梯形螺纹视觉检测方法技术领域
本发明涉及螺纹检测技术领域，尤其涉及梯形螺纹视觉检测方
法。
背景技术
随着工业技术的迅猛发展，机械装置的自动化程度越来越高，在
这过程中也对生产制造中的工件精度要求越来越高。
传统的螺纹质量检测的主要方法是螺纹环规或塞规、用螺纹千分
尺测量、用齿厚游标卡尺测量、三针测量法、双针测量法，这种测量
方法存在测量速度慢、测量精度低的确定，不利于提供流水线的自动
化检测速度，已经满足不了现代工业对螺纹工件质量测量效率和精度
等方面的要求。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供梯形螺纹视觉检测方
法，其检测得到的螺纹工件精度高。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种梯形螺纹视觉检测方法，包括如下步骤：
步骤一：对标准螺纹工件建立模板轮廓特征；
步骤二：对待检测螺纹工件建立轮廓特征；
步骤三：判断标准工件的模板轮廓特征和待检测工件的轮廓特征
的相似度是否达到预设值且满足目标个数，若是，则认定待检测螺纹
工件初步合格，执行步骤四，否则，认定待检测螺纹工件不合格，丢
弃该待检测螺纹工件；
步骤四：建立待检测螺纹工件两侧的螺牙轮廓特征，根据该两侧
的螺牙轮廓特征获取待检测螺纹工件两侧的螺牙之间的中线L，该螺
牙轮廓特征具有多个螺牙；；
步骤五：以中线L为基准轴建立二维直角坐标系以得到待检测螺
纹工件两侧的螺牙轮廓特征的所有坐标点集合(X1，Y1)，获取所有
坐标点集合(X1，Y1)中Y1的极大值Ymax和所有坐标点集合(X1，
Y1)中Y1的极小值Ymin，并获取所有坐标点集合中(X1，Y1)中的
Y1大于或小于极大值Ymax预设范围内的所有坐标点的集合A，以及
获取所有坐标点集合中(X1，Y1)中的Y1大于或小于极小值Ymin预
设范围内的所有坐标点的集合B；将集合A和极大值Ymax拟合成直
线M1，将集合B和极小值Ymin拟合成直线M2，判断直线M1和直线
M2是否平行于中线L，若是则求取螺纹大径d、螺纹小径d1和螺纹
中径d2，否则该待检测螺纹工件不合格；
步骤六：根据中线L获取直线L3和直线L4，并根据直线L3、直
线L4分别与螺牙轮廓特征的交点求取螺距p，所述直线L3和直线L4
分别平行于中线L，中线L位于直线L3和直线L4之间，且直线L3
和直线L4与中线L的距离均为螺纹中径d2的一半；
步骤七：获取任意一螺牙两侧的谷值点m1、谷值点m1、峰值点
m3和峰值点m4，根据谷值点m1和峰值点m3生成第一正方形区域以
拟合成直线L5，根据谷值点m2和峰值点m4生成第二正方形区域以
拟合成直线L6，判断直线L5与直线L6之间的夹角α是否满足预设
范围，若是，则该待检测螺纹工件合格，否则不合格；其中，所述峰
值点m3为直线M1上靠近谷值点m1的一个端点，所述峰值点m4为直
线M1上靠近谷值点m2的一个端点，谷值点m1为直线M2上最靠近直
线M1一侧的一端点，谷值点m2为直线M2上最靠近直线M1另一侧的
一端点。
优选的，所述步骤一包括如下子步骤：
步骤1.1：获取标准螺纹工件的第一灰度图片，并在第一灰度图
片上选取一搜索区域；
步骤1.2：在搜索区域中对比相邻像素之间的对比度，当对比度
大于第一预设值时形成模板轮廓特征；
步骤1.3：对模板轮廓特征进行预设的第一角度范围变化，获取
一系列的模块轮廓特征；
步骤1.4：保存系列的模板轮廓特征。
进一步优选的，所述第一预设值为40，所述预设的第一角度范
