陳丹陽(yáng) ，曹 麗 ，林一高 ，張秋坤 ，鐘舜聰，3*

(1．漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，現(xiàn)代教育技術(shù)中心，福建漳州363000;2．福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院光學(xué)/太赫茲及無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，福建福州350108;3．福建省醫(yī)療器械和生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州350000)

0 引 言

軸承是在機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中起固定和減小載荷摩擦系數(shù)的部件，對(duì)機(jī)器的精度以及使用壽命有重要影響。因此，軸承的生廠商對(duì)于軸承滾子表面加工的質(zhì)量的測(cè)量是必不可少的?，F(xiàn)有的生產(chǎn)實(shí)踐中針對(duì)于軸承滾子的表面加工質(zhì)量的檢測(cè)無(wú)專門(mén)的檢測(cè)技術(shù)，多數(shù)仍采用目視法，依靠經(jīng)驗(yàn)豐富的技工用眼睛一個(gè)一個(gè)對(duì)軸承滾子進(jìn)行識(shí)別。測(cè)試者的主觀因素會(huì)影響測(cè)試的結(jié)果;另外這種人工視覺(jué)檢測(cè)方法檢測(cè)速度和工作效率低，因此并不適用于大規(guī)模現(xiàn)代工業(yè)的要求［1，2］。

黃昊等［2］介紹了一種基于圖像處理器的圓錐滾子表面缺陷的在線檢測(cè)系統(tǒng)。徐?。?］提出一種利用離線樣本學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)軸承外側(cè)表面缺陷在線快速檢測(cè)的方法。陳廉清等［4］采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)對(duì)微小軸承端蓋上的缺陷進(jìn)行了自動(dòng)識(shí)別，設(shè)計(jì)了一套適合于檢測(cè)微小軸承表面缺陷的系統(tǒng)． 該系統(tǒng)可以采集到高質(zhì)量的圖像信息．利用SUSAN 算子實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖像的分割和微小軸承表面缺陷的快速檢測(cè)。蘇俊宏等［5］針對(duì)圓柱型零件高曲率表面缺陷及外形尺寸不能同時(shí)進(jìn)行在線檢測(cè)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于機(jī)器視覺(jué)的在線檢測(cè)系統(tǒng)。Yang 等［6］利用機(jī)器視覺(jué)的方法實(shí)時(shí)在線檢測(cè)圓錐滾子的表面缺陷。以上基于機(jī)器視覺(jué)的方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，易于實(shí)現(xiàn)信息集成，但在檢測(cè)微小圓錐滾子表面缺陷有一定的局限性，往往受到CCD 相機(jī)的光學(xué)物理參數(shù)、光學(xué)投射器特征參數(shù)、傳感器本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)及外界干擾源等等的影響。Jena［7］提出采用振動(dòng)方法來(lái)檢測(cè)缺陷，但是這種基于振動(dòng)的方法對(duì)小缺陷的檢測(cè)效果比較不明顯。

本研究采用光學(xué)單縫衍射原理搭建圓錐滾子外觀缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，可以提高缺陷的檢測(cè)精度和效率。

1 形態(tài)學(xué)算法

為了使得到的衍射條紋更清晰，通過(guò)采用形態(tài)學(xué)運(yùn)算算法，可有效平滑條紋邊緣、去除噪點(diǎn)。形態(tài)學(xué)運(yùn)算是一種根據(jù)形態(tài)學(xué)思想發(fā)展起來(lái)的圖像處理方法，主要的處理對(duì)象是二值圖像。其主要內(nèi)容是根據(jù)設(shè)計(jì)的運(yùn)算、算法、概念，描述圖像的基本特點(diǎn)。根據(jù)形態(tài)學(xué)的基本算法，處理和觀察圖像，可以達(dá)到改善圖像質(zhì)量的目的。描述圖像的各種幾何特征，如面積、骨架、周長(zhǎng)等，這些數(shù)據(jù)可用于判斷缺陷。最基本的形態(tài)學(xué)運(yùn)算有開(kāi)運(yùn)算和閉運(yùn)算［10］。

