江 磊,朱華炳,王 烽,趙明利

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009)

0 引言

汽車半軸的功能主要是將減速器的扭矩傳遞到驅(qū)動(dòng)輪的輪轂上，其內(nèi)端帶有花鍵，花鍵的加工質(zhì)量對(duì)半軸的使用壽命、聯(lián)結(jié)性能都有著很大的影響[1]。目前，對(duì)于花鍵的檢測(cè)，工廠采用人工抽檢的方式，利用量棒、游標(biāo)卡尺、千分尺或目測(cè)等方法來(lái)檢測(cè)花鍵，漏檢率高，花鍵質(zhì)量難以保證。

機(jī)器視覺(jué)的快速發(fā)展為生產(chǎn)制造提供了更多的解決方法，機(jī)器視覺(jué)在檢測(cè)生產(chǎn)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，如秦豆豆等設(shè)計(jì)搭建視覺(jué)檢測(cè)平臺(tái)來(lái)計(jì)算沖壓件的外觀以及幾何尺寸和中心坐標(biāo)[2]，董芳凱等基于機(jī)器視覺(jué)對(duì)閥門(mén)零件的同軸度的測(cè)量進(jìn)行了研究[3]，此外，機(jī)器視覺(jué)還廣泛應(yīng)用于交通[4-5]、缺陷檢測(cè)[6]、分揀識(shí)別[7-8]以及農(nóng)業(yè)檢測(cè)[9-10]等領(lǐng)域，給檢測(cè)生產(chǎn)帶來(lái)了極大的效率和便利。但是視覺(jué)檢測(cè)還沒(méi)有運(yùn)用到半軸花鍵的測(cè)量上，關(guān)月等曾利用視覺(jué)技術(shù)來(lái)檢測(cè)小模數(shù)的樣板花鍵參數(shù)[11]，但搭建的平臺(tái)測(cè)量對(duì)象受限于小尺寸小模數(shù)的塑料花鍵，工業(yè)檢測(cè)應(yīng)用受到限制。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用到汽車半軸的花鍵參數(shù)檢測(cè)中，實(shí)現(xiàn)花鍵的多參數(shù)檢測(cè)。

1 半軸花鍵視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 半軸花鍵視覺(jué)檢測(cè)的設(shè)計(jì)

半軸花鍵檢測(cè)系統(tǒng)整體分為硬件和軟件兩大部分，硬件部分包括CCD相機(jī)、工業(yè)鏡頭、光源和計(jì)算機(jī)等，主要負(fù)責(zé)圖像采集部分的工作；軟件部分分為圖像采集輔助軟件Mindvision、圖像處理軟件Halcon以及系統(tǒng)用戶軟件。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 半軸花鍵視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

1.2 半軸花鍵視覺(jué)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

針對(duì)企業(yè)生產(chǎn)的半軸規(guī)格，本檢測(cè)系統(tǒng)選用Industrial Vision生產(chǎn)的HT-U300C相機(jī)，焦距8mm工業(yè)鏡頭，照明方案選用環(huán)形光源，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建如圖2所示。

圖2 半軸花鍵視覺(jué)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2 相機(jī)的標(biāo)定

在機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中，由于光學(xué)鏡頭的成像特性，所采集到的圖片都存在一定的畸變，對(duì)于本花鍵參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，畸變導(dǎo)致的圖像幾何失真將直接影響后續(xù)的圖像處理及參數(shù)測(cè)量，因此必須對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定從而矯正圖像的畸變。另一方面，本系統(tǒng)基于圖像處理的花鍵檢測(cè)所測(cè)量的是花鍵圖像的像素尺寸，為了得到花鍵的實(shí)際物理尺寸，則必須得到該系統(tǒng)的像素尺寸與物理尺寸的當(dāng)量關(guān)系，所以須對(duì)系統(tǒng)標(biāo)定從而得到像素當(dāng)量。

使用Halcon標(biāo)定板可以快速對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定精度可以達(dá)到±150nm[12],適合高精度的測(cè)量工作，本系統(tǒng)采用48mm×48mm原點(diǎn)陣列標(biāo)定板，通過(guò)標(biāo)定可以得到相機(jī)焦距f，像元尺寸Sx、Sy，畸變系數(shù)k，投影中心在成像平面的垂直投影Cx、Cy如表1所示。

