李和仙

（閩南理工學(xué)院，福建石獅362700）

基于線陣CCD對(duì)鋼珠的測(cè)量及篩選方法

李和仙

（閩南理工學(xué)院，福建石獅362700）

針對(duì)鋼珠的大小和橢圓度進(jìn)行非接觸測(cè)量篩選的難題，提出了一種采用CCD光電傳感器進(jìn)行測(cè)量及篩選的方法。主要是采用兩只分別安裝在軌道兩側(cè)并且相互垂直的線陣CCD相機(jī)，通過遠(yuǎn)心照明光源對(duì)鋼球在CCD中被擋光部分的像元個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)，經(jīng)單片機(jī)完成同步采集工作，再通過電磁鐵將符合直徑要求的鋼球篩選出來。技術(shù)特點(diǎn)是精度高、非接觸測(cè)量、便攜靈活。

線陣CCD；光電傳感器；非接觸測(cè)量；篩選

隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，日新月異的測(cè)量技術(shù)促進(jìn)社會(huì)生產(chǎn)力與科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，測(cè)量技術(shù)是在各行各業(yè)加工工人都必須掌握的技術(shù)[1]。鋼球在許多工業(yè)部門使用歷史悠久，可以說有轉(zhuǎn)動(dòng)的地方大部分都有鋼球的存在，鋼珠的大小和橢圓度的測(cè)量技術(shù)至關(guān)重要。本文提出利用光學(xué)系統(tǒng)非接觸測(cè)量手段的測(cè)量技術(shù)，對(duì)在生產(chǎn)線上剛生產(chǎn)出來的鋼球逐一檢測(cè)大小、橢圓度，并利用單片機(jī)控制閥門分選出合格與不合格的鋼珠。

1 檢測(cè)信號(hào)的提取

鋼球大小、橢圓度檢測(cè)是鋼球加工過程中不可缺少的過程，其檢測(cè)的基本原理，見圖1[2]。由遠(yuǎn)心照明燈（圖中1、6）發(fā)出的一組平行光（圖中2、7）入射到被測(cè)件面（圖中3、8）上，設(shè)平行光與被測(cè)件面法線夾角為45°，成像物鏡（圖中4、9）的光軸與遠(yuǎn)心照明燈同軸，且與被測(cè)件面法線夾角也為45°，即線陣CCD（圖中5、10相互垂直）的像平面平行于入射光線。

我們知道，從圖像傳感器(面陣或線陣)得到的視頻信號(hào)是一個(gè)模擬信號(hào)，為了使復(fù)雜的圖形、文字、物體輪廓邊緣等信號(hào)簡(jiǎn)單化易識(shí)別，需要把圖形或信號(hào)二值化，方便再作進(jìn)一步處理[3]。其中每一個(gè)像元對(duì)應(yīng)的信號(hào)大小都反映了該像元上光強(qiáng)的大小，可以是連續(xù)變化的。但在對(duì)鋼珠逐一檢測(cè)大小、橢圓度應(yīng)用中，我們關(guān)心的只是對(duì)象的輪廓或邊沿信息，比如在測(cè)量球的尺寸時(shí)，我們只需要知道通過圓心的兩個(gè)端面所在位置就行了，這時(shí)為了便于計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和辨認(rèn)，我們常常將信號(hào)二值化，見圖2。

圖1 檢測(cè)原理圖

圖2 鋼球尺寸測(cè)量的二值化

被測(cè)對(duì)象自由下落時(shí)，在兩個(gè)CCD上得到的視頻信號(hào)，見圖3（a）。由于物體像的存在使視頻信號(hào)相應(yīng)位置凹下去，顯然對(duì)于兩個(gè)CCD，這個(gè)位置是不完全一樣的，并且這個(gè)位置的差越大，說明物體的橢圓度越大。為了求出這個(gè)位置差，我們首先要對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行二值化處理，見圖3（b）。

圖3 視頻信號(hào)及二值化

2 鋼珠直徑、橢圓度的測(cè)量過程

鋼珠直徑、橢圓度的測(cè)量原理方框圖，見圖4。由“同步驅(qū)動(dòng)器”產(chǎn)生線陣CCD所需要的各種脈沖，例如SH、CR1、CR2、RS、CP、SP等，再經(jīng)相機(jī)內(nèi)的驅(qū)動(dòng)器供給線陣CCD[4]。CCD通過光學(xué)成像系統(tǒng)采集到的鋼球直徑大小變換成線陣CCD輸出的“時(shí)序信號(hào)”，經(jīng)放大器放大后送入“二值化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”，將鋼球直徑大小變換成二值化方波，再經(jīng)過低通濾波送入“硬件二值化”的二值化數(shù)據(jù)采集器形成二值化數(shù)據(jù)，再由單片機(jī)采集并存儲(chǔ)，最后通過電磁鐵將符合要求的鋼珠篩選出來。

圖4 測(cè)量原理方框圖

3 二值化數(shù)據(jù)處理

假設(shè)要測(cè)的是生產(chǎn)線上待測(cè)鋼球的直徑，其尺寸大小在5 cm左右，希望實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)。對(duì)于100 mm以內(nèi)的尺寸測(cè)量，利用光學(xué)系統(tǒng)成像的方法比較適合。如圖2所示鋼珠的像由圖像傳感器CCD接收，通過調(diào)節(jié)成像系統(tǒng)和光路改變像的大小，以滿足CCD接收和處理。如果能夠測(cè)出CCD上像的大小L′，則物體的實(shí)際尺寸L為：

這里β為光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)，其值可通過對(duì)已知尺寸的標(biāo)準(zhǔn)工件測(cè)量得出。

