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哈尔滨理丁大学- t 学硕：卜学位论文 钢球表面质量检测仪中的视党系统研究 摘要 钢球作为轴承的主要零件，其表面缺陷对轴承的精度、运转性能和使用 寿命等都有着至关重要的影响。目前，在轴承行业中，对钢球表面缺陷的检 测仍然采用传统的人工目视检验法，其准确性和稳定性均难以保证。本文应 用数字图像技术对钢球表面缺陷进行分析与识别研究。开发了钢球表面缺陷 检测系统，进行了钢球表面缺陷实时检测识别系统的研究，研制出了满足项 目指标要求钢球表面缺陷检测仪。 由于钢球是强反射复杂球面，给获取清晰的缺陷图像带来困难，本文通 过对钢球光学反射特性进行研究，结合大量的试验，研究并设计了钢球表面 缺陷检测仪的光照系统。针对钢球表面全检测的要求，设计了用于图像检测 的钢球展开机构，完成了图像采集实验系统的搭建，从而实现对钢球表面缺 陷的图像采集。 在进行缺陷识别之前需要对图像进行处理。本文采用h i s 彩色空间转 换算法，避免了丢失大量的信息而影响图像处理结果；根据钢球图像的特 点，本文采用对s o b e l 算子优化的边缘提取算法对图像进行处理，对图像进 行分割，得出了钢球缺陷的相关特征参数。建立了b p 神经网络，对钢球特 征参数进行处理，得到钢球分类信息，完成钢球的分类。 最后以l a b v i e w 为系统平台，开发了相应的钢球表面缺陷检测软件。 并进行钢球试验，对钢球进行检测分检，准确率达9 0 以上。 关键词：轴承；钢球；表面缺陷；图像处理；神经网络； 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 r e s e a r c ho nv i s i o ns y s t e m i n s p e c t i n gi n s t r u m e n tf o rs t e e lb a l l s u r f a c ed e f e c t a b s t r a c t s t e e lb a l li sa ni m p o r t a n tw o r k p i e c eo fb e a r i n g i t ss u r f a c ed e f e c th a sag r e a t i m p a c to nt h ea c c u r a c y ，r e v o l v i n ga b i l i t ya n ds e r v i c el i f eo fb e a t i n g c u r r e n t l y ， i nb e a r i n gl i n e ，i ti sac o m m o np r a c t i c et od e t e c td e f e c t so fs t e e lb a l lb ym e a n so f h u m a nv i s u a lc h e c k i n g s oi ti sh a r dt og u a r a n t e et h ea c c u r a c ya n ds t a b i l i z a t i o n o fs t e e lb a l ld e t e c t i o n t h i st h e s i su t i l i z e dd i g i t a li m a g et e c h n o l o g yt oa n a l y z e a n di d e n t i f ys u r f a c ed e f e c to fs t e e lb a l l w ed e v e l o p e dad e t e c t i o ns y s t e mf o r s u r f a c ed e f e c to fs t e e l b a l l ，m a d es o m eb a s i c r e s e a r c hf o ri t sr e a l t i m e i d e n t i f i c a t i o n ，a n ds t u d i e di n s p e c t i n gi n s t r u m e n tf o rs t e e lb a l ls u r f a c ed e f e c t m e e t i n gi t e mi n d e x d u et ot h ec o m p l e x i t yo fs t e e lb a l l sm i r r o rr e f l e c t i o n ，i ti sh a r dt og e ta n i d e a la n dc l e a ri m a g eo fs t e e lb a l ld e f e c t s ow es t u d i e do p t i c a lr e f l e c t i o n f e a t u r e so fs t e e lb a l l ，a n dt h e nd e s i g n e da ni l l u m i n a t i n gs y s t e m ，c o m b