基于機器視覺的鋼珠直徑測量系統(tǒng)設(shè)計

李百明

(閩南理工學(xué)院 工業(yè)機器人測控與模具快速制造福建省高校重點實驗室,福建 石獅 362700)

軸承是一種重要的標(biāo)準件，它的質(zhì)量與精度直接影響機械設(shè)備的壽命與性能，而鋼珠是軸承里的一個重要零件，又直接影響著軸承的加工精度，因此，對鋼珠精度的檢測至關(guān)重要[1-2].在對鋼珠精度進行評價的指標(biāo)中，鋼珠直徑尺寸是其重要的檢測參數(shù).目前，大多數(shù)中小企業(yè)為減少固定資本投入，普遍采用人工結(jié)合千分尺對鋼珠直徑進行接觸式測量，其測量原理簡單、使用方便，易于掌握，但是會對鋼珠表面造成一定損傷、檢測速度慢、效率低、出錯率高，難以實現(xiàn)自動化和實時在線檢測.因此，研究一種檢測速度快、效率高、在線的非接觸式鋼珠直徑檢測方法顯得尤為重要.

現(xiàn)有的非接觸式鋼珠直徑檢測法主要有電感傳感器檢測法、超聲波檢測法和激光掃描檢測法等.電感傳感器檢測法利用被測量磁路磁阻的變化引起線圈電感量變化來實現(xiàn)對直徑的測量[3]；該方法測量精度高、結(jié)構(gòu)簡單，但是靈敏度、線性度和測量范圍相互制約，電路復(fù)雜，容易產(chǎn)生一些誤動作.超聲波檢檢測法通過檢測反射波的強弱和傳播時間來計算鋼珠的直徑；該方法檢測精度高，但當(dāng)鋼珠直徑較小時，可能出現(xiàn)二次底波高于一次底波的情況.激光掃描檢測法[4]利用連續(xù)的激光束對鋼珠進行高速掃描，實現(xiàn)直徑的測量；該方法操作簡單、分辨率高，但是溫度變化對系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很大，成本高.

機器視覺是一門新興的學(xué)科，隨著電子、光學(xué)和計算機技術(shù)的不斷完善，它在工業(yè)制造中得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用.機器視覺就是給機器裝上視覺裝置，利用計算機來模擬人的視覺功能，用機器代替人眼實現(xiàn)對客觀事物的測量、檢測和識別[5-8]；該方法測量精度高、速度快，實時性好等特點.因此，為了提高檢測效率、保障檢測精度、降低企業(yè)成本，本文將機器視覺技術(shù)應(yīng)用于鋼珠的直徑檢測，以碳鋼材質(zhì)、等級在G100級及以下的鋼珠為檢測對象，設(shè)計了一款基于機器視覺的鋼珠直徑測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有成本低、效率高、線性度好、重復(fù)性精度高等特點.

1 系統(tǒng)工作原理

基于機器視覺的鋼珠直徑測量法分為兩種形式：一種是線陣CCD檢測法[9]，該方法利用照明系統(tǒng)將鋼珠均勻照明后，經(jīng)光學(xué)成像系統(tǒng)成像于線陣CCD上，再由數(shù)據(jù)采集電路完成直徑信息的提??；該方法的特點是檢測精度很高，但若要獲取二維圖像必須配以機械掃描機構(gòu)和A/D采集卡，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本、且檢測速度受限.另外一種是面陣相機檢測法，該方法可以直接采集到二維圖像、檢測速度快.為提高檢測效率，本文采用面陣相機進行非接觸測量.

本文設(shè)計的基于機器視覺的鋼珠直徑測量系統(tǒng)由光源、鏡頭、攝像機、試驗臺、支架、計算機、halcon圖像處理軟件等部分組成，測量平臺的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 測量平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

鋼珠直徑測量系統(tǒng)的工作原理是將待測鋼珠放在試驗臺上，光源從待測鋼珠的上方照射，當(dāng)手動觸發(fā)采集按鈕后，攝像機負責(zé)采集鋼珠的圖像信息并發(fā)送給計算機；計算機通過halcon圖像處理軟件對采集到的圖像進行處理，從中提取出直徑特征，計算出被測鋼珠的直徑尺寸；測量結(jié)果以文本形式保存到計算機中，并通過顯示窗口顯示出測量的數(shù)值.

