全自動曲軸幾何量尺寸光學測量設備

祁晨宇 李現友

（包頭職業技術學院 內蒙古自治區包頭市 014030）

傳統檢測工序往往又滯后于加工過程，而且曲軸的形狀復雜待檢尺寸較多，由于接觸式檢測方法工作效率較低從而導致曲軸檢測費事費力，當檢測發現尺寸公差不符合要求時，已經有大量的不合格零件生產出來，將會造成巨大的經濟損失。為了避免發生不必要的經濟損失，就要采用在生產過程中，在不同機床之間傳遞工件時加入實時檢測環節，這就要求測量設備要具有足夠的測量精度和快捷的測量速度，以保證測量能跟上生產的節奏，而且不會有廢品的產生，該設備采用三步進電機驅動的方式，一個步進電機控制檢測設備的X 軸向移動以保證整個曲軸長度方向上的各個位置都能進入遠心鏡頭的取景范圍，第二個步進電機用來調整Y 軸方向的位置，保證曲軸與相機之間的距離使曲軸上待檢部位在遠心鏡頭的焦距范圍之內，另一個步進電機用來調整遠心鏡頭Z 軸方向的高度位置以適應不同高度的拍攝要求。

1 全自動曲軸幾何量尺寸光學測量設備結構特點

全自動曲軸幾何量尺寸光學測量設備采用了光學檢測系統，能夠快速高效的完成曲軸的檢測工作，同時配備了三個步進電機驅動系統，保證了檢測范圍能夠滿足要求。

如圖1所示，全自動曲軸幾何量尺寸光學測量設備，包括X、Y、Z 軸自動控制移動模塊和光學檢測模塊；其特點是包括X 軸移動模塊、Y軸移動模塊、Z軸移動模塊、光學檢測模塊、數控回轉分度裝置、活動頂尖總成、平行光源、遠心鏡頭等；X 軸移動模塊2 通過底座安裝在工作平臺1 上，Y 軸移動模塊3 通過連接板安裝在X 軸移動模塊2 中的導軌滑塊和絲杠螺母上，大安裝板9 通過過渡板安裝在Y 軸移動模塊3 中的導軌滑塊和絲杠螺母上，曲軸5 一端由數控回轉分度裝置6 夾持另一端由活動頂尖10 頂住，光學檢測模塊8 通過安裝板安裝在Z 軸移動模塊7 中的導軌滑塊和絲杠螺母上。

圖1

2 全自動曲軸幾何量尺寸光學測量設備工作過程

如圖2所示全自動曲軸幾何量尺寸光學測量設備結構圖，介紹了全自動曲軸幾何量尺寸光學測量設備的結構，X 軸移動模塊包括底座11、X 軸導軌12、X 軸絲杠支座13、X 軸絲杠14、X 軸步進電機34；Y 軸移動模塊包括連接板15、Y 軸導軌16、Y 軸步進電機17、Y 軸絲杠支座18、Y 軸絲杠19；光學檢測模塊包含遠心鏡頭20、鏡頭安裝座21、安裝板22；活動頂尖總成包含活動頂尖24、頂尖支座25 和手輪26。

圖2

檢測過程中X 軸方向移動負責調整曲軸沿軸線方向與遠心鏡頭的位置關系，Y 軸方向移動負責調整曲軸與遠心鏡頭之間的距離，使拍攝范圍包含在鏡頭的焦距范圍之內，Z 軸方向移動可以調整遠心鏡頭相對于曲軸的垂直方向的位置關系，保證鏡頭拍攝范圍能夠覆蓋整個曲軸的所有位置。

如圖3所示為Z 軸移動模塊結構圖，介紹了Z 軸移動模塊包含Z 軸步進電機27、Z 軸絲杠支座28、Z 軸絲杠29、Z 軸導軌30、Z軸安裝支架31 和Z 軸滑塊23。

圖3

如圖4所示為X 軸移動模塊輔助視圖，介紹了X 軸移動模塊中X 軸絲杠支座33、X 軸步進電機34、的安裝位置，和過渡板32的安裝位置。

圖4

根據設計好的預定光學檢測方案，通過控制三個軸的步進電機調整曲軸與遠心鏡頭之間的位置關系來測量曲軸的加工尺寸精度，并將數據實時反饋給工藝技術人員，如出現加工尺寸偏差即可對加工工藝進行及時的修正，整套設備可以根據被檢測曲軸尺寸的的大小進行，基礎安裝部件的更換即可滿足不同尺寸曲軸檢測的實際要求。

