（机械制造及其自动化专业论文）钢球表面缺陷检测仪控制系统的研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 钢球表面缺陷检测仪控制系统的研究 摘要 轴承中的滚动体钢球作为轴承的主要组成部件在很大程度上决定了轴承 的运动精度和使用寿命，大量的轴承试验表明：由于钢球表面的缺陷而引起 的裂纹、裂缝造成的轴承失效达6 0 ，这证明钢球表面质量是衡量轴承性 能的一项重要指标，生产中必须对成品钢球进行表面缺陷检测。虽然国内对 钢球检测技术做了广泛的研究，但目前应用的普通钢球检测设备还没有见 到，国内各轴承企业和钢球厂主要采用人工手检的方式。为了正确有效地对 钢球表面缺陷进行分类与检测，迫切需要一种钢球表面缺陷的自动检测装 置。随着工业计算机技术的广泛应用和基于机器视觉在线检测技术的发展， 计算机的运行速度和机器视觉的分辨率等硬件条件已经具备。结合钢球表面 缺陷自动检测中存在的问题，我们把视觉检测技术引入到了钢球表面缺陷自 动检测中来。 本文研究的主要内容是基于图像技术的钢球表面缺陷检测仪的控制系 统。从球体表面展开的数学模型建立开始，从理论上明确了适合于图像检测 技术的钢球表面展开方法，以此方法为基础进一步研究了钢球的运动方式和 与其相应的受力分析，进而为钢球展开机构的设计提供了思路和理论支持。 在完成展开机构设计的同时，我们对整个系统进行了设计，包括驱动机构的 电机选择和控制电路设计以及软件平台的搭建。在步进电机加减速控制中， 为了避免启动时的失步和停止时候的过冲现象，对电机加减速阶段的步进脉 冲频率做了相应的调整，从而收到了很好的效果。 在控制系统硬件平台搭建的过程中我们采用了运动控制卡结合单片机的 总体控制模式，在主要控制对象中充分体现了控制卡的平台、高精度优势、 次要部分控制中发挥了单片机的价格优势，使整个控制系统的精度和性价比 达到了最优化。然后论述了系统中软件平台的搭建过程，并且研究了具体的 控制程序，最后通过具体的展开试验验证了展开及控制系统的可靠性。 关键词轴承；钢球；单片机；运动控制卡；图像检测 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 r e s e a r c ho nco n t r o ls y s t e m i n s p e c t i n gi n s t r u m e n t f o rs t e e l su r f a c edefectacee c t a bs t r a c t o f b a l l t h es t e e lb a l l sa st h em a i nc o m p o n e n t si nb e a r i n g s ，t oal a r g ee x t e n t ， d e c i d et h eb e a r i n ge x e r c i s ea c c u r a c ya n ds e r v i c el i f e ，ag r e a td e a lo fb e a r i n g e x p e r i m e n t si n d i c a t e d ：a m o n gb e a t i n gf a i l u r ef o r m s ，t h eo n e si n d u c e db yc r a c k a n ds l i to fs t e e lb a l ls u r f a c ew h i c hr e s u l tf r o ms u r f a c ed e f e c to fs t e e lb a l la c c o u n t f o r6 0 ，t h a ti st os a y , t h es u r f a c eq u a l i t yo fs t e e lb a l li so n eo fi m p o r t a n tf a c t o r s w h i c ha r eu s e dt oj u d g et h ep e r f o r m a n c eo fb e a r i n g ，s os u r f a c eq u a l i t yo fs t e e l b a l lm u s tb ei n s p e c t e di ni n d u s t r yp r o d u c t i o n a l t h o u g ht h ed o m e s t i ch a v ed o n e t h ee x t e n s i v er e s e a r c hi ns t e e lb a l ld e t e c t i o nt e c h n o l o g y , t h ee q u i p m e n ta p p l i e dt o t h eo r d i n a r ys t e e lb a l l st e s t i n gh a dn o ts e e n ，d o m e s t i ce n t e r p r i s e sa n db a l l b e a r i n gf a c t o r ym a i n l yu s et h ew a yo fa r t i f i c i a lh a n ds e i z i n g i no r d e rt oi n s p e c t a n dc l a s s i f ye f f e c t i v e l ys u r f a c ed e f e c t so fs t e