張紀(jì)磊，張　勇，孫　江

(海軍航空工程學(xué)院 理化實(shí)驗(yàn)中心，山東 煙臺(tái) 264001)

基于數(shù)字全息技術(shù)的鋼球在線檢測(cè)分選裝置設(shè)計(jì)

張紀(jì)磊，張勇，孫江

(海軍航空工程學(xué)院 理化實(shí)驗(yàn)中心，山東 煙臺(tái) 264001)

摘要：從鋼球在線檢測(cè)裝置的檢測(cè)精度和檢測(cè)效率出發(fā)，對(duì)鋼球在線檢測(cè)的檢測(cè)方法和檢測(cè)裝置進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。重點(diǎn)介紹了通過(guò)激光干涉獲取鋼球干涉全息圖像的基本方法與裝置設(shè)計(jì)方案,介紹了如何利用數(shù)字全息技術(shù)處理干涉圖像及鋼球等級(jí)評(píng)定和分選的具體方法。

關(guān)鍵詞：鋼球；在線檢測(cè)；激光干涉；數(shù)字全息

鋼球是軸承的最重要配件，也是軸承行業(yè)使用最多的滾動(dòng)體。鋼球質(zhì)量的好壞直接影響著軸承的精度、運(yùn)動(dòng)性能以及使用壽命。鋼球檢測(cè)分級(jí)是鋼球進(jìn)入流通的第1個(gè)環(huán)節(jié)，直接影響著軸承的質(zhì)量和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響整個(gè)機(jī)械行業(yè)的發(fā)展水平[1]。對(duì)生產(chǎn)出來(lái)的鋼球進(jìn)行檢測(cè)和分級(jí)能最大限度地提高軸承的質(zhì)量，發(fā)揮鋼球的價(jià)值。

目前，比較成熟的鋼球檢測(cè)方法主要有：渦流探傷法、超聲波探傷法、光電檢測(cè)法和視覺(jué)檢測(cè)法[2-3]。這幾種檢測(cè)方法各有優(yōu)勢(shì)，但都存在一個(gè)共同的問(wèn)題，即很難同時(shí)兼顧檢測(cè)精度和檢測(cè)速度。本文設(shè)計(jì)了一種利用數(shù)字全息技術(shù)完成鋼球檢測(cè)的新型在線檢測(cè)裝置，可有效提高檢測(cè)的精度，同時(shí)又能保證良好的在線檢測(cè)速度。

1總體設(shè)計(jì)

整套裝置由5部分組成，包括樣品表面清洗干燥系統(tǒng)、機(jī)械分選系統(tǒng)、表面展開(kāi)系統(tǒng)、光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)、圖像采集與處理系統(tǒng)?？傮w設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　總體設(shè)計(jì)

表面清洗干燥系統(tǒng)通過(guò)超聲波清洗和微波烘干，清理待檢鋼球表面的油污和水漬，以便后期光學(xué)檢測(cè)環(huán)節(jié)能得到較好的干涉圖像，避免因表面污漬而產(chǎn)生誤檢和錯(cuò)檢。

機(jī)械分選系統(tǒng)分為檢前粗分和檢后細(xì)分兩部分。檢前粗分是通過(guò)不同孔徑大小的分選機(jī)構(gòu)進(jìn)行粗選，使直徑在不同范圍內(nèi)的待測(cè)鋼球被分選到不同的光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)中；檢后細(xì)分是指通過(guò)光學(xué)檢測(cè)和圖像分析處理后的鋼球會(huì)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果被判定等級(jí)，并據(jù)此將其分選。

表面展開(kāi)系統(tǒng)是通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置使鋼球產(chǎn)生一定規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，將鋼球表面分割成不同的球冠區(qū)域，分別進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)，提高檢測(cè)精度。鋼球表面分割成的區(qū)域越多，檢測(cè)速度會(huì)越慢，但檢測(cè)精度會(huì)越高，可通過(guò)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的頻率和轉(zhuǎn)速來(lái)改變鋼球表面的區(qū)域分割數(shù)量，從而合理控制檢測(cè)速度和檢測(cè)精度。

