基于機(jī)器視覺檢測齒輪加工質(zhì)量的研究

丁紅昌，程 遠(yuǎn)

(1.長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長春 130012；2.長春師范大學(xué)國際交流學(xué)院，吉林長春 130032)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的通過人工視覺來檢測齒輪的方法已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)自動化以及高外觀質(zhì)量的性能需求，應(yīng)運而生了結(jié)合計算機(jī)與光學(xué)儀器的高速性、可靠性、圖像采集能力等優(yōu)勢的機(jī)器視覺技術(shù)[1]。機(jī)器視覺技術(shù)是將真實物體通過光學(xué)設(shè)備以及非接觸式傳感器掃描處理后將信號轉(zhuǎn)化為計算機(jī)可以分析識別的數(shù)字信號，從而獲得所需信息或者達(dá)到控制設(shè)備的目的。機(jī)器視覺技術(shù)完整的理論體系還沒有成型，但是作為實現(xiàn)工業(yè)全自動化、車輛自動駕駛導(dǎo)航、機(jī)器設(shè)備智能化以及現(xiàn)代工業(yè)檢測的核心之一，機(jī)器視覺技術(shù)有很大的發(fā)展空間[2]。

近年來隨著光傳感技術(shù)的迅猛發(fā)展，圖像識別處理進(jìn)入了一個新的階段。攝像機(jī)、光學(xué)傳感器以及數(shù)字相機(jī)等設(shè)備將拍攝目標(biāo)轉(zhuǎn)化為圖像信號，經(jīng)過專用的處理軟件分析處理后轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，最后由計算機(jī)中的圖像分析系統(tǒng)將信號通過不同的運算抽取出目標(biāo)的各項特征[3]。機(jī)器視覺最顯著的特點如下：(1)實時性高、精度高，計算機(jī)以及光學(xué)傳感器擁有人所無法比擬的運算處理能力以及信息采集精度。(2)環(huán)境適應(yīng)性強、性價比高，在許多惡劣的生產(chǎn)環(huán)境以及勞動強度大的工作中機(jī)器視覺擁有無與倫比的實用性及極高的性價比[4]。(3)綜合技術(shù)強，機(jī)器視覺技術(shù)是一門大綜合技術(shù)，包含如信號采集、傳感器、機(jī)械控制、信號處理、圖像處理分析等。各項技術(shù)相互融合、協(xié)調(diào)搭配，才構(gòu)成了一個完整的機(jī)器視覺技術(shù)[5]。

在自動化加工生產(chǎn)中，產(chǎn)品在流水線上快速地被加工生產(chǎn)出來，純靠人工檢測已經(jīng)無法適應(yīng)這樣高強度、高效率的生成模式，與此同時，接觸式測量方式也無法滿足高效、高質(zhì)量的檢測。采用非接觸式的機(jī)器視覺檢測成為保證產(chǎn)品質(zhì)量的一種有效方式。

1 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

檢測系統(tǒng)的目的是設(shè)計開發(fā)一套能夠?qū)u開線直齒圓柱齒輪采用機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)實現(xiàn)非接觸式參數(shù)檢測。檢測系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)兩部分組成。

硬件系統(tǒng)包括光源、CCD相機(jī)和圖像采集卡，主要負(fù)責(zé)采集清晰的待測齒輪圖像，將圖像信號傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中。軟件系統(tǒng)將圖像信號經(jīng)過一系列的運算處理得到齒輪各項參數(shù)。具體檢查過程是：確認(rèn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行且正確標(biāo)定后，將待測齒輪放置在檢測平臺中央，通過背光照明，CCD攝像機(jī)獲得齒輪圖像，用圖像采集卡將圖像信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C(jī)軟件系統(tǒng)，對齒輪圖像依次進(jìn)行預(yù)處理、圖像處理、參數(shù)檢測，最終給出檢測結(jié)果。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