e lb a l l ，a l la u t o m a t i ci n s p e c t i n g i n s t r u m e n ti su r g e n t l yr e q u i r e d w i t ht h ec o m p u t e rt e c h n o l o g yi n d u s t r yaw i d e r a n g eo fa p p l i c a t i o n sa n dl i n ed e t e c t i o nb a s e do nm a c h i n ev i s i o nt e c h n o l o g y , m a c h i n ev i s i o nh a r d w a r ea l r e a d yh a v eh a d ，s u c ha sc o m p u t e r so p e r a t i n gs p e e d a n dr e s o l u t i o n a i m e da ts o m ep r o b l e m se x i s t e di na u t o m a t i ci n s p e c t i o nf o rs t e e l b a l ls u r f a c ed e f e c t ，w ed e v e l o p e dt h ei n s p e c t i n gi n s t r u m e n tb a s e do nm a c h i n e v i s i o nd e t e c t i o nt e c h n i q u e ，w h i c hi sa p p l i e dt od e t e c t i n ge x t e r n a lb u ga r e ao f s t e e lb a l l t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r eb a s e do ni m a g et e c h n o l o g yi nt h eb a l l s u r f a c ed e f e c td e t e c t o rc o n t r o ls y s t e m s t a r t i n gf r o mt h es p h e r es u r f a c e ，s e t t i n g u pam a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h e o r e t i c a l l yc l e a r i n gi m a g ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yi s s u i t a b l ef o rt h es u r f a c eo ft h eb a l lt ou n f o l d b a s e do bt h i sm e t h o d ，f u r t h e rs t u d y m o t i o nm o d eo ft h eb a l la n di t sc o r r e s p o n d i n gm e c h a n i c a la n a l y s i s ，a n dt h e nf o r - i i - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 i i t h ed e s i g no ft h eb a l l si n s t i t u t i o n st ou n f o l dh a dp r o v i d e dt h ei d e a sa n d t h e o r e t i c a ls u p p o r t ，a tt h es a m et i m eo ft h ec o m p l e t i o no ft h ed e s i g nt ou n f o l d o u re n t i r es y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h ed r i v em e c h a n i s mo ft h em o t o r s e l e c t i o na n dc o n t r o lc i r c u i td e s i g na n ds o r w a r ep l a t f o r mt ob u i l d i nt h es t e p p e r m o t o rs p e e dc o n t r o l ，i no r d e rt oa v o i dw h e ns t a r t i n go u t o f - s t e pa n dw h e n s t o p p i n gt h eo v e r s h o o tp h e n o m e n o n ，a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o np h a s eo ft h e s t e p p e rp u l s ef r e q u e n c ym a k et h ec o r r e s p o n d i n ga d j u s t m e n t s ，w h i c hr e c e i v e d v e r yg o o dr e s u l