（机械工程专业论文）发动机缸孔表面缺陷自动检测系统的研究.pdf

摘要 本论文研制的发动机缸孔表面缺陷自动检测程序系统旨在填补国 内缸孔质量自动检测的空白，推动我国汽车工业的自动化进程。 本文针对以往缸孔图像处理分段不准，以及二值化阈值选取困难的 情况，首先采用了模板分段法和直方图均值适应法。模板分段不仅使图 像分段准确，而且保证了分段后图像衔接准确，防止漏检。直方图均值 适应法使阈值选取工作适应现场光照强度的变化，实现缺陷的自动识 别。此方法不仅适用大缸孔图像检测，还可推广到其它物体表面的小缺 陷检测中。 本文成功编制发动机缸孔表面缺陷自动检测程序系统，实现了缸孔 图像切换采集、边缘检测、区域标定、拟合检验及存贮及其它发讯号的 协调控制。 关键词：发动机缸孔；c c i 摄像机；模板分段法；直方图均值适应法 a b s t r a c t t h ea r t i c l es t u d i e st h ea u t o m a t i c t e s t i n gs y s t e mf o re n g i n ec y f i n d e r b o r es u r f a c e o u rt e n e ti st od e v e l o pt h ea u t o m a t i o no fc y f i n d e r - b o r e s q u a l i t yt e s t i n ga n dt oi m p r o v et h ea u t o m a t i cp r o c e s so ft h ea u t o m o b i l e i n d u s t r yi no u rc o u n t r y w eh l 建t h et e m p l a t es e g m e n t i n gm e t h o da n dt h eh i s t o g r a m a v e r a g ef i t t i n gm e t h o d , s o l v et h ep r o b l e mo ft h es e g m e n t i n gm k eo f c y l i n d e r b o r e si m a g ep r o c e s s i n g t h em e t h o do ft e m p l a t es e g m e n t i n g m k e sn o to n l yt h es e g m e n t i n gm o l ea c c u r a t e , b u ta l s oe n s u r e st h e r o r r e c q gc o n e e t i n go fe v e r yi m a g ea n dw ma v o i dt e s t f a i l i n gt o o h i s t o g r a ma v e r a g en t t m gm e t h o dm a k e st h es e l e c t e dt h r e s h o l dv a l u e s u i t a b l e f o r t h e c h a n g e o f l i g h t n e s s o f f a c t o r y a n dr e a l i z e d t h e a u t o m a t i c d e f e c tr e c o g n i z i n 昏t h i si sn o to n l ys u i t a b l ef o rc y l i n d e r b o r ei m a g e t e s t i n g , b a ta l s oc a b eu s e do nt h eo t h e ro b j e c ts u r f a c e ss m a l ld e f e c t t e s t i n g w eh a v ea l s os u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dt h es e md e v j e ef u r c y l i n d e r - b o r ed e f e c tt e s t i n ga n da u t o m a t i ci m a g es w i t c ho v e rs y s t e m , w h i c hh a sr e a