檢測系統(tǒng)的光源模塊發(fā)光提供光源，直接照射在工作臺，待測齒輪擺放在工作臺面上，固定在工作臺的CCD攝像機(jī)獲得齒輪圖像后，圖像采集卡將圖像信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中，計算機(jī)中的軟件系統(tǒng)對齒輪圖像依次進(jìn)行預(yù)處理、濾波等。預(yù)處理的主要目的是降低噪聲以及畸變對檢測圖像的影響，選用合適的濾波方法改善采集的齒輪圖像。圖像處理主要是進(jìn)行邊緣檢測與邊緣擬合，選擇最合適的算法實現(xiàn)圖像處理。最后提取經(jīng)過處理的圖像輪廓建立坐標(biāo)系，優(yōu)化數(shù)學(xué)模型后，通過相應(yīng)的運算得到對應(yīng)的各項齒輪檢測值。

2 硬件設(shè)計

2.1 鏡頭選型

鏡頭作為機(jī)器視覺系統(tǒng)的重要組成部分之一，在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，鏡頭作為圖像采集的第一步，鏡頭質(zhì)量的好壞直接決定了系統(tǒng)能否真實有效地檢測到齒輪的各項參數(shù)[6]。如果選用不合適的鏡頭，產(chǎn)生的誤差經(jīng)過不斷的放大，會導(dǎo)致最終檢測結(jié)果嚴(yán)重失真[7]。選擇鏡頭主要參照工作距離、焦距、景深、視場四項重要指標(biāo)。選擇工作距離短、鏡頭畸變小、焦距小、視角大的鏡頭[8]。選擇畸變較小的鏡頭可以降低畸變帶來的誤差，達(dá)到簡化數(shù)據(jù)處理、降低誤差，提高工作效率和設(shè)備可行性的要求[9]。根據(jù)透鏡成像原理，鏡頭的焦距與拍攝物體的面積大小及鏡頭到拍攝物體距離之間的關(guān)系，可以用下述公式計算:

其中，f為鏡頭焦距，V為景物實際長度，H為景物實際寬度，D為鏡頭至景物實測距離，v為圖像高度，h為圖像寬度。

經(jīng)過公式推算、實際測試以及反復(fù)試驗，選用日本Computar公司的型號為M1614-MP的鏡頭，焦距為16 mm，鏡頭最大孔徑比為1∶1.4，鏡頭接口C型。該鏡頭分辨率高，畸變小，適合高精度的尺寸檢測。鏡頭參數(shù)見表1。

表1 M1614-MP鏡頭參數(shù)

2.2 圖像采集卡選型

圖像采集卡是對采集圖像進(jìn)行處理的基礎(chǔ),它將CCD攝像機(jī)輸入的模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號，離散的數(shù)字信號被存儲在圖像采集卡的存儲單元當(dāng)中[10]。從設(shè)備的兼容性以及軟件系統(tǒng)的要求考慮，系統(tǒng)選用NI公司的圖像采集卡PCI-1409。該型號的圖像采集卡擁有8 bit快速模/數(shù)轉(zhuǎn)換高質(zhì)量的圖像采集接口，最大分辨率為2048 Pixel(H)×1024 Pixel(V)，支持多種視頻格式：PAL、NTSC等，具有四路模擬信號輸出功能，還具有外部觸發(fā)的功能，實物如圖2所示。

圖2 圖像采集卡

圖3 3×3中值濾波圖

3 算法設(shè)計

圖像處理算法的設(shè)計主要從圖像預(yù)處理、濾波、邊緣檢測、邊緣擬合等方面進(jìn)行。

3.1 濾波

濾波主要有中值濾波法和均值濾波法，中值濾波的輸出與輸入噪聲的密度分布有關(guān)，而均值濾波的輸出與輸入分布無關(guān)。從隨機(jī)噪聲的抑制能力方面看，中值濾波性能要比均值濾波差一些。對脈沖干擾來講，中值濾波是很有效的。兩種濾波法都有各自的優(yōu)勢，將同一采集圖像使用上述兩種方法進(jìn)行濾波，實際觀測發(fā)現(xiàn)3×3的中值濾波法最為合適。