光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)主要是通過(guò)激光干涉的方法得到待檢鋼球的干涉全息圖像。與傳統(tǒng)鋼球光學(xué)檢測(cè)方法不同的是，該方法得到的干涉圖像包含了鋼球的三維信息，比傳統(tǒng)方法得到的二維圖像包含的信息量要多很多。隨著檢測(cè)鋼球的被檢球冠區(qū)域的增大，所得鋼球信息將成幾何倍數(shù)增長(zhǎng)，從而大大提高了檢測(cè)效率；同時(shí)，干涉法的檢測(cè)精度也是平面成像檢測(cè)法無(wú)法企及的，這就很好地解決了檢測(cè)速度與檢測(cè)精度無(wú)法兼顧的行業(yè)難題。

圖像采集與處理系統(tǒng)利用CCD攝像頭將干涉圖像生成數(shù)字信息，并輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，通過(guò)數(shù)字全息技術(shù)對(duì)干涉圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理和統(tǒng)計(jì)，從而得到待檢鋼球的公稱直徑、公差等級(jí)、直徑規(guī)值、圓度和表面粗糙度等指標(biāo)，快速完成鋼球分選，統(tǒng)計(jì)球批信息。

表面清洗干燥系統(tǒng)、機(jī)械分選系統(tǒng)和表面展開(kāi)系統(tǒng)是鋼球全項(xiàng)檢測(cè)儀的常規(guī)機(jī)構(gòu)，大多同類裝置中都有類似的結(jié)構(gòu)[4-7]，相關(guān)原理和細(xì)節(jié)本文中不做詳細(xì)介紹，下述將重點(diǎn)介紹該裝置的光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)和圖像采集與處理系統(tǒng)。

2光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)

該裝置的光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)主要通過(guò)激光干涉的方法獲取鋼球的干涉全息圖像，從中提取相關(guān)信息來(lái)完成鋼球檢測(cè)。干涉技術(shù)在光學(xué)檢測(cè)中一直占有重要的地位，由于光干涉法的測(cè)量精度高，許多精密和超精密加工中的測(cè)量工作都是根據(jù)光干涉法實(shí)現(xiàn)的[8]；但是干涉法的測(cè)量速度普遍不高，所以在在線檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用不多。怎樣在保證檢測(cè)精度的同時(shí)提高檢測(cè)精度是本文研究的重點(diǎn)。

2.1光路設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)是在泰曼-格林干涉原理的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的，具體光路如圖2所示。由激光器產(chǎn)生光源，通過(guò)光欄濾波產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)單色光，通過(guò)擴(kuò)束鏡將點(diǎn)光源發(fā)出的球面波變成平面波，形成直徑擴(kuò)大的準(zhǔn)直光束，然后經(jīng)過(guò)孔徑光闌控制光束直徑。光束由分束器形成振動(dòng)方向相同、傳播方向垂直的2束相關(guān)光。其中一束射向參考鋼球，經(jīng)其表面反射回來(lái)的光束作為參考波前；另一束射向待測(cè)鋼球，其反射光作為測(cè)試波前。2束放射光再次經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡后匯成一束，在成像屏上形成干涉圖像。圖像由CCD采集錄入圖像采集與處理系統(tǒng)。

圖2　光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2各元器件的作用和特點(diǎn)

該裝置從最終干涉圖像的質(zhì)量和圖像分析的速度方面考慮，進(jìn)行了多方面研究與試驗(yàn)，對(duì)傳統(tǒng)泰曼-格林干涉儀的各個(gè)元器件進(jìn)行了多處改進(jìn)。

光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)采用的光源是發(fā)光二極管激光器，其體積小，便于安裝、拆卸和更換，較其他激光器更適合用于該套裝置，可以減小整套裝置的體積；但是發(fā)光二極管產(chǎn)生的激光光束單色性較差，所以在該裝置中加裝了光欄濾波，以得到較好的單色光[9]。