i n i n gw i t h p l e n t yo fe x p e r i m e n t s t og e ta f u l ld e t e c t i o nf o ra n yp a r to ft h es t e e lb a l ls u r f a c e w ed e s i g n e dad e v e l o p e dm e c h a n i s mf o ri m a g ed e t e c t i o no fs t e e lb a l ls u r f a c e ， a n de s t a b l i s h e da l li m a g ea c q u i s i t i o np l a t f o r ma p p l i e dt oa c q u i r ei m a g e so fs t e e l b a l ls u r f a c e b e f o r ed e f e c ti d e n t i f i c a t i o n ，i ti sn e c e s s a r yt o p r o c e s st h ei m a g e s t h i s t h e s i sa d o p t st h ea l g o r i t h mb a s e do nh s ic o l o rs p a c e ，i tp r e v e n tm i s s i n gam a s so f i n f o r m a t i o n t h i st h e s i so p t i m i z et h es o b e lo p e r a t o r sa n dt h e np r o c e s st h ei m a g e s w i t ht h en e wo p e r a t o r so fe d g ee x t r a c t i o n a n du s et h et h e o r yo fi n v a r i a n tz e r n i k e m o m e n t si nd e f e c tr e g i o n a lt os e g m e n tt h es t e e lb a l li m a g e ，t h e nw eg e tt h e c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro ft h es t e e lb a l li m a g e w eb u i l db pn e u r a ln e t w o r ka n d d e a lw i t ht h i sc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro ft h es t e e lb a l li m a g eb yb pn e u r a l n e t w o r k w eu s et h ep r o c e s s e dr e s u l to ft h es t e e lb a l li m a g et oc l a s s i f ys t e e lb a l l - i i - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 f i n a l l y , t h i st h e s i sd e v e l o p e dd e t e c t i o ns o f t r a r eo fas y s t e mf o rd e t e c t i o n t e c h n o l o g yf o rs u r f a c ed e f e c to fs t e e lb a l l ，t a k i n gl a b v i e wa ss y s t e m p l a t f o r m ，w eg e tt h et e s tr e s u l ta f t e ru s e dt h es y s t e mt oc l a s s i f ys t e e lb a l l ，a n d a v e r a g ep e r c e n t a g eo fa c c u r a n c yc o u l da b o v e9 0 k e y w o r d sb e a r i n g , s t e e lb a l l ，s u r f a c ed e f e c t ，i m a g e st e c h n o l o y g ，n e u r a l n e t w o r k 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中的 视觉系统研究，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。对本文的研究工作做出重要贡献的个人 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。 