宋曉霞，楊建璽，徐紅哲

(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

檢測(cè)高精度軸承鋼球表面質(zhì)量的傳統(tǒng)方法主要采用人工目測(cè)。這種檢測(cè)方法不僅工作量大，而且易受檢測(cè)人員主觀因素的影響，容易對(duì)鋼球表面缺陷造成漏檢和誤檢，不能保證檢測(cè)的效率與精度[1]。因此，對(duì)鋼球表面質(zhì)量進(jìn)行高效準(zhǔn)確的自動(dòng)檢測(cè)就顯得十分重要。

1 檢測(cè)方法

1.1 檢測(cè)原理

鋼球表面缺陷在線檢測(cè)要保證一定的速度和節(jié)拍，將鋼球依次、勻速地送入軌道，分布在軌道上的6個(gè)攝像頭獲得鋼球表面圖像，利用VC++編程對(duì)圖像進(jìn)行分割、重構(gòu)，并計(jì)算出整個(gè)鋼球表面的最大缺陷以及缺陷總和。之后的一組電磁開關(guān)會(huì)根據(jù)鋼球表面缺陷的情況對(duì)鋼球進(jìn)行分級(jí)處理[2-3]。其原理圖如圖1所示。

圖1 鋼球表面缺陷檢測(cè)原理圖

1.2 關(guān)鍵因素分析及實(shí)施方案

由于鋼球表面的反光作用，需要特殊的光源以滿足獲得清晰圖像的要求。

因?yàn)橐诰€檢測(cè)鋼球的表面缺陷，且要保證攝取到整個(gè)球面的特征圖像，本系統(tǒng)采用6個(gè)攝像頭布置在空間不同的位置以攝取整個(gè)球面圖像。然后將6幅圖像進(jìn)行重構(gòu)，去掉重合區(qū)，再對(duì)其進(jìn)行圖像處理，計(jì)算出每個(gè)缺陷的面積以及全部缺陷的面積。如圖2所示，在赤道面上布置4個(gè)攝像頭，在其垂直面上布置2個(gè)攝像頭，每個(gè)攝像頭的視角是60°，兩兩之間重合部分為30°，經(jīng)重構(gòu)可以得到鋼球表面的全部信息。

圖2 攝像機(jī)分布原理圖

利用軌道來(lái)保證鋼球在線檢測(cè)中攝取到6幅完整的圖像。如圖3所示，兩條相互垂直的軌道，保證鋼球在軌道上做純滾動(dòng)。在兩條軌道的交界處設(shè)置一凹坑，鋼球到凹坑處由觸發(fā)器將其推出，進(jìn)入相垂直的另一軌道，可以保證鋼球的旋轉(zhuǎn)角度為90°。

圖3 鋼球運(yùn)行軌道圖

1.3 光源制作

為了克服鋼球表面容易反光的不利因素，經(jīng)大量試驗(yàn)，自行設(shè)計(jì)制作了如圖4所示的拱形碗狀紅色LED漫射光源。不僅克服了鋼球?qū)ζ胀ü庠吹姆瓷涮匦?，而且也更加容易地獲得鋼球表面的細(xì)微缺陷，從而為進(jìn)一步的圖像處理和鋼球表面缺陷檢測(cè)以及質(zhì)量分級(jí)奠定了可靠的基礎(chǔ)[4]。

圖4 拱形碗狀紅色LED漫射光源

圖5 不同光源照射下的鋼球圖像

2 鋼球表面缺陷檢測(cè)算法

要將球形的三維信息在二維圖像上準(zhǔn)確地顯示出來(lái)，其二維圖像與鋼球的真實(shí)圖像之間存在一定的關(guān)系。

如圖6所示，設(shè)鋼球表面缺陷實(shí)際長(zhǎng)度為S，鋼球半徑為r，則：

圖6 轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算原理圖

(1)

攝像機(jī)到鋼球中心的距離為h，缺陷點(diǎn)到攝像機(jī)的距離為u(即物距為u)，則：

u=h-rcosθ

(2)

試驗(yàn)所用鋼球直徑為Dw=14 mm，h=14 mm。

本系統(tǒng)選擇UM-201的CCD圖像傳感器COMPUTAR鏡頭，焦距f=8 mm，傳感器尺寸為2/3″，有效像素(H×V)為752×582。

根據(jù)光學(xué)成像原理：

式中：t為圖像上一個(gè)像素的大小，ν為物體上一個(gè)像素的大小。

ν=0.78×10-5×(14-7cosθ)2，(0°≤θ≤60°)