為了得到較好的干涉效果，激光需經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡準(zhǔn)直和擴(kuò)束才可作為相干光源使用，光強(qiáng)太大或太小都會(huì)影響最終所形成干涉圖像的質(zhì)量。由于光束的光強(qiáng)與可照射面積成反比關(guān)系，可通過(guò)調(diào)節(jié)擴(kuò)束鏡內(nèi)透鏡的位置改變出射光束的直徑，從而調(diào)節(jié)入射光強(qiáng)，得到最佳入射光源。

入射光束孔徑太大會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的環(huán)境光，影響干涉圖像的效果，這時(shí)可通過(guò)孔徑光闌來(lái)改變干涉光路的光線直徑，從而得到更加理想的干涉圖像，提高檢測(cè)的精度。

該裝置采用的分束鏡也有所改進(jìn)，在常規(guī)分束鏡的基礎(chǔ)上鍍了一層透射率一定的半透半反膜，從而控制2束相干光的光強(qiáng)比，很好地改善了干涉圖像的質(zhì)量。參考波前和測(cè)試波前的反射面分別由參考鋼球與待測(cè)鋼球的球面來(lái)充當(dāng)，目的也是為了保證2束相干光的光強(qiáng)比。由于使用球面作為參考波前和測(cè)試波前的反射面，所以干涉圖像要比待測(cè)鋼球的尺寸大出幾十倍(具體倍數(shù)由裝置中各元器件間的距離決定)，在小直徑鋼球檢測(cè)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

2.3檢測(cè)原理

光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)主要是通過(guò)干涉圖像來(lái)分析計(jì)算待檢鋼球的公稱直徑、公差等級(jí)、直徑規(guī)值、圓度和表面粗糙度等指標(biāo)。為保證干涉圖像的形成和干涉圖像之間的可比性，參考鋼球直徑需略大于待測(cè)鋼球，這就需要在檢前粗選環(huán)節(jié)控制好進(jìn)入各光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的鋼球尺寸。雖然每個(gè)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)只能檢測(cè)一定直徑范圍內(nèi)的鋼球，但一套裝置中可安裝多個(gè)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)需要調(diào)節(jié)參考鋼球的尺寸就可改變光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)范圍。

干涉圖像可以看作是待測(cè)鋼球的反射光與參考鋼球經(jīng)分束鏡所成像的反射光相干涉而形成的。當(dāng)待測(cè)鋼球?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)圓球時(shí)，就會(huì)形成同心圓環(huán)形的干涉圖像(見(jiàn)圖3)。待測(cè)鋼球直徑不同，所形成的干涉條紋也不相同?？梢杂筛骷?jí)干涉條紋的直徑和裝置中其他元器件的尺寸計(jì)算出待測(cè)鋼球的直徑，這一工作可由圖像采集與處理系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)完成。

圖3　干涉成像原理圖

3圖像處理系統(tǒng)

圖像處理系統(tǒng)由會(huì)聚透鏡、CCD攝像頭、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和顯示器五部分組成(見(jiàn)圖2)。會(huì)聚透鏡可控制CCD所采集的干涉圖像大小，CCD和數(shù)據(jù)采集卡將干涉圖像變成黑白圖像形式的數(shù)字信息存入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)完成干涉圖像的信息處理。

圖像處理系統(tǒng)主要是應(yīng)用數(shù)字全息技術(shù)來(lái)完成圖像的信息處理，通過(guò)CCD光電成像器件，在物場(chǎng)的連續(xù)變化過(guò)程中記錄多幅數(shù)字全息圖，然后利用數(shù)值計(jì)算出不同時(shí)刻物場(chǎng)的復(fù)振幅分布，將其進(jìn)行比較可得到相應(yīng)的干涉相位差。利用其與待測(cè)物理量之間的關(guān)系，可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)物場(chǎng)三維信息的實(shí)時(shí)測(cè)量[10]。該方法具有測(cè)量精度高、響應(yīng)靈敏和可實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，因此，在許多研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，特別是在精密幾何量的非接觸式測(cè)量方面優(yōu)勢(shì)明顯。