l i z e dt h es w i t c h o v e rm n e c t i n g , h a n d i n ga n ds t o r i n go ft h e c y h n d e 卜b o r ei m a g ea n da l s oc o n t r o l l i n gt h eo t h e rc o m m a n ds i g n a l c o o r d i n a t e l y k c y w o r d s ：e n g i n ec y l i n d e rb o r es u r f a c ec c dv i d i c o nt e m p l a t e s e g m e n t i n gm e t h o dh i s t o g r a ma v e r a g ef i t t i n gm e t h o d 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明；所呈交的硕士学位论文，发动机缸孔表面缺陷自 动检测系统的研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 作者签名：缸a 。2 馥年兰- 月兰一日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士学位论文 版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交 学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：纽至：丝z 年竺月 指导导师签名： 年一月一日 第一章概述 1 - 1 课题的提出 一、发动机缸孔表面缺陷检测现状 第一汽车制造集团公司是国内生产能力最大的汽车工业基地之一， 也是我省支柱产业之一。自投产以来，坚持科技进步，不断进行技术改 造。发动机是汽车的动力装置，通过燃料的燃烧，将热能转变成旋转机 械能，驱动汽车行驶，它是汽车的关键部件。一汽发动机厂生产的c a 4 8 8 型发动机生产过程引进国外先进设备，自动化程度非常高。各清洗，加 工工序均由数控机床完成，唯独后续工作发动机缸孔表面缺陷检测 手段仍处于十分落后水平，仍采用人工各缸肉眼观察的方法，人工观察 的方法不仅效率低，劳动强度大，而且漏检率很难控制，残次缸体由于 漏检，若装配成发动机总成将给企业造成很大的经济损失，这种发动机 若售出，还会影响企业的信誉，因而提高发动机缸孔缺陷检测水平是非 常必要的 二、 国内外研究现状 虽然数字图像处理技术在工业领域的应用正在不断扩大，但由于发 动机缸孔内表面图像处理的特殊性，迄今为止。国内尚未有具体针对发 动机缸孔表面检测的报道。但一些科研部门对图像处理在各工业领域的 应用具有深入的研究，其中管内机器人视觉技术成像理论，物体表面质 量检测等问题开展的研究工作对内孔表面视觉检测都有很多参考价值。 在国外m ，机器人视觉在工业检测领域的应用颇为广泛，如图像检 测、缺陷分类、结构法、自动视觉检铡等问题进行深入的研究。其中， 挪威研制的管道内部缺陷技术，根据钢结构形状与材料的导电性能的不 同，其电场图形也不同这一特性，分析电场图像，判断是否有腐蚀使局 部变薄，或因焊接不良，振动等产生的裂纹等。目前此技术主要用于管 道内部缺陷检测”1 。 第l 页 在发动机缸孔表面缺陷检测方面研究最为深入的是日本。其研究的 圆柱形制件内表面检测系统主要是以光学方法用棱镜显示零件内部的 情况，或通过测量半导体激光束的光量变化来显示以及测量涡流，并用 电学方法查出缺陷。从事这项研究的研究小组采用了应用甚广的图像处 理技术，并把研究引向建立一种基于图像传感检测方法。此系统用途广 泛，不仅可以检测汽车，还可以检查喷嘴，水处理设备及污水管道等。 为了提高我国汽车工业的检测水平，促进我国汽车工业自动化进 程，本文提出了神基于微型计算机视觉图像处理方法的发动机缸孔内 表面自动检测系统研究的这一课题。 1 - 2 数字图像处理研究综述 一、数字图像处理技术的历史与发展 计算机图像处理技术，是集光学、微电子学、计算机科学、应用数 学等学科的一门综合性边缘科学，它是随着计算机应用的广泛深入而逐 渐兴起的一门学科。 早在本世纪初，人类为了用图片及时地传送世界各地发生的新闻 事件，便开始7 对图像处理技术的研究。上世纪二十年代，这项技术首 次被应用于图像的远距离传送，用来改善伦敦和纽约之间海底电缆发送 的图片质量。