t s i nt h ep r o c e s so ft h ec o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r mt ob u i l d ，w eh a v e a d o p t e d am o t i o nc o n t r o lc a r dc o m b i n i n gt h eo v e r a l lc o n t r o lo fs i n g l e - c h i p m o d e ，i nt h em a i nc o n t r o lo b j e c t ，f u l l yr e f l e c t st h ec o n t r o lc a r do ft h ep l a t f o r m ， h i g h - p r e c i s i o na d v a n t a g e ，p l a yam i n o rp a r to ft h ec o n t r o lo f t h ep r i c ea d v a n t a g e o ft h es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r , s ot h a tt h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m sa c c u r a c y a n dc o s t - e f f e c t i v ea c h i e v et h em o s to p t i m i z e d t h e nh a v i n gd i s c u s s e dt h e p r o c e s so fs y s t e m ss o f t w a r ep l a t f o r mt ob u i l d ，a n ds t u d i e dt h es p e c i f i cc o n t r o l p r o c e d u r e s ，f i n a l l y , t h r o u g hs p e c i f i cp i l o tv e r i f i e dt h eu n f o l da n dc o n t r o ls y s t e m r e l i a b i l i t y k e y w o r d sb e a r i n g s ；s t e e lb a l l ；m i c r o c o n t r o l l e r ；m o t i o nc o n t r o lc a r d ；i m a g e sd e t e c t e d i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文钢球表面缺陷检测仪控制系 统的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立 进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人 已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 翻堋 日期：年 7 月罗日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 钢球表面缺陷检测仪控制系统的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理 工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈 尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提 交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打j ) 作者签名：屯 新虢别新勿u 日期： 一年岁 月，令e l 吼功年弓月9 日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究目的及意义 轴承是一种轴类零件支撑传动件，它作为机械设备中重要的基础件在各类 机械设备中广泛使用n 1 。随着各个行业对设备精度要求的不断提高，设备中所 使用的轴承的精度要求也随之在不断的提高。轴承的运动精度以及使用寿命很 大程度上取决于其中滚动体钢球的质量，在轴承失效形式当中，由于钢球表面 质量缺陷如点子、擦伤等造成轴承失效占了很大的比例，据相关部门统计，能 占到约轴承失效的6 0 左右隆1 ，这充分说明了钢球在轴承中的重要性。 钢球表面缺陷的形成是在钢球的加工过程中，由于原材料质量、加工工 艺、机床精度等技术因素而产生的表面上局部细微的缺损口1 。按其形态的不同 可分为点子、群点、划条和擦伤等四类缺陷h 1 。钢球表面质量是关系到机械设 备运转精度、重要部件寿命的关键因素，因此表面质量是衡量轴承性能的一项 重要指标，生产中必须对成品钢球进行表面缺陷检测晦一1 。目前，由于国内生 产钢球无论是从原材料，还是制造工艺，再到辅助材料、如研磨所需要的砂轮 等都和国外存在着一定差距，导致国内生产的钢球表面缺陷比较严重，单粒钢 球振动值偏高。表面上点子缺陷程度严重的钢球，其单体振动值比没有点子缺 陷的钢球要高出3 d b 左右；表面上划条较重的钢球，其单体振动值要比表面基 本无划条的钢球高出2 d b 左右；而表面擦伤较重的钢球，其单体振动值要比无 擦伤的钢球高出4 d b 左右，用具有这三种表面缺陷的钢球分别装配而成的轴 承，它们的振动噪声比用正常钢球装配而成的轴承平均高出3 7 d b 盯1 。 