围为±0.5°。
优选的，所述步骤二包括如下子步骤：
步骤2.1：获取待检测螺纹工件的第二灰度图片，并在第二灰度
图片上选取一搜索区域；
步骤2.2：在搜索区域中对比相邻像素之间的对比度，当对比度
大于第二预设值时形成轮廓特征；
步骤2.3：对轮廓特征进行预设的第二角度范围变化，获取一系
列的轮廓特征；
步骤2.4：保存系列的轮廓特征。
进一步优选的，所述第二预设值为20，所述预设的第二角度范
围为±0.5°。
优选的，步骤三中所述预设值为75％，目标个数为1。
优选的，步骤四包括如下子步骤：
步骤4.1：建立待检测螺纹工件两侧的螺牙轮廓特征，该螺牙具
有多个螺牙；
步骤4.2：处理待检测螺纹工件其中一侧的螺牙轮廓特征以形成
闭合轮廓D1，处理待检测螺纹工件另一侧的螺牙轮廓特征以形成闭
合轮廓D2；
步骤4.3：根据最小二乘法拟合闭合轮廓D1成直线L1，同时根
据最小二乘法拟合闭合轮廓D2成直线L2；
步骤4.4：根据直线L1和直线L2获取待检测螺纹工件两侧的螺
牙之间的中线L，其中，直线L1至中线L的距离等于直线L2到中线
L的距离。
进一步优选的，步骤五包括如下子步骤：
步骤5.1：以中线L为基准轴建立二维直角坐标系以得到待检测
螺纹工件两侧的螺牙轮廓特征的所有坐标点集合(X1，Y1)；
步骤5.2：扫描所有坐标点集合(X1，Y1)获取该所有坐标点集
合(X1，Y1)中Y1的极大值Ymax和所有坐标点集合(X1，Y1)中
Y1的极小值Ymin，并获取所有坐标点集合中(X1，Y1)中的Y1大于
或小于极大值Ymax预设范围内的所有坐标点的集合A，以及获取所
有坐标点集合中(X1，Y1)中的Y1大于或小于极小值Ymin预设范围
内的所有坐标点的集合B；
步骤5.3：将集合A和极大值Ymax拟合成直线M1，将集合B和
极小值Ymin拟合成直线M2；
步骤5.4：判断直线M1和直线M2是否平行于中线L，若是，则
计算出直线M1与中线L之间的距离K1以及直线M2与中线L之间的
距离K2，否则，该待检测螺纹工件不合格；
步骤5.5：根据公式d＝2*K1求得螺纹大径d，根据公式d1＝2*K2
求得螺纹小径d1，根据公式d2＝(d+d1)/2求得螺纹中径d2。
进一步优选的，步骤六包括如下子步骤：
步骤6.1：根据中线L获取直线L3和直线L4，所述直线L3和直
线L4分别平行于中线L，中线L位于直线L3和直线L4之间，且直
线L3和直线L4与中线L的距离均为螺纹中径d2的一半；
步骤6.2：所述直线L3和直线L4分别与中线L两侧的螺牙轮廓
特征形成多个交点，选择任意一侧的任意相邻的三个交点记为交点a、
交点b和交点c，所述交点a至交点c的距离为螺距p。
进一步优选的，步骤七包括如下子步骤：
步骤7.1：选取任意一个螺牙，获取该螺牙两侧的谷值点m1、谷
值点m2、峰值点m3和峰值点m4；所述峰值点m3为直线M1上靠近谷
值点m1的一个端点，所述峰值点m4为直线M1上靠近谷值点m2的一
个端点，谷值点m1为直线M2上最靠近直线M1一侧的一端点，谷值
点m2为直线M2上最靠近直线M1另一侧的一端点；
步骤7.2：根据谷值点m1和峰值点m3求取谷值点m1和峰值点
m3之间的中点h1，根据谷值点m2和峰值点m4求取谷值点m2和峰值
点m4之间的中点h2；
步骤7.3：以中点h1为中心点，以谷值点m1至峰值点m3距离
的一半为半径生成第一正方形区域，同时以中点h2为中心点，以谷
值点m2至峰值点m4距离的一半为半径生成第二正方形区域；
