基于機(jī)器視覺的軸承轉(zhuǎn)速測量方法

盧夢思 郝鐸 劉華宇

北華航天工業(yè)學(xué)院，河北廊坊 065000

0 前言

機(jī)器視覺（Machine Vision）是用機(jī)器來代替人眼做出判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)[1]是通過圖像攝取裝置將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)化為圖像信號，再經(jīng)過處理轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的過程。隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展成熟，基于視覺的非接觸測量方法的應(yīng)用也越來越廣泛[2-7]，在航天事業(yè)、國防科技等方面發(fā)揮著重要作用。

滾動軸承由內(nèi)圈、外圈、滾珠、保持架4個(gè)部分組成[8]。目前對軸承保持架轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量大多是通過編碼器或者磁電式轉(zhuǎn)速傳感器來獲取軸承的轉(zhuǎn)速。光電編碼器[9]主要是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換為脈沖或數(shù)字量的傳感器。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器[10]是通過磁通量的變化將轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢。然而，光電編碼器要安裝在被測軸上需要占用空間；磁感應(yīng)傳感器檢測目標(biāo)時(shí)，需要在檢測的位置安裝傳感器和齒輪，從而測量出結(jié)果，所以都有一定的局限性。

本文基于機(jī)器視覺檢測軸承轉(zhuǎn)速，使用CCD攝像機(jī)采集視頻信息，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動過程對軸承的非接觸、無損傷、便捷快速的測量。

1 目標(biāo)檢測

在圖像處理中，視頻可以分為若干幀，從中提取目標(biāo)信息。將采集的運(yùn)動軸承的視頻轉(zhuǎn)化成幀，通過圖像處理的方法，將特征點(diǎn)提取出來。以軸承的圓心為參考點(diǎn)，特征點(diǎn)隨著軸承運(yùn)動，即特征點(diǎn)代表著軸承，通過軸承和圓心的位置關(guān)系，求取軸承轉(zhuǎn)速信息。圖1為檢測流程圖。

1.1 圖像采集

將相機(jī)、光源固定在支架上，調(diào)整CCD攝像機(jī)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動目標(biāo)圖像的采集，視頻序列的序列幀分解，獲取采集頻率和幀間時(shí)間差。圖2所示為硬件搭建平臺，主要由相機(jī)、光源、滾動軸承、電機(jī)、上位機(jī)組成。

1.2 特征點(diǎn)提取

采集到的圖像中，每個(gè)像素對應(yīng)一個(gè)三維向量（r，g，b），3個(gè)疊加起來就是每個(gè)像素的顏色。將帶有標(biāo)記點(diǎn)的RGB圖像分成R、G、B對應(yīng)顏色的3個(gè)二維矩陣，先預(yù)設(shè)一個(gè)閾值，如圖3所示，假定選用紅色標(biāo)記，R與G、B逐點(diǎn)比較，得到標(biāo)記顏色對應(yīng)的二值圖像，即像素點(diǎn)做差，若R與G和R與B的差同時(shí)滿足大于閾值，則為標(biāo)記區(qū)域位置，若差小于閾值，則將閾值減小，繼續(xù)逐點(diǎn)比較，以此方法類推，直到找到標(biāo)記區(qū)域位置為止。因?yàn)闃?biāo)記點(diǎn)是一個(gè)區(qū)域，由多塊像素構(gòu)成，可以用標(biāo)記點(diǎn)的中心點(diǎn)代表整個(gè)標(biāo)記為特征點(diǎn)，根據(jù)二值圖像標(biāo)記顏色對應(yīng)的像素以此得到標(biāo)記的形心坐標(biāo)。

1.3 參考點(diǎn)提取

以軸承的圓心為參考點(diǎn)，要想求得圓心，必須將軸承的邊緣提取出來，所以，圖像處理中最關(guān)鍵的就是提取圖像的邊緣。通過Canny算法[11]對圖像進(jìn)行邊緣檢測，原理和步驟為：使用高斯濾波平滑圖像來減少噪聲干擾；再用一階偏導(dǎo)的有限差分計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)梯度的幅值和邊緣方向，將梯度幅值進(jìn)行非極大值抑制，即將某一點(diǎn)和它邊緣方向上相鄰的兩個(gè)點(diǎn)的梯度值比較，將不是最大值的像素梯度值設(shè)為0，如此循環(huán)，得到初步的邊緣輪廓圖像；最后使用雙閾值算法檢測邊緣；將得到的圖像取兩個(gè)閾值，T1和T2，將小于T1的像素設(shè)為0，有大部分的邊緣信息，將小于T2的像素設(shè)為0，去除了較多的噪聲，將兩個(gè)閾值圖結(jié)合得到連接圖像的邊緣。

