測(cè)系統(tǒng),并給出了檢測(cè)螺紋各主要參數(shù)的算法. 利用激光測(cè)量頭檢測(cè)螺紋輪廓在橫截面上的尺寸,結(jié)合由光柵測(cè)得的精密平臺(tái)的軸向位移量和螺紋合格的判斷標(biāo)準(zhǔn)完成螺紋輪廓曲線的檢測(cè)和評(píng)價(jià).該測(cè)量裝置的檢測(cè)分辨率可達(dá)1.5m,能滿足絕大多數(shù)的螺紋表面檢測(cè)要求.此測(cè)量方法能避免接觸

6、式測(cè)量方式引起的變形問題,實(shí)時(shí)控制螺紋加工質(zhì)量,提高檢測(cè)精度和檢測(cè)效率。2006年1期渤海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）中于忠黨、王龍山介紹了一種依據(jù)圖像處理技術(shù)檢測(cè)機(jī)械零件參數(shù)的測(cè)量方法。 以面陣CC為圖像傳感器 ,通過圖像采集卡將機(jī)械零件的二維圖像輸入到計(jì)算機(jī)中。在對(duì)原始輸入圖像進(jìn)行直方圖校正和邊緣保持濾波處理后, 對(duì)得到的較為平滑的零件圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè),利用最小二乘法進(jìn)行邊緣擬合,獲得圖像邊緣的亞象素表示,并據(jù)此計(jì)算出零件的各參數(shù)值。此種測(cè)量方法非常適合于微小、易形變等接觸測(cè)量難以準(zhǔn)確測(cè)量的機(jī)械零件的參數(shù)檢測(cè),具有廣闊的應(yīng)用前景。同年10期機(jī)械科學(xué)與技術(shù)中王保保、劉華元、袁琴琴研究了一種基于亞像

7、素技術(shù)的外螺紋幾何參數(shù)計(jì)算。 在獲取螺紋圖像的基礎(chǔ)上,通過邊緣檢測(cè)算法獲取螺紋軸剖面外輪廓的邊緣。在已知邊緣點(diǎn)Sobel算子八方位邊緣梯度的基礎(chǔ)上確定未知點(diǎn)的多項(xiàng)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(duì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)螺紋的螺距等參數(shù)的求取過程進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。實(shí)踐證明,該算法具有較高的運(yùn)算精度和較快的運(yùn)算速度。直到2010年4期制造技術(shù)與機(jī)床中雷吉平、嚴(yán)樹華、沈少偉基于面陣CCD視覺檢測(cè)技術(shù),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種螺紋參數(shù)非接觸式自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量螺紋的牙型角、螺距、導(dǎo)程、螺紋升角、螺紋高度、大徑、中徑、小徑等參數(shù)。并著重研究了螺紋圖像預(yù)處理、邊緣檢測(cè)、亞像素定位等關(guān)鍵

8、技術(shù),以提高螺紋參數(shù)的測(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該檢測(cè)系統(tǒng)可以完成各項(xiàng)螺紋參數(shù)測(cè)量,相對(duì)測(cè)量精度優(yōu)于1.3%。至于已經(jīng)成熟的產(chǎn)品如長春理工大學(xué)研制的非接觸激光螺紋檢測(cè)儀和西安同視機(jī)電科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的外螺紋參數(shù)非接觸自動(dòng)測(cè)量裝置。1.2.2國外研究狀況由于歐美日企業(yè)制造技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)傳感器技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)的綜合發(fā)展程度較高，在基于機(jī)器視覺的非接觸自動(dòng)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，處于世界領(lǐng)先地位。在對(duì)外螺紋的幾何參數(shù)測(cè)量方面，不少國家開發(fā)出基于機(jī)器視覺的非接觸自動(dòng)測(cè)量螺紋參數(shù)測(cè)量儀，成型產(chǎn)品如意大利DMS680螺紋測(cè)量系統(tǒng)以及荷蘭LAC螺紋綜合檢查儀等。對(duì)多參數(shù)自動(dòng)化螺紋測(cè)量儀的開發(fā)仍然是國外許多學(xué)者的