形態(tài)學(xué)開(kāi)運(yùn)算是指先對(duì)圖像進(jìn)行腐蝕操作后膨脹處理，以達(dá)到移除獨(dú)立的小區(qū)域、小目標(biāo)、平滑較大目標(biāo)的邊緣的目的，同時(shí)不明顯改變圖像的面積。

開(kāi)運(yùn)算的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中:S—開(kāi)運(yùn)算后的圖像;X—二值化后的圖像;B—用來(lái)表示開(kāi)運(yùn)算的結(jié)構(gòu)，每一個(gè)結(jié)構(gòu)元素的值為0或1。

利用開(kāi)運(yùn)算可以有效去除衍射條紋中存在的噪點(diǎn)。

形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算是指先對(duì)圖像進(jìn)行膨脹操作后腐蝕處理，以達(dá)到填充物體目標(biāo)圖像內(nèi)部微小的縫隙和孔洞，連接相鄰目標(biāo)以及平滑目標(biāo)邊緣的目的，同時(shí)不明顯改變目標(biāo)圖像的面積。

閉運(yùn)算的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以表示為:

式中:SB—閉運(yùn)算后的圖像;X—二值化后的圖像;B—用來(lái)表示閉運(yùn)算的結(jié)構(gòu)，每一個(gè)結(jié)構(gòu)元素的值為0或1。

2 基于光學(xué)單縫衍射的圓錐滾子外觀缺陷檢測(cè)系統(tǒng)

當(dāng)光通過(guò)與波長(zhǎng)相比限度足夠小的障礙物時(shí)，理論上的陰影區(qū)域會(huì)觀察到光，且光的強(qiáng)度并非均勻分布，這就是光的衍射現(xiàn)象［8］。

夫瑯禾費(fèi)單縫衍射如圖1 所示。

圖1 夫瑯禾費(fèi)單縫衍射

單縫A－B 面上的子波源發(fā)出的平行光經(jīng)聚焦在觀察屏上的透鏡焦點(diǎn)O。由透鏡近軸光線的等光程性可知，A－B 上個(gè)子波源發(fā)出的光到O 點(diǎn)的光程相等，因此各光線在O 點(diǎn)相互疊加呈現(xiàn)出明亮條紋，即中央明紋。

根據(jù)菲涅爾半波帶法，單縫兩端的子波源發(fā)出的光到P 點(diǎn)的光程差滿足下式:

式中:a—單縫寬度;φ—衍射角;m—半波帶數(shù);λ 為平行光波長(zhǎng)。

當(dāng)m 為偶數(shù)時(shí)，相鄰兩個(gè)半波帶上相應(yīng)的子波源發(fā)出的光的光程差為半波的奇數(shù)倍，在觀察屏上干涉相消，呈現(xiàn)出暗條紋。同理，當(dāng)m 為奇數(shù)時(shí)，將會(huì)剩下一個(gè)半波帶無(wú)法被消除，在觀察屏上呈現(xiàn)出明條紋。對(duì)于其他無(wú)法滿足式(3)的任意衍射角，此時(shí)的衍射光束介于明暗之間的中間區(qū)域［9］。

衍射光路是圓錐滾子外觀缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，衍射條紋的清晰與否直接影響后續(xù)圖像處理算法的難易程度和處理效果，因此光路的搭建至關(guān)重要。

檢測(cè)系統(tǒng)如圖2(a)所示，光路主要由5 個(gè)部分組成:激光器、透鏡、單縫、觀察屏、以及帶有透鏡的CMOS 攝像頭。單縫是利用一個(gè)靜止的圓柱靠近圓錐滾子表面產(chǎn)生的。另外，由于要檢測(cè)圓錐滾子的整個(gè)表面，所以需要讓圓錐滾子轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。該系統(tǒng)采用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱帶動(dòng)圓錐滾子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圓錐滾子表面曲面的檢測(cè)。圓錐滾子轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置如圖2(b)所示。為了檢測(cè)圓錐滾子錐面所有區(qū)域的缺陷，這個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓柱是通過(guò)摩擦力帶動(dòng)圓錐滾子的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)錐面所有區(qū)域的缺陷。從上述的單縫產(chǎn)生的衍射條紋，照射到如圖2(a)所示的觀察屏上，再利用CMOS 攝像頭可以拍攝一系列不同圓錐滾子表面位置的衍射條紋實(shí)現(xiàn)圖像的采集。