表1 相機(jī)標(biāo)定參數(shù)結(jié)果

另外，經(jīng)過(guò)標(biāo)定可以得到，本系統(tǒng)的像素當(dāng)量為56.0064μm/pixels。

3 花鍵的圖像處理

3.1 圖像的預(yù)處理

根據(jù)檢測(cè)要求，本次檢測(cè)有效區(qū)域主要是花鍵的齒廓部分。由于采用的環(huán)形光源，通過(guò)觀察到采集到花鍵圖像，可以發(fā)現(xiàn)其端面存在劃痕磨損等，這些細(xì)節(jié)會(huì)直接影響后期的輪廓提取。另一方面，由于花鍵齒形較小，在采集到的圖片中，輪廓提取時(shí)與環(huán)境區(qū)分度不高。由于上述原因，在輪廓提取前必須在Halcon中采用相關(guān)算子對(duì)花鍵原始圖像進(jìn)行預(yù)處理。

本系統(tǒng)的主要預(yù)處理步驟有：灰度化處理、圖像增強(qiáng)、閾值分割，圖像變化如圖3所示。

(a) 原始圖像 (b)灰度化處理

(c) 圖像增強(qiáng) (d) 閾值分割 圖3 圖像預(yù)處理過(guò)程

3.2 輪廓提取

圖像的邊緣表達(dá)了圖像的基本特征，對(duì)于本檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，花鍵的邊緣輪廓是待檢測(cè)的關(guān)鍵特征，因此，圖像的邊緣提取對(duì)本檢測(cè)系統(tǒng)意義重大。提取邊緣時(shí)根據(jù)像素級(jí)別分為像素邊緣提取和亞像素邊緣提取。傳統(tǒng)的邊緣提取精度一般只能達(dá)到一個(gè)像素，本系統(tǒng)采用的CCD相機(jī)芯片中，一個(gè)像素的尺寸為3.2μm，如根據(jù)像素邊緣提取，花鍵邊緣信息會(huì)由于像素之間的距離呈現(xiàn)鋸齒狀，影響真實(shí)輪廓的提取精度，致使整體系統(tǒng)達(dá)不到檢測(cè)要求。亞像素邊緣提取是在像素基礎(chǔ)上，對(duì)像素單位進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化，這種方法可以在相機(jī)硬件條件不變的情況下，通過(guò)軟件算法來(lái)提高輪廓檢測(cè)精度。在亞像素級(jí)別下，采用Canny算子對(duì)花鍵端面輪廓進(jìn)行邊緣提取。提取邊緣信息如圖4所示。

圖4 花鍵輪廓信息

4 參數(shù)檢測(cè)

4.1 花鍵基本參數(shù)的確定

漸開(kāi)線花鍵的基本參數(shù)有齒數(shù)、大徑、小徑，在視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中，檢測(cè)上述參數(shù)的前提是找到花鍵端面的中心點(diǎn)，之后在此中心點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行大徑和小徑的擬合，從而求得花鍵的一系列參數(shù)。

(1)花鍵中心的確定

本文通過(guò)三點(diǎn)定圓的方式對(duì)花鍵的大徑進(jìn)行擬合圓，得到花鍵的幾何中心點(diǎn)O(x0,y0)。具體流程如下：

1)采集的花鍵端面圖像輪廓處理后，每3個(gè)不相鄰的大徑鍵齒頂點(diǎn)進(jìn)行一次圓擬合，多次擬合后，得到若干個(gè)花鍵的大徑圓Oi及圓心的坐標(biāo)值O(xi,yi)；

2)計(jì)算大徑圓圓心的算術(shù)平均值：

(1)

(2)

多次擬合可以有效減小系統(tǒng)的隨機(jī)誤差，最終計(jì)算得到的花鍵中心坐標(biāo)表達(dá)式為：

(3)

(2)花鍵大徑參數(shù)檢測(cè)

上文中已經(jīng)求得了花鍵中心的坐標(biāo)位置，在花鍵的端面輪廓中，以O(shè)(x0,y0)為圓心，花鍵大徑的鍵齒頂點(diǎn)(xai,yai)為圓邊界做圓Oai，則圓Oai的直徑dai即為花鍵的大徑，通過(guò)Z個(gè)鍵齒頂點(diǎn)多次作圓，計(jì)算dai的算術(shù)平均值即為花鍵的大徑da。

(4)