国内有几百家钢球厂、几十家的轴承厂，每年生产有几千亿的钢球需要检 测，各个企业在进行钢球表面缺陷的检测时主要采用人工手检的方式。例如， 在哈尔滨轴承集团公司中，平均每个月都有几千万枚的钢球需要检测，采用传 统的检测方法就要求众多的检测工人，通过肉眼或结合显微镜进行观测检验。 这种采取人工进行检测的方法，容易受到工人的技术水平、情绪、责任心、劳 累程度等不稳定因素的影响，所以误检和漏检率很高，自动化程度低，给工厂 增加了巨大的人工成本与管理成本。另外，许多检测的工序不仅仅要求外观的 检测，同时需要准确获取检测资料，比如表面质量状况统计等，这些工作很难 依靠人眼快速完成，从而严重的影响了企业效益，成为企业发展的瓶颈聃1 。这 堕堡堡垩三奎兰三兰堡圭耋堡篁兰 种情况下，迫切需要一种钢球表面缺陷自动检测装置，因此我们将基于机器视 觉的图像处理技术引入到钢球缺陷检测中来，实现钢球全自动在线检测，能够 极大地提高生产效率，从而进一步提升轴承企业和钢球厂的核心竞争力。 1 2 国内外钢球检测技术现状研究 1 2 1 国外钢球检测研究现状 钢球缺陷检测在国外已经开展几十年，他们也积累了很多从源头上控制钢 球质量的技术方法，所以研究的侧重点在于原材料、加工工艺。日本是全球钢 球生产能力最大及质量最好的国家，如n s k 和s n r 公司，为提高轴承振动水 平和减少异常声。在提高钢球表面质量方面他们采取以下措施9 ：如为提高 钢球硬度和表面质量，钢球材料必须采用低氧含量的钢材制造，从原材料上避 免缺陷的产生；钢球表面均采用先进的强化处理工艺，在光球工序之后安排表 面串硬工序，防止钢球表面划伤和提高疲劳寿命；采用高精密树脂砂轮磨削， 效率高，避免表面划痕且便于清洗；采用八段高洁净度的在线清洗技术，前段 的清洗液要经过过滤后再进入后段清洗，最后段的过滤精度为3 p m ，只有经过 这样清洗后的钢球，才能进入光电检测仪进行表面质量检测，否则就会出现渐 变现象；对钢球寿命可靠性质量的检验，模拟轴承的实际使用状态，将钢球装 入轴承后，施加一定的额定动载荷，以考核轴承的寿命可靠性值来判定钢球产 品的寿命等级“。 此外，一些钢球生产强国像德 国、瑞典等，均已采用捷克产的 a v i k o 系列钢球表面质量自动检测仪 对钢球表面缺陷进行1 0 0 的检测，如 图1 1 所示，代替了人工检测方法，排 除了人为因素对质量的影响，使产品 质量的可靠性得到了保证，提高了检 测效率。该自动检测仪利用光电、振 动和涡流传感器联合进行检测，采用 子午线的点扫描方法利用展开轮对钢 球进行展开，通过光电传感器检测表 面缺陷，通过涡流传感器检测裂纹， 田1 - 1 捷克钢球检测仪 f i g1 1 e e i b “l d d 【鲥o r o f c m i c 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 可对成品钢球进行合格品、返修品和废品的判断n 射。该检测仪的关键技术为展 开轮的设计与加工，安装不同展开轮后可以检测直径为5 6 6 0 m m 的钢球。 综上我们不难看到，发达的工业国家在能钢球生产的原料、加工工艺、成 品检测多方面处于领先地位，已经有自动化程度较高的光电自动检测仪器，对 钢球表面缺陷严格控制，保证了钢球质量的可靠性和稳定性，采用精密无异音 轴承钢球，因此球轴承的振动和噪声均比国内小n 引。 1 2 2 国内钢球表面缺陷检测技术研究现状 我国钢球检测技术的研究是从1 9 5 8 年开始的，首先由重庆大学开始进行 研究，接着洛阳轴承研究所、南京光学仪器厂、哈尔滨轴承厂、洛阳轴承厂、 瓦房店轴承厂和长春光机研究所等单位相继进行了研究，目前用于钢球表面缺 陷检测的技术有：涡流探伤法、超声波探伤法、光电检测法、声发射法、及人 工检测法等m 一副。 涡流探伤法是利用电磁感应原理进行钢球缺陷的检测。被检钢球在交变磁 场作用下将产生涡电流，钢球的表面缺陷影响涡电流的大小和分布，如图1 2 所示为有缺陷a ) 和正常钢球b ) 的涡流分布情况，可根据传感器接收到涡电流的 变化来判断缺陷是否存在n 制。该方法对裂纹、烧伤及针孔等钢球加工及材料缺 陷具有较高的分选能力，对表面缺陷识别较差。另外，在检测过程中要求涡流 传感器周围不能有金属，负责钢球展开的机构只能用非金属制做，需要经常更 换，检测成本极高，国内钢球生产企业无法承受，一般只用于航空高精密钢球 抽检，不能对所生产的钢球进行全部检测。 超声波检测技术是利用超声波在介质中传播时，不同的界面将产生不同的 波形。当钢球表面有缺陷时，射入的超声波遇到缺陷即被反射回来。如果钢球 表面没有缺陷，则射入的超声波到了底层才能被反射回来。以压电效应为原理 的超声波探头接受的反射信号，根据信号波形如缺陷波、底波、发射波及界面 波来判断缺陷的类型。检测钢球缺陷时选用的探头为点聚焦探头，且钢球与探 头表面之间以一定厚度的水层作耦合剂。如图1 3 所示，为了使超声波入射到 异质界面上，必须保证探头安装偏离轴线一定距离进行测量n 。 用此方法检测球形物体表面缺陷时，要求缺陷必须足够大或较密，否则探 头接收不到缺陷反射回来的波，因此超声波探伤法适合于检测裂纹和面状缺 陷。此外，该方法对缺陷波形的判断不直观，定性定量表征不准确，对检测结 果缺少评价方法，不宜于钢球表面缺陷在线自动化检测。