步骤7.4：在第一正方形区域建立第一轮廓并拟合成直线L5，在
第二正方形区域建立第二轮廓并拟合成直线L6；
步骤7.5：判断直线L5与直线L6之间的夹角α是否满足预设范
围，若是，则该待检测螺纹工件合格，否则不合格。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
1、无需人工手动测量工具尺寸，避免了人工操作和测量仪器自
身带来的系统误差，实现了自动化检测；
2、结合梯形螺纹的特征进行多层检测，通过实体工件与标准工
件进行比对，具有高精度检测保证，测量方法效率高、可靠性强。
附图说明
图1为本发明的梯形螺纹的螺牙结构示意图；
图2为本发明的工作流程图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
梯形螺纹又称普通螺纹，其螺牙形状如图1所示，梯形螺纹的主
要参数有：螺纹大径d、螺纹小径d1、螺纹中径d2、螺距p和牙型
角α。本实施例提供的梯形螺纹视觉检测方法基于对上述参数进行检
测，符合要求的则证明该梯形螺纹是合格工件，否则为不合格。
参见图2，本实施例包括步骤如下：
步骤s1：对标准螺纹工件建立模板轮廓特征；
步骤s2：对待检测螺纹工件建立轮廓特征；
步骤s3：判断标准螺纹工件的模板轮廓特征和待检测螺纹工件
的轮廓特征的相似度是否达到预设值且满足目标个数，若是，则认定
待检测螺纹工件初步合格，执行步骤s4，否则，认定待检测螺纹工
件不合格，丢弃该待检测螺纹工件；目标个数的作用是衡量螺纹工件
是否匹配合格的必要条件，目标个数即为要寻找的轮廓特征个数，可
以为1个，两者相似度的预设值为75％，即当标准工件的模板轮廓特
征和待检测工件的轮廓特征的相似度达到75％并且目标个数满足1的
情况下，即为合格，如果不合格，则选择其他螺纹工件重新开始测量，
只有在本步骤中检测合格的产品才执行下一个步骤；
步骤s4：建立待检测螺纹工件两侧的螺牙轮廓特征，根据该两
侧的螺牙轮廓特征获取待检测螺纹工件两侧的螺牙之间的中线L，该
螺牙轮廓特征具有多个螺牙；；
步骤s5：以中线L为基准轴建立二维直角坐标系以得到待检测
螺纹工件两侧的螺牙轮廓特征的所有坐标点集合(X1，Y1)，获取所
有坐标点集合(X1，Y1)中Y1的极大值Ymax和所有坐标点集合(X1，
Y1)中Y1的极小值Ymin，并获取所有坐标点集合中(X1，Y1)中的
Y1大于或小于极大值Ymax预设范围内的所有坐标点的集合A，以及
获取所有坐标点集合中(X1，Y1)中的Y1大于或小于极小值Ymin预
设范围内的所有坐标点的集合B；将集合A和极大值Ymax拟合成直
线M1，将集合B和极小值Ymin拟合成直线M2，判断直线M1和直线
M2是否平行于中线L，若是，执行下一步s6，,即求取螺纹大径d、
螺纹小径d1和螺纹中径d2，否则该待检测螺纹工件不合格；
步骤s7：根据中线L获取直线L3和直线L4，并根据直线L3、
直线L4分别与螺牙轮廓特征的交点求取螺距p，所述直线L3和直线
L4分别平行于中线L，中线L位于直线L3和直线L4之间，且直线
L3和直线L4与中线L的距离均为螺纹中径d2的一半；
步骤s8：获取任意一螺牙两侧的谷值点m1、谷值点m1、峰值点
m3和峰值点m4，根据谷值点m1和峰值点m3生成第一正方形区域以
拟合成直线L5，根据谷值点m2和峰值点m4生成第二正方形区域以
拟合成直线L6，判断直线L5与直线L6之间的夹角α是否满足预设
范围，若是，则该待检测螺纹工件合格，否则不合格；其中，所述峰