嘞嘶、啼日眇声孙了日 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中的视觉系统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 有关部门送交论文的复印件和电子版本，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，在年解密后适用本授权书。 不保密团。 日期椤甲笋乡月f 歹日 蹦矿乒i 乡旧 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景和意义 第1 章绪论 轴承在国民经济各个行业中应用极其广泛，在现代工业中正彰显其重要地 位。降低轴承噪音是目前轴承行业在提高轴承质量方面一项迫切需要解决的问 题。钢球在球轴承中作为滚动体是点状承载，故其表面缺陷对轴承质量和动态 性能都有很大影响，根据国内外相关资料证实，球轴承中钢球表面缺陷、内圈 及外圈对轴承振动和噪音的影响程度为1 0 ：3 ：l ，所以表面缺陷是影响轴承噪 音的主要因素，这也是国内外轴承工程界一直对相关检测技术研究给予重视的 根本原因。目前随着钢球加工工艺水平的不断提高，缺陷的种类和数量相应减 少，但不能通过加工全部保证钢球的质量，所以钢球表面缺陷检测仍然是当前 生产线上一个重要工序，无论是国内还是国外，球面缺陷的自动检测是一项重 要的研究课题_ 1 。 经过五十多年的发展，我国钢球行业已引起全球注目，目前已能生产0 5 2 0 0 多毫米的钢球，材料以g c r l 5 为主，还大量生产低碳、防磁、防腐蚀、耐 高温、有色金属、各种陶瓷和非金属材料球，已经能批量生产精度g 1 0 0 0 - g 5 ，年产量近1 0 0 0 亿粒并已批量出口。2 0 0 3 年轴承用钢球出口数量已达到 2 7 1 4 8 7 吨，创汇5 3 2 2 5 万美元，已经成为世界上钢球企业最多和产量最大的 国家，但并不是钢球生产强国。据统计2 0 0 3 年进口钢球量为2 6 3 0 吨，用外汇 2 8 2 8 5 万美元，进口量虽然只是出口量的9 6 8 ，但每吨价值却是出口的5 4 9 倍，这从另一方面也反应对于质量高的钢球仍在进口，目前应用在国防、航 空、航天和高级汽车传动设备上的钢球均为进口产品。所以对钢球表面缺陷科 学的检测手段是推动轴承应用的主要因素。研究表明：钢球表面缺陷使其单体 振动值和装套后轴承振动噪声增加，如表1 1 所示 钢球表面缺陷是指在钢球的加工过程中，由于设备精度、原材料质量、工 装调整等方面原因而产生的表面上局部的细微的材料缺损，按其形态的不同可 分为点子、群点、划条和擦伤等四类缺陷。钢球表面缺陷检测是一项具有高度 重复性和智能性的工作，通常只能靠人工检测来完成，目前，国内各轴承企业 以及钢球厂在进行钢球表面缺陷的检测时主要采用人工手检的方式h 别。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 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 表1 1 表面缺陷与轴承振动值 t a b e l l - 1s u r f a c ed e f e c t sa n dv i b r a t i o nv a l u e s 缺陷类型单体振动值( 与标准比)合套后振动噪声( 与标准比) 点缺陷高3 d b高3 9 d b 划条高2 d b高4 7 d b 擦伤高4 d b高2 5 l b 群点高1 1 d b高i 2 d b 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，而且自动化程度 低，给工厂增加了巨大的人工成本与管理成本，效率非常低，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，比如零件表面状 况、尺寸等等1 ，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之一。 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 缺陷自动检测装置，因此将基于图像处理技术的智能化机器视觉检测系统引入 到钢球生产流水线中，实现钢球全自动在线检测，能够在很大程度上提高生产 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 钢球检测的研究现状 1 2 1 国外钢球表面缺陷检测现状研究 在钢球自动检测的研究方面，美国、前苏联、捷克、瑞典、日本等国都进 行过相关检测仪器的研制与开发，其中实际应用效果最好的是捷克s o m e t 公 司的a v i k o 系列钢球表面自动检测仪，国内几大轴承厂和钢球厂都引进过这 种设备盯1 。a v i k o 系列钢球表面自动检测仪主要利用光电，振动以及电涡流传 感器进行检测，其中光电探测用来剔除表面有点缺陷的钢球，光洁度不均匀的 钢球以及脏钢球。采用振动传感器检测用来剔除表面有明显缺陷的钢球，如表 面有群点和划痕的钢球。采用电涡流检测可以剔除表面和次表面有裂纹的钢 球。