中值濾波是一種非線性濾波，通過選擇一個滑動窗口，用窗口正中點的值來代表窗口內(nèi)全部點的替代值。對采集圖像進(jìn)行中值濾波時，濾波窗口會有各種不同形狀的選擇，如方形、十字形、圓形和環(huán)形等。在實際操作中，窗口的尺寸一般先用3再取5，逐點增大，直到找到最滿意的濾波效果為止。分別選用3×3和5×5的窗口對采集圖像進(jìn)行濾波分析，通過對比發(fā)現(xiàn)3×3中值濾波得到的圖像效果比較出色，中值濾波后的采集圖像基本上去除了噪聲干擾，而且圖像邊界的保持效果較好(圖3)。

3.2 邊緣檢測

圖像的邊緣檢測采用Sobel邊緣檢測算法，該邊緣檢測算子是先進(jìn)行加權(quán)平均，再微分，求梯度，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其中，

ΔGi=f(i-1,j+1)+2f(i,j+1)+f(i+1,j+1)-f(i-1,j-1)-2f(i,j-1)-f(i-1,j-1).

ΔGj=f(i-1,j-1)+2f(i-1,j)+f(i-1,j+1)-f(i+1,j-1)-2f(i+1,j)-f(i+1,j+1).

系統(tǒng)的機(jī)器視覺檢測采集的圖像噪聲較小，且被檢對象與背景之間對比度高，有明顯的區(qū)域劃分。LabVIEW中IMAQ Vision提供的高級邊緣檢測模塊IMAQ Edge Tool具有亞像素細(xì)分的功能，實現(xiàn)了在維持CCD硬件不變的情況下，極大程度上提高系統(tǒng)測量的精度。

3.3 邊緣擬合

機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)對采集圖像進(jìn)行邊緣檢測后，進(jìn)行邊緣擬合。本文采用直線擬合，直線擬合是將邊緣檢測后離散的點擬合成一條直線。由于物體外形邊緣不連續(xù)以及噪聲等影響，致使在邊緣檢測后本應(yīng)該在一條直線上的離散點發(fā)生了錯位，偏離了正確位置。系統(tǒng)選用MSD(Mean Square Distance)算法將邊緣檢測到的離散的邊緣點擬合成直線。

本文選擇矩形作為擬合區(qū)域，沿矩形長邊方向為搜索方向，如果矩形水平方向長度大于豎直方向長度，搜索方向為從左向右；如果矩形水平方向長度小于豎直方向長度，搜索方向為從上向下。設(shè)定擬合區(qū)域的范圍,要求落在擬合區(qū)域的點數(shù)至少是整個檢測得到點數(shù)的一半以上,選擇擬合區(qū)域中落點基本處于一條直線上的點組成的直線為L,利用上述公式計算MSD值。利用其余的點采用同樣的步驟重新擬合一條直線,計算其MSD值,直到計算出所有點擬合的直線的MSD值。選擇其中MSD值最小的直線作為擬合直線，去除掉距離擬合曲線較遠(yuǎn)的點，再次計算各條擬合曲線的MSD值。之后計算所擬合的直線的分?jǐn)?shù)LFS(Line Fit Score)，其公式如下：

其中，PR為半徑值。

不斷循環(huán)執(zhí)行上述過程，直到計算的直線分?jǐn)?shù)大于所設(shè)定的值為止，此時的擬合直線就是最終擬合所得的直線邊緣。

齒輪機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)選用圖形化編程軟件LabVIEW 2014和IMAQ Vision來編寫軟件系統(tǒng)。LabVIEW圖形模塊化設(shè)計方便搭建軟件構(gòu)架。軟件設(shè)計主要包括：圖形采集程序、圖像預(yù)處理程序、圖像處理程序、圖像參數(shù)檢測程序、初始化程序以及報表程序。選擇標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)機(jī)作為程序構(gòu)架平臺，設(shè)計流程如圖4所示。