霍夫變換[12]是常用的檢測圓的方法。該方法是將圖像空間通過映射關(guān)系轉(zhuǎn)化為參數(shù)空間中的累加問題，最終達(dá)到檢測直線或者圓的目的。利用霍夫變換可識別出目標(biāo)軸承，得出軸承保持架的圓心坐標(biāo)，即參考點(diǎn)的位置，如圖4所示。

1.4 轉(zhuǎn)速和接觸角計(jì)算

將軸承的圓心作為原點(diǎn)，右邊水平方向?yàn)閤軸正方向，上方垂直方向?yàn)閥軸正方向，根據(jù)兩點(diǎn)確定一條直線，由直線的斜率可計(jì)算出標(biāo)記點(diǎn)和參考點(diǎn)圓心構(gòu)成的直線與x軸正方向所形成夾角，可得到每一幀圖像標(biāo)記角度，進(jìn)而可得到所有時(shí)間序列的標(biāo)記點(diǎn)的角度序列。根據(jù)采集到的離散數(shù)據(jù)，利用幀間差分法計(jì)算軸承的瞬時(shí)速度。

由相鄰幀圖像上的標(biāo)志物的旋轉(zhuǎn)角度差，計(jì)算角速度和轉(zhuǎn)速。如公式（1）、（2）：

其中，Δθ——角度差；

Δt——時(shí)間差；

ω——角速度；

nc——保持架轉(zhuǎn)速。

由公式（1）、（2）可以得到軸承保持架的轉(zhuǎn)速，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，擬合實(shí)現(xiàn)軸承轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)測量。

接觸角就是球軸承在承受軸向載荷的時(shí)候，內(nèi)外圈溝道與鋼球的實(shí)際接觸點(diǎn)連線與平行于該軸承端面的徑向平面之間的夾角。球軸承的接觸角大小會直接影響到軸承的承載能力、剛性，以及工作可靠性，所以在實(shí)際項(xiàng)目中，獲取接觸角信息變得尤為重要。計(jì)算接觸角是需要滾珠的直徑（DW）、截圓直徑（DPW）、內(nèi)外圈轉(zhuǎn)速和軸承保持架與內(nèi)外滾道的相對轉(zhuǎn)速測量的。

固定內(nèi)圈，即ni=0旋轉(zhuǎn)外圈的接觸角為公式（3）：

其中，no——外圈轉(zhuǎn)速；

DW——滾珠直徑。

固定外圈，即no=0旋轉(zhuǎn)內(nèi)圈的接觸角為公式（4）：

其中，ni——內(nèi)圈轉(zhuǎn)速；

Dpw——截圓直徑。

由此，可計(jì)算出接觸角的大小。

2 可靠性分析和檢測結(jié)果

利用搭建的模型測量軸承內(nèi)徑的轉(zhuǎn)速，對比電機(jī)設(shè)定的轉(zhuǎn)速，得出模型的相對誤差來驗(yàn)證模型的可靠性。表1為不同設(shè)定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速測量情況及相對誤差值。

從表1計(jì)算結(jié)果中可以看出，用此方法檢測到的轉(zhuǎn)速與用JW6314型號電機(jī)設(shè)定的轉(zhuǎn)速很相近。依照J(rèn)JG 1134-2017轉(zhuǎn)速測量國家標(biāo)準(zhǔn)，本文所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速測量裝置符合0.01等級最大誤差性能指標(biāo)。

表1 不同設(shè)定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速測量情況及相對誤差值

根據(jù)本文提出的方法對軸承的轉(zhuǎn)速和接觸角進(jìn)行實(shí)時(shí)在線測量，表2為測量結(jié)果。

表2 轉(zhuǎn)速與接觸角測量結(jié)果

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于機(jī)器視覺技術(shù)檢測軸承轉(zhuǎn)速的方法，首先通過工業(yè)相機(jī)實(shí)時(shí)獲取圖像信息，再經(jīng)過圖像算法處理得到軸承保持架的轉(zhuǎn)速信息和保持架接觸角度信息。該測量方法可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動過程對軸承的非接觸、無損傷、快速的實(shí)時(shí)測量。該方法抗干擾能力強(qiáng)，操作便捷，克服了傳統(tǒng)檢測方法的弊端。缺點(diǎn)是檢測樣本需要設(shè)置標(biāo)記點(diǎn)，檢測結(jié)束還需要擦除操作，當(dāng)遇到樣本量大時(shí)，工作量也會加大，因此，需要進(jìn)一步研究測量方法，以便更快捷地實(shí)時(shí)檢測。