它采用展开轮对钢球表面进行完全展开，可以同时对钢球的表面质量以及 内在质量( 采用电涡流探伤的方法) 进行立体检测，检测原理如图1 1 所示。 其结构紧凑、操作方便、检测效率高，但是它属于接触式检测，对钢球表面质 量有一定的损伤，而且价格昂贵、检测成本高，核心技术封锁，不易维护。特 哙尔滨理工大学工学硕士学位论文 合格 不台梧 图1 - 1a v i k o 系列钢球自动检测仪检测原理图 f i g i - 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f a v i k o a u t o m a t i cd e t e c t i n gi n s t r u m e n tf o rs t e e lb a l l 别是展开轮，是该设备的核心器件，但作为易损件，每检测5 0 万枚左右的钢 球就得更换，而每个展开轮的价格极其昂贵，并且只能从国外进口，大大增加 了检测成本，因此国内引进的该设备几乎只用来检测航空航天和国防工业所需 的高精度钢球，大部分时间这些设备都处于闲置状态。 其他如德国f a g 钢球生产线配置电子控制系统，从上料清洗直到生产出 成品钢球，完全采用程序控制，避免钢球加工过程中人为因素的影响，保证产 品质量的可靠性和稳定性。日本大旺钢球株式会社研制的钢球自动检测仪啤以 及上海钢球厂生产的银星牌钢球涡轮探伤自动检测仪等。 国外工业发达国家在钢球检测技术及检测仪器方蘧已处于领先地位，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 声均比国内小憎1 。但他们的缺点也同样明显，便是价格昂贵、检测成本高，核 心技术封锁，不易维护。同时国外的产品都是接触式检测，很容易会对钢球造 成二次磨损h 。 1 2 2 国内钢球表面缺陷检测技术现状研究 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 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 陷检测的技术有：声发射法、光电检测法、涡流探伤法、超声波探伤法、地磁 场检测法以及人工检测法。 1 声发射法利用声发射原理对钢球加工过程中缺陷的产生进行监控和实 时预报，钢球在加工过程中，由于受到外力( 或内力) 作用发生变形或断裂时 释放出弹性波，随着缺陷的发生和发展，并伴随着声发射信号的产生。根据信 号的幅值高度和时域宽度，可用于识别缺陷的严重程度。声发射检测原理如图 l - 2 所示，在相同的条件下运动的钢球下落到装有换能器的反弹块上，换能器 将接收的信号转换成电信号，经过放大和滤波形成声发射信号，再根据单位时 间的振铃计数多少识别缺陷球。该方法在理论上是可行的，但实际检测钢球缺 陷时却有很多问题：接收声发射信号的传感器放置位置，环境噪声对信号的干 扰等，因此此法不易实现，故未在实际生产中应用冲， 图1 2 声发射检测原理框图 f i g 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f a c o u s t i ce n 缸t t i n g 2 光电检测法此方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。由于成品钢球表面接近镜面，对光线有足够的反射能力，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。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u 3 1 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。 3 涡流探伤法该方法利用电磁感应原理进行缺陷的检测。钢球在交变磁 场作用下，由于电磁感应将产生涡电流，钢球的表面缺陷影响涡电流的大小和 分布，可根据传感器接收到涡电流的变化来判断缺陷是否存在。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 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 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，一般只能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n 1 。 4 超声波探伤法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：缺陷波、底波、发射波及界面 波来判断缺陷的类型引。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。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。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。 