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哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 钢球表面缺陷检测仪的嵌入式控制系统 摘要 轴承是机械设备中非常重要的基础件，使用极其广泛，在现代工业中扮 演着重要角色，它的精度、运动性能和使用寿命很大程度上取决于其中钢球 的质量，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 ，可以说，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。目前，国内各轴承企业和 钢球厂主要采用人工手检的方式，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，劳动强度大，误检和漏检率高，且不易 获取检测的统计数据，检测效率很低，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 针对钢球表面缺陷自动检测中存在的一些问题，我们基于视觉检测技术 开发了钢球表面缺陷自动检测仪器。本文在检测系统机构、控制电路、驱动 电路、系统实时性等方面做了一些有意义的探索，并进行了相关关键技术的 研究 本文主要研究了钢球表面缺陷自动检测系统的控制驱动部分，以d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为控制核心，开发了检测系统的控制硬件电路板， 并采用混合式步进电机驱动芯片l 2 9 7 l 2 9 8 研制了步进电机的驱动器模块， 实现了对钢球运动轨迹和表面展开的精确控制。为了简化应用程序设计以及 提高控制系统的实时性，将实时内核c o s i i 在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 上进行 了移植，详细阐述了移植过程中代码的改写与优化，并根据钢球检测的工作 情况，将应用控制程序分成多任务，分别编制了其控制驱动程序，从而构建 了钢球自动检测的嵌入式控制系统。实验和仿真结果表明，控制系统设计合 理，控制精度高，具有良好的实时性，能够满足高速实时图像处理的要求。 关键词嵌入式控制系统；d s p ：钢球；表面缺陷检测 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 e m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mo fi n s p e c t i n g i 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 a b s t r a c t b e a r i n g sa r ev e r yi m p o r t a n tp a r ti nm e c h a n i c a le q u i p m e n t ，w h i c ha r cu s e d w i d e l y , a n dt h e ya r cp l a y i n gag r e a tp a r ti nm o d e r ni n d u s t r y t oal a r g ee x t e n t ， b e a r i n g sp r e c i s i o n ，m o t i l i t ya n ds e r v i c el i f ed e p e n do nt h eq u a l i t yo fs t e e lb a l li n b e a r i n g ag r e a td e a lo fb e a r i n ge 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 r i n gf a i l u r e f o r m s ，t h eo n e si n d u c e db yc r a c ka 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 m s u r f a c ed e f e c to fs t e e lb a l ia c c o u n tf 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 f s t e e lb a l ii so n eo fi m p o r t a n tf a c t o r sw 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 f b e a r i n g , s os u r f a c eq u a l i t yo fs t e e lb 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 tp r e s e n t ，t h ed o m e s t i cf a c t o r i e sf o rb e a t i n go rs t e e lb a l lm o s t l ya d o p t