軸承標(biāo)志缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王恒迪，郝琳博，李莎，楊建璽，趙彪

(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

軸承標(biāo)志是軸承產(chǎn)品不可或缺的重要標(biāo)識(shí)，其包含著軸承型號(hào)、生產(chǎn)廠家及其他附加信息。目前，軸承制造企業(yè)主要通過(guò)激光打標(biāo)機(jī)、氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)和電腐蝕打標(biāo)機(jī)進(jìn)行打標(biāo)。激光打標(biāo)機(jī)易受外界電磁干擾，且使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)會(huì)造成輸出功率下降和光路偏移；氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)易出現(xiàn)針頭磨損、氣壓波動(dòng)以及二維工作臺(tái)中混入雜質(zhì)等問(wèn)題；電腐蝕打標(biāo)機(jī)在大規(guī)模打標(biāo)過(guò)程中，軸承及打標(biāo)模板相對(duì)位置的變化，易造成打偏、打漏的情況。

在軸承打標(biāo)過(guò)程中，標(biāo)識(shí)字符時(shí)常會(huì)發(fā)生錯(cuò)打、漏打、重打等缺陷(特別是氣動(dòng)或電腐蝕打標(biāo)機(jī))，從而影響對(duì)軸承的正確辨識(shí)。傳統(tǒng)軸承標(biāo)志缺陷檢測(cè)主要依靠人工，檢測(cè)效率及精度相對(duì)較低，無(wú)法滿(mǎn)足軸承生產(chǎn)企業(yè)對(duì)標(biāo)志的高質(zhì)量和自動(dòng)化檢測(cè)要求。

軸承標(biāo)志缺陷檢測(cè)一直是軸承行業(yè)檢測(cè)技術(shù)的薄弱環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究也比較少。因此，將DSP技術(shù)應(yīng)用于軸承標(biāo)志缺陷檢測(cè)，并開(kāi)發(fā)了基于TMS320DM642[1-2]的嵌入式實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、性能穩(wěn)定，能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)軸承標(biāo)志缺陷，確保軸承企業(yè)出廠產(chǎn)品的打標(biāo)質(zhì)量能夠滿(mǎn)足用戶(hù)要求。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及原理

該系統(tǒng)以TMS320DM642為核心，硬件平臺(tái)主要包括存儲(chǔ)器、視頻輸入、視頻輸出以及CPLD邏輯控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 存儲(chǔ)器

DM642的64位外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)的尋址空間可達(dá)1 024 MB,可實(shí)現(xiàn)與各種外部器件的無(wú)縫對(duì)接，比如異步存儲(chǔ)器(EPROM，SRAM，異步FIFO)、同步存儲(chǔ)器(SDRAM，F(xiàn)IFO，SBSRAM等)及外部存儲(chǔ)共享存儲(chǔ)器[3]。

1.1.1 SDRAM

數(shù)字圖像處理系統(tǒng)在整個(gè)圖像處理過(guò)程中需要大量的RAM緩存圖像數(shù)據(jù)，而DM642芯片內(nèi)部只集成了256 KB的RAM，因此需要在外部存儲(chǔ)器接口上擴(kuò)展SDRAM用于暫存程序、數(shù)據(jù)及緩存數(shù)字視頻信息。

選擇2片32 bit的HY57V283220T作為SDRAM存儲(chǔ)器，可以滿(mǎn)足DM642的64位數(shù)據(jù)總線(xiàn)的要求。SDRAM容量為4 Bank×1 M×32位，工作電壓3.3 V，工作頻率133 MHz。將HY57V283220T芯片擴(kuò)展在DM642的CE0存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)空間地址范圍為0x80000000～0x8007FFFF。

1.1.2 FLASH

DM642不帶FLASH芯片，系統(tǒng)掉電后，DM642中駐留的程序和數(shù)據(jù)將完全丟失，需通過(guò)EMIF接口擴(kuò)展FLASH存儲(chǔ)器，用于固化程序以及一些系統(tǒng)掉電后仍需保存的數(shù)據(jù)。

選擇AM29LV033C作為FLASH存儲(chǔ)器芯片，其容量位4 M×8位，電壓范圍2.7～3.6 V。利用DM642的BOOT機(jī)制自動(dòng)加載存儲(chǔ)器中的程序。AM29LV033C地址線(xiàn)(22條)與DM642地址線(xiàn)(19條)間的數(shù)量不匹配，所以DM642不能對(duì)FLASH芯片的所有地址單元進(jìn)行尋址。為此采用CPLD器件，將FLASH芯片地址引腳與CPLD器件相連，在CPLD內(nèi)部擴(kuò)展控制引腳信號(hào)的寄存器，DM642通過(guò)操作寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)FLASH芯片所有的地址單元尋址。

1.2 視頻輸入

DM642具有3個(gè)可配置的視頻端口(VP0，VP1，VP2)，并支持多種標(biāo)準(zhǔn)視頻格式(如ITU-BT.656，CCIR601，Y/C，BT.1120等)，這些視頻端口可直接為視頻編解碼芯片提供端口。