5 地磁场检测钢球表面裂纹采用地磁场来磁化被检钢球，当磁力线通过 被检钢球时，磁化后的钢球如表面有缺陷，缺陷中含有空气或非金属物质，其 磁导率接近1 ，远小于工件本身的磁导率，导致工件的磁阻变化。磁阻的变化 又引起磁场相应的变化，同时产生高于地磁场的磁场。所以通过检测钢球表面 的磁场强度来判断其表面是否存在缺陷。该方法主要检测钢球表面及近表面裂 纹，必须选择高灵敏度和高分辨率的磁阻传感器，才能准确检测缺陷引。由于 以上各种检测技术的局限性，到目前前述所有研究成果在我国还没有应用到钢 球生产实际中。 6 人工检测法由于我国检测技术的薄弱，钢球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缺陷，如图1 3 所示。 人工检查方法缺点如下： 1 ) 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； 2 ) 人工检测都是在特定的灯光下检测，俗称灯检。在灯光下人的眼睛长时 间观察光度极高的钢球很容易造成疲劳，对工人的视力损伤很大，所以 工人的工作寿命都不长。而且灯检是在密闭环境中进行的，受人的情绪 哈尔滨理工大学工学硬士学位论文 图l o 人工方法检测钢球 f i g1 - 3a r t i f i c i a ld e t e c t i o no f s t e e lb a l l 影响，检测可靠性和稳定性差： 3 ) 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；对于 高速、精密、静音轴承等用钢球已无法满足要求； 综上所述，到目前为止这些研究还都处在实验阶段，并没有真正用到钢球 生产线上，所以钢球缺陷检测仍是靠人工来完成至今我国还未开发出具有自 主产权的钢球表面缺陷自动检测仪。前面提到的捷克自动检测仪器价格昂贵， 核心技术封锁，展开轮由于体积小，又是非金属材料，耐磨性很差，需要经常 更换。我们自己不能加工，只能购买国外产品，每个展开轮价格在5 0 0 0 元左 右，造成检测成本高，一般只能用于航空高精密钢球抽检，不能对所有钢球进 行自动检测。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，使线上测 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，井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“。 综合目前的研究工作可以看到，由于受到国情和技术条件等诸多因素的限 制这些研究太部分都停留在理论阶段，还无法满足钢球生产过程中的实际检 测需求。到目前为止，我国还没有开发出具有自主知识产权的钢球表面缺陷自 动检测仪。本课愿就是根据以上特点提出了以机器视觉技术为基础，开发出一 哈尔滨理i t 大学工学硕士学位论文 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。填补国 内无钢球自动检测仪的空白。 1 3 机器视觉技术的发展 机器视觉( m a c h i n ev i s i o n ) ，综合运用图像处理、精密测量以及模式识 别、人工智能等技术的非接触检测方法。其基本原理是对由机器视觉系统得到 的被测目标图像进行分析，从而得到所需要的测量信息，并根据己有的先验知 识，判断被测目标是否符合规范( 即合格或不合格) 。 随着工业化大生产的发展，人们对产品的精度提出了越来越高的要求，从 而推动了无损检测技术的发展。图像检测是无损检测技术的重要组成部分n 引。 最早发表的有关计算机图像处理的文章甚至要追溯到2 0 实际5 0 年代，机器视觉 技术的研究从这开始，这时的研究工作主要集中在二维图像的分析和统计模式 识别上。开始而作为商业化的图像处理系统是在2 0 世纪6 0 年代，这时r o b e r t s 开 始进行三维机器视觉的研究。7 0 年代m r r 人工智能实验室开设了机器视觉的课 程，且机器视觉技术在遥感图片分析和生物医学图片分析中的应用取得了卓有 成效的成果，从而在8 0 年代掀起了全球性研究热潮，到了8 0 年代中期，机器视 觉获得了蓬勃发展，可以说，机器视觉是一个相当新且发展十分迅速的研究领 域。图像处理系统的发展非常迅速，主要原因在与计算机的超高速发展。另一 方面，半导体器件的迅猛发展也促进了图像处理的发展，最有代表性的莫过于 图像存储器了。图像是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而得到 的，可以直接或间接作用于人眼并进而产生知觉的实体。在上世纪8 0 年代，计 算机视觉检测技术在美国制造业中广泛应用，最为广泛的是那些重复性检测相 同部件或产品的场合。电子工业是这种技术应用最活跃、最成功的行业，其中 印刷电路板( p c b ) 和集成电路芯片的自动检测己广泛采用该技术，其它工业如 汽车、木材、纺织和包装等都有各自专用的计算机视觉检测系统n 叫。 机器视觉经过四十多年的发展，在理论和实际应用上都取得了相当大的成 就。许多学者相继提出了一些机器视觉的理论框架，其中m a r r 教授通过在麻 省理工学院进行视觉理论方面的研究，提出了不同于“积木世界”分析方法的计 算机视觉理论。