通過(guò)數(shù)字全息技術(shù)可以很好地實(shí)現(xiàn)鋼球直徑的測(cè)量計(jì)算工作，但是計(jì)算過(guò)程還是比較復(fù)雜，所需時(shí)間較長(zhǎng)[11]。實(shí)際鋼球批量檢測(cè)過(guò)程中，每個(gè)鋼球直徑的具體數(shù)值并不是必需的，只需要知道待測(cè)鋼球的直徑是否在某一誤差范圍內(nèi)就可以判定該鋼球的等級(jí)。為了能夠快速完成檢測(cè)，可以將待測(cè)鋼球的干涉圖像與計(jì)算機(jī)計(jì)算得到的比對(duì)參考圖像進(jìn)行比對(duì)，就可以判定該待測(cè)鋼球的等級(jí)，具體方法如下。

本文以公稱直徑15 mm，公差等級(jí)G3的球批檢測(cè)為例。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)GBT 308—2002可知，該球批的球直徑變動(dòng)量應(yīng)<0.08 mm，即滿足該等級(jí)要求的鋼球直徑應(yīng)為14.96～15.04 mm，則該球批的比對(duì)參考圖像可由直徑為15.04 mm的標(biāo)準(zhǔn)球干涉圖像(見(jiàn)圖4中虛線所示)與直徑為14.96 mm的標(biāo)準(zhǔn)球干涉圖像(見(jiàn)圖4中實(shí)線所示)合成得到。應(yīng)用軟件將兩干涉圖像中心對(duì)齊后布爾相加，兩干涉圖像同級(jí)干涉條紋之間的區(qū)域(見(jiàn)圖4中虛線與實(shí)線之間的區(qū)域)填充后即可生成比對(duì)參考圖像。將待測(cè)鋼球的干涉圖像與比對(duì)參考圖像布爾相加后，再與之布爾相減，如結(jié)果為零，即生成圖像為空白，則計(jì)算機(jī)判定待測(cè)鋼球滿足G3等級(jí)，進(jìn)入G3等級(jí)分選通道；反之，則判定待測(cè)鋼球低于G3等級(jí)，進(jìn)入下一等級(jí)的圖像比對(duì)。

圖4　比對(duì)參考圖像合成原理

不同等級(jí)的比對(duì)參考圖像做好后，系統(tǒng)就可按此方法自動(dòng)完成球批各個(gè)等級(jí)的檢測(cè)與分選。采用該方法進(jìn)行圖形比對(duì)可大大減少計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量，提高裝置的工作效率。

4結(jié)語(yǔ)

該裝置通過(guò)激光干涉法保證了測(cè)量精度，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)干涉圖像進(jìn)行處理比對(duì)提高了檢測(cè)分選速度，從而解決了目前軸承行業(yè)中鋼球檢測(cè)技術(shù)無(wú)法兼顧檢測(cè)精度和檢測(cè)速度的問(wèn)題，大副度提高了鋼球檢測(cè)的精度和效率，有效保證了軸承的質(zhì)量，提高了相關(guān)工業(yè)產(chǎn)品的品質(zhì)，特別對(duì)于精度質(zhì)量要求較高的軍工領(lǐng)域有著非常重要的意義，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

該裝置的干涉光路設(shè)計(jì)在曲面檢測(cè)，特別是小曲率半徑表面缺陷檢測(cè)和曲率半徑高精度測(cè)量方面有著獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。對(duì)于圓球形、圓柱形、曲面精密機(jī)械元件和光學(xué)元器件的檢測(cè)有著重要的參考價(jià)值。

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責(zé)任編輯鄭練

Design for Steel Ball Online Detecting and Sorting Device based on Digital Holography

ZHANG Jilei, ZHANG Yong, SUN Jiang

(Physical and Chemical Experiment Center, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

Abstract:From the point of detection accuracy and detection efficiency of the steel ball online detection and sorting device, studied detection method and detection device of steel ball online detection. Focused on the basic method to get interference holographic image of steel ball through the laser interferometer and device design, introduced how to use digital holographic technology processing interferometry image, and the methods of grade evaluation and sorting.

Key words:steel ball, online detecting, laser interferometer, digital holographic

收稿日期：2014-06-25

作者簡(jiǎn)介：張紀(jì)磊(1982-)，男，工程師，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TH 702

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A