系統(tǒng)采用PAL模擬攝像頭提供所采集的軸承圖像，P制式采用標(biāo)準(zhǔn)25 幀/s的視頻流，每幀圖像分為奇偶2場(chǎng)，先輸出奇場(chǎng)，后輸出偶場(chǎng)，每幀圖像分辨率為720×576。視頻輸入端將采集的模擬圖像信號(hào)送入視頻解碼芯片TVP5150，按照Y∶Cr∶Cb=4∶2∶2的格式轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并以8 bit的ITU-BT.656格式輸出到DM642的VP0口。DM642將視頻流存入FIFO存儲(chǔ)器并通過(guò)EDMA通道將FIFO中的數(shù)據(jù)存入SDRAM，以便圖像數(shù)據(jù)的處理。

解碼芯片采用TVP5150，其與DM642的連接如圖2所示。TVP5150是一種低功耗芯片，正常工作時(shí)功耗113 mW，節(jié)電模式下僅1 mW。該芯片內(nèi)核電源電壓為1.8 V，電源電壓為3.3 V，可接收P制式和N制式視頻流，并將其轉(zhuǎn)化輸出8位BT.656格式的視頻數(shù)據(jù)流。

圖2 TVP5150解碼芯片與DM642連接示意圖

1.3 視頻輸出

采用SAA7121H編碼芯片設(shè)計(jì)編碼電路，SAA7121H將DM642處理后的BT.656視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為P或N制式的視頻信號(hào)，進(jìn)而輸出給支持標(biāo)準(zhǔn)制式的顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

由于TVP5150和SAA7121H的設(shè)備地址不同，可共用DM642的IIC總線(xiàn)，以配置其內(nèi)部的各種寄存器。

1.4 CPLD邏輯控制

CPLD已被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信、儀器儀表、工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域。DM642電路系統(tǒng)復(fù)雜，通常采用CPLD邏輯控制器件實(shí)現(xiàn)電路中的邏輯控制，CPLD芯片內(nèi)部帶有大量的邏輯門(mén)，可任意組合，非常適合DM642電路系統(tǒng)。

檢測(cè)系統(tǒng)中，CPLD主要用于控制信號(hào)管理和邏輯控制，包括數(shù)字視頻信號(hào)的存儲(chǔ)、傳輸和時(shí)序控制，系統(tǒng)的復(fù)位、測(cè)試、使能和中斷信號(hào)以及片外存儲(chǔ)器的選通信號(hào)等，保證系統(tǒng)的有序運(yùn)行。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用正面環(huán)形低角度的照明方式，可向檢測(cè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定均勻、無(wú)反光的光源，能突出表現(xiàn)被檢軸承的表面紋理，保證系統(tǒng)能夠采集到清晰的軸承圖像。軸承標(biāo)志處理和判斷的流程如圖3所示。

圖3 圖像處理流程

2.1 圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理是圖像分析和理解的基礎(chǔ)，其目的是對(duì)所獲取數(shù)字圖像進(jìn)行處理以消除采集圖像過(guò)程中由于干擾而產(chǎn)生的噪聲，使圖像質(zhì)量得到改善，并提取圖像中的重要信息。

圖像預(yù)處理主要包括2個(gè)部分：1)中值濾波，去除或減少脈沖噪聲和隨機(jī)噪聲的干擾，最大程度地保留圖像的邊緣信息；2)圖像二值化，二值化對(duì)后續(xù)軸承圖像的定位和特征分割十分重要，為得到理想的二值化圖像，必須選擇合適的閾值(閾值過(guò)高將導(dǎo)致一些真實(shí)邊緣的丟失，過(guò)低則會(huì)產(chǎn)生一些虛假邊緣)，檢測(cè)系統(tǒng)采用一種改進(jìn)的Otsu法[4-5]選取最佳閾值。

檢測(cè)系統(tǒng)采集到的軸承原始圖像并進(jìn)行預(yù)處理后的結(jié)果如圖4所示。

圖4 預(yù)處理后的軸承圖像

2.2 特征提取

特征提取是軸承標(biāo)志識(shí)別的關(guān)鍵步驟，可以從眾多特征中找出最有效的特征進(jìn)行識(shí)別，提取過(guò)程主要包括軸承的定位與分割、環(huán)帶分割、字符歸一化和細(xì)化等。

2.2.1 軸承的定位與分割

受生產(chǎn)工況的影響，待檢軸承到達(dá)檢測(cè)工位時(shí)，軸承位置會(huì)略有不同，且軸承標(biāo)志一般在防塵蓋或套圈的側(cè)面。為獲得準(zhǔn)確的定位與分割效果，首先運(yùn)用Canny邊緣檢測(cè)算法[5]對(duì)二值化后的軸承圖像進(jìn)行邊緣提取，然后采用基于多邊界點(diǎn)的最小二乘法擬合確定軸承的圓心坐標(biāo)，最后對(duì)軸承圖像進(jìn)行定位，如圖5所示。