下面我們來看下測(cè)出像的尺寸L'值的方法[5]。由于CCD的功能是將其上的光強(qiáng)分布轉(zhuǎn)化為串行輸出的視頻信號(hào)，再由電路處理并送到顯示器顯示，所以對(duì)于圖2所示，CCD上對(duì)應(yīng)工件像的這一部分對(duì)應(yīng)的信號(hào)值應(yīng)該比其他部分小。由于光學(xué)系統(tǒng)、CCD器件都有一定的調(diào)制傳遞函數(shù)(即對(duì)于不同的空間頻率分量系統(tǒng)對(duì)調(diào)制度的影響是不一樣的)，另外光源、工件邊沿并非都是理想的，還有噪聲、環(huán)境起伏、CCD窗口等因素的影響，使得實(shí)際得到的光強(qiáng)分布曲線并非一個(gè)理想的矩形信號(hào)，而是如圖2所示，在像的邊沿處有一定的過渡，另外還伴隨一定的噪聲起伏。因此，二值化數(shù)據(jù)處理的具體做法是設(shè)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值(介于視頻信號(hào)的最大值和最小值之間)作為閾值，當(dāng)視頻信號(hào)大于閾值時(shí)，令視頻信號(hào)的值為1，當(dāng)視頻信號(hào)小于閾值時(shí)，令視頻信號(hào)的值為0。假設(shè)確定一個(gè)閾值V0，以閾值V0為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行二值化處理(如圖2)，即大于閾值的信號(hào)我們都賦值為1，小于閾值的信號(hào)我們都賦值為0。這樣像的尺寸L′為：

其中，N是二值化后值為1的像素的個(gè)數(shù)；d是單個(gè)像素所占的尺寸大小。

二值化以后的信號(hào)使計(jì)算機(jī)進(jìn)一步處理更為方便，這樣可以很容易求得兩個(gè)CCD凹處間的距離差即橢圓度。假設(shè)n3、n4是CCD1凹處的前后邊沿對(duì)應(yīng)的像元序號(hào)，n1、n2是CCD2凹處的前后邊沿對(duì)應(yīng)的像元序號(hào)，CCD像元的尺寸距為l0，由圖3（b）知，兩個(gè)CCD凹處中心的距離差d為：

4 單片機(jī)的判別與篩選

單片機(jī)判別流程圖，見圖5，鎖存器通過單片機(jī)發(fā)送DUA和DUB信號(hào)來讀取鎖存器鎖存的數(shù)據(jù)，即圖6中每個(gè)坐標(biāo)系橫坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)（像元數(shù)）[6]。單片機(jī)在每一個(gè)FC周期中讀取的像元數(shù)是不同的，其值的變化規(guī)律是由小到大再由大到小，其中對(duì)應(yīng)的變化最大的值為小球的直徑。假設(shè)初始化d0為零，單片機(jī)讀入的信號(hào)為d，之后對(duì)d0和d進(jìn)行比較差值為d1、d2(即d1=d-d0），當(dāng)d1、d2值為最大時(shí)，將d1、d2保存為小球的直徑值；比較判斷最大直徑值是不是在合格直徑允許的公差帶（A～B）范圍內(nèi)，若不在合格值范圍內(nèi)直接啟動(dòng)電磁鐵將其分選到不合格箱內(nèi)；若在合格值范圍內(nèi)，不啟動(dòng)電磁鐵接著比較判斷相互垂直的最大直徑差值c是不是在合格的公差帶（E～F）范圍內(nèi)，若不在范圍內(nèi)直接啟動(dòng)電磁鐵將其分選掉到不合格箱內(nèi)，若合格將其分選到合格箱內(nèi)(如圖1)，結(jié)束一個(gè)鋼珠的周期判別與篩選。

圖5 單片機(jī)判別流程圖

圖6 時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)（像元數(shù)）的變化規(guī)律圖

5 結(jié)束語

利用非接觸式測(cè)量技術(shù)，有效地保護(hù)工件表面光潔度，提高檢測(cè)效率，對(duì)現(xiàn)代測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

[1]劉霞.論非接觸測(cè)量技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械檢測(cè)上的必要性[J].包鋼科技,2012,38(5):60-62.

[2]汪濤，李冬梅，李現(xiàn)華,等.CCD多功能實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].物理實(shí)驗(yàn)，2006，26（3）：8-10.

[3]張紅娜，王祁.圖像測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表，2003,40(7):19-21,36．

[4]王慶有.圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2013．

[5]王慶有.電信息綜合實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010．

[6]高玉芹.單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51編程技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

〔責(zé)任編輯 王東〕

Measuring and Screening Methods of Steel Ball Based on the Linear CCD

LI He-xian
(Minnan University of Science and Technology,Shishi Fujian,362700)

According to the size of the steel ball and no contact measuring ovality selection problem,this paper proposes a CCD photoelectric sensor for measurement and selection methods.We mainly adopt two respectively installed in orbit and perpendicular lin?ear CCD camera on both sides,by far the lighting source of steel ball in the CCD light blocking part of the number of pixels,count,com?plete synchronization acquisition by the single chip microcomputer,again through the electromagnet to meet the requirements of the di?ameter of steel ball filter out.Its technical features are:high precision,non-contact measurement,portable and flexible.

linear CCD;photoelectric sensor;non-contact measurement;screening

TH741

A

1674-0874(2017)05-0066-03

2017-05-20

李和仙(1984-)，女，福建建甌人，實(shí)驗(yàn)師，高級(jí)技師，研究方向：機(jī)器視覺技術(shù)。