圖4軟件設(shè)計流程圖

齒輪檢測系統(tǒng)的軟件操作界面包括測試界面、配置界面以及報表生成界面。系統(tǒng)啟動后，進(jìn)行初始化，確認(rèn)設(shè)備通訊正常。然后進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，標(biāo)定后選擇齒輪型號，確認(rèn)顯示界面中齒輪的圖像清晰后，檢測系統(tǒng)開始采集待測齒輪圖像。配置界面分為兩部分：第一部分是配置部分，配置不同齒輪型號的齒數(shù)、模數(shù)、頂系系數(shù)以及齒頂高系數(shù)。第二部分是參數(shù)顯示界面，顯示當(dāng)前選擇的齒輪型號對應(yīng)的各項參數(shù)值，試驗結(jié)束后顯示齒輪檢測得到的值。試驗結(jié)束時，在報表生成界面點擊報表生成按鈕，便會彈出Word文檔的報表文件。

4 實驗分析

選用一個標(biāo)準(zhǔn)的漸開線直齒圓柱齒輪及量塊，計算齒輪理論標(biāo)準(zhǔn)值，將齒輪的系統(tǒng)檢測值與理論標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比分析,驗證所設(shè)計的漸開線直齒圓柱齒輪檢測系統(tǒng)的可行性。通過對比分析可以得到檢測系統(tǒng)是否具有可行性以及在檢測過程中有哪些因素影響檢測。

本文采用模數(shù)1.25，齒數(shù)40，壓力角20°，中心孔直徑10 mm的標(biāo)準(zhǔn)漸開線直齒圓柱齒輪進(jìn)行檢測對比。實物見圖5，通過計算可以得到各項待檢測參數(shù)的理論值，結(jié)果見表2。

圖5 待測齒輪圖

圖6 萬能工具顯微鏡

模數(shù)齒數(shù)分度圓直徑/mm中心孔直徑/mm齒頂圓直徑/mm齒根圓直徑/mm單齒檢測齒距/mm兩齒檢測距/mm檢測值1.2540501052.546.6253.9257.85

齒輪檢測時，將待測齒輪手動安置在檢測平臺上，檢測平臺采用封閉式背光照明，將待測齒輪放置于平臺中央。開啟檢測軟件以及相關(guān)硬件，系統(tǒng)自檢后，確保軟硬件設(shè)備通訊正常，調(diào)整攝像頭的位置以及焦距和光圈，直到在操作界面中圖像采集窗口顯示的待測齒輪齒廓清晰可見，確認(rèn)保存后，進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，軟件系統(tǒng)自行運算處理后得到待測齒輪的各項參數(shù)(表3)，通過計算可以得到齒輪偏差數(shù)據(jù)(表4)。

表3 齒輪檢測數(shù)據(jù)

表4 齒輪偏差數(shù)據(jù)

由于CCD相機(jī)本身存在制造誤差、軟件誤差等，驗證所設(shè)計的漸開線直齒圓柱齒輪檢測系統(tǒng)的結(jié)果是否合理有效，需要將機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果與其他檢測工具的檢測結(jié)果進(jìn)行對比分析。萬能工具顯微鏡是一種采用影像法與軸切法按直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)精確地測量各種零件的檢測工具，具有抗振動性強、可以實現(xiàn)快速精確定位、自動識別、操作誤差小、圖像處理能力強、檢測精度高等優(yōu)點。實物見圖6。

表5 兩種檢測方法的檢測結(jié)果對比

由表5可見，機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)檢測值與萬能工具顯微鏡的檢測值非常接近，說明設(shè)計的檢測系統(tǒng)所得的數(shù)據(jù)真實可靠。

5 結(jié)論

漸開線直齒圓柱齒輪檢測系統(tǒng)對齒輪各個參數(shù)的檢測誤差最大為0.162 mm，萬能工具顯微鏡的最大檢測誤差為0.154 mm,通過實驗數(shù)據(jù)對比，可得出機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)檢測值精確。機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，在減少人工誤差、降低勞動強度與難度方面有著顯著的優(yōu)勢；漸開線直齒圓柱齒輪檢測系統(tǒng)的搭建，符合工業(yè)自動化的發(fā)展，在機(jī)械零件廣泛應(yīng)用的行業(yè)中將扮演重要角色。