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图l _ 2 涡流分布情况 f i g 1 - 2e d d y c u r r e n td i s t r i b u t i o nc o m p a r i s i o n 图1 3 超声波探伤原理 f i g 1 - 3u l t r a s o n i ci n s p e c t i n gp r i c i p l e 由于成品钢球表面接近镜面，对光线有足够的反射能力，光电检测法是通 过照在光敏电阻上的光强度的变化来判断钢球是否有缺陷。如钢球表面有缺 陷，则照在光敏电阻上的光强度发生变化，导致光电流变化，形成脉冲信号， 脉冲的宽度随缺陷的大小而变化，以此判断钢球缺陷的存在与否光电检测法是 通过照在光敏电阻上的光强度的变化来判断钢球是否有缺陷n 引。 图1 4 为固定不动的光点在钢球表面的扫描情况，采用螺旋线扫描原理。 钢球在起点a ，终点b 之间的轴石上作3 0 0 0 转分的自转。用该方法进行检测 时，必须保证钢球整个表面都能被光点照到，而钢球在高速展开转动时，球心 有上下振动和水平移动，造成球面上的缺陷有漏扫现象，检测准确度不高，且 对缺陷大小有要求，检测范围小；此 外球是靠自身重量为压力的摩擦转 动，所以检测效率低；光电管和前置 放大器对振动敏感性较大，光源不能 连续2 4 小时工作。不适合钢球缺陷检 测。目前国内成功地将光电传感器应 用到直径和圆度检测仪上，该仪器在 离线状态下专门对各种精密钢球的直 径和圆度进行测量n 引。 由于我国检测技术的薄弱，钢球 图l _ 4 光点扫描原理 f i g 1 - 4o p t i c a lp o i n ts c a n n i n gp r i n c i p l e 缺陷的随机性也给检测工作带来了很大的困难，现阶段国内钢球生产厂家对钢 球表面缺陷检测仍以人工检测方法为主。在灯光下用推板在小簸箕里反复推动 钢球滚动，通过人眼观查表面缺陷，并与标准图片进行对比来判断并分类钢球 哈尔演理工大学工学硕士学位论文 缺陷，如图1 - 5 所示。人工检查方法缺点很多，如人工检测是在离线状态下进 行，工人工作时间和检查能力有限，不能2 4 小时连续工作，而钢球属于大批 量生产的产品，因此检测速度慢、效率低：在灯光下人的眼睛长时间观察光度 极高的钢球狠容易造成疲劳，对工人的视力损伤很大，只能工作到4 0 岁，且 受人的情绪影响，检测可靠性和稳定性差；手工推动钢球难以保证球面能够 全面展开，极易产生漏检和误判；为了评判、分析某些特殊的表面缺陷，以及 进一步研究各类缺陷对轴承振动和噪声的影响，必须摄取并保存钢球表面缺陷 照片，用人工检测方法无法达到o “。 图1 - 5 人工方法检测钢球 f i g 1 - 5 a r t i f i c i a ld e t e c t i o n o f s t e e l b a l l 根据目前国内的一些研究现状可以看到，受到现阶段我们的技术条件、 管理水平等诸多因素的影响，直接导致这些研究大部分都停留在理论阶段， 还无法满足广大钢球企业在钢球生产及其检测过程中的实际检测需求。我国 钢球制造业最迫切、最需要解决的问题，即将无损检测技术运用到钢球生产 线中，研制新型的检测仪器，提供科学的检测手段，便线上测量成为主要的 测量手段。针对钢球缺陷检测的难度：其一钢球表面缺陷是随机分布在球体 上，需要把球体全部“展开”，才能检测到钢球的所有部位：其二检测时不 受钢球尺寸规格限制，要求对缺陷进行定量检测和分析。对缺陷形态、类型 自动检测、识别及统计，并能将其长期保存以各今后查询和使用；其三不受 生产环境影响，保障检测精度、效率和稳定性。本课题就是根据以上特点提 出了以图像处理技术为基础，开发出一种自动化程度高、适合钢球生产线应 用的钢球表面缺陷自动检测技术。 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 1 2 3 单片机、运动控制卡在工业中的应用 随着大规模集成电路的发展，可以将c p u 、r a m 、r o m 、定时器计数 器、输入输出口集成到一个芯片上，这样所组成的微型芯片叫做单片机，它不 是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上，它 的体积小、质量轻、价格便宜功能完善，为应用和开发提供了便利条件。迄今 为止，单片机制造商很多，主要有i n t e l ，a t m e l 、m o t o r o l a 、p h i l p 公 司、德国的s i e m e n s 公司和日本的n e c 公司，其中以i n t e l 公司的m c s 系列单片机最为著名。 现在单片机应用在各个领域之中，导弹的导航装置、飞机上各种仪表的控 制、计算机的网络通讯与数据传输、工业自动化过程的实时控制和数据处理、 各种智能i c 卡、轿车的安全保障系统、录象机、全自动洗衣机的控制、以及 程控玩具、电子宠物等。单片机应用的领域大致可分如下几个范畴幢蟠1 ： 1 在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、 扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型 的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、 角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪 表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如 精密的测量设备：功率计、示波器，各种分析仪等。 