9、研究方向，2.本課題研究的主要內(nèi)容和研究方法2.1本課題研究的主要內(nèi)容 本課題的研究內(nèi)容是運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)，建立基于CCD圖像傳感器，以螺紋輪廓為測(cè)量對(duì)象的圖像測(cè)量系統(tǒng)，獲得螺紋參數(shù)的測(cè)量。具體研究內(nèi)容如下：（1）查閱資料。了解螺紋參數(shù)測(cè)量的方法,掌握基于CCD的螺紋自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的方案。（2）確定測(cè)試方案，以M10螺紋為測(cè)試對(duì)象，搭建螺紋測(cè)量的硬件系統(tǒng)。對(duì)螺紋圖像進(jìn)行采集。（3）對(duì)采集的多幅圖像進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理，其主要包括圖像二值化、邊緣檢測(cè)，輪廓提取及螺紋幾何參數(shù)的計(jì)算等。并給出了螺紋尺寸的測(cè)量結(jié)果。（4）查閱一篇與設(shè)計(jì)相關(guān)的外文文獻(xiàn)，并進(jìn)行翻譯。2.2 本課題的研究方案2.2.1測(cè)量

10、原理 現(xiàn)有的螺紋CCD光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)多采用平行光將螺紋形狀投影到CCD上,然后再據(jù)此進(jìn)行后期的處理、計(jì)算,但是,這樣的成像系統(tǒng)中投影平行光的衍射較為嚴(yán)重,對(duì)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(duì)測(cè)量精度的影響。其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示,按照測(cè)量流程,首先螺紋由夾持裝置固定并保持與攝象機(jī)光軸垂直,然后螺紋圖像通過光學(xué)系統(tǒng)的放大成像到CCD攝像頭上,最后由圖像采集卡對(duì)其進(jìn)行采集后送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算,并得出測(cè)量結(jié)果。這里的測(cè)試分析軟件主要包括圖像的預(yù)處理、邊緣提取、亞像素定位等幾方面。測(cè)試分析軟件方面由于現(xiàn)實(shí)條件不足我將在matlab語言中編程實(shí)現(xiàn)。圖1 檢測(cè)系統(tǒng)總體

11、結(jié)構(gòu)2.2.2螺紋圖像處理螺紋特征參數(shù)測(cè)量軟件主要包括圖像處理 參數(shù)標(biāo)定以及參數(shù)計(jì)算三個(gè)方面的內(nèi)容，圖像處理又分為圖像預(yù)處理 螺紋輪廓邊緣的提取 擬合等幾個(gè)方面，其算法流程圖如圖2所示：圖2 螺紋特征參數(shù)測(cè)量軟件流程（1） 螺紋圖像的預(yù)處理 當(dāng)螺紋圖像輸入到計(jì)算機(jī)后，為消除噪聲，穩(wěn)定的進(jìn)行特征抽出等處理，須對(duì)其進(jìn)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(jù)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(quán)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(chǔ)上發(fā)展的一種濾波器，該濾波器在濾除噪聲脈沖的同時(shí),又不致于使圖像邊緣十分模

12、糊,特別適合于像螺紋檢測(cè)這樣的我們只關(guān)心它的邊緣特征的情況。邊緣保持算法的基本過程如下:對(duì)灰度圖像的每一個(gè)像素點(diǎn)i,j取適當(dāng)大小的一個(gè)鄰域(如3×3鄰域),分別計(jì)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(duì)應(yīng)區(qū)域的均值作為該像素點(diǎn)的新的灰度值。計(jì)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(cè) 兩個(gè)具有不同灰度值的相鄰區(qū)域之間總存在邊緣,邊緣是灰度值不連續(xù)的結(jié)果,這種不連續(xù)性通?？梢岳们髮?dǎo)數(shù)的方法方便地檢測(cè)到。一般常用一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)來檢測(cè)邊緣。 邊緣檢測(cè)的基本思想是首先利用邊緣增強(qiáng)算

13、子,突出圖像中的局部邊緣,然后定義像素的“邊緣強(qiáng)度”,通過設(shè)置門限的方法提取邊緣點(diǎn)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(yōu)略并選擇一種進(jìn)行邊緣檢測(cè) （3） 圖像輪廓的亞像素提取算法邊沿檢測(cè)得到的粗定位在螺紋參數(shù)的高精度測(cè)量中是遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xì)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(shù)字相關(guān)法等。根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行比較、選取及計(jì)算得出結(jié)果。2.2.3測(cè)量及比較（1） 測(cè)量系統(tǒng)放大倍數(shù)的標(biāo)定 將輪廓進(jìn)行擬合后如果直接計(jì)算得出的參數(shù)只能以像素為單位表示,如何將像素結(jié)果

