基于機器視覺的電動機轉(zhuǎn)軸軸承安裝部位外徑對比測量

劉凱，陳緒兵，毛金城,2，周瑞豐

(1.武漢工程大學 機電工程學院，武漢 430205；2.湖北堅豐科技股份有限公司，湖北 孝感 432900)

轉(zhuǎn)軸是電動機的重要部件，支承各種轉(zhuǎn)動零件，傳遞轉(zhuǎn)矩，輸出機械功率，軸承安裝部位(軸承位)更是轉(zhuǎn)軸的關(guān)鍵位置，其安裝精度直接影響電動機的運行狀態(tài)，會引起電動機振動及噪聲過大等問題。國內(nèi)軸類零件的測量基本處于使用游標卡尺、千分尺、氣動量儀等工具進行手動檢測階段，不僅勞動強度大，作業(yè)效率低，而且容易發(fā)生錯檢或漏檢，檢測結(jié)果受技術(shù)人員的技術(shù)水平和精神狀態(tài)的影響，無法保證檢測結(jié)果的精確性和可靠性[1]。

相較于傳統(tǒng)的測量技術(shù)，基于圖像處理和機器視覺的檢測技術(shù)采用非接觸式測量方式，可以避免給轉(zhuǎn)軸帶來額外的損傷，具有一定的適用性，而且可以實現(xiàn)其他測量方法無法實現(xiàn)的測量。另外，其具有檢測速度快，檢測精度高，柔性高，自動化程度高等特點，是現(xiàn)代制造領域不可或缺的測量技術(shù)。因此，針對電動機轉(zhuǎn)軸軸承位外徑尺寸的測量，提出了一種基于機器視覺技術(shù)的高精度測量方法，對圖像進行邊緣定位，通過最小二乘直線擬合得到邊緣直線，精確計算出轉(zhuǎn)軸軸承位的外徑尺寸。

1 檢測系統(tǒng)原理

提出一種基于CCD傳感器的轉(zhuǎn)軸軸承位外徑尺寸的圖像對比測量方法。使用2個面陣CCD分別采集某已知外徑的合格標準軸左右邊緣圖像，然后保持相機和V形槽底座固定不動，在相同條件下分別采集待測軸左右邊緣圖像，通過圖像處理與分析得出各邊緣直線方程，分別計算出標準軸與待測軸左、右邊緣的間距，最后計算待測軸與標準軸外徑之間的差值，以此間接獲得待測軸的外徑尺寸。

測量系統(tǒng)若使用單相機采集整個軸承位對象直接進行處理和分析，則需要的鏡頭視場相對較大；而使用雙目視覺分別采集標準軸與待測軸的邊緣圖像，則可使用小視場鏡頭。而在相機分辨率不變的情況下，使用小視場鏡頭可以提高系統(tǒng)的像素精度。

由于電動機轉(zhuǎn)軸是不透明的金屬材料，為有利于后續(xù)的圖像處理，特采用背光獲得高對比度的圖像[2]。使用平行光源背光照射于轉(zhuǎn)軸上，使轉(zhuǎn)軸盡量處于照明均勻的可控背景中，通過光學系統(tǒng)，在面陣CCD的光敏面上成像。通過圖像采集卡將待測軸的圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，計算機對采集到的圖像進行處理，提取出預期的特征和數(shù)據(jù)，然后對零件尺寸進行快速、精確的計算。檢測系統(tǒng)的原理和系統(tǒng)裝置示意圖分別如圖1、圖2所示，系統(tǒng)采用的CCD攝像機分辨率為1 624 pixel×1 224 pixel，像元尺寸為4.4 μm。

圖1 系統(tǒng)檢測原理

1—平行光板；2—V形槽；3—轉(zhuǎn)軸零件；4—CCD相機；5—計算機

2 圖像預處理

某型轉(zhuǎn)軸實物如圖3所示，軸承位的整體形態(tài)如圖4所示。為了能夠更好地檢測零件尺寸，需要對采集到的待測零件數(shù)字圖像進行一系列的處理，從而獲取預期的內(nèi)容。

圖3 轉(zhuǎn)軸實物圖

圖4 軸承位整體形態(tài)圖

如圖5所示，圖像預處理的過程為：將采集到的彩色數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，去除非必要的顏色信息，保留梯度信息，以縮小存儲空間并大幅提高運算速度；圖像平滑處理，消除圖像中的噪聲；邊緣檢測，提取轉(zhuǎn)軸的邊緣輪廓，便于后續(xù)的邊緣直線擬合。

圖5 圖像預處理流程

2.1 圖像平滑

在圖像的采集和傳輸過程中，不可避免會受到各種噪聲的干擾，降低了圖像質(zhì)量，導致檢測過程中產(chǎn)生分析和測量誤差。為減小分析誤差，提高檢測精度，有必要平滑圖像以去除圖像中的噪聲[3]。數(shù)字圖像中常見的噪聲包括椒鹽噪聲、高斯噪聲等。可以在空間域或頻率域中根據(jù)圖像中噪聲的不同特性采用不同的濾波方法消除。空間域中的圖像平滑可以使用線性濾波器和非線性濾波器；在頻域中，噪聲頻譜主要在高頻段，可以使用各種形式的低通濾波器抑制高頻分量，去除噪聲。使用適當?shù)臑V波方法去除噪聲是檢測過程的重要部分。