2 在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采 集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与 计算机联网构成二级控制系统等。 3 在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单 片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、 再到电子秤量设备等。 4 在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口， 可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提 供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手 机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到 日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。 5 单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广 泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等 等。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 6 在各种大型电器中的模块化应用某些专用单片机设计用于实现特定功 能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。 如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中，就需要复杂的类 似于计算机的原理。如音乐信号以数字的形式存于存储器中，由微控制器读 出，转化为模拟音乐电信号。 在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了 损坏、错误率，也方便于更换。下图1 - 6 是单片机控制系统在液压调节方面的 一个典型应用，单片机通过a d 转换模块读取流量传感器的流量值，然后通过 光电编码器实时的控制液压马达和液压阀，从而达到液体流量控制的目的啪1 。 计数器i o d ( 单片机) 口 i o 口 图1 石液压调节系统 f i g 1 - 6h y d r a u l i c g o v e r n i n gs y s t e m 运动控制卡是一种基于工业p c 机、用于各种运动控制场合( 包括位移、 速度、加速度等) 的上位控制单元剀。它的出现主要是为了满足新型数控系统 的标准化、柔性、开放性等要求；在各种工业设备，如包装机械、印刷机械、 国防装备、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改造中，急需一个运 动控制模块的硬件平台；p c 机在各种工业现场的广泛应用，也促使配备相应 的控制卡以充分发挥p c 机的强大功能。 运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速d s p 作为运动控制核心， 大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地，运动控制卡与p c 机构成主从式 控制结构其中p c 机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的 工作，例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的 发送、外部信号的监控等等；控制卡完成运动控制的所有细节，包括脉冲和方 向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等。运动控制卡 都配有开放的函数库供用户在d o s 或w i n d o w s 系统平台下自行开发、构造所 哈尔滨理工大学工学硕七学位论文 需的控制系统。因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设 备自动化的各个领域。这种运动控制模式在国外自动化设备的控制系统中比较 流行，运动控制卡也形成了一个独立的专门行业，具有代表性的产品有美国的 p m a c 、p a r k e r 、德国的m o v t e c 等运动控制卡。下图1 7 是运动控制卡 在运动控制系统的的一个简单的应用。 图1 7 运动控制卡控制系统 f i g 1 - 7c o n t r o ls y s t e mo fm o t i o nc o n t r o lc a r d 1 3 课题来源及主要研究内容 在充分了解了钢球现场检测的实际情况以及国内外研究现状的基础上，针 对我们的钢球质量检测的现状以及生产中存在的一些问题，我们开展了“轴承 球类滚动体缺陷视觉检测系统 课题的研究工作，并申请了哈尔滨市科技攻关 计划项目，项目编号为2 0 0 5 a a l c g 0 3 9 。项目与哈尔滨轴承集团公司合作，基 于机器视觉检测技术，研制钢球表面缺陷自动检测装置，将为钢球自动检测的 一些关键技术问题提出新的思路和想法。