基于數字全息技術的鋼球在線檢測分選裝置設計

張紀磊，張　勇，孫　江

(海軍航空工程學院 理化實驗中心，山東 煙臺 264001)

基于數字全息技術的鋼球在線檢測分選裝置設計

張紀磊，張勇，孫江

(海軍航空工程學院 理化實驗中心，山東 煙臺 264001)

摘要：從鋼球在線檢測裝置的檢測精度和檢測效率出發，對鋼球在線檢測的檢測方法和檢測裝置進行了研究設計。重點介紹了通過激光干涉獲取鋼球干涉全息圖像的基本方法與裝置設計方案,介紹了如何利用數字全息技術處理干涉圖像及鋼球等級評定和分選的具體方法。

關鍵詞：鋼球；在線檢測；激光干涉；數字全息

鋼球是軸承的最重要配件，也是軸承行業使用最多的滾動體。鋼球質量的好壞直接影響著軸承的精度、運動性能以及使用壽命。鋼球檢測分級是鋼球進入流通的第1個環節，直接影響著軸承的質量和穩定性，進而影響整個機械行業的發展水平[1]。對生產出來的鋼球進行檢測和分級能最大限度地提高軸承的質量，發揮鋼球的價值。

目前，比較成熟的鋼球檢測方法主要有：渦流探傷法、超聲波探傷法、光電檢測法和視覺檢測法[2-3]。這幾種檢測方法各有優勢，但都存在一個共同的問題，即很難同時兼顧檢測精度和檢測速度。本文設計了一種利用數字全息技術完成鋼球檢測的新型在線檢測裝置，可有效提高檢測的精度，同時又能保證良好的在線檢測速度。

1總體設計

整套裝置由5部分組成，包括樣品表面清洗干燥系統、機械分選系統、表面展開系統、光學檢測系統、圖像采集與處理系統。總體設計如圖1所示。

圖1　總體設計

表面清洗干燥系統通過超聲波清洗和微波烘干，清理待檢鋼球表面的油污和水漬，以便后期光學檢測環節能得到較好的干涉圖像，避免因表面污漬而產生誤檢和錯檢。

機械分選系統分為檢前粗分和檢后細分兩部分。檢前粗分是通過不同孔徑大小的分選機構進行粗選，使直徑在不同范圍內的待測鋼球被分選到不同的光學檢測系統中；檢后細分是指通過光學檢測和圖像分析處理后的鋼球會根據檢測結果被判定等級，并據此將其分選。

表面展開系統是通過機械傳動裝置使鋼球產生一定規律的運動，將鋼球表面分割成不同的球冠區域，分別進行光學檢測，提高檢測精度。鋼球表面分割成的區域越多，檢測速度會越慢，但檢測精度會越高，可通過控制步進電動機的頻率和轉速來改變鋼球表面的區域分割數量，從而合理控制檢測速度和檢測精度。

光學檢測系統主要是通過激光干涉的方法得到待檢鋼球的干涉全息圖像。與傳統鋼球光學檢測方法不同的是，該方法得到的干涉圖像包含了鋼球的三維信息，比傳統方法得到的二維圖像包含的信息量要多很多。隨著檢測鋼球的被檢球冠區域的增大，所得鋼球信息將成幾何倍數增長，從而大大提高了檢測效率；同時，干涉法的檢測精度也是平面成像檢測法無法企及的，這就很好地解決了檢測速度與檢測精度無法兼顧的行業難題。

圖像采集與處理系統利用CCD攝像頭將干涉圖像生成數字信息，并輸入計算機進行處理，通過數字全息技術對干涉圖像進行數據分析、處理和統計，從而得到待檢鋼球的公稱直徑、公差等級、直徑規值、圓度和表面粗糙度等指標，快速完成鋼球分選，統計球批信息。

表面清洗干燥系統、機械分選系統和表面展開系統是鋼球全項檢測儀的常規機構，大多同類裝置中都有類似的結構[4-7]，相關原理和細節本文中不做詳細介紹，下述將重點介紹該裝置的光學檢測系統和圖像采集與處理系統。

2光學檢測系統

該裝置的光學檢測系統主要通過激光干涉的方法獲取鋼球的干涉全息圖像，從中提取相關信息來完成鋼球檢測。干涉技術在光學檢測中一直占有重要的地位，由于光干涉法的測量精度高，許多精密和超精密加工中的測量工作都是根據光干涉法實現的[8]；但是干涉法的測量速度普遍不高，所以在在線檢測系統中的應用不多。怎樣在保證檢測精度的同時提高檢測精度是本文研究的重點。

