基于機(jī)器視覺(jué)的電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)自動(dòng)化對(duì)中技術(shù)方法研究

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(dòng)裝置，廣泛應(yīng)用于冶金、化、化工、煤炭、材、公用設(shè)施等多個(gè)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(yàn)檢測(cè)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(cè)設(shè)備、方法已經(jīng)無(wú)法完全滿(mǎn)足現(xiàn)代制造業(yè)的特殊要求。人工視覺(jué)檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，而機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)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(jué)檢測(cè)替代人工視覺(jué)檢查可以大大提高檢測(cè)效率和檢測(cè)精度，基于機(jī)器視覺(jué)的非接觸識(shí)別和測(cè)量已成為精密測(cè)量技術(shù)一個(gè)重要的發(fā)展方向。

傳統(tǒng)電機(jī)安裝測(cè)試方式一般是由檢測(cè)人員給被測(cè)電機(jī)安裝聯(lián)軸器，與傳感器聯(lián)軸器進(jìn)行對(duì)中，安裝過(guò)程中不斷調(diào)整被測(cè)電機(jī)的左右距離和高度，有時(shí)因?yàn)闇y(cè)試電機(jī)底座加工誤差，需要不斷地塞墊銅箔來(lái)修正機(jī)加工的誤差，以達(dá)到安裝要求。整個(gè)安裝過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，但是對(duì)中效果并不理想，遇到多批次不同規(guī)格型號(hào)的電機(jī)測(cè)試時(shí)問(wèn)題尤為嚴(yán)重。通過(guò)攝像頭對(duì)目標(biāo)實(shí)施掃描搜索，控制電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的有序運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)點(diǎn)，其在檢測(cè)精度、速度及穩(wěn)定性方面都能很好地滿(mǎn)足應(yīng)用要求2。因此，本文探討了基于機(jī)器視覺(jué)設(shè)計(jì)檢測(cè)算法，控制閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行四軸聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化對(duì)中的方法，以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確對(duì)中，提高檢測(cè)效率和檢測(cè)質(zhì)量。

1 視覺(jué)對(duì)中工作原理

視覺(jué)自動(dòng)化對(duì)中系統(tǒng)主要分為視覺(jué)識(shí)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(jué)識(shí)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(jì)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(tái)架、絲杠、鎖緊裝置。通過(guò)視覺(jué)識(shí)別單元檢測(cè)電機(jī)臺(tái)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(jì)算獲得與聯(lián)軸對(duì)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(dòng)臺(tái)架，由伺服電機(jī)調(diào)整微動(dòng)臺(tái)架的平移、升降、伸縮、水平旋轉(zhuǎn)四個(gè)維度，以實(shí)現(xiàn)被測(cè)電機(jī)與主驅(qū)電機(jī)的動(dòng)態(tài)聯(lián)軸對(duì)中。該四軸聯(lián)動(dòng)的電機(jī)臺(tái)架自動(dòng)校準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)具有全自動(dòng)校準(zhǔn)功能，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸對(duì)中校準(zhǔn)的全自動(dòng)化，結(jié)構(gòu)安全緊湊，操作簡(jiǎn)便快速，可視化程度高，具體硬件架構(gòu)如圖1所示。

2 視覺(jué)對(duì)中硬件和軟件設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(cè)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(jì)一種激光對(duì)中光學(xué)系統(tǒng)，用于檢測(cè)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(xiàn)投射到被測(cè)物體上，突出被測(cè)特征部分與背景的對(duì)比度，降低后續(xù)軟件算法的難度，從而提高自動(dòng)校正算法的穩(wěn)定性。

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

式中： 表示最小尺寸特征； 表示表征最小特征的像素?cái)?shù)。

在已知視場(chǎng)和相機(jī)分辨率后，可根據(jù)檢測(cè)空間給鏡頭預(yù)留的最佳工作距離計(jì)算焦距大小，從而選取合適的鏡頭。在高精密測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)中，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)除滿(mǎn)足測(cè)量成像的要求，還應(yīng)考慮避免光學(xué)系統(tǒng)與被測(cè)物體之間存在機(jī)械裝置遮擋的問(wèn)題。此外，機(jī)器視覺(jué)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(jì)智能光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)上位機(jī)控制光源，使得光源根據(jù)不同被測(cè)電機(jī)的外觀尺寸等參數(shù)來(lái)變換發(fā)光亮度、發(fā)光時(shí)距離等參數(shù)，保證圖像采集的高質(zhì)量。