圖2 圓錐滾子外觀缺陷檢測(cè)系統(tǒng)

當(dāng)圓錐滾子表面不存在缺陷的時(shí)候，衍射條紋基本是平行的如圖3(a)所示。當(dāng)滾子表面存在缺陷時(shí)(相當(dāng)于單縫寬度發(fā)生變化)，此時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)可以將圓錐滾子表面上的缺陷轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的衍射條紋，此時(shí)衍射條紋將會(huì)在圓錐滾子相應(yīng)部位會(huì)產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象，如圖3(b)箭頭所示的地方。利用CMOS 攝像頭可以實(shí)時(shí)捕捉條紋，一旦條紋發(fā)生變化就說(shuō)明該處存在缺陷。這是檢測(cè)系統(tǒng)的基本原理。

圖3 實(shí)驗(yàn)采集到的衍射條紋

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了便于提取上述因缺陷存在導(dǎo)致衍射條紋發(fā)生的局部變化，該系統(tǒng)利用有缺陷和無(wú)缺陷圓錐滾子衍射條紋圖像的差運(yùn)算來(lái)突出這種變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的有效檢測(cè)。圖像的差運(yùn)算也稱為差分運(yùn)算，是一種常用于檢測(cè)物體運(yùn)動(dòng)及圖像變化的圖像處理方法。處理原理是將一個(gè)圖像矩陣中的像素值減去另一個(gè)圖像矩陣中對(duì)應(yīng)的像素值，并將得到的差值取絕對(duì)值依次賦值到另一個(gè)矩陣中，最后得到的便是兩幅圖像進(jìn)行差運(yùn)算后的圖像。

有表面缺陷和無(wú)表面缺陷圓錐滾子的衍射條紋圖像分別如圖4(a)和(b)所示。對(duì)有表面缺陷圓錐滾子表面缺陷衍射條紋圖像和無(wú)缺陷圖像進(jìn)行差運(yùn)算結(jié)果如圖4(c)所示，從圖中可以看出在圓錐滾子缺陷處存在一些條紋，同時(shí)在非缺陷出也存在不同程度的噪聲。

本研究利用形態(tài)學(xué)運(yùn)算平滑條紋邊緣并去除噪點(diǎn)，結(jié)果如圖4(d)所示。從圖中可以清晰準(zhǔn)確得到圓錐滾子表面缺陷的存在。在實(shí)際工程應(yīng)用中，利用CMOS 攝像頭可以實(shí)時(shí)捕捉條紋，一旦經(jīng)過(guò)差運(yùn)算和形態(tài)學(xué)運(yùn)算的增強(qiáng)條紋有存在就說(shuō)明該圓錐滾子存在缺陷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)有缺陷產(chǎn)品的篩選，可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的自動(dòng)化。

圖4 圓錐滾子的衍射條紋圖像處理

4 結(jié)束語(yǔ)

為了解決目前基于目視法的軸承滾子表面加工質(zhì)量檢測(cè)效率低，且容易受人為因素影響的問(wèn)題，基于光學(xué)單縫衍射原理，本研究搭建了圓錐滾子外觀缺陷檢測(cè)系統(tǒng)。筆者利用CMOS 攝像頭采集了一系列不同圓錐滾子表面位置的衍射條紋圖像，并將這些圖像和沒(méi)有缺陷圓錐滾子的衍射條紋圖像進(jìn)行差運(yùn)算，然后再利用形態(tài)學(xué)運(yùn)算算法，有效去除噪點(diǎn)，并增強(qiáng)衍射條紋，便于軸承滾子表面缺陷有效檢測(cè)和識(shí)別。

該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圓錐滾子存在表面缺陷產(chǎn)品的篩選，可以高效可靠地實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的自動(dòng)化，可推薦應(yīng)用于實(shí)際的軸承工業(yè)中。

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