但严格来说，数字图像处理技术开始于五十年代中期， 当时美国在太空探索计划的推动下开始了这项技术的研究。而此项技术 的诞生标志是在1 9 6 4 年美国喷气推进实验室( j p l ) 正式使用数字计算 机对“徘徊者”7 号太空船送回的四千多张月球照片进行了处理，得到 前所未有的清晰图片。此后的几年，此技术在空间计划中继续得到应用。 七十年代”，由于半导体技术的进步以及计算机硬件( 以固体集成 电路为代表) 与软件( 以快速傅立叶变换为代表) 计算机技术的持续发 展与数字处理的精确性，灵活性与通用性的提高，开辟了用数字技术进 行高分辨率图像处理的道路。此外，为了谋求图像处理的实用化，1 9 7 2 年ct 技术得到实际应用，它提供了用其它方法不能得到的清晰的体轴 第2 页 图像，从而使图像处理技术迅速得到普及。 八十年代以来，数字图像处理技术随着超大规模集成电路与计算机 性能价格比的迅速提高，数字图像处理的应用领域及应用该技术所得的 社会与经济效益越来越大。今天，具有八十年代初期功能的数字图像处 理系统的价格，已经由几百万美元降到几万元人民币，微机的数字图像 的处理系统功能已经超过八十年代初期大型专用系统的功能。微机已能 支持一般应用领域内的图像处理系统的性能要求，为图像处理技术的普 及应用提供了最基本的条件，以图像处理技术为主体的多媒体技术的兴 起，将图像处理技术推向普及应用的阶段；图像处理技术已随多媒体技 术的推广应用步入各行各业，步入千家万户的日常生活。 二、 图像处理技术的应用嘲 随着图像处理技术的普及推广，这项技术在各行各业的应用也更加 广泛目前，图像处理技术的主要应用领域有： a ) 文字及图纸的读取 从图像程度来看，文字与图纸都是二值图像”，从模式识别研究初 期，人们已开始研究文字的识别，目前部分己达实用水平。 b ) 医用图像处理 在处理研究初期，图像处理在医学中的应用弓i 起了人们的普遍关 注目前，不论在基础医学的研究还是在临床诊断上，都有各种各样的 图像处理技术需要进行加工处理。 c ) 遥感图像处理 遥感图像根据其采集方式分为卫星遥感与航空遥感图像两大类。今 天，遥感图像已应用到农业、气象、环境与灾害监测、资源调查、城市 规划等很多方面，创造了显著的经济与社会效益。 d ) 在工业上的应用 1 ) 应用在各机器人视觉系统中。这些机器人可以进入人不宜进入 的环境中进行焊接、自动检测等。图像系统对机器人“眼中”的各种景 第3 页 物进行分析，以控制机器人的行动。 2 ) 产品表面质量检测。例如：铸造表面粗糙度，钢板缺陷检测， 应用图像处理技术代替人工检测产品质量，提高检测的准确率，并加快 产品生产的自动化进程。 3 ) 机械零部件的检查和识别。 4 ) 应用到人工地震信号处理及地层内部结构的重建等方面。 1 - 3 本文研究的主要内容 发动机缸孔缺陷自动检测程序系统是采用机械视觉技术、计算机图 像处理技术，实现采集、处理、存贮进行缺陷面、几何位置的综合标定 1 计算机图像处理二值化，可将图中的目标突出，而被视为噪 声的水痕，磨痕隐入背景中； 2 s o b e l 边缘检测，能准确得到项圆边界及边界坐标； 3 。建立模板方程的程序； 4 建立区域标定程序对二值化处理后的图像深入处理； 5 用拟合方程检验。 第4 页 第二章发动机缸孔表面缺陷检测系统 2 - l 系统的组成全图 图2 1 缸孔内壁图像检测系统简图 1 电机2 导套3 摄像机4 灯5 灯架6 汽缸体7 摄像机架8 丝杆螺母 由图2 1 可知缸孔图像检测系统主要包括：电机、摄像枫 4 6 分贝 最小照度：o 3 1ux 电源：1 2 7i ) c 黑自信号：6 2 5 线 三、广角镜头 摄像机镜头的作用是将被摄景物在摄像管靶面上成像，摄像的最终 第8 丽 尺寸不完全取决于镜头的成像尺寸，而必须与摄像机所使用的摄像管靶 面成像尺寸相吻合，当成像尺寸确定后，一个固定焦距的镜头就具有一 个固定的视野，其大小可用视场角2o 来表征，如下图所示： r 图2 4 镜头的视角 2 = 2 a r c t g ( y 2 f ) ( 2 1 ) 这里y 是成像尺寸的高度，则2 ( d 称为镜头垂直视场角，y 是成像 的宽度，则称水平视场角。由等式可以看出，成像尺寸确定之后，焦距 f 越短，视角越大。所以，短焦距镜头又称为广角镜头可把视场角扩展 至8 0 度，f = 3 5 m m 最为适宜。 四、光源选择 系统光源是一重要环节，其选择好坏将影响采集图的质量，影响检 测可靠性 i 光源过强，可能将图中缺陷认为变小，边缘某些灰度稍大一点的素 被视为噪声。 