值点m3为直线M1上靠近谷值点m1的一个端点，所述峰值点m4为直
线M1上靠近谷值点m2的一个端点，谷值点m1为直线M2上最靠近直
线M1一侧的一端点，谷值点m2为直线M2上最靠近直线M1另一侧的
一端点。
其中，步骤s1和步骤s2的建立过程类似，在步骤s1中，包括
子步骤如下：
s1.1：获取标准螺纹工件的第一灰度图片，并在第一灰度图片上
选取一搜索区域；获取标准螺纹工件的灰度图片通过拍照获取，初步
拍照的图片不一定是黑白的灰度图片，但为方便后续处理，最终将拍
照所得图片处理为灰度图片；
s1.2：在搜索区域中对比相邻像素之间的对比度，当对比度大于
第一预设值时形成模板轮廓特征；此步骤中的对比方式采用halcon
算法进行对比度参数处理，当对比度大于第一预设值，则形成轮廓点，
将多个轮廓点连接形成模板轮廓特征；关于对比度的第一预设值根据
显示屏像素不同等其他实际情况可自行调节设置，本实施例中的该第
一预设值优选为40；
s1.3：对模板轮廓特征进行预设的第一角度范围变化，获取一系
列的模块轮廓特征；该预设的第一角度范围为±0.5°；对模板轮廓
特征进行预设的角度变化得到一系列的轮廓特征，即在某个角度值的
一定范围内，一系列的模块轮廓特征就是很多个轮廓，如圆、直线、
圆弧等；
s1.4：保存系列的模板轮廓特征。
s2步骤中包括子步骤如下：
s2.1：获取待检测螺纹工件的第二灰度图片，并在第二灰度图片
上选取一搜索区域；
s2.2：在搜索区域中对比相邻像素之间的对比度，当对比度大于
第二预设值时形成轮廓特征；同样，对比方式采用halcon算法进行
对比度参数处理，该第二预设值优选为20；
s2.3：对轮廓特征进行预设的第二角度范围变化，获取一系列的
轮廓特征；该预设的第二角度范围为±0.5°；
s2.4：保存系列的轮廓特征。
步骤s1至步骤s3是对待检测管螺纹进行粗检测，步骤s4至步
骤s7为通过对待检测管螺纹的各种参数进行检测，以判断是否符合
标准。
步骤s4包括步骤如下：
s4.1：建立待检测螺纹工件两侧的螺牙轮廓特征，该螺牙轮廓特
征具有多个螺牙，每一个螺牙即为一个螺牙；
s4.2：处理待检测螺纹工件其中一侧的螺牙轮廓特征以形成闭合
轮廓D1，处理待检测螺纹工件另一侧的螺牙轮廓特征以形成闭合轮
廓D2；处理方式同样可以采用halcon算法进行对比度参数处理形成
轮廓特征点，连接这些轮廓特征点形成闭合轮廓；
s4.3：根据最小二乘法拟合闭合轮廓D1成直线L1，同时根据最
小二乘法拟合闭合轮廓D2成直线L2；最小二乘法的工作方式为现有
技术；
s4.4：根据直线L1和直线L2获取待检测螺纹工件两侧的螺牙之
间的中线L，其中，直线L1至中线L的距离等于直线L2到中线L的
距离。
步骤s5包括步骤如下：
s5.1：以中线L为基准轴建立二维直角坐标系以得到待检测螺纹
工件两侧的螺牙轮廓特征的所有坐标点集合(X1，Y1)；此步骤中，
以中线L为基准轴即是在二维直角坐标系中线L为X轴，建立一套垂
直于中线L的直线为Y轴，形成直角坐标系；
s5.2：扫描所有坐标点集合(X1，Y1)获取该所有坐标点集合(X1，
Y1)中Y1的极大值Ymax和所有坐标点集合(X1，Y1)中Y1的极小
值Ymin，并获取所有坐标点集合中(X1，Y1)中的Y1大于或小于极
大值Ymax预设范围内的所有坐标点的集合A，以及获取所有坐标点
集合中(X1，Y1)中的Y1大于或小于极小值Ymin预设范围内的所有
坐标点的集合B；根据梯形的形状特征，参照图1，其具有上下两条