无论是在检测平台的机构设计方面， 还是在图像处理算法、控制电路、驱动电路、系统实时性等方面都做出了一些 有意义的探索。项目成果可以直接应用到钢球检测实践中，能够检测不同尺寸 以及不同精度要求的钢球的表面缺陷类型，包括点子、群点、划条、擦伤、裂 纹等，具有比较高的实用性。 钢球表面缺陷自动检测系统主要包括图像采集模块、图像处理与缺陷识别 模块、检测机构本体部分以及检测系统的控制驱动部分。本文主要研究的内容 为钢球展开的数学模型建立、自动检测系统的电气控制以及机械结构部分，对 于仪器中使用的步进电机和直流电机的控制方案，采用了基于单片机为主并以 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 运动控制卡为辅的控制方案，其中单片机选择为广泛应用的s t c 单片机，运 动控制卡选择了美国n i 公司生产的一款、适用于电机运动控制的p c i 7 3 4 2 控 制卡，并结合l a b v i e w 程序构建一个运动控制及检测平台，具体研究内容有以 下几个方面： 1 研究适合于图像检测技术的钢球表面展开方法，把球体表面展开问题 转化成多面体外接球的几何问题进行求解，应用其对钢球表面展开做具体的分 析，得出钢球半径和有效半径之间的比例与钢球表面展开的关系。 2 在展开理论的基础上，进一步分析钢球的运动方式，并研究极限覆盖情 况下钢球的运动控制方式、以及在该种运动状态下钢球的受力情况。根据钢球 的受力方式抽象出具体的展开机构模型，然后对驱动模型机构的电机升降速控 制的方法进行研究。 3 在钢球表面展开方法的理论分析与钢球受力分析基础上设计检测仪的 执行机构，通过对常用的平面机构的研究，设计上球、表面展开、以及分选等 主要机构，并建立机构的三维模型，制定执行的驱动方案。 4 搭建检测仪运行所必要的软硬件平台，对检测仪的控制系统做详细的 研究，确定展开执行电器以及控制方案，绘制控制系统电路图，编写软件平台 运行的程序，最后通过试验验证检测仪样机工作的稳定性。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章钢球球面展开及控制数学模型建立 2 1 钢球表面展开模型建立 钢球表面展开是否完全是钢球检测中的关键环节，也是影响误检率指标的 最根本的因素，需要找到一种在理论上保证能够将钢球完全展开且适合图像检 测技术的展开方法，为此我们也经历了从实体建模到数学建模探索过程，最终 找到了有几何理论依据的展开方法，早期的实体建模主要是根据想象和简单的 计算制造出实际展开模型，这种方法的优点在于比较直观，易于理解，但也存 在着模型修改困难、方案修改不易等缺点，因此如果能从理论上证明一种方式 为最简单的展开方式可以避免走许多弯路，然后根据理论展开方式制作实际展 开模型，最后由展开方式确定最佳的控制方案，编辑控制程序。本节的研究的 问题有两个，第一、在钢球表面完全展开情况下每个钢球的最佳拍摄图片次 数。第二、钢球在机构中如何运动才能实现理论模型。 2 1 1 球面最佳覆盖与多面体外接球原理 每次采集图像时所拍摄的面在球体上形成一个小于半球等大的球冠，我们 需要找到将钢球表面全部覆盖时候的拍摄次数、以及如何安排每次拍摄。将钢 球表面所有点全部拍摄完成时需要的拍摄数称为极限覆盖拍摄次数，为此本文 进行了论证，我们约定几何中的一次覆盖对应实际检测对钢球的一次拍摄动 作，接下来我们建立每个钢球的摄像次数的数学模型，为了方便证明和计算我 们做以下的定义： 1 一次覆盖区域把一次摄像所成的图像中可以处理的有效圆域叫做一次 覆盖区域，如下图中的半径为r 的圆域p 。 2 有效半径一次覆盖所成图像中可处理圆形半径叫做有效半径，如下图 2 1 中的半径r 。 3 重合点两个或两个以上的一次覆盖圆域相交的点叫重合点，如下图2 1 中的点a 、c 、d 。 4 面数相邻一次覆盖圆域的重合点连接起来所组成的多面体的面数。 5 极限覆盖重合点数和面数相同下有效半径最小且覆盖所有球面上的点 叫极限覆盖。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 6 最佳覆盖在几个极限覆盖中重合面积最小的极限覆盖叫做最佳覆盖。 图2 - 1 摄像点与钢球位置关系 f i g 2 一ir e l a t i o nb e i c 、) l ，e c a p t u r ep o i n ta n ds t e e lb a l lp o s i t i o n 若达到极限覆盖则至少需要三次以上覆盖，由于每次拍摄对应的球面是一 个小于半圆的球冠，所以两次覆盖面积之和无论如何也达不到整个球体的面 积，必然就有一些球面上的点落到了覆盖之外。现在讨论三次覆盖情况，按照 两次摄像形成的球冠相对位置关系把三次覆盖分为下图2 2 所示三种平面展开 情况，当两次覆盖所形成的球冠不相交时，如图2 1 中所示r 总是大于r ，未 被覆盖到的面积在球体上可以行成一个半径为r 的圆，所以最后一次覆盖总会 有如点a 落到覆盖之外。当前两次覆盖形成的球冠相切时的情况如图2 - 2 b ) 所 示，同2 - 2 a ) 情况类似。当三次覆盖形成的球冠都相交时平面展开图如2 - 2 e ) 所 示，任意两个相交重合点的连线两端对应的球体表面上总可以找到两点c 、 d ，沿球体表面经过未覆盖部分连接c 、d 两点，会得到一个半径为r 的圆， 这个圆是剩下一次半径为r 的覆盖达不到的。综上所述，三次摄像对应的三次 覆盖无法覆盖整个球体表面。 b ) 图2 - 2 三次覆盖模型 h g 2 - 2c u b i cc o v e rm o d l e 1 1 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 ab_l乞eoiabj 荔a b 上厶j 。