(3)

因?yàn)楸粰z測(cè)物體是鋼球，即使不考慮畸變，由于不同點(diǎn)的物距不同，圖像上的一個(gè)像素在不同的位置代表的實(shí)際物體的大小也是不同的。

3 鋼球表面圖像的重構(gòu)

重構(gòu)就是計(jì)算出每幅圖像上缺陷面積總和，去掉重合部分并最終將6幅圖像進(jìn)行整合，如圖7所示。6幅圖片兩兩相交，且每幅圖片與另外4幅圖片均勻重合相交。編程實(shí)現(xiàn)重構(gòu)時(shí)，對(duì)于每一圖片，如圖8所示，只取其正方形的部分，這樣6幅圖像相加正好是無(wú)重合的鋼球的整個(gè)表面。

圖7 重合部分示意圖

圖8 相交兩圓的重合示意圖

如圖每一重合區(qū)域的面積為：

中間不重和部分面積為：

S=πr2-4S重=(4-π)r2=0.86r2。

如果將一赤道面上拍攝的4幅圖片分別記作p1,p2,p3,p4，垂直平面的兩幅圖片分別記作p5,p6。對(duì)應(yīng)面積分別為S1,S2,S3,S4，S5，S6。則無(wú)重合的整個(gè)鋼球的面積為：

S=S1正+S2正+S3正+S4正+S5正+S6正

(4)

4 試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

試驗(yàn)攝取的圖像是二維的，要通過(guò)二維信息獲得三維的數(shù)據(jù)，就需要利用圖6所示的原理，找出各個(gè)缺陷點(diǎn)，對(duì)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行二維還原三維的計(jì)算。

如圖9所示，O點(diǎn)為圖片上鋼球的中心，M1,M2,M3代表3個(gè)缺陷點(diǎn)，根據(jù)OM1,OM2,OM3的長(zhǎng)度，可以知道M1,M2,M3在鋼球上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的θ值，從而知道其在鋼球上的實(shí)際分辨率，進(jìn)而判斷缺陷的位置和面積[5-6]。

圖9 缺陷鋼球圖片示意圖

圖10為軌道上6個(gè)CCD拍攝的實(shí)際鋼球平面圖像。圖11為6幅圖像去掉重合部分后鋼球表面的缺陷部分。按照(1)～(4)式，將圖11讀入MATLAB,利用循環(huán)掃描法依次找出值為0的點(diǎn)到圖像中心點(diǎn)的距離x(k),利用已知圖像的物理尺寸和圖像的像素尺寸，將x(k)轉(zhuǎn)化為以毫米為單位的物理尺寸h(k)，然后根據(jù)圖片中鋼球的直徑與真實(shí)鋼球直徑的比例關(guān)系，找出放大倍數(shù)c。已知鋼球半徑為r，可以求出放大后的半徑為cr，進(jìn)而可以求出物距，由圖6的轉(zhuǎn)換關(guān)系和(3)式，可以計(jì)算出每一缺陷點(diǎn)像素面積的大小,對(duì)所有點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)相加,得實(shí)際缺陷個(gè)數(shù)為85 740(其中圖片分辨率為752×582)，實(shí)際缺陷面積為120.567 0 mm2。視覺檢測(cè)結(jié)果與真實(shí)情況相符[7-8]。

圖10 6張鋼球圖片

圖11 鋼球內(nèi)部正方形部分的缺陷提取

5 結(jié)束語(yǔ)

提出的鋼球表面缺陷自動(dòng)檢測(cè)方法能夠較方便地獲取整個(gè)鋼球表面圖像，且鋼球運(yùn)行軌道簡(jiǎn)單；自行設(shè)計(jì)制作的碗狀紅色LED漫射光源能夠較好地克服鋼球?qū)ζ胀ü庠吹姆瓷渥饔?，可以得到非常清晰的鋼球表面圖像；采用的球形表面圖像重構(gòu)技術(shù)很好地重構(gòu)了鋼球表面缺陷的真實(shí)情況，不僅克服了球形邊緣圖像失真的問(wèn)題，而且能夠準(zhǔn)確快速地將6幅圖像進(jìn)行重構(gòu)，為鋼球表面缺陷的準(zhǔn)確識(shí)別與計(jì)算提供理論依據(jù)；經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)是可行的，處理的結(jié)果令人滿意。