平行线，假设从左至右开始扫描所有坐标点集合(X1，Y1)，当扫描
到上面的那条平行线的左端的过程中一直处于递增的状态，达到该点
后达到极大值Ymax，继续扫描，在该平行线上，所有坐标的Y1值与
极大值Ymax等同或相近大小，所述预设范围是极小的范围，如果范
围太大，这些点连接则不能形成一条直线，扫描到该平行线的最右端
之后，开始递减，所述集合A则是该平行线上最左端至最右端的所有
坐标点；集合B同理，按上述描述，集合B是下面那条平行线上最左
端至最右端的所有坐标点；
s5.3：将集合A和极大值Ymax拟合成直线M1，将集合B和极小
值Ymin拟合成直线M2；
s5.4：判断直线M1和直线M2是否平行于中线L，若是，则计算
出直线M1与中线L之间的距离K1以及直线M2与中线L之间的距离
K2，否则，该待检测螺纹工件不合格；
s5.5：根据公式d＝2*K1求得螺纹大径d，根据公式d1＝2*K2求
得螺纹小径d1，根据公式d2＝(d+d1)/2求得螺纹中径d2。在本步
骤中，因为有很多个螺牙，每一个螺牙均具有上述参数，为了更好的
保证检测精度，在所有螺纹大径d之间、螺纹小径d1之间、螺纹中
径d2之间进行比对，看所求得的参数是否在误差范围内，如果有个
别与其他参数相比差别太大，说明该工件不合格，例如，在所有螺纹
大径d中，其中一个螺纹大径d的值远大于其他螺纹大径d的值，则
判断该待检测螺纹不合格；
步骤s7包括如下子步骤：
S7.1：根据中线L获取直线L3和直线L4，所述直线L3和直线
L4分别平行于中线L，中线L位于直线L3和直线L4之间，且直线
L3和直线L4与中线L的距离均为螺纹中径d2的一半；
S7.2：所述直线L3和直线L4分别与中线L两侧的螺牙轮廓特征
形成多个交点，选择任意一侧的任意相邻的三个交点记为交点a、交
点b和交点c，所述交点a至交点c的距离为螺距p。
步骤s8包括如下子步骤：
S8.1：选取任意一个螺牙，获取该螺牙两侧的谷值点m1、谷值
点m2、峰值点m3和峰值点m4；所述峰值点m3为直线M1上靠近谷值
点m1的一个端点，所述峰值点m4为直线M1上靠近谷值点m2的一个
端点，谷值点m1为直线M2上最靠近直线M1一侧的一端点，谷值点
m2为直线M2上最靠近直线M1另一侧的一端点；
S8.2：根据谷值点m1和峰值点m3求取谷值点m1和峰值点m3之
间的中点h1，根据谷值点m2和峰值点m4求取谷值点m2和峰值点m4
之间的中点h2；
S8.3：以中点h1为中心点，以谷值点m1至峰值点m3距离的一
半为半径生成第一正方形区域，同时以中点h2为中心点，以谷值点
m2至峰值点m4距离的一半为半径生成第二正方形区域；
S8.4：在第一正方形区域建立第一轮廓并拟合成直线L5，在第
二正方形区域建立第二轮廓并拟合成直线L6；拟合成直线的方式同
样可以通过最小二乘法求得；
S8.5：判断直线L5与直线L6之间的夹角α是否满足预设范围，
若是，则该待检测螺纹工件合格，否则不合格。，该夹角α即为牙型
角，与步骤s5.5同样意思，每一个螺牙都具有一个夹角α，对比所
有夹角α，当有个别夹角α与其他夹角α有明显差异时，说明该待检
测螺纹工件不合格。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构
思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变
都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。