2 光源过暗，可能将某些噪声误作为缺陷。 3 适宜的光照有利于选取适宜的二值化阈值，将水痕等噪声消除，突 出缺陷，便于图像处理。 因此，经过多次实验，选l l w 的单管荧光灯作照明，它不仅使照明 均匀，且照明度适宜。 第9 页 五、图像采集卡 从c c d 摄像机的视频信号输出的是模拟图像信号是连续的。要用计 算机处理，必须转化为数字图像。数字图像是指空间上取样，亮度上量 化了图像，即从一幅图像中抽取了一组离散的能量样本，并对这些样本 在取值上进行离散化。通常，为便于计算机处理，样本的量化取均等的 2 的m 次幂，且每级灰度只取整数值。若m 取8 ，则图样本量化为2 5 6 级，最亮灰度( 白) 取值为2 5 6 ，最暗灰度级( 黑) 为0 ，一般，空问 取样是等间隔的，则数字图像可当作一个整数列。便于计算机处理。而 从模拟图信号到数字图信号转换，是图像采集卡的最基本功能。 图像采集卡的工作过程为： 用摄像头对景物进行采集，经 d 转换后，图像存放在图像存储单 元的一个或三个通道中，d a 变换电路自动将图像实时显示在监视器上 通过主机发出指令，将一帧图像静止在图像存储通道中，即采集了一帧 图像，然后对其进行处理。由图像卡工作过程可知，图像卡采用一帧图 像必须通过卡中的存储通道，一个通道某一时刻只能存储一幅图像。不 同的采集卡有不同的通道数。彩色图像卡至少有三个以上的通道，黑白 图只有一个通道。因此，当几个摄像机共用一黑白图像卡时，不能同时 采集多幅图像，只能顺次的采集图像。 本系统采用v 2 5 6 a 图像卡： v 2 5 6 图像卡编程简单，易于使用，其主要性能指标如下： 空间分辨力：2 5 6 2 5 6 灰度等级：2 5 68 b i t d 数字化速度；5 m h z7 5 m h z 可选 帧存体容量：2 5 6 2 5 6 8 b i t 场频：5 0 h z ，6 0 1 1 z 可选 内外同步自动切换 电位器调节增益 第1 0 页 连续采集与隔场采集可选( 场) 输入信号：v d _ 旷1 伏( 7 5 欧姆) 输入阻抗：v d _ d - l 伏( 7 5 欧姆) 其原理方框图如图2 5 所示： 图2 5v 2 5 6 a 图像卡工作原理 编程要点： v 2 5 6 占用连续2 个i o 口地址，任选其中一个既可操作“1 。 o ：较体视赣写并( 只在帧体影射禁止期育皴 l ：帧体视撬写关 o ：输出国妻不逢加固妻图形逝平面为帧俸鼍低有效位平面) 1 ：输出国量迭加固形 o ：只在膏数场采集囝妻只在帧体采集朔问有效 1 ：青偈场郡采集图象 o ：帧镄止影射 l ：帧体影响 q 1 ，乙3 为写入口扶态返回喃起始0 ) 有效5 场目扫o ，有效 0 ) 有效 第1 1 页 帧体影射区绝对禁止地址d 0 0 0 开始的连续6 4 k 内存。 六、p s 一2 3 0 5 光隔离开关量板。 本系统采用了p s - - 2 3 0 5 型光离开关量板。p s - - 2 3 0 5 板是 p c 2 8 6 3 8 6 4 8 6 及兼容机，进行开关量输入输出操作而设计的接口卡， 它适用于工业现场的触点检测电子监测，输出可直接驱动继电器等执行 部件。 p s - - 2 3 0 5 主要技术指标： 1 2 4 路开关量输入； 2 最大输出电路电流通渠道5 0 m a ： 3 开关量输出可锁存，上电时为截止状态； 4 各路信号、信号用计算机之间隔离电压为5 0 0 v ； 5 输出电压小于等于3 6 y ； 6 ，开关量输出信号状态，可由计算机读回。 本系统主要使用接口卡的5 路输出地址，4 路输入地址。 卡的基本址：i o o h 输出5 路的地址：1 0 4 h 的低四倍，1 0 5 h 的高位第一位1 2 y d c 幽2 6 开关量输出位控原理图 卡开关量输出位控原理如图2 6 所示，开关量输出信号2 4 路，最 大输出电流为1 5 0 m a 。b v c e o 耐压均为3 6 v 。计算机送“0 ”，达林顿管 导通，计算机送“l ”，达林顿管截止。只有计算机向i o 端送数时，此 组开出信号为计算机所送状态，并锁至新的数据送来。本系统共用了5 路输出口，其中一路是用来控制整个检测系统一个工作循环的开始。其 第1 2 页 余4 路用在图像采集的切换系统中。开关量输入位控原理如图2 7 所 示： 图2 7 开关量输入位控原理图 外部信号经过r s ，r 分压输入光耦器，电流流过二极管使二极管发 光，三极管导通。