數(shù)字圖像的平滑通常在空間域進行，均值和中值濾波器是2種常用于空間域的平滑處理技術(shù)[4]。前者也稱為平滑線性濾波，是典型的線性濾波，其思想是用像素鄰域內(nèi)各像素的灰度平均值代替該像素原來的灰度值，處理速度快，但會出現(xiàn)一定程度的模糊，模糊程度與所用模板的大小有關(guān);后者是一種最簡單的非線性濾波，將每一個像素點的灰度值設置為鄰域中所有像素灰度值的中值，中值濾波在一定條件下能夠克服線性濾波造成的邊緣模糊等缺點。因此，采用5×5模板的中值濾波對原圖像進行平滑，原圖像與中值濾波圖像如圖6所示。

2.2 邊緣檢測

圖像的邊緣信息是重要的圖像特征，是圖像中局部亮度變化最明顯的部分，包含大量的有用信息。因此，在軸類零件的測量中，零件邊緣特征的提取至關(guān)重要。

要提取邊緣輪廓，需要先在濾波后的圖像中提取檢測對象，將背景分離。采用最大類間方差(Otsu)法[5]對中值濾波圖像中的前景與背景進行分割，最大類間方差法是一種自適應的閾值確定方法，選取能使類間方差達到最大的圖像灰度值，2個區(qū)域的方差越大說明構(gòu)成圖像的2個部分差別越大，以此分割出前景區(qū)域和背景區(qū)域，此時的灰度值即為圖像分割的最佳閾值。得到的二值化圖像如圖7所示。

圖7 待測軸的二值圖像

采用DoG(Difference of Gaussian)邊緣提取對二值圖像進行處理。DoG是計算機視覺和圖像處理的一種常用高通濾波器，通過增強高頻信號過濾掉低頻信號，常用于檢測圖像中的線條特征[6]。DoG邊緣檢測通過使用不同參數(shù)的高斯函數(shù)與圖像f(x,y)進行卷積計算，首先使用核為σ1的Gauss函數(shù)與圖像作卷積

F1(x,y)=Gσ1(x,y)*f(x,y)，

(1)

(2)

再將圖像與另一個核為σ2的高斯函數(shù)作卷積

F2(x,y)=Gσ2(x,y)*f(x,y)。

(3)

DoG就是2個不同高斯平滑圖像之差，即

F1(x,y)-F2(x,y)=(Gσ1(x,y)-

Gσ2(x,y))*f(x,y)=DoG*f(x,y)，

(4)

DoG=Gσ1(x,y)-Gσ2(x,y)。

(5)

采用σ1=0.3，σ2=5的參數(shù)進行計算，得到如圖8所示的邊緣圖像，圖8a中邊緣輪廓右邊為軸體，圖8b中邊緣輪廓左邊為軸體。

圖8 待測軸的邊緣圖像

3 外徑尺寸計算

經(jīng)過圖像預處理，分別獲得了某標準軸的左右邊緣圖像Sl，Sr和待測軸的左右邊緣圖像Tl和Tr，在得到的邊緣圖像上提取邊緣點的像素坐標(xi,yi)，對圖像中的坐標進行擬合得到目標的連續(xù)函數(shù)，從而確定描述物體的各個參數(shù)值，進而對目標進行亞像素定位。采用最小二乘法原理擬合圖像邊緣離散點，實現(xiàn)亞像素精度定位[7]。擬合出邊緣直線的表達式后，就可以計算標準軸和待測軸左右邊緣直線之間的距離，然后分別得到左右邊緣直線之間距離的差值，將2個差值求和，即可得出待測軸與標準軸外徑的差值，從而計算出待測軸的外徑尺寸。

設直線的表達式為

y=kx+b。

(6)

根據(jù)最小二乘原理，需要使擬合直線與邊緣點距離最近，即令

(7)

ySl=-11.359x+1 342.077，

(8)

ySr=-11.648x+3 090.728。

(9)

待測軸左、右邊緣直線方程yTl，yTr分別為

yTl=-11.708x+1 338.512，

(10)

yTr=-11.539x+3 085.766。

(11)

根據(jù)直線方程，取待測軸左邊緣直線上的N個點，根據(jù)點到直線的距離公式，即點T0(x0,y0)到另一條直線Ax+By+C=0的間距公式為

(12)

根據(jù)(12)式計算出待測軸左邊緣直線上點到標準軸左邊緣直線距離的N個結(jié)果，再求平均值得到待測軸與標準軸左邊緣直線之間的距離，即待測軸與標準軸左邊緣間距dl=2.651 pixel，同理可以計算出待測軸與標準軸右邊緣間距dr=-1.701 pixel，則外徑最終間距為dt=dl+dr=0.95 pixel。

為計算出直徑的實際值，需要對相機進行標定[8]。選擇已知尺寸的量塊作為標準件，在與實際測量相同的條件下拍攝量塊圖像，并計算其在圖像像素坐標系中的像素值。量塊的實際尺寸與其像素尺寸的比值即相機的標定系數(shù)。經(jīng)過測量得到標定系數(shù)k=6.412 μm/pixel，根據(jù)軸徑總間距的像素尺寸，可以計算出待測軸與標準值外徑尺寸的實際差距，即差距的像素尺寸為dt，則差距的實際尺寸為d=dt×k=6.091 μm。

標準軸外徑實際尺寸為8 mm，計算得到待測軸外徑實際尺寸R≈8.006 mm，與使用氣動量儀測得待測軸直徑8.006 mm基本吻合，表明視覺識別精度滿足零件測量精度要求。

4 結(jié)束語

基于軸類零件的檢測原理，通過DoG算子對零件圖像的邊緣進行提取，并采用最小二乘法對邊緣進行擬合，通過對標準軸和待測軸兩邊緣直線的距離進行計算，最后計算出待測軸與標準軸外徑的差值，間接測量出待測軸的外徑尺寸。試驗結(jié)果表明，該方法能夠?qū)﹄妱訖C轉(zhuǎn)軸軸承位外徑進行較高精度的測量。