该理论把视觉过程看作为一个信息处理的过程，并比较系统地 揭示了用二维图像恢复三维物体形态的可能性和基本方法，及具有划时代的意 义他“2 2 1 。 机器视觉技术已经逐步形成一种新的检测技术。在现代工业自动化生产 哈尔滨理工人学工学硕上学位论文 中，涉及到各种各样的检验、生产监视以及零件识别与分类等应用，通常人眼 无法连续、稳定地完成这些带有高度重复性和智能性的工作1 。由此人们开始 考虑利用光电成像系统来采集目标图像，然后经过计算机或专门图像处理模块 进行数字化处理，再根据图像的亮度、颜色和像素分布等信息来进行尺寸、形 状等判别，这样就产生了机器视觉的概念。机器视觉主要研究用图像传感器来 模拟人的视觉功能，获取客观事物的图像，然后从物体的图像中提取相关信 息，进行处理并加以理解，最终应用于实际检测、测量和控制1 。 一个典型的机器视觉应用系统包括光源、光学系统、图像捕捉系统、图像 数字化模块、数字图像处理模块、智能判断决策模块以及控制执行模块，如图 1 4 所示。通过c c d 图像传感器或其它图像拍摄装置把目标的三维图像采集为 二维图像信号，再由图像采集卡将其转化成数字信号，并传送给专用的图像处 理系统，根据像素分布、亮度和颜色等信息，进行各种运算来提取目标的特 征，如面积、长度、数量、位置等，最后根据预设的容许度以及其他限定条件 进行判断并输出结果。一般来说，机器视觉系统为了避免环境自然光线或灯光 对其工作状态的影响，其光源应选择亮度可调、均匀性好且稳定性高的l e d 光 源，从而抑制外界环境对图像质量产生的影响，以保证机器视觉系统的正常运 行啪】。 图l _ 4 典型机器视觉应用系统结构示意图 f i g 1 - 4p i c t o r i a ld i a g r a mo fs t r u c t u r a lr e p r e s e n t a t i o no ft y p i c a lm a c h i n e v i s i o n 视觉检测按其所处理的数据类型可分为二值图像、灰度图像、彩色图像和 深图像的视觉检测。另外，还有x 射线检测、超声波检测和红外线检测。 本课题就是基于图像技术获取钢球表面信息来进行检测的。 1 4 课题来源及本文主要研究内容 本论文题目来源于哈尔滨市科技攻关项目“轴承滚动体缺陷视觉检测系 统”，项目编号为2 0 0 5 a a l c g 0 3 9 。本项目基于机器视觉检测技术，研制钢球 哈尔滨理工大学_ t 学硕士学位论文 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照明系统设计方面，还是在图像处理算法、缺陷 分类、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。 轴承球类滚动体缺陷视觉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。 本文研究工作具体内容是： 1 设计图像采集实验系统，包括摄像机的选择、光源和光照系统设计， 对图像采集实验系统进行标定； 2 研究钢球表面缺陷图像空间映射、边缘检测、相关的图像分割算法； 3 研究缺陷特征提取和缺陷识别所应提取的特征量，并通过实验论证特 征量的有效性； 4 进行钢球表面缺陷图像处理软件的开发和编制，该软件系统可检测钢 球表面的各种缺陷。利用人工检验和检测仪检测的对比实验方法，验 证笔者提出的理论算法和开发的应用软件的正确性与可靠性。 哈尔演理工大学工学硕士学位论文 第2 章球表面缺陷检测系统总体方案设计 2 1 检测系统概述 钢球表面缺陷视觉检测系统首先利用特定机构对钢球表面展开，通过摄像 机动态拍摄钢球表面图像，运行自行编制的相关软件进行处理，对钢球进行判 别并实现自动分检。 以视觉检测技术为核心的钢球表面质量检测系统结构示意图如图2 - 1 所 不。 图2 - 1 钢球表面质量检测系统 f i g2 - 1s t r u c t u r e d i a g r a mo fs t e e l b a l l i m p e e i o ns y s t e m 2 1 1 球表面缺陷检测系统的设计的基本要求 课题的目的是研究和开旋出轴承球类滚动体缺陷视觉检测系统。此检测系 统吼实现自动检测和分选为目的。通过对轴承中钢球的展开，再对其表面图像 进行连续聚集，然后分析钢球的表面是甭存在缺陷，最后以驱动执行机构分检 出不合格的钢球。 设计检测系统时，要使机械具有先进的技术性，良好的使用性和机械加工 工艺性，就必须注意满足以下几项基本要求： 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 1 具有的一定使用范围检测系统的应用范围，是指一台检测系统所能完 成的检测形式、适用检测钢球的种类和规格、检测材料的品种和规格等。本项 目中所设计的检测系统针对公称直径在l o - - 2 0 m m 的轴承钢球进行表面缺陷检 测，通常在检测系统的应用范围小时，它的结构较简单，生产率较高，而且易 实现生产的自动化。若扩大检测仪的应用范围，虽然可以实现一机多用，但往 往造成机械结构的复杂、提高成本。因此要根据使用工厂的实际需要、钢球表 面材料性质以及检测产品的批量来确定检测系统仪的使用范围。