2 硬件系統(tǒng)選型

2.1 照明系統(tǒng)

照明系統(tǒng)的好壞直接影響采集圖像的質(zhì)量，對后續(xù)處理和測量結(jié)果產(chǎn)生直接影響，甚至導(dǎo)致測量結(jié)果不可信.因此，照明系統(tǒng)是整個鋼珠直徑測量系統(tǒng)設(shè)計成敗的關(guān)鍵因素[10].照明系統(tǒng)的主要目標(biāo)是選擇合適的光源以某種方式將光線投射到被測鋼珠上，突出被測特征部分與背景的對比度.機器視覺系統(tǒng)中使用的光源主要有高頻熒光燈、光纖鹵素?zé)?、疝氣燈和LED光源四種.高頻熒光燈的優(yōu)點是擴散性好、適合大面積均勻照射；缺點是響應(yīng)速度慢、亮度較暗；光纖鹵素?zé)舻膬?yōu)點是亮度高；缺點是響應(yīng)速度慢，幾乎沒有光亮度和色溫的變化；疝氣燈的優(yōu)點是亮度高、常用于汽車大燈；缺點是發(fā)熱較大、成本高、穿透能力不強；LED光源的優(yōu)點是壽命長、成本低、響應(yīng)速度快、波長可選、可組合成不同的形狀；缺點是亮度比鹵素?zé)?、疝氣燈略?根據(jù)光源照射方式的不同，照明系統(tǒng)可分為：前向照明、背向照明、頻閃光照明和結(jié)構(gòu)光照明等.其中，前向照明是指將光源和攝像機放于被測物同側(cè)，安裝方便；背向照明是將被測物置于攝像機和光源之間，能夠得到高對比度的圖像；頻閃光照明是利用高頻率的光脈沖對被測物體進行照明，要求相機的拍攝速度與光源頻閃速度同步；結(jié)構(gòu)光照明是指先將光柵或線光源等投射到被測物體上，再根據(jù)它們的失真解調(diào)出被測物體的三維信息.

本系統(tǒng)初期的檢測目標(biāo)是鋼珠的直徑尺寸，后期還將對鋼珠表面的缺陷進行研究；另外，待測鋼珠的材料為金屬，對光的反射比較嚴重，為提高鋼珠邊緣的對比度，降低噪聲干擾，應(yīng)采用光線柔和的光源[11].因此，為保證測量系統(tǒng)的延續(xù)性，綜合成本及效果，本文選用環(huán)形藍色的LED光源進行前向照明.

2.2 攝像系統(tǒng)

攝像系統(tǒng)由相機和鏡頭兩部分組成.當(dāng)前工業(yè)相機的主要成像器件分為CCD和CMOS兩個類別.CCD的優(yōu)點是成像清晰，分辨率高；缺點是價格較貴、功耗高；CMOS的優(yōu)點是功耗低，價格低廉；缺點是成像質(zhì)量不如CCD.

本系統(tǒng)考慮到項目的檢測要求，選用了深圳邁德威視科技有限公司生產(chǎn)的MV-GED500C/M-T型CCD攝像機，攝像機的主要參數(shù)如表1所示.根據(jù)攝像機到工作面的距離，鏡頭選用通用的CCTV鏡頭，焦距為6～60 mm，接口為CS接口.

表1 MV-GED500C/M-T型CCD攝像機的主要參數(shù)

3 檢測實驗及結(jié)果分析

本文以工業(yè)機器人測控與模具快速制造省級重點實驗室為依托，搭建了如圖2所示的鋼珠直徑檢測系統(tǒng).為降低振動對測量精度的影響，將整套系統(tǒng)置于精密的光學(xué)隔振平臺上.檢測系統(tǒng)的軟件界面由VS2013平臺設(shè)計，鋼珠直徑的測量由功能強大的halcon軟件完成.檢測系統(tǒng)組裝調(diào)試好后，本文對系統(tǒng)的重復(fù)性精度和線性度進行了測試.本實驗所用鋼珠樣品均為碳鋼材質(zhì)、精度等級G100、允許誤差±12.5 μm，硬度為55°.

圖2 鋼珠直徑檢測平臺

3.1 系統(tǒng)的標(biāo)定

相機拍攝到的鋼珠圖像是以像素為單位的，要得到待檢鋼珠的實際尺寸，需要將像素尺寸轉(zhuǎn)換成長度尺寸，這個過程即為對系統(tǒng)的標(biāo)定.在機器視覺測量系統(tǒng)中，標(biāo)定是保證系統(tǒng)高精度和穩(wěn)定性的前提和基礎(chǔ)[12-13].由于實際鏡頭與理想鏡頭差別較大，其物像關(guān)系無法用光學(xué)成像公式進行精準的描述，所以本測量系統(tǒng)中采用了試驗的方法進行標(biāo)定.其具體過程是先對已知直徑尺寸為d的標(biāo)準鋼珠進行成像，并得到該鋼珠的像所占CCD的像素個數(shù)為n，由此可知每個像素對應(yīng)的標(biāo)定系數(shù)k

(1)

式中，k：表示一個像素所對應(yīng)的實際尺寸；d：表示標(biāo)準鋼珠的直徑尺寸，單位為mm；n：表示標(biāo)準鋼珠的像所占的像素個數(shù).

3.2 重復(fù)性精度測試

為了檢測系統(tǒng)的重復(fù)性精度，在整個系統(tǒng)所處環(huán)境基本保持不變的前提下，采用相同的測量方法對直徑為8.00 mm的鋼珠進行多次測量，測量結(jié)果如表2所示.

