0 引言

電機(jī)是風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、機(jī)床、傳輸帶等各種設(shè)備的驅(qū)動裝置，廣泛應(yīng)用于冶金、化、化工、煤炭、材、公用設(shè)施等多個行業(yè)和領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代智能技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)檢驗檢測也正朝網(wǎng)絡(luò)化、高速化、高精度化方向發(fā)展，傳統(tǒng)檢測設(shè)備、方法已經(jīng)無法完全滿足現(xiàn)代制造業(yè)的特殊要求。人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，而機(jī)器視覺檢測技術(shù)具有非接觸、精度高、速度快的優(yōu)點(diǎn)，用機(jī)器視覺檢測替代人工視覺檢查可以大大提高檢測效率和檢測精度，基于機(jī)器視覺的非接觸識別和測量已成為精密測量技術(shù)一個重要的發(fā)展方向。

傳統(tǒng)電機(jī)安裝測試方式一般是由檢測人員給被測電機(jī)安裝聯(lián)軸器，與傳感器聯(lián)軸器進(jìn)行對中，安裝過程中不斷調(diào)整被測電機(jī)的左右距離和高度，有時因為測試電機(jī)底座加工誤差，需要不斷地塞墊銅箔來修正機(jī)加工的誤差，以達(dá)到安裝要求。整個安裝過程費(fèi)時費(fèi)力，但是對中效果并不理想，遇到多批次不同規(guī)格型號的電機(jī)測試時問題尤為嚴(yán)重。通過攝像頭對目標(biāo)實施掃描搜索，控制電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的有序運(yùn)動，以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)點(diǎn)，其在檢測精度、速度及穩(wěn)定性方面都能很好地滿足應(yīng)用要求2。因此，本文探討了基于機(jī)器視覺設(shè)計檢測算法，控制閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行四軸聯(lián)動，實現(xiàn)自動化對中的方法，以實現(xiàn)快速準(zhǔn)確對中，提高檢測效率和檢測質(zhì)量。

1 視覺對中工作原理

視覺自動化對中系統(tǒng)主要分為視覺識別部分、上位機(jī)控制部分和機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行部分，視覺識別部分由工業(yè)智能相機(jī)、光源組成，上位機(jī)控制部分包括計算機(jī)、控制軟件，機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行部分包括伺服電機(jī)、控制柜、臺架、絲杠、鎖緊裝置。通過視覺識別單元檢測電機(jī)臺架中央激光器上發(fā)射出的校準(zhǔn)激光束，由上位機(jī)控制器中的空間定位算法計算獲得與聯(lián)軸對中度相關(guān)的偏差信息；主控器處理偏差信息后，發(fā)送指令給四軸伺服微動臺架，由伺服電機(jī)調(diào)整微動臺架的平移、升降、伸縮、水平旋轉(zhuǎn)四個維度，以實現(xiàn)被測電機(jī)與主驅(qū)電機(jī)的動態(tài)聯(lián)軸對中。該四軸聯(lián)動的電機(jī)臺架自動校準(zhǔn)檢測系統(tǒng)具有全自動校準(zhǔn)功能，可實現(xiàn)電機(jī)軸對中校準(zhǔn)的全自動化，結(jié)構(gòu)安全緊湊，操作簡便快速，可視化程度高，具體硬件架構(gòu)如圖1所示。

2 視覺對中硬件和軟件設(shè)計

2.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

光學(xué)系統(tǒng)的精度決定了圖像的采集質(zhì)量，進(jìn)而影響檢測算法的效率與效果。如圖2所示，基于棱鏡分光折射原理，設(shè)計一種激光對中光學(xué)系統(tǒng)，用于檢測電機(jī)聯(lián)軸系統(tǒng)同軸度并展現(xiàn)特征。圖2所示系統(tǒng)設(shè)置光源與成像背景板，以合適的方式將光線投射到被測物體上，突出被測特征部分與背景的對比度，降低后續(xù)軟件算法的難度，從而提高自動校正算法的穩(wěn)定性。

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計主要包括相機(jī)、鏡頭、光源三部分。根據(jù)檢測區(qū)域的視場大小FOV，確定相機(jī)的分辨率 可以通過以下公式計算得到：

式中： 表示最小尺寸特征； 表示表征最小特征的像素數(shù)。

在已知視場和相機(jī)分辨率后，可根據(jù)檢測空間給鏡頭預(yù)留的最佳工作距離計算焦距大小，從而選取合適的鏡頭。在高精密測量光學(xué)系統(tǒng)中，機(jī)器視覺系統(tǒng)除滿足測量成像的要求，還應(yīng)考慮避免光學(xué)系統(tǒng)與被測物體之間存在機(jī)械裝置遮擋的問題。此外，機(jī)器視覺還需考慮照明方式，包括漫反射照明、結(jié)構(gòu)光照明和單向照明等，要基于多角度設(shè)計智能光學(xué)系統(tǒng)，通過上位機(jī)控制光源，使得光源根據(jù)不同被測電機(jī)的外觀尺寸等參數(shù)來變換發(fā)光亮度、發(fā)光時距離等參數(shù)，保證圖像采集的高質(zhì)量。