本课题在研究 过程中，曾经使用公称直径为1 1 5 m m 、1 2 r a m 、1 4 m m 的三种钢球，都取得了 不错的效果。因工厂提供的公称直径为1 1 5 m m 的钢球最多，试验便一直以此 直径的钢球作为试验目标。 2 检测效率高检测系统的检测率，是指一台检测系统在单位时间内所检 测钢球的数量。检测率又分为理论检测率和实际检测率，上述的定义是指的理 论检测率。但是，在实际检测中，有时要做检测前后的准备，要停机装添钢 球，检测调试，维修机器、检验钢球检测效果等，所以在实际检测中，一般用 实际检测率来表示检测仪的检测率，它是指一台检测仪在一段时间内( 一日一 班) 的检测钢球的数量。设计中，预计检测效率为1 5 0 0 - - 3 0 0 0 糊小时，在满足 使用要求的前提下，要尽量提高检测效率，措施是提高检测仪的运动精度、自 动化程度和可靠性，分散检测工序，增加检测执行机构数量，以及缩短辅助时 间等。 3 检测精度检测过程中，要求检测系统的检测效率高、可靠性高、检测 效果好、噪音小等，因此检测系统本身应具备一定的精度。精度分为静力精 度、运动精度和动力精度。静力精度是指检测系统空运转时部件的运动精度和 相互间的位置精度。它是由机械零件的加工精度和装配精度决定的。运动精度 是指检测仪的工作部件运动均匀性和协调性。它是由传动系统中零部件的设 计、加工、装配和调整精度决定的。动力精度是指检测系统在检测工作的过程 中，检测系统部件在工作力，温升振动的作用下的运动精度和相互位置精度。 它是由检测仪的零部件的刚度、按触刚度、抗振性和热变形等因素决定的。检 测仪的精度愈高，对机械的制造精度、零件材料的要求愈高，使机械制造成本 高。因此，检测仪的精度必须根据各种要求，进行全面综合分析后再确定。 4 提高机械自动化程度检测系统的自动化程度愈高，它的生产率愈高， 工人的劳动强度愈低。但是系统的构造和控制系统则愈复杂，从而提高了机器 的成本、增加了机器维修的难度。所以，必须根据使用要求和上述各种因素来 确定检测仪的自动化程度。 哈尔滨理t 大学丁学硕+ 学位论文 5 提高“三化”程度即指是指检测仪的品种系列化，零、部件的通用化和 标准化。提高机器的“三化”程度，可以减少零件和部件的品种，缩短机器的设 计和制造周期，增加生产批量，便于组织生产、降低机器制造成本，有利于提 高机器的质量，便于维修和保养。 6 便于制造、操作和维修检测仪的零件结构复杂，设计中要注意零件的 结构工艺性，若工艺性差，会造成加工性差、延长制造周期，增加制造成本。 同时，设计者必须为机器的操作者着想，使操作者便于更换检测材料、添加钢 球，便于观察机器的工作情况、以及便于调整、维修和保养机器。另外，要有 安全保护装置，防止发生人身安全事故、机器损坏和检测质量事故等。 7 控制机器的噪声检测仪正向高速化、多功能发展，控制机器的噪声是 设计和制造时的一个重要问题。噪声能损伤人的听觉器官和生理机能，必须采 取一定的措施降低噪声。如提高零部件的制造精度、配合精度，减少机器的激 振力，安装隔振和吸振装置等，使检测仪的噪声不超过8 0 d b ( a ) 。 8 外形美观检测仪的外形要美观、色调要和谐、人机关系要合理，这样 能够提高机器在销售中的竞争力，又有利于操作工人的生产活动。因此，设计 时应使检测仪的外形美观、尺寸比例协调、颜色美观大方。使操作者喜欢机 器、有较高的工作情绪和安全感，以利于提高生产效率嗡矧。 2 1 2l a b v i e w 简介 实验系统以l a b v i e w 为图像处理软件和上位机开发环境。说到l a b v i e w 必然要先提到虚拟仪器技术。虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 就是在计算机上显示 传统仪器面板，将硬件电路完成的信号调理和信号处理功能交由计算机程序来 完成。换言之，虚拟仪器主要以计算机为中心，通过最大限度地利用计算机系 统的软、硬件资源，使计算机在仪器中不但能像在传统程控化仪器中那样，完 成过程控制、数据运算和处理工作，而且可以利用强有力的软件去代替传统仪 器的某些硬件功能，直接产生出激励信号或实现所需要的各种测试功能。虚拟 仪器贯彻了“软件就是仪器( s o f t w a r ei si n s t r u m e n t ) ”的思想，以软件算法代替 硬件电路。l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 的简称，是美国国家仪器公司推出的图形化软件开发集 成环境。利用l a b v i e w 可以构成任意形式的虚拟仪器，如g p i b 、v x i 、p x i 和嵌入式数据采集系统等，并可以通过互联网与其它数据源连接进行动态数据 交换，同时也可以嵌入a c t i v e x 控件，从其它开发环境调用l a b v i e w 源代 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 码，或用l a b v i e w 以动态链接库形式在w i n d o w s 或其它平台下以分享库的形 式调用现存代码3 1 1 。 