e dm a n u a l v i s u a lm e t h o dt oi n s p e c ts u r f a c eq u a l i t yo fs t e e lb a l l t h i sk i n do fm e t h o di s u s u a l l ya f f e c t e db ym a n yl a b i l ef a c t o r s s u c h 勰w o r k e r st e c h n i c a l a b i l i t y , e m o t i o n r e s p o n s i b i l i t y , t i r e d n e s sa n ds oo n , a n di th a sh e a v yl a b o ri n t e n s i t ya s w e l la sh i g hu n d e t e c t e de r r o rr a t e ，f u r t h e r m o r e ，i ti sd i f f i c u l tt oo b t a i ns t a t i s t i c a l i n s p e c t i n gd a t a , s ot h ei n s p e c te f f i c i e n c yi sv e r yl o w i no r d e rt oi n s p e c ta n d c l a s s i f ye f f e c t i v e l y s u r f a c ed e f e c t so fs t e e l b a l l ，a n a u t o m a t i c i 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 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 lb a l l s 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 ev i s i o n d 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 fs t e e lb a l l t h i st h e s i sm a d es o m es i g n i f i c a t i v ee x p l o r a t i o ni nm a c h i n eo fi n s p e c t i n gs y s t e m ， c o n t r o lc i r c u i t ，d r i v ec i r c u i t ，r e a l t i m ec h a r a c t e ro fc o n t r o ls y s t e ma n ds oo n ，a n d r e s e a r c h e dt h ec o r r e l a t i v ek e yt e c h n i q u e t h i st h e s i sm o s t l yr e s e a r c h e dt h ec o n t r o la n dd r i v eo fa u t o m a t i ci n s p e c t i n g s y s t e mf o rs t e e lb a l ls u r f a c ed e f e c t a d o p t e dd s pc h i po ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa s m a i np r o c e s s o rt od e v e l o pt h ec o n t r o lc i r c u i tb o a r d ，d e v e l o p e db l e n d i n gs t e p 1 1 ：尘堡墨三查兰三茎堡当耋堡鎏兰 m o t o rd r i v e rb a s e do nt h ec h i pl 2 9 7 ，l 2 9 8 ，a n dr e a l i z e da c c u r a t ec o n t r o lf o r m o t i o nt r a c ea n ds u r f a c es p r e a do fs t e e lb a l l i no r d e rt os i m p l i f yt h ed e s i g no f a p p l i c a t i o np r o g r a ma n di m p r o v er e a l t i m ec h a r a c t e ro fc o n t r o ls y s t e m ，t h i s d e s i g nt r a n s p l a n t e dt h er e a l - t i m ek e r n e l z c o s 一i n t ot h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a , a n d e l a b o r a t e dt h ec o d