圖5 軸承定位

定位后需對(duì)軸承圖像進(jìn)行區(qū)域分割，以分離出軸承標(biāo)志圖像。由于字符帶多為環(huán)形分布，因此采用2個(gè)與軸承同心的定位圓，并以軸承內(nèi)圈半徑系數(shù)為參考進(jìn)行調(diào)試，將字符帶定位在2個(gè)定位圓之間。提取的字符帶圖像如圖6所示。

圖6 字符帶圖像

2.2.2 環(huán)帶展開(kāi)

為方便后續(xù)的標(biāo)志識(shí)別，需將提取出的字符環(huán)帶轉(zhuǎn)換為更易分析處理的字符矩形帶，以減少字符間像素的交叉、重疊等情況，使需要處理的數(shù)據(jù)量大大減小，有利于提高系統(tǒng)的檢測(cè)效率。

展開(kāi)后的矩形圖像如圖7所示，其長(zhǎng)度為外周長(zhǎng)，保持內(nèi)外最大尺度不變；寬度為內(nèi)外徑之差，以滿(mǎn)足徑向無(wú)畸變的要求。

圖7 字符帶展開(kāi)

2.2.3 字符歸一化和細(xì)化

在對(duì)單個(gè)字符塊進(jìn)行局部二值化后，需要對(duì)字符進(jìn)行歸一化處理，將每一個(gè)輸入字符轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一大小的規(guī)格。字符歸一化能夠?qū)斎胱址母鞣N形變進(jìn)行校正，歸一化的效果如圖8所示。

圖8 字符歸一化

字符細(xì)化能夠極大地消除圖像中的冗余信息，大大簡(jiǎn)化字符特征識(shí)別過(guò)程，提高標(biāo)志識(shí)別的快速性和準(zhǔn)確性，檢測(cè)系統(tǒng)采用基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的細(xì)化算法。

2.3 標(biāo)志識(shí)別

軸承圖像經(jīng)圖像預(yù)處理及特征提取后，所有標(biāo)志被提取出并處理成尺寸一致、排列整齊的單個(gè)字符。采用一種改進(jìn)的模板匹配法進(jìn)行標(biāo)志識(shí)別。首先，將待識(shí)別標(biāo)志和模板標(biāo)志二值化；其次，將待識(shí)別標(biāo)志的特殊節(jié)點(diǎn)特征向量與其模板進(jìn)行比對(duì)，若兩特殊節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型一致，且標(biāo)準(zhǔn)化坐標(biāo)差與方向值差分別小于給定閾值，則認(rèn)為該特殊節(jié)點(diǎn)匹配成功；然后，進(jìn)行輪廓特征匹配，在字符圖像中選取多處標(biāo)記，在標(biāo)記處計(jì)算待識(shí)別標(biāo)志與其模板輪廓特征向量的歐氏距離并分別計(jì)算其差值，若其均小于給定閾值，則認(rèn)為匹配成功。當(dāng)特殊節(jié)點(diǎn)和輪廓特征均匹配成功時(shí)，則判斷軸承標(biāo)志無(wú)缺陷；否則判斷標(biāo)志存在缺陷[6]。

3 現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)

PLC具有極高的抗干擾能力和可靠的穩(wěn)定性，因此，在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，將DSP檢測(cè)系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)軸承標(biāo)志缺陷的全自動(dòng)檢測(cè)。

PLC通過(guò)TL16C752B芯片實(shí)現(xiàn)與DM642的異步串口通信。當(dāng)接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到軸承到達(dá)指定位置時(shí)，PLC通過(guò)串口將開(kāi)始檢測(cè)信號(hào)傳遞給DM642檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)的結(jié)果通過(guò)串口反饋給PLC。當(dāng)標(biāo)志無(wú)缺陷時(shí)，PLC操縱傳送帶移動(dòng)，進(jìn)行下一軸承的檢測(cè)；當(dāng)標(biāo)志存在缺陷時(shí)，PLC通過(guò)控制氣動(dòng)電磁閥控制氣缸，將有缺陷的軸承剔除，從而實(shí)現(xiàn)了軸承的全自動(dòng)流水檢測(cè)。

使用該檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)多型號(hào)、不同標(biāo)志的軸承進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。由表可知，識(shí)別率高達(dá)99%，而且每套軸承的檢測(cè)時(shí)間不到1 s，完全能夠滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)在線(xiàn)檢測(cè)的要求。

表1 在線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

將DSP圖像檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于軸承標(biāo)志缺陷檢測(cè)，不僅具有非接觸、精度高、效率高、重復(fù)性好等特點(diǎn)，還解決了傳統(tǒng)人工檢測(cè)效率低、易漏檢等缺點(diǎn)。而與PLC相結(jié)合，可用于實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化檢測(cè)，有助于提高軸承標(biāo)志質(zhì)量以及企業(yè)的生產(chǎn)效率和自動(dòng)化水平。