14、轉(zhuǎn)化為實(shí)際距離和長度則必須借助于測(cè)量系統(tǒng)放大倍數(shù)的標(biāo)定。因此測(cè)量系統(tǒng)放大倍數(shù)的標(biāo)定精度是保證測(cè)量系統(tǒng)高精度的前提。在進(jìn)行實(shí)際測(cè)量之前,先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn),在同一測(cè)量條件下,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量塊和直尺(3級(jí)、3等)進(jìn)行測(cè)量,然后通過最小二乘法進(jìn)行擬合,去除粗大誤差,得到該測(cè)量條件下的系統(tǒng)的放大比例系數(shù)。例如在螺紋1的測(cè)量中,k=像素?cái)?shù)/物長=160/7,在螺紋2的測(cè)量中,k=104/3,k值的大小決定了測(cè)量系統(tǒng)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(cè)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(shù)在理論上是不一樣的,所以要對(duì)其x方向和y方向分別進(jìn)行標(biāo)定。（2） 螺紋幾何形

15、狀參數(shù)計(jì)算 螺紋的幾何尺寸有:牙型角(牙型半角)即螺紋 夾角(側(cè)面角)、螺距、導(dǎo)程、螺紋高度、大徑、小徑、中徑、螺紋升角等。對(duì)于一些用于密封的管螺紋還有螺紋錐度等參數(shù)。（3） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及精度分析（4） 誤差分析 3.本課題研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)，前期已開展工作3.1 研究的重點(diǎn) （1）學(xué)習(xí)并熟練運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)，建立基于CCD圖像傳感器，以螺紋輪廓為測(cè)量對(duì)象的圖像測(cè)量系統(tǒng)，獲得螺紋參數(shù)的測(cè)量。（2） 學(xué)習(xí)matlab，它是一種做圖像處理的工具，我需要在極短的時(shí)間里熟練掌握它并進(jìn)行圖像處理。（3） 圖像的邊緣檢測(cè)方法的分類比較和選擇（4）掌握?qǐng)D像像素與現(xiàn)實(shí)單位的轉(zhuǎn)換 3.2 研究的難點(diǎn)（1） 對(duì)采

16、集的多幅圖像進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理，其主要包括圖像二值化、邊緣檢測(cè)，輪廓提取及螺紋幾何參數(shù)的計(jì)算等。并給出了螺紋尺寸的測(cè)量結(jié)果。（2） 對(duì)得到的圖像進(jìn)行圖像處理需要我在極短的時(shí)間里掌握并熟練運(yùn)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(jìn)行文獻(xiàn)查閱，制定實(shí)驗(yàn)方案，撰寫開題報(bào)告。4. 完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃（1）第一周至第四周：查閱資料，掌握基于CCD的螺紋自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的方案，進(jìn)行開題報(bào)告。 （2）第五周至第八周：搭建螺紋測(cè)量的硬件系統(tǒng)，對(duì)螺紋圖像進(jìn)行采集，并進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理知識(shí)的學(xué)習(xí)。（3）第九周至第十一周：對(duì)實(shí)拍圖像進(jìn)行相

17、應(yīng)的圖像處理，求出測(cè)試結(jié)果。（4）第十二周至第十五周：撰寫畢業(yè)論文，參加畢業(yè)答辯。5.參考文獻(xiàn)【1】徐愛群、項(xiàng)占琴、陳子辰中基于激光三角測(cè)量原理,提出了非接觸式檢測(cè)內(nèi)外螺紋各參數(shù)的工作原理和實(shí)現(xiàn)方法.2005年8期浙江大學(xué)學(xué)報(bào)工學(xué)版【2】于忠黨、王龍山介紹了一種依據(jù)圖像處理技術(shù)檢測(cè)機(jī)械零件參數(shù)的測(cè)量方法2006年1期渤海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）【3】王保保、劉華元、袁琴琴研究了一種基于亞像素技術(shù)的外螺紋幾何參數(shù)計(jì)算2006年10期機(jī)械科學(xué)與技術(shù)【4】雷吉平、嚴(yán)樹華、沈少偉螺紋參數(shù)非接觸式自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)制造技術(shù)與機(jī)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(cè)技術(shù)的螺紋檢測(cè)儀研制，長春理工大學(xué).【6】西安同視機(jī)電科技有限責(zé)任公司仝福安; 黨志斌外螺紋參數(shù)非接觸自動(dòng)測(cè)量裝置專利號(hào)CN97239415.X【7】徐孝恩.螺紋測(cè)量M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1986【8】鐘 建.圖像測(cè)量及分析系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)D重慶 ：重慶大學(xué)，2002.【9】王慶有 CCD 應(yīng)有技術(shù)M. 天津：天津大學(xué)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