开关量输入信号是通过8 d 锁存器7 4 l s 3 7 3 与总线相 连的。8 d 触发器d 端为0 电平，通过三态内门读入计算机数据线。否 则为1 。 8 d 锁存器7 4 l s 3 7 3 为电平触发器，当终端为高电平时，d 端锁存到 2 端，以便c p u 从i o 口读到一个数据d o - d 7 ，表示一组路开入信号状 态。 电阻r s 是插在焊接捧上的，根据现场信号电平幅度而定r s 值。由 于出厂时r 的值4 7 0q 。查说明书，相应的输入信号高电平4 v - 6 v 。本 系统输入高电平均采用5 v 。 本系统使用四路输入信号。其中三路信号是摄像机到三个采集位时 发出的信号，另一位是缸体到位，向计算机发出开始检测的信号 第1 3 页 2 _ 3 软件检测系统 软件检测系统流程如图2 8 所示； 图2 8 检测系统流程图 第“页 第三章发动机缸孔表面图像处理及缺陷识别 3 - - 1 发动机缸孔表面图像处理 一、图像数字化 1 、图像数字化概述 模拟图像是不能用计算机来处理的，所谓图像数字化，就是将模拟 图像转化为数字图像的过程。如图3 - 1 所示： 咏雅 e 图3 - 1 图像数字化 图像数字化包括抽样，量化两步 a 抽样 抽样就是将二维空间上图像的连续亮度即灰度信息转换为离散的 抽样点( 即象素) 具体做法如上图所示，以一定的宽度( 即抽样间隔) 在水平和垂直方向上将图像分割为象素点的小区域。抽样的结果，将使 图像变成每行有m 个象素，每列有n 个象素，绘图由m * n 个象素构成的 离散象素点集。 b 量化 抽样得到的每个离散的象素点区域上的亮度值仍是连续的，把抽样 后每个象素点上的亮度值离散化。一般量化后的每个像点的亮度值用一 个字节( 8 b i t ) 来表示，把由黑一灰一白的亮度连续变化量化o _ 屯5 5 共 2 5 6 个灰度级，量化后，一幅黑白模拟图像就离散化为m * n 字节妁数字 图像，变成了一幅适于在数字计算机上处理的图像。可用f ( x l ，y 1 ) i = l ，2 ，m ；j = l ，2 ，n 来表示，其中f ( x l ，y 1 ) 的值代表( x l ，y 1 ) 第l s 页 点处理象素的灰度值。 二、图像噪声分析及消除对策 a 、图像噪声概述 图像噪声按其产生原因可分： 外部噪声：指系统外部干扰的电磁波或经电源串进系统内部而引起 的噪声 内部噪声一般分为四种： l 、由光和电基本性质所引起的噪声； 2 、器件的机械运动产生的噪声( 比如各种按头因扰动所引起的噪 声) ； 3 、元器件材料本身引起的噪声( 如器件缺陷引起的噪声) ； 4 、系统内部设备电路所引起的噪声。 按统计理论可分为：平稳噪声和非平稳噪声。 按噪声幅度分布：高斯噪声，雷利噪声。 按噪声和信号之间关系：加性噪声，乘性噪声。 图像系统中噪声来源于多方面，电阻热噪声：面结型晶体管产生的 i f 噪声；场效应管产生的沟通噪声；由流过二极管三极管垒层的载流 子所产生的散弹噪声；c c d 电荷传输和电荷势所产生的起伏噪声等。 三、 图像噪声及消除技术 在缸孔表面图像中，目标为孔壁表面图像，其余景象为背景。缸孔 图像噪声包括： 1 、图像采集过程中的随机噪声； 2 、缸孔精加工后的珩磨痕迹，孔壁清洗后留下的水痕，清液痕迹 等 这些噪声均混杂在孔壁图像中，其中不仅影响了缸孔计算机视觉检 测的可靠性，而且也降低了表面缺陷识别的可信度。针对具体噪声，可 取以下这种方法消除。 第1 6 页 门限操作 门限操作即二值化处理，当象素值等于或大于给定阙值时，输出象 素被置白( 2 5 5 ) ，如小于阈值，则输出图像被置黑( 0 ) ，数学表达为： r2 5 5 ( f ( x ，y ) 】主t f ( x ，y ) = jt 为阈值( 3 一1 ) l 0 ( f ( x ，y ) ) = 1 ；j r 。( 2 2 ) = 1 9 0 0 所以，回归方程在a = o 0 5 水平上显著 4 2 缺陷的位置标定 对表4 1 的h 和r 的数据值进行拟合得一元回归方程，就是h 和r 关系式，从第二章的( 2 1 ) 式中可知摄像机距物体的高度h 与物体成像 大小r 并非线性关系而是非线性的。则h 、r 的所拟合应是曲线拟合 用最小二乘法直接求解非线性回归方程是非常复杂的。是通过变量代换 把回归曲线换成回归直线。继而用前面给出的方法求解。 一、确定函数的类型 通过式( 2 1 ) 得出h 和r 的关系式：h - b o + b 。r( 4 9 ) 氏b l 为待定系数 变量代换：r = i r(