ea n do p t i m i z a t i o no ft r a n s p l a n t a t i o ni nd e t a i l a c c o r d i n gt o t h ew o r kc i r c u m s t a n c eo fs t e e lb a l li n s p e c t i o n ，t h ec o n t r o lp r o g r a mw a sd i v i d e d t oc o r r e s p o n d i n gm u l t i t a s kp r o g r a m sa n dt h e s ep r o g r a m sw e r ed e v e l o p e d r e s p e c t i v e l y , s ot h ew h o l ee m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mw a se s t a b l i s h e d t h er e s u l t o fe x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e mi sp r o p e r , a n dt h ee m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mf o ri n s p e c t i n gi n s t r u m e n th a sh i i g hc o n t r o l a c c u r a c y a n de x c e l l e n t p e r f o r m a n c e ， w h i c h c a n 髓t i s f ya d e q u a t e l y t h e r e q u i r e m e n to fh i g hs p e e da n dr e a l t i m ei m a g ed e t e c t i o n k e y w o r d s e m b e d d e dc o n t r o ls y s t e m ；d s p ；s t e e lb a l l ；s u r f a c ed e f e c ti n s p e c t i n g 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的嵌入 式控制系统 ，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 名：参1 簪 日期：瓣弓月f 易日 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的嵌入式控制系统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 不保密囝。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：、7 夸 导师躲f 獗钆 日期：m 年多月7 乙f 1 日期：乙翻刃年弓月己日 ， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 i i 课题研究的背景及意义 轴承作为机械设备中非常重要的基础件，在国民经济各个行业中应用极其 广泛，在现代工业中扮演着重要角色。随着机械高性能化与高速度化的发展， 机械零部件的设计标准要求得更加严格，各类机电设备对轴承的质量要求也不 断地提高“1 轴承的精度、运动性能以及使用寿命很大程度上取决于其中钢球 的质量，大量的轴承试验表明：钢球质量的好坏占影响轴承全部因素的6 0 ， 轴承失效因钢球破坏的比例达5 8 8 ，而国外仅占2 3 4 。，这说明了钢球在 轴承中的地位和重要性 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。实验表明：国内钢球质量与国外同 级的相比还有一定差距，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 n ，由此可见，钢球表面质量是关 系到机械设备正常运转、重要部件使用寿命的关键因素可以说，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，以提高轴承的精度、运动性能及使用寿命。 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“”例如，哈尔滨轴承集团公司平均每个月都有 几千万粒的钢球需要检测，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，而且自动化程度低，给工厂增加了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的 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 统计资料，比如钢球表面缺陷类型、尺寸等等，这些工作很难依靠人眼快速完 成，从而严重地影响了企业产品质量和生产效益。 