基于LabVIEW機(jī)器視覺的齒輪檢測裝置

張梓涵　趙亞群　李天宇

摘 要：與其他類型的加工零件相比，齒輪外型較為復(fù)雜，參數(shù)眾多。還有許多領(lǐng)域需要深入研究。本項(xiàng)目采用LabVIEW作為上位機(jī)平臺(tái)，結(jié)合硬件檢測系統(tǒng)和圖像處理的相關(guān)技術(shù)，完成非接觸式對齒輪外形和加工精度的檢測。

關(guān)鍵詞：齒輪檢測；LabVIEW；圖像處理；機(jī)器視覺

中圖分類號(hào)：THl32.41；TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）10-0020-01

1 背景及研究意義

在現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展過程中，在零件加工過程中需要對齒輪的展開角等加工參數(shù)進(jìn)行檢查，現(xiàn)代加工制造的發(fā)展日新月異，傳統(tǒng)的尺寸檢測技術(shù)由于其局限性不適合大多數(shù)加工場合，會(huì)使得制造業(yè)更新?lián)Q代受到阻礙。因此現(xiàn)代制造業(yè)在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中對檢測提出了新要求，非接觸檢測等方面的局限性需要在現(xiàn)代化的尺寸檢測技術(shù)中得到解決。

大多數(shù)的尺寸檢測流程是依靠傳統(tǒng)機(jī)械裝置，人工和簡單光學(xué)儀器等進(jìn)行的。首先，在流水線的生產(chǎn)模式下，工人們需要對同一類型的齒輪進(jìn)行重復(fù)檢查，厭倦等情緒容易產(chǎn)生，檢測誤差因此產(chǎn)生，檢測的精度不夠可靠。浪費(fèi)大量的人力成本和資源。其二，不能保證實(shí)時(shí)在線的非接觸式的檢測方式。最后，單純的人工和簡單機(jī)械結(jié)合的檢測尺寸方式只適用于傳統(tǒng)的低效率工作上。對于形位誤差這種復(fù)雜測量來說更是如此，人力檢測時(shí)間周期較長，檢測精度也不能夠得到保證。機(jī)器視覺在工業(yè)檢測中的不斷發(fā)展和普及，現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)對零件尺寸進(jìn)行檢測，是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)的必然趨勢。

計(jì)算機(jī)的視覺檢測尺寸的方法將工業(yè)尺寸檢測與機(jī)器視覺理論相結(jié)合，運(yùn)用圖像處理的原理對零件進(jìn)行圖像獲取、分析、理解，然后比較零件的尺寸標(biāo)準(zhǔn)和圖像處理結(jié)果，從而確定產(chǎn)品是否達(dá)到要求。隨著計(jì)算機(jī)一級(jí)開發(fā)軟件和光電機(jī)電一體化等技術(shù)的不斷完善，計(jì)算機(jī)視覺的理論及應(yīng)用的優(yōu)勢在完成復(fù)雜的齒輪檢測參數(shù)的檢測任務(wù)時(shí)能夠很好地被發(fā)揮出來，是在現(xiàn)代工業(yè)檢測中的重要應(yīng)用之一。

2 項(xiàng)目的創(chuàng)新之處

與傳統(tǒng)的手工測量方式和現(xiàn)有的非接觸式測量相比，本項(xiàng)目的創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）通過開發(fā)LabVIEW軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的在線測量，省去了傳統(tǒng)測量中的人力成本；（2）利用機(jī)器視覺和圖像處理的原理提高了測量的準(zhǔn)確性；（3）基于開發(fā)平臺(tái)的優(yōu)勢，使得本項(xiàng)目的算法具有靈活性和通用性適合對不同標(biāo)準(zhǔn)的零件尺寸進(jìn)行測量和精度分析。

3 工作原理以及整體方案

為了對齒輪加工尺寸品質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格控制，降低零件的廢品率，以齒輪加工精度分析理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，根據(jù)齒輪的加工要求設(shè)計(jì)出了齒輪加工精度分析裝置，對齒輪檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對齒輪加工質(zhì)量進(jìn)行判識(shí)，加工經(jīng)濟(jì)性得到提高。研究重點(diǎn)如下：

（1）搭建機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，根據(jù)齒輪零件特點(diǎn)選擇方法硬件參數(shù)和性能參數(shù)選擇合適的平臺(tái)，設(shè)計(jì)出測量方案。測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖可用圖1表示，機(jī)械零件測量的硬件平臺(tái)如圖2所示。

系統(tǒng)采用兩個(gè)視頻攝像頭；采用圖像采集卡進(jìn)行信息數(shù)字化；運(yùn)動(dòng)控制卡可以通過步進(jìn)電機(jī)控制工作臺(tái)在平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)和x、y兩個(gè)方向的移動(dòng)。

（2）根據(jù)LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)中視覺模塊內(nèi)各種圖像處理函數(shù)參數(shù)和功能，合理地進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，并根據(jù)函數(shù)圖像處理的結(jié)果，選擇適合齒輪的圖像處理方法，主要包括：均值濾波、直方圖均衡、直方圖規(guī)定化。

（3）圖像處理是小波變換應(yīng)用效果突出的領(lǐng)域之一。圖像作為二維信號(hào)，首先把一維推廣到二維。引入歸一因子1/a后，小波變換定義為：

與一維小波變換類似，實(shí)現(xiàn)二維小波變換的基本方法是多分辨信號(hào)分解理論和算法。利用小波函數(shù)的正交性，從高級(jí)到低級(jí)逐級(jí)濾出信號(hào)中的小波。二維小波變換沿兩個(gè)方向，即行和列的方向進(jìn)行分析，得到平滑逼近和細(xì)節(jié)函數(shù)。二維小波變換的處理過程可用圖3表示，在進(jìn)行零件檢測的過程中，小波變換在圖像處理中主要有以下幾個(gè)應(yīng)用方面：圖像數(shù)據(jù)壓縮、去除噪聲、圖像增強(qiáng)和邊緣檢測。

（4）針對程序得到的齒輪圖像，選用合適的閾值圖像分割。完成圖像檢測的標(biāo)定，完成對齒輪的檢測。

（5）將測量結(jié)果導(dǎo)入齒輪分析系統(tǒng)，進(jìn)行分析后得到齒輪的測量結(jié)果。圖像處理模塊的工作流程可用圖4表示。