2.1光路設計

本文所設計的光學檢測系統是在泰曼-格林干涉原理的基礎上改進而來的，具體光路如圖2所示。由激光器產生光源，通過光欄濾波產生標準單色光，通過擴束鏡將點光源發出的球面波變成平面波，形成直徑擴大的準直光束，然后經過孔徑光闌控制光束直徑。光束由分束器形成振動方向相同、傳播方向垂直的2束相關光。其中一束射向參考鋼球，經其表面反射回來的光束作為參考波前；另一束射向待測鋼球，其反射光作為測試波前。2束放射光再次經過擴束鏡后匯成一束，在成像屏上形成干涉圖像。圖像由CCD采集錄入圖像采集與處理系統。

圖2　光學檢測系統結構圖

2.2各元器件的作用和特點

該裝置從最終干涉圖像的質量和圖像分析的速度方面考慮，進行了多方面研究與試驗，對傳統泰曼-格林干涉儀的各個元器件進行了多處改進。

光學檢測系統采用的光源是發光二極管激光器，其體積小，便于安裝、拆卸和更換，較其他激光器更適合用于該套裝置，可以減小整套裝置的體積；但是發光二極管產生的激光光束單色性較差，所以在該裝置中加裝了光欄濾波，以得到較好的單色光[9]。

為了得到較好的干涉效果，激光需經過擴束鏡準直和擴束才可作為相干光源使用，光強太大或太小都會影響最終所形成干涉圖像的質量。由于光束的光強與可照射面積成反比關系，可通過調節擴束鏡內透鏡的位置改變出射光束的直徑，從而調節入射光強，得到最佳入射光源。

入射光束孔徑太大會產生過多的環境光，影響干涉圖像的效果，這時可通過孔徑光闌來改變干涉光路的光線直徑，從而得到更加理想的干涉圖像，提高檢測的精度。

該裝置采用的分束鏡也有所改進，在常規分束鏡的基礎上鍍了一層透射率一定的半透半反膜，從而控制2束相干光的光強比，很好地改善了干涉圖像的質量。參考波前和測試波前的反射面分別由參考鋼球與待測鋼球的球面來充當，目的也是為了保證2束相干光的光強比。由于使用球面作為參考波前和測試波前的反射面，所以干涉圖像要比待測鋼球的尺寸大出幾十倍(具體倍數由裝置中各元器件間的距離決定)，在小直徑鋼球檢測方面具有獨特優勢。

2.3檢測原理

光學檢測系統主要是通過干涉圖像來分析計算待檢鋼球的公稱直徑、公差等級、直徑規值、圓度和表面粗糙度等指標。為保證干涉圖像的形成和干涉圖像之間的可比性，參考鋼球直徑需略大于待測鋼球，這就需要在檢前粗選環節控制好進入各光學檢測系統的鋼球尺寸。雖然每個光學檢測系統只能檢測一定直徑范圍內的鋼球，但一套裝置中可安裝多個光學檢測系統，根據需要調節參考鋼球的尺寸就可改變光學檢測系統的檢測范圍。

干涉圖像可以看作是待測鋼球的反射光與參考鋼球經分束鏡所成像的反射光相干涉而形成的。當待測鋼球為標準圓球時，就會形成同心圓環形的干涉圖像(見圖3)。待測鋼球直徑不同，所形成的干涉條紋也不相同。可以由各級干涉條紋的直徑和裝置中其他元器件的尺寸計算出待測鋼球的直徑，這一工作可由圖像采集與處理系統中的計算機完成。

圖3　干涉成像原理圖

3圖像處理系統

圖像處理系統由會聚透鏡、CCD攝像頭、數據采集卡、計算機和顯示器五部分組成(見圖2)。會聚透鏡可控制CCD所采集的干涉圖像大小，CCD和數據采集卡將干涉圖像變成黑白圖像形式的數字信息存入計算機，計算機完成干涉圖像的信息處理。

圖像處理系統主要是應用數字全息技術來完成圖像的信息處理，通過CCD光電成像器件，在物場的連續變化過程中記錄多幅數字全息圖，然后利用數值計算出不同時刻物場的復振幅分布，將其進行比較可得到相應的干涉相位差。利用其與待測物理量之間的關系，可方便地實現對物場三維信息的實時測量[10]。該方法具有測量精度高、響應靈敏和可實現全場測量等優點，因此，在許多研究領域得到了廣泛應用，特別是在精密幾何量的非接觸式測量方面優勢明顯。