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 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”帅，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，其次是日本大旺钢球株式会社研制的钢球自动检测仪和上 海钢球厂生产的银星牌钢球涡轮探伤自动检测仪等。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 检测可以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，且价格昂贵，检 测成本高，核心技术封锁，不易维护。特别是展开轮，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昂 贵，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 来检测航空航天所需的高精度钢球，大部分时间这些设备都处于闲置状态。 我国从1 9 5 8 年开始自主研制钢球自动检测设备，首先由重庆大学开始研 究，之后洛阳轴承研究所、哈尔滨轴承厂、机械部第十设计院、长春光机研究 所、上海材料研究所和哈尔滨工业大学等单位也相继进行了相关的研究工作， 其中哈尔滨工业大学的潘洪平博士研究了钢球表面缺陷的检测体系评价，在钢 球检测的图像理论方面取得了一些进展”。山东大学的徐淑琼等人研究了利用 超声波检测技术对轴承球进行无损检测，这种方法不受钢球材质的影响，而且 对钢球的表面粗糙度要求不高，可以实现对部分有缺陷球的自动识别“，但 该方法只能检测到表面裂纹和麻点，对于表面的擦伤和划痕无法进行检测，且 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 不合格品合格品 图1 - 1 a v i k o 系列钢球自动检测仪检测原理图 f 嘻1 - 1s c 蛔啪血姆锄醴斛( 0 a u t o m a t i c d e t e c f n g i n s m e n e n t f o r s t e e l b a l l 结构复杂，检测效率不高上海材料研究所的李白根等人采用渗透检测技术对 陶瓷球的表面缺陷进行检测，并研制了陶瓷球表面渗透检验自动分选系统， 虽然该系统也可以用于检测轴承中钢球的表面缺陷，但是由于渗透检测是一种 主要用于检测非金属材料及其制件表面开口缺陷的无损检测方法，因而只能检 测钢球的部分缺陷，且检测效率不高。 综合目前的一些研究工作可以看到，由于受到国情和技术条件等诸多因素 的限制，这些研究大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 陷自动检测装置。 1 3d s p 在工业检测中的应用 1 3 1 工业视觉检测概述 工业视觉系统的发展大约始于2 0 世纪7 0 年代。1 9 7 3 年，美国自然科学基 会会制定了发展视觉系统和机器人的计划。在n 本，同期也开展了相关的研究 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 活动，并成功的将计算机视觉系统应用于工业生产中印刷电路板的质量检测。 随后，在工业发达国家中，工业视觉系统得到了迅速的发展。 工业视觉系统以图像处理为基础，但是它不同于普通视觉系统，这是由于 工业应用环境的特殊要求。典型的工业系统在线工作于生产流水线中，其被测 物体一般是运动的，因而图像的获取必须与之同步，此外，被测物体处于比较 杂乱的背景中，必须有效地将其提取出来，并且要求检测结果能够及时报告给 其它执行系统以便进行分选这样就要求工业视觉系统具备高速的图像处理和 实时控制能力“”，因此工业视觉系统包括更多的子系统，例如图像获取模块， 图像实时处理模块，系统实时控制模块，检测结果输出模块等。 目前，将近8 0 的工业视觉系统主要用于产品的检测方面，从而控制生产 过程中产品的质量，提高生产效率工业视觉检测是利用机器视觉手段来获取 被检测物体图像，并与预先已知的标准进行比较，从而确定被测物体的质量状 况，此外，检测系统中一般也集成了产品的分类和选择功能。利用机器视觉技 术进行检测的最大特点就是能够进行无损检测，这对生产中成品的质量检查尤 为重要它可以保证产品质量，解放人力，提高生产率，同时利用这一技术也 是降低生产成本的重要途径。 工业视觉系统已经广泛地应用于工业生产和生活各个方面，尤其在工业检 测和控制生产过程中产品的质量方面都有成功的应用。上海交通大学机械工程 学院的梁学军博士等人研制了基于机器视觉的螺纹检测系统，此系统使待检测 的螺纹在c c d 摄像机光敏面上成像，通过图像采集卡将其转换为数字图像， 计算机对数字图像进行处理，并从中提取出有关被测螺纹通过性及接触可靠性 的信息，从而实现对螺纹的自动检测1 华中科技大学的李炜博士等人基于机 器视觉进行了带钢表面缺陷检测系统的研究，取得了较好的效果，该系统已经 在上海宝钢集团的冷轧生产线上做了初步测试，实验结果表明该系统的平均识 别率达到9 0 ，识别率高，可以满足绝大多数带钢生产线的质量监控要求“”。 这些视觉检测系统都具有非接触、现场抗干扰能力强等突出的优点，具有 一定的实用价值，然而，在实际的工业现场检测中却存在着一些局限性。