表2 8 mm鋼珠直徑測量數(shù)據(jù)

由表2可知，8.00 mm鋼珠10次測量的平均尺寸為927.8個像素，每個像素所對應(yīng)的實際尺寸為8.623 μm/像素，測量的絕對誤差范圍為2 μm～11 μm，平均絕對值誤差為5.4 μm，直徑標(biāo)準差為6.8 μm.圖3為采用設(shè)計的測量系統(tǒng)測量8.00 mm鋼珠直徑時的重復(fù)性精度.

次數(shù)/次圖3 8 mm鋼珠直徑測量的重復(fù)性

從圖3可知，該系統(tǒng)在相同條件下多次測量同一8.00 mm鋼珠時，其直徑的最大值和最小值的差值接近0.022 mm，這意味著該系統(tǒng)用于測量8.00 mm鋼珠直徑的重復(fù)性精度接近0.022 mm，能夠滿足檢測精度的要求.

類似地，在相同測量系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和環(huán)境下，采用設(shè)計的系統(tǒng)對直徑為6.00 mm的鋼珠進行多次測量，測量結(jié)果如表3所示.

表3 6 mm鋼珠直徑測量數(shù)據(jù)

由表3可知，6.00 mm鋼珠10次測量的平均尺寸為654.2個像素，每個像素所對應(yīng)的實際尺寸為9.172 μm/像素，測量的絕對誤差范圍為2 μm～12 μm，平均絕對值誤差為5.6 μm，直徑標(biāo)準差為7.0 μm.圖4為采用設(shè)計的測量系統(tǒng)測量6.00 mm鋼珠直徑時的重復(fù)性精度.

從圖4可知，該系統(tǒng)在相同條件下多次測量同一6.00 mm鋼珠時，其直徑的最大值和最小值的差值接近0.023 mm，這意味著該系統(tǒng)用于測量6.00 mm鋼珠直徑的重復(fù)性精度接近0.023 mm，達到了檢測精度的要求.從圖3和圖4可以看出，該系統(tǒng)用于測量6 mm鋼珠直徑的重復(fù)性精度要比測量8 mm鋼珠時稍大，造成這種精度下降原因是：6 mm鋼珠和8 mm鋼珠都是在相同測量系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和環(huán)境下測量的，而測量系統(tǒng)的參數(shù)是以8mm鋼珠為參照進行設(shè)定的；系統(tǒng)在測量不同規(guī)格鋼珠尺寸時，需要調(diào)整鏡頭的焦距即光學(xué)系統(tǒng)的工作距離，因為該位置可能不是用于測量6 mm鋼珠的最佳位置.在實際測量中，一般鋼珠生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)不同規(guī)格的鋼珠時會采用不同的生產(chǎn)線，所以不會產(chǎn)生這種誤差.

次數(shù)/次圖4 6 mm鋼珠直徑測量的重復(fù)性

3.3 線性度測試

本文在規(guī)定的時間內(nèi)，用鋼珠直徑測量系統(tǒng)分別對直徑從6～8 mm之間的標(biāo)準鋼珠進行測量，測量結(jié)果如表4所示.

表4 不同直徑的鋼珠測量結(jié)果

依據(jù)表4數(shù)據(jù)，做出鋼珠直徑測量的擬合曲線，如圖5所示.

直徑/mm圖5 鋼珠線性擬合曲線

從圖5可知，R的平方等于0.996 8，近似等于1，說明擬合直線和實際數(shù)據(jù)之間的擬合度非常高，這表明當(dāng)被測鋼珠的直徑在6～8 mm時，系統(tǒng)的線性度理想，能夠保證被測鋼珠的測量精度.

4 結(jié) 論

針對國內(nèi)中小企業(yè)在檢測鋼珠直徑尺寸時的現(xiàn)狀，提出了一種基于機器視覺的鋼珠直徑測量方法.在該方法中，完成了照明系統(tǒng)和攝像系統(tǒng)的選型設(shè)計，實現(xiàn)了對鋼珠直徑尺寸的測量.實驗結(jié)果表明，設(shè)計的基于機器視覺的鋼珠直徑測量系統(tǒng)在測量精度等級為G100，直徑為6 mm和8 mm的鋼珠時，測量的標(biāo)準差均小于等于0.007 mm，重復(fù)性精度接近0.023 mm.該系統(tǒng)的重復(fù)性精度高、且在測量6～8 mm之間不同規(guī)格的鋼珠時，系統(tǒng)的線性理想，測量精度能夠達到微米級別，設(shè)計成本低，完全可以滿足鋼珠直徑精度在G100及以下級別的高精度、非接觸、實時檢測任務(wù)，能夠為中小企業(yè)在提高檢測效率的同時降低人工成本和管理成本，可以得到廣泛的應(yīng)用.