2.2 檢測(cè)算法設(shè)計(jì)

圖像處理單元負(fù)責(zé)對(duì)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(shí)別和檢測(cè)。檢測(cè)過(guò)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(dòng)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(cè)、顏色識(shí)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(cè)算法相結(jié)合。

該校準(zhǔn)過(guò)程針對(duì)安裝平臺(tái)主驅(qū)電機(jī)和被試電機(jī)的聯(lián)軸器同軸度，主要測(cè)量其相對(duì)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(cè)算法相結(jié)合的形式進(jìn)行圖像識(shí)別判斷。設(shè)計(jì)過(guò)程中需重點(diǎn)解決機(jī)器視覺(jué)與實(shí)際測(cè)量過(guò)程的誤差問(wèn)題，如機(jī)器視覺(jué)測(cè)量一方面由于圖像采集單元的放大倍數(shù)與實(shí)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(huì)導(dǎo)致枕形失真或桶形失真，故圖像像素尺寸和實(shí)際尺寸之間無(wú)法建立準(zhǔn)確的幾何關(guān)系，所以擬采用臺(tái)達(dá)DeltaVision高性能視覺(jué)軟件開(kāi)發(fā)包，通過(guò)高透亞克力板成像實(shí)心圓點(diǎn)陣列，識(shí)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(tái)由多個(gè)伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制器和四自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，電機(jī)聯(lián)軸系統(tǒng)實(shí)際工裝如圖5所示。該系統(tǒng)使用高性能伺服電機(jī)，每個(gè)伺服電機(jī)由對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)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(xiàn)路如圖6所示，PLC控制器用于發(fā)送各軸的運(yùn)動(dòng)指令，并通過(guò)蝸桿與固定臺(tái)架之間的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)升降、平移、伸縮、平旋四個(gè)方向的定位控制，可以使臺(tái)架精確定位至被測(cè)電機(jī)的軸線(xiàn)位置，并且在每個(gè)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(shí)，控制系統(tǒng)采用位置-速度閉環(huán)控制，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和校正運(yùn)動(dòng)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(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)的設(shè)計(jì)包含用戶(hù)界面、數(shù)據(jù)處理以及通信接口的設(shè)計(jì)。其中，用戶(hù)界面用于顯示圖形化的檢測(cè)結(jié)果，并可由操作人員手動(dòng)或自動(dòng)執(zhí)行校準(zhǔn)過(guò)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(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾預(yù)處理。通信接口主要用于配置上位機(jī)與視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)的接口類(lèi)型和通信協(xié)議。

3樣機(jī)視覺(jué)對(duì)中的自動(dòng)化平臺(tái)結(jié)果輸出

基于算法和硬件協(xié)同處理，在電機(jī)安裝測(cè)試過(guò)程中應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行全自動(dòng)同軸度檢測(cè)，可以有效評(píng)估被試電機(jī)與主驅(qū)電機(jī)軸線(xiàn)之間的相對(duì)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(dòng)、噪聲及磨損，確保設(shè)備正常運(yùn)行。

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

4結(jié)束語(yǔ)

基于機(jī)器視覺(jué)的電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)同軸度對(duì)中檢測(cè)技術(shù)能解決安裝效率低、精度差、可重復(fù)性不足等問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的快速響應(yīng)和精確控制，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

光學(xué)系統(tǒng)中視覺(jué)檢測(cè)利用先進(jìn)的圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互的可視化與自動(dòng)化；主控器編寫(xiě)的多軸聯(lián)動(dòng)控制算法，非接觸式光學(xué)對(duì)中結(jié)構(gòu)與校正算法的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)軸器端與主驅(qū)電機(jī)的動(dòng)態(tài)對(duì)中精密閉環(huán)控制，應(yīng)用后可節(jié)省約 80% 的校準(zhǔn)時(shí)間，并有效提高檢測(cè)效率和檢測(cè)過(guò)程的一致性。

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