为了 保证产品的质量，一般要求检测系统必须1 0 0 的检测产品，而不是采用抽样 检测，同时，检测系统要跟上工业生产中流水线的工作，这些都对检测系统的 运行速度有较高的要求。视觉检测在执行底层图像处理时耗时较多，因而很难 达到真j 下意义上的实时在线检测。此外，实现高精度的检测意味着数据处理量 大幅度地增加，然而通用计算机很难适应这一较高要求。 为了解决上述工业视觉检测应用的局限性，一是采用快速的图像处理算 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 法，二是提高硬件处理能力。8 0 年代以来，d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 芯 片的推出为这一问题的解决提供了一条途径。 1 3 2d s p 芯片的特点 d s p 芯片是一种具有特殊结构的适用于数字信号处理运算的微处理器，其 主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。自1 9 8 2 年美国1 1 公司推 出其第一款数字信号处理集成芯片t v s 3 2 0 1 0 以来，d s p 技术、制造工艺及功 能都有了很大的发展。d s p 芯片不仅在运算速度上得到很大的提高，而且在通 用性和灵活性方面也有了极大的改进，其成本、体积、重量和功耗也都有了很 大程度的下降。现代d s p 芯片作为可编程超大规模集成电路器件，通过可下 载的软件或内部硬件来实现复杂的数字信号处理功能d s p 芯片具备普通微处 理器的高速运算和控制功能，此外，针对高速数据传输、数值运算密集的实时 数字信号处理操作，在处理器结构、指令系统和指令流程设计等方面都做了比 较大的改进。 现代d s p 芯片内部一般采用哈佛结构或改进的哈佛结构，具有分离的数 据存储空间和程序存储空间，每个存储器单独编址、独立访问，而且允许数据 存放在程序存储器中，它不同于早期微处理器通常采用的v o n - n e u m a n n 结 构，是一种并行体系结构相应地，系统具有独立的数据总线和程序总线， 从而允许c p u 同时执行取指令和取数据操作，这样就提高了数据吞吐率以及 系统的运算速度在数字信号处理算法中，数量最多的运算类型是乘法和加法 运算，它们要占用大量的c p u 时间。一般的微处理器中乘法由软件实现，需 要多个指令周期才能完成，这样就限制了执行速度，而d s p 芯片中一般都具 有专用的硬件乘法器，使得一次或多次乘法运算可以在单个指令周期内完成， 极大地提高了d s p 芯片的运算性能。 d s p 芯片执行一条指令时通常需要经过取指、译码、取操作数和执行等几 个阶段。为了提高芯片的计算速度，d s p 芯片普遍采用流水线结构，将一个任 务分解为若干个子任务，在任务的连续执行过程中，这些任务可相互重叠进 行。d s p 指令系统的流水线操作与其哈佛结构及内部的多总线结构相配合，增 强了c p u 的处理能力，把指令周期减到了最小值。d s p 芯片面对的是数据密 集型应用，存储器的访问速度对处理器的性能影响比较大，因此d s p 芯片在 片内集成了大容量的r o m 和r a m ，分别用来存放程序和数据，由于不存在 访问外部存储所带来的总线竞争和速度不匹配等问题，访问速度很快，并且可 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 以并行访问多个存储器块，从而使得程序在d s p 芯片内执行的效率要远远高 于相同规格的通用微处理器，既降低了产品的体积和成本，又加快了处理速 度 为了实现s o c ( s y s t e mo nc h i p ) ，现代d s p 芯片内部除了d s p 内核以 外，一般还集成了一些其他功能外设，如通用串行口、事件管理器模块、 d m a 控制器、c a n 总线控制模块、软件等待状态发生器、锁相环电路、a d 转换模块以及实现在线仿真的j t a g 测试仿真口等。d s p 芯片可以工作于低功 耗模式或节电模式，从而使系统功耗进一步降低。正是由于d s p 芯片具有接 口方便、功耗低、稳定性好、运算速度快、控制精度高、编程简单等优点，从 而使得d s p 芯片的应用越来越广泛，许多高校和研究机构都已经采用d s p 芯 片开发了相关的产品。目前，d s p 芯片已成功应用于视频和音频产品、汽车、 智能机器人、运动控制、工业检测、声纳、雷达、电力系统、自动化仪器等领 域。 在工业视觉检测系统中，d s p 不仅用来实现图像处理算法，通常还被用作 控制核心来控制整个系统高效地运行“”d s p 芯片既集成了极强的数字信号处 理能力，又集成了电机控制系统所必须的通用i o 口、高速串行口、a d 转 换、定时器、比较单元、p w m 波形发生器、事件捕捉等外围设备的能力，时 钟频率达到2 0 m h z 以上，一个指令周期只需要5 0 n s ，而且一个周期内可以同 时执行多条指令d s p 控制器能够与输入、输出信号保持同步，瞬问完成任 务，在实现复杂的实时控制时感觉不到信号处理的延迟在运动控制系统中可 以通过d s p 控制器实现外部信号处理、特殊输入轨迹控制、各种复杂的控制 算法以及脉宽调制等多种功能。