2 1 3 钢球表面缺陷检测系统的的工作原理 钢球表面缺陷检测系统的功能是通过展开系统对钢球展开，利用图像采集 系统对钢球图像序列进行动态采集，然后分析钢球的表面是否存在缺陷，并判 断缺陷的类型，以驱动执行机构分检出不合格的钢球，从而达到自动检测和分 选的目的【3 驯。 程序开始 初始化寄存器 设定展开轮轴每步转过角度 j 设定轴2 目标转速 初始化进料电机状态 设定供料轴目标转速 0 初始化图象处理程序 - 上料机构上料 展开盘进球，轴l 转动一个位置一次 h 调用图像处理功 能模块 调用分选功能模块 该滚动体检测完毕 佰 一 程序结束 图2 - 2 工作时序流程 f i g 2 - 2p r o g r e s so fw o r k 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 该系统利用工业摄像机获取钢球表面的图像，通过图像采集卡传送到工控 机中，图像处理软件对采集的图像进行实时处理，然后生成运动控制指令，并 通过工控机的串口发出控制命令。控制系统根据上位机的控制指令对上料电 机、进给电机、展开电机、分捡电机的运动进行控制，并实时获取和存储相关 的检测统计信息，然后再通过串口将这些统计数据传送到上位工控机中，检测 系统经过相应的数据处理后将相关参数用各种控件在上位机中显示出来，从而 实现整个系统的实时状态监控m 1 。以视觉检测技术为核心的钢球表面缺陷自动 检测系统可以分为钢球上料系统、展开系统、图像处理系统和分检系统等多个 系统。其中图像处理系统包括光源部分和图像采集部分。 系统工作时序流程如图2 2 所示，轴1 控制转动盘，轴2 控制转开盘，上 料系统由相关控制机构连续不断地将钢球供应到钢球的展开系统中。展开系统 利用展开盘充分展开上料系统所提供的钢球，保证钢球的整个表面都能够充分 展开。图像检测系统首先通过触发c c d 摄像机对展开系统中钢球的表面进行 图像采集，然后将采集到的钢球表面缺陷图像传输到工控机中，运行相关软件 进行相应的处理、分析和识别，并判断钢球表面缺陷的类型，之后再将识别结 果通知存储到相应的寄存器数组中，并将此结果传送到钢球分检系统，分选系 统根据识别结果对钢球进行分类统计和分选。 2 2 检测仪各部分介绍 钢球表面缺陷检测仪主要有上料部分、展开部分、图像检测部分、分选部 分组成。 2 2 1 上料部分 系统由上料部分将钢球传输到展开部分。 上料部分包括上料箱、上料传输管、上料机轮、上料电机。 其中上料箱通过上料传输管不断将钢球传送给上料机轮，最后由上料机轮 按时序将钢球传输到展开机构，上料电机选择的是一个步进电机，用以控制钢 球的传输速度及节拍。上料电机控制钢球的节拍要和展开盘转动节拍相符合， 此信号由图像反馈。 上料部分机构如图2 3 所示。 哈尔演理工大学工学硕士学位论文 翳墅 1 上料传输管2 上料机轮3 上料电机4 调甘架5 检铡腔 图2 - 3 上料机构图 f i g2 - 3 d i a g r a mo f f e e d i n gs o l u t i o n 2 2 2 展开部分 展开部分包括展开盘、转动盘两个主要部件。分别都是通过步进电机进行 控制的。转动盘上面有和钢球直径相当的检测腔，如图2 _ 4 。上料部分传输过 来的钢球便是落入转动盘的检测腔中，每个检测腔都只有一个钢球。钢球落下 后转动盘便转过一个角度。再使下一个钢球落入另一个检测腔。当铜球转到摄 像头下面的时候，展开盘对钢球进行展开，图像检测识别部分做出判断，并返 回信号。展开盘由步进电机和直流电机协同控制，两盘的台成运动将钢球完全 展开。图像部分检测，若是有缺陷的钢球，将相关信号写入对应寄存器数组， 并使转动盘转动一个角度，继续检测下一个钢球。若是没有缺陷钢球继续展 开，继续检测直到检测出缺陷或钢球完全展开。图2 - 5 是系统的展开部分。 上料部分、展开部分、分选部分的运动是相关的。上料部分在展开盘转动 的同时供应一个钢球到展开盘的一个检测腔中。而分选部分自相应的寄存器中 提取信号，由信号决定分选部分的相关动作，最后将钢球分选到特定的类别 中。如此往复循环，直系统到检测完全部钢球或系统停止。 l 2 3 4 5 哈尔滨理t 大学工学颅士学位论主 1 摄像机2 光源3 转动盘4 检测腔5 展开盘 图2 - 5 展开机构 f i g2 - 5e x p a n d ss o l u t i o n 2 23 图像检测部分 图像检测部分是整个系统的关键，也是本文的重点研究内容。图像检测识 别部分包括光源、摄像机、图像处理软件等部分。 光线对图像质量的影响使非常大的所毗光源的选择也是十分重要的。我 们对日光灯、卤素灯、三基色节能灯、l e d 等多种光源设各进行了试验对比。 选择了l e d 光源作为系统照明设备。图2 - 6 是系统光源。 l 摄像机2 l e d 光源3 转动盘 图2 - 6 系统光源 f i g2 6l i g h ts o u r c g s f o rs y s t e m 哈尔滨理工大学丁学硕l ：学位论文 摄像机选取大恒的d h h v 2 0 0 1 u c 工业数字摄像机和c o m p u t a r 公司的 m 0 8 1 4 m p 百万像素工业自动化镜头组合在一起，作