(3)花鍵小徑參數(shù)檢測(cè)

在花鍵的端面輪廓中，以花鍵中心O(x0,y0)為圓心，花鍵小徑的鍵齒槽頂點(diǎn)(xfi,yfi)為圓邊界做圓Ofi，則圓Ofi的直徑dfi即為花鍵的小徑，通過(guò)Z個(gè)鍵齒槽頂點(diǎn)多次作圓，計(jì)算dfi的算術(shù)平均值即為花鍵的小徑。

(5)

(4)花鍵齒數(shù)檢測(cè)

在花鍵的端面輪廓中，以花鍵中心O(x0,y0)為圓心，d(df

(6)

圖5 花鍵齒數(shù)檢測(cè)示意圖

4.2 花鍵跨棒距檢測(cè)

跨棒距M的一般檢測(cè)方法為人工選取兩根量棒，放置在花鍵相對(duì)180°或接近180°的兩個(gè)齒槽中，然后通過(guò)外測(cè)量工具測(cè)量?jī)筛堪糁g的距離，也即跨棒距M，若測(cè)量值M在理論跨棒距范圍(Mmin，Mmax)之間，則該花鍵跨棒距合格，見(jiàn)圖6。確定跨棒距M的分析過(guò)程如下：

圖6 花鍵跨棒距檢測(cè)示意圖

當(dāng)花鍵為偶數(shù)齒時(shí)：

(7)

當(dāng)花鍵為奇數(shù)齒時(shí)：

(8)

通過(guò)上式可以看出，花鍵的跨棒距M與花鍵的齒厚S存在定量關(guān)系，因此，花鍵跨棒距的檢測(cè)問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為花鍵齒厚的檢測(cè)。對(duì)于齒厚的檢測(cè)，如圖7所示，在花鍵輪廓的基礎(chǔ)上，生成花鍵的分度圓輪廓，可以得到兩輪廓之間的若干交點(diǎn)1、2、3、4…，根據(jù)齒厚定義，交點(diǎn)1-2、3-4、5-6…之間的弧長(zhǎng)即為花鍵的齒厚Si。通過(guò)對(duì)比Si是否在(Smin，Smax)的設(shè)計(jì)齒厚范圍，從而判斷該花鍵跨棒距是否合格。

圖7 花鍵齒厚檢測(cè)(截取部分)

5 實(shí)驗(yàn)

在Windows平臺(tái)下，聯(lián)合HALCON和C#，開(kāi)發(fā)出半軸花鍵視覺(jué)檢測(cè)的系統(tǒng)軟件。選用型號(hào)D896的半軸作為被檢測(cè)對(duì)象，該半軸的花鍵模數(shù)1.667mm，齒數(shù)31，基本齒形壓力角20°，變位系數(shù)0.8。通過(guò)游標(biāo)卡尺多次測(cè)量并記錄待測(cè)花鍵的大徑和小徑，然后取其平均值作為卡尺測(cè)量值；再將待測(cè)花鍵通過(guò)本檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量得到一組數(shù)據(jù)，作為系統(tǒng)測(cè)量值，通過(guò)對(duì)比兩組數(shù)據(jù)之間的差值就可以得到本半軸花鍵檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度，如表2所示。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖8所示。

表2 卡尺檢測(cè)值與系統(tǒng)檢測(cè)值對(duì)比

圖8 系統(tǒng)運(yùn)行界面

根據(jù)表2可知，卡尺檢測(cè)值與系統(tǒng)檢測(cè)值之間的相對(duì)誤差基本控制在0.2%以內(nèi)，滿足測(cè)量要求，論證了本測(cè)量系統(tǒng)的可行性。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)半軸花鍵的檢測(cè)問(wèn)題，本系統(tǒng)應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，通過(guò)采集花鍵端面圖像，對(duì)圖像進(jìn)行一系列處理，得到花鍵的輪廓信息，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車半軸花鍵參數(shù)的檢測(cè)，從而快速判斷花鍵加工質(zhì)量合格與否，解決了工廠實(shí)際生產(chǎn)中的花鍵檢測(cè)問(wèn)題。本檢測(cè)系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)檢測(cè)方法的弊端，提高了檢測(cè)效率，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也提高了生產(chǎn)檢測(cè)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化程度，對(duì)于企業(yè)的花鍵檢測(cè)有一定的實(shí)際意義。