d s p 强大的运算处理功能，使其在工业视觉检 测及控制中得到了广泛应用。 ， 1 3 3d s p 的实际应用 天津工业大学的苗长云，丁忠林等人针对钢材生产过程中连续切割作业时 钢材跑偏的问题，研制了基于d s p 的带钢纵切机组自动对中系统“”。该系统 采用线阵c c d 代替光敏二极管作为检测传感器，在微处理器控制方面，以 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型d s p 芯片代替m c s 单片机芯片作为系统的控制核心，系统 总体硬件设计是由d s p 控制系统、检测系统、键盘和显示电路等组成，其原 理框图如图1 2 所示。系统工作时，由线阵c c d 采集图像信息，从c c d 输出 的脉冲信号，经放大、滤波、边缘检测以及图像处理后，输入到 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的外部计数器中进行计数，两路计数器通过c c d 的转移 脉冲来启动计数并读取上次的计数值，根据两路计数器的数值就可以知道带材 偏离中心的方向，然后t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片输出控制信号到步迸电机驱动器， 从而驱动步进电机完成钢材对中的任务该系统具有检测灵敏度高、误差小、 稳定性好、实时性强等优点 d s p 控制 1 ：lr a m 系统 齄 t m s 3 2 0 l奉严 f ：跚 图1 - 2 带钢纵切机组自动对中系统设计框图 f 嘻1 2d e s i g nf r a m eo fs u i p p e d - s t e e ls l i ta u t o - c e n t r a lp o s i t i o ns y s t e m 玻璃在生产过程中，会产生各种各样的缺陷，如气泡、裂纹、划痕等，一 般来说，实际应用中不允许玻璃中有明显的缺陷，否则会影响玻璃的外观质 量，降低玻璃的透光性、机械强度和热稳定性。针对玻璃生产中存在的这一问 题，武汉理工大学的陈作炳，连迅等人设计了一种基于d s p 和a r m 独立双核 的玻璃缺陷在线检测系统，结合数字图像处理技术对玻璃中气泡和裂纹进行检 测与处理1 ，该系统由光源与光学系统、线阵c c d 图像传感器及其驱动电 路、基于d s p 和a r m 的图像处理与控制系统、缺陷标记电路及标记机构、玻 璃优化切裁机构等组成，其系统原理如图1 3 所示。在玻璃的生产过程中，通 过c c d 摄像头来检测流水线上的平板玻璃，捕获图像信号，数字化处理后的 图像信息经过d s p 和a r m 处理器进行预处理、图像分割、缺陷特征提取、判 断决策，自动对被测玻璃进行缺陷检测、识别与分类，根据所得到的检测结果 对缺陷标记电路和玻璃优化切裁机构发出控制信号，对缺陷处标记并优化切 割，从而得到符合生产标准的优质玻璃，实现了玻璃缺陷自动化在线检测。 堕玺童垩三奎兰三茎堡圭兰堡篓三 图卜3 玻璃缺陷在线检测系统原理图 f i g 1 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f o n - l i n eg l a s sd e f e c t 抽叩细s y s t c l n 以上工业视觉检测系统都是将先进的d s p 技术应用于视觉检测领域，使 得检测系统设计简单、检测精度高、实时性强，具有较好的实际应用效果。本 课题也采用这样的设计思想，以d s p 芯片为硬件控制核心，实现钢球自动检 测机构的控制，采用先进的图形化编程语言ia b v i e w 作为图像处理软件平 台，并利用l a b v i e w 丰富的数据处理、数据显示、数据回放等功能实现检测 信息处理和监控，开发一套钢球表面缺陷自动检测装置 1 4 课题来源及主要研究内容 针对钢球表面缺陷自动检测中存在的一些问题，在充分了解了工业现场检 测轴承中钢球的实际情况以及国内外研究现状的基础上，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 。本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，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 目研究成果将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 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 模块、检测机构本体以及检测系统的控制驱动模块。