通過數字全息技術可以很好地實現鋼球直徑的測量計算工作，但是計算過程還是比較復雜，所需時間較長[11]。實際鋼球批量檢測過程中，每個鋼球直徑的具體數值并不是必需的，只需要知道待測鋼球的直徑是否在某一誤差范圍內就可以判定該鋼球的等級。為了能夠快速完成檢測，可以將待測鋼球的干涉圖像與計算機計算得到的比對參考圖像進行比對，就可以判定該待測鋼球的等級，具體方法如下。

本文以公稱直徑15 mm，公差等級G3的球批檢測為例。根據國際標準GBT 308—2002可知，該球批的球直徑變動量應<0.08 mm，即滿足該等級要求的鋼球直徑應為14.96～15.04 mm，則該球批的比對參考圖像可由直徑為15.04 mm的標準球干涉圖像(見圖4中虛線所示)與直徑為14.96 mm的標準球干涉圖像(見圖4中實線所示)合成得到。應用軟件將兩干涉圖像中心對齊后布爾相加，兩干涉圖像同級干涉條紋之間的區域(見圖4中虛線與實線之間的區域)填充后即可生成比對參考圖像。將待測鋼球的干涉圖像與比對參考圖像布爾相加后，再與之布爾相減，如結果為零，即生成圖像為空白，則計算機判定待測鋼球滿足G3等級，進入G3等級分選通道；反之，則判定待測鋼球低于G3等級，進入下一等級的圖像比對。

圖4　比對參考圖像合成原理

不同等級的比對參考圖像做好后，系統就可按此方法自動完成球批各個等級的檢測與分選。采用該方法進行圖形比對可大大減少計算機的運算量，提高裝置的工作效率。

4結語

該裝置通過激光干涉法保證了測量精度，通過計算機對干涉圖像進行處理比對提高了檢測分選速度，從而解決了目前軸承行業中鋼球檢測技術無法兼顧檢測精度和檢測速度的問題，大副度提高了鋼球檢測的精度和效率，有效保證了軸承的質量，提高了相關工業產品的品質，特別對于精度質量要求較高的軍工領域有著非常重要的意義，具有較高的應用價值。

該裝置的干涉光路設計在曲面檢測，特別是小曲率半徑表面缺陷檢測和曲率半徑高精度測量方面有著獨特的技術優勢。對于圓球形、圓柱形、曲面精密機械元件和光學元器件的檢測有著重要的參考價值。

參考文獻

[1] 趙伯勛．調心滾子軸承內圈滾道位置偏差的分析與測量[J].軸承，1990(2)：43-44.

[2] 劉龍恩．球面滾子最大直徑位置公差的測量[J].軸承，1997(1)：40-41.

[3] 武漢惠斯特機電設備有限公司．軸承滾動體激光自動分組機：中國，CN101574694 A[P]. 2009-11-11.

[4] 田琦．小圓錐、圓柱滾子分選機的改革[J].軸承，1973(5)：40-43.

[5] 虹山機械廠．DFJ-10G滾子直徑分選機改為滾子高度自動分選機[J].軸承，1977(4)：11-15.

[6] 沈奇，范麗．WGF-210A滾子自動分選機[J].軸承，1993(7)：33-35.

[7] 王千祥，丁光偉．CFX245型圓柱滾子分選機[J].機械工程師，2001(12)：37.

[8] 程維明，葛軼君．精密定位中的激光干涉測量誤差分析[J].上海工程技術大學學報，2006(12)：287-290.

[9] 劉乃謙．激光傳感器的現狀和未來[J].儀表技術和傳感器，1990(3)：42-43.

[10] 肖國宏，黃麗清．用計算機細分干涉條紋技術的研究[J]．激光雜志，1999，20(1)：53-54.

[11] 周恕義，鄔敏賢，金國藩．采用圖像處理技術的高精度干涉計量系統[J]．儀器儀表學報，1993，14(1)：81-84.

責任編輯鄭練

Design for Steel Ball Online Detecting and Sorting Device based on Digital Holography

ZHANG Jilei, ZHANG Yong, SUN Jiang

(Physical and Chemical Experiment Center, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

Abstract:From the point of detection accuracy and detection efficiency of the steel ball online detection and sorting device, studied detection method and detection device of steel ball online detection. Focused on the basic method to get interference holographic image of steel ball through the laser interferometer and device design, introduced how to use digital holographic technology processing interferometry image, and the methods of grade evaluation and sorting.

Key words:steel ball, online detecting, laser interferometer, digital holographic

收稿日期：2014-06-25

作者簡介：張紀磊(1982-)，男，工程師，主要從事物理實驗教學和虛擬現實技術等方面的研究。

中圖分類號：TH 702

文獻標志碼：A