2.2 檢測算法設(shè)計

圖像處理單元負(fù)責(zé)對相機(jī)捕獲的圖像進(jìn)行處理和分析，提取出所需的特征信息進(jìn)行識別和檢測。檢測過程分為圖像的獲取、預(yù)處理、特征提取、特征分析、軌跡運(yùn)算、指令發(fā)送、運(yùn)動控制等步驟，具體流程如圖3所示。處理算法主要包括邊緣檢測、顏色識別、形狀匹配、輪廓提取等，特征提取算法采用Blob分析算法、圖像變換算法、尋找輪廓算法、特征點(diǎn)檢測算法相結(jié)合。

該校準(zhǔn)過程針對安裝平臺主驅(qū)電機(jī)和被試電機(jī)的聯(lián)軸器同軸度，主要測量其相對位置關(guān)系和傾角指標(biāo)，采用圖像變換算法和特征點(diǎn)檢測算法相結(jié)合的形式進(jìn)行圖像識別判斷。設(shè)計過程中需重點(diǎn)解決機(jī)器視覺與實際測量過程的誤差問題，如機(jī)器視覺測量一方面由于圖像采集單元的放大倍數(shù)與實際放大倍數(shù)存在偏差，另一方面光學(xué)系統(tǒng)存在光學(xué)畸變會導(dǎo)致枕形失真或桶形失真，故圖像像素尺寸和實際尺寸之間無法建立準(zhǔn)確的幾何關(guān)系，所以擬采用臺達(dá)DeltaVision高性能視覺軟件開發(fā)包，通過高透亞克力板成像實心圓點(diǎn)陣列，識別與標(biāo)定光電陣列，如圖4所示。

2.3 工裝結(jié)構(gòu)及通信控制

工裝平臺由多個伺服電機(jī)、驅(qū)動器、控制器和四自由度運(yùn)動機(jī)構(gòu)組成，電機(jī)聯(lián)軸系統(tǒng)實際工裝如圖5所示。該系統(tǒng)使用高性能伺服電機(jī)，每個伺服電機(jī)由對應(yīng)的驅(qū)動器控制其運(yùn)行速度、方向、定位位置，具有高速度、高精度、高轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)。PLC控制線路如圖6所示，PLC控制器用于發(fā)送各軸的運(yùn)動指令，并通過蝸桿與固定臺架之間的旋轉(zhuǎn)移動，實現(xiàn)升降、平移、伸縮、平旋四個方向的定位控制，可以使臺架精確定位至被測電機(jī)的軸線位置，并且在每個方向上都可獲取當(dāng)前伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)情況、位移量以及正負(fù)極限等關(guān)鍵信息。同時，控制系統(tǒng)采用位置-速度閉環(huán)控制，可以實時監(jiān)測和校正運(yùn)動誤差，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力強(qiáng)。

2.4 人機(jī)界面設(shè)計

系統(tǒng)上位機(jī)的設(shè)計包含用戶界面、數(shù)據(jù)處理以及通信接口的設(shè)計。其中，用戶界面用于顯示圖形化的檢測結(jié)果，并可由操作人員手動或自動執(zhí)行校準(zhǔn)過程，界面數(shù)據(jù)如圖7所示。數(shù)據(jù)處理主要用于參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)記錄，并對錯誤數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾預(yù)處理。通信接口主要用于配置上位機(jī)與視覺檢測系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)的接口類型和通信協(xié)議。

3樣機(jī)視覺對中的自動化平臺結(jié)果輸出

基于算法和硬件協(xié)同處理，在電機(jī)安裝測試過程中應(yīng)用機(jī)器視覺進(jìn)行全自動同軸度檢測，可以有效評估被試電機(jī)與主驅(qū)電機(jī)軸線之間的相對位置和夾角，并進(jìn)行快速、精準(zhǔn)的調(diào)整，從而有助于減少振動、噪聲及磨損，確保設(shè)備正常運(yùn)行。

為驗證系統(tǒng)的自動對中功能及對中精度，采用YE3-80M2-4樣機(jī)進(jìn)行對中試驗，結(jié)果如圖8所示，對中偏差量為 ，傾斜角 ，對中時間2.042s，提高準(zhǔn)確度 50% 以上，縮短時間 80% 。

4結(jié)束語

基于機(jī)器視覺的電機(jī)檢測平臺同軸度對中檢測技術(shù)能解決安裝效率低、精度差、可重復(fù)性不足等問題，可實現(xiàn)電機(jī)的快速響應(yīng)和精確控制，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。

光學(xué)系統(tǒng)中視覺檢測利用先進(jìn)的圖像處理技術(shù)，實現(xiàn)了人機(jī)交互的可視化與自動化；主控器編寫的多軸聯(lián)動控制算法，非接觸式光學(xué)對中結(jié)構(gòu)與校正算法的優(yōu)化，實現(xiàn)了聯(lián)軸器端與主驅(qū)電機(jī)的動態(tài)對中精密閉環(huán)控制，應(yīng)用后可節(jié)省約 80% 的校準(zhǔn)時間，并有效提高檢測效率和檢測過程的一致性。

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