3 全自動曲軸幾何量尺寸光學測量設備測量原理

圖像采集后，通過千兆網線送入后臺處理，首先對圖像進行預處理，圖像的預處理包括圖像中值濾波，二值化處理，形態學運算，共計三步；第二步采用canny 算法進行邊界提取；第三步對圖像進行二次處理，主要包括有效區域的截取，圖像的平滑處理，傅里葉擬合共計三步；然后轉入圖像的坐標轉化，由像素坐標轉化為實際坐標，在此坐標轉換之前，需要通過標準芯軸的標定；最后進行中心軸直徑、曲軸直徑、曲軸分布角度的計算和數據分析。

3.1 圖像預處理

對于曲軸關鍵尺寸的測量，最關鍵的一步是得到有效、清晰的輪廓，通過多次的實驗發現，對于CCD 相機曝光時間、焦距、物距的調整可以得到清晰的圖像。但受到環境的影響，原始圖像存在一定的干擾信號，會影響到邊緣檢測的效果和檢測精度。因此在邊緣提取之前要對圖像進行一定的預處理。

3.1.1 基于中值濾波的圖像平滑

為了減少原始圖像噪聲干擾，將5×5 中值濾波窗口按照自左到右，從上到下的次序依次覆蓋在原有圖像中上，同時將覆蓋區域內的像素重新排列并計算中值，再以該中值覆蓋區域的中心像素。

3.1.2 基于灰度直方圖的二值化處理

拍攝中，曲軸的底部加入背光燈，所以曲軸輪廓與背景之間有明顯的差異，可以通過調整直方圖參數，得到清晰的二值圖像。

3.1.3 圖像形態學運算

二值話后得到的邊界，一般都不是平滑的，甚至出現噪聲孔洞。主要原因有，第一曲軸的加工是采用粗車的形式，由于相機的放大倍數大，車削刀痕會很清晰，從而產生圖像邊界的跳躍。第二，車削時產生的磁性和靜電，會使曲軸的表面吸附少量的鐵屑和絮狀雜物。通過形態學的膨脹、腐蝕、開和運算可有效消除原圖像中的“孔洞”和不連續現象，如圖5 和圖6所示。

圖5：圖像采集

圖6：特征提取

3.2 基于canny算子的邊界提取

canny 算法是找尋一幅圖像中灰度強度變化最強的位置，即指梯度方向。圖像中每個像素點的梯度可以由Sobel 算子來獲得。如下圖所示采用canny 算法的邊緣檢測可以很好得到齒型輪廓邊緣，并且保證了邊緣的連續性和完成性。

3.3 圖像二次處理

通過canny 算法得到曲軸的外輪廓，為了對有效軸徑進行測量，需要對整個曲軸的外輪廓進行有效區域截取，后續采用了fourier擬合技術對有效輪廓進行擬合，主要目的是為后續各軸徑尺寸計算做準備，下文會進行詳細講解。fourier 擬合處理技術之前的smooth平滑處理技術，主要是為了更好的實現fourier 擬合處理技術。

3.3.1 smooth 平滑處理

利用移動平均濾波器對列向量y 進行平滑處理,返回與y 等長的列向量yy。移動平均濾波器的窗寬為5,yy 中像素的計算過程如下。

3.3.2 fourier 擬合處理

fourier 擬合是曲線擬合中常用的擬合手段，特別適合于周期性曲線的擬合中，本文采用二階傅里葉對輪廓曲線進行擬合，且擬合原理如下。

4 總結

全自動曲軸幾何量尺寸光學測量設備利用光學檢測方法高效檢測曲軸的加工精度，通過編程可實現全自動檢測，大大的提高了工件的檢測效率，降低了廢品率，該套全自動曲軸幾何量尺寸光學測量設備結構緊湊，使用方便，現場安裝便捷，為提高曲軸在線檢測效率提供了一種可行方案。