d l 上鹏。 因此f f 与b 重合，即点e ，点o l ， l l ，k 相交，设交点为o ，因为， i a a o l o 兰衄q o 兰a c o i o t 鲋d 2 d 兰衄q d 兰a d d 2 d ； i 彳0 = b 0 = c o l 彳0 = b 0 = d 0 =， a o = b o = c o = d o 因此点o 是正四面体a b c d 的外心，a o 是四面体a b c d 的 外接球半径，也就是说正四面体 存在一个且唯一存在一个外接 球，我们由一个四面体可以做出 一个球体，也就能找到所有球体 上的点。因此以正四面体方式的 点0 2 ，线段l l ，k ，共面，于是直线 b c d 图2 3 正四面体a b c d 示意图 f i g 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ft e t r a h e d r o n 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 一次覆盖能够全部覆盖球体的表面。 经过以上分析总结出可以把钢球极限覆盖的问题转化成几何多面体中的外 接球的问题进行求解。通过对多次拍摄分割球组成的多面体几何推导可以求出 其与外接球半径的关系，同理四次以上摄像总可以找到一种或者几种拍摄方式 覆盖全部球体表面。以下推导出4 、5 ，6 次拍摄时有效半径，和球体半径尺的 比例关系，确定所检测的钢球需要拍摄次数。 1 四次拍摄4 次拍摄采集图像时，此时极限覆盖就是最佳覆盖，如图2 4 所示。设采集球冠有效半径r = b e ，球体半 径r ：o a = o b ，贝i ja b ：- ， a b 2 = b e 2 + ( 肋+ o a ) 2 ( 2 1 ) 则有( - 厂) z ：，：+ ( 托f = 7 + r ) ：，可以推 出， r2 矗 r3 ( 2 2 ) 2 五次拍摄钢球表面检测采用5 次拍 摄采集图像时有极限覆盖和最佳覆盖2 种 情况。顶点数为五时的覆盖为极限覆盖， d 图2 _ 4 四面体模型 f i g 2 4t e t r a h e d r o nm o d e l c 如图2 - 5 a ) 所。图中，= c f ，r = 伽= d c ，由图可知a c 2 = ( 2 + 2 ) r 2 ， a c 2 = c f 2 + ( o f + o a ) 2 ，因此有 ( 2 + 压) ，2 ：，2 + ( r + 厨) 2 ( 2 3 ) 最后得 厂2 i 忑 页2 而 顶点数为6 时的最佳覆盖，如图2 - 5 b ) 所示。图中r = a f ，r = o a ， o f = r 2 ，且o a 2 = a f 2 + o f 2 ，因此有 2 r 2 ：，2 + 二 4 得 ，2 i2 万 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 a d g a b 图2 5 五面体模型 f i g 2 5p e n t a h e d r o nm o d e l 3 六次拍摄钢球表面检测采用六次拍摄采集图像时的最佳覆盖如图2 - 6 所示： 其中洲= r , a e = r , o e = 参因此有 o a 2 = o e 2 + 彳e 2 ( 2 7 ) 有 最后求得 如，2 + ( 知 r 压 i2 万 a f 图2 6 六面体模型 f i g 2 6h e x a h e d r o nm o d e l 1 4 ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 由于摄像所照得球冠为相同的，所以球体内部所画多面体多为正的，具体 情况则具体分析。我们考虑极限覆盖和最佳覆盖，可以得出在摄像次数越多的 情况下极限覆盖也越多，4 次摄像只有一种情况，极限覆盖就是最佳覆盖，5 次摄像有2 种情况分别为定点数为5 和6 ，就有两个极限覆盖，6 点时为最佳 覆盖。进一步我们可以得出在n 次摄像时有n 3 种情况，既有n 3 种极限覆 盖。如果把拍摄到的球面从球体上切割下来，可以得到的就是一个多面体，且 覆盖中重叠面积越小，所切得的多面体体积越大，而由逼近理论值顶点数越多 的多面体越逼近球体，所以最佳覆盖应为极限覆盖中顶点数最多的那个。 2 1 2 极限覆盖钢球的运动方式 通过以上研究我们不难发现，当调整摄像机与被检钢球之间的距离使r ：r 保持一定数值的时；如r ：r = 3 ：2 2 ，我们用四次摄像就可以达到钢球表面 极限覆盖、即钢球表面的全部展开，但是如何才能完成四次覆盖对应的钢球表 面的四次摄像呢? 假设摄像机固定在某个位置不动，那么我们必须使钢球按照 一定方式运动起来，在钢球运动的过程中不断的进行摄像，才能采集到钢球表 面的全部信息。我们接下来就要研究如何控制钢球运动才能使其按照四面体方 式把每个面对应的每一次覆盖面送到摄像机下面，进一步说就是钢球运动方式 问题。 虽然用四次拍摄就可以完成钢球表面的极限覆盖，但是我们观察四次覆盖 拍摄角度可以发现，很难控制钢球完成这样的表面展开动作。我们以钢球的外 接圆体心即钢球球心为轴心，建立三维坐标系0 x - y - z ，观察到四面体不具备在 任意两个轴向的面对称结构，要实现四次覆盖钢球不能绕轴做连续运动。所以 我们选择了上小节论述中的五次摄像，对比五次摄像中的极限覆盖和最佳覆盖 进而选择最佳覆盖作为控制模型。这样我们