本文主要研究了钢球表面 缺陷自动检测系统的控制驱动方面，采用美国1 r i 公司生产的适用于电机控制 的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为控制核心，并结合实时内核u c o s i i 构建 个嵌入式控制系统，具体研究内容有以下几个方面： 1 在对钢球检测过程中钢球的运动特性和展开原理进行深入了解的基础 上，设计了基于工控机和d s p 芯片的检测系统控制电路，主要包括与上位机的 接口电路，电源电路，j i a g 接口电路，时钟与复位电路，液晶显示与按键电 路以及光电隔离电路等； 2 根据钢球检测过程中钢球的运动特性，选择合适的步进电机，采用混合 式步进电机驱动芯片l 2 9 7 l 2 9 8 开发了步进电机的驱动器模块，实现了对步进 电机的精确控制： 3 钢球检测过程中图像获取和处理要求比较高的实时性，为了相应地提高 检测系统控制的实时性，在全面了解并掌却c o s i i 的内核结构和基本功能的 基础上，根据d s p 芯片1 m s 3 2 0 u 2 4 0 7 a 的硬件特性以及所采用的集成开发环 境c c s 的特点，实现了实时内t 劾c o s i i 在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 上的移植，并详 细阐述了移植过程中代码的改写和优化，从而可以采用多任务模块化思想简化 应用程序设计，有助于提高控制系统的实时性与可靠性； 4 在移植好的嵌入式实时系统的基础上，根据钢球表面缺陷检测系统的工 作原理，将应用控制软件分成多个任务，主要包括：d s p 芯片与工控机之问的 通讯，液晶显示控制，键盘输入控制，检测信号的处理，电机驱动控制以及报 警信号处理等，并分配不同的优先级，利用c c s 软件分别编制了它们的控制驱 动程序。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章钢球表面缺陷检测系统总体方案设计 2 1 系统总体设计 课题的目的是研究和开发出钢球表面缺陷视觉检测系统，其功能是通过对 轴承中钢球的表面图像进行连续采集，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 分选的目的钢球表面缺陷自动检测系统主要由工控机、c c d 摄像机、图像 采集卡、l e d 光源、嵌入式控制电路板、步进电机、直流电机以及机构本体等 组成以l a b v i e w 为图像处理软件开发环境，该系统利用c c d 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，整个 检测系统的总体设计方案如图2 - 1 所示。 嵌 步 c 图 工入迸 检 待c 像式 电 测 检 _ -dj 采 j 控 j 控 j 机 j机 钢 。_ 摄 。- 1 集 。叫r 。1 制 。叫 构 球 像 驱 太 机 卡 机 系动 体 统器 图2 - 1 钢球检测系统总体方案框图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f g e n e r a ls c h e n l ef o rs t e e lb a l li n s p e c t i n gs y s t e m 2 2 检测系统的工作原理 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给料系 统、展开系统、光学成像系统、识别控制系统和分检系统等多个系统，其结构 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 示意图如图2 - 2 所示。给料系统定时定量规律地将钢球供应到钢球的展开系统 中。展开系统在指定的时间内充分展开给料系统所提供的钢球，并保证钢球的 整个表面都能够充分暴露出来。识别控制系统首先通过触发c c d 摄像机对展 开系统中钢球的表面进行图像采集，然后对采集到的钢球表面缺陷图像进行相 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 给钢球检测分检系统，分检系统根据识别结果对钢球进行分类统计和分选。 图2 - 2 钢球检测系统结构示意图 f i g 2 - 2s u u c t u r ed i a g r a mo f s l e e lb a l li m p e a m gs y 醴c m 2 3 检测机构本体简介 钢球表面缺陷检测机构主要实现的功能是待检测钢球的供料、展开和分 选。待检测的钢球首先被放入到供料箱中，供料箱如图2 - 3 所示，箱中有一个 搅拌凸轮，由步迸电机驱动，不断地旋转，从而搅拌箱中的待检测钢球，使得 钢球能够很方便地通过料道口落到分类旋转器上。分类旋转器用来初选不同直 径大小的钢球，即适合展开系统中检测腔大小的钢球可以通过分类旋转器，从 而进入到检测腔中，而当直径大小不满足要求的钢球落在分类旋转器上时，沿 竺查圣垩三盔耋三竺矍圭茎竺鎏三 滚轮滑动，较小的钢球落到后侧，而较大的钢球则落到前侧。它由两个滚轮组 成，如图2 4 所示，可以根据检测腔大小的不同来调节两个滚轮之间的距离， 使得能够通过分类旋转器的钢球一定可以进入到检测腔中，这样就使检测系统 能够适应不同尺寸大小的钢球，从而很方便地进行钢球表面缺陷的自动检测。 图2 - 3 待检钢球供料箱 f i f r 2 - 3f e e d i n g b o xo fi n s p e c t i n gs t e e lb a l l 图2 4 待检钢球分类旋转器 f i g 2 - 4o l t e rg y r a t o ro fi n s p e c t i n gs 把c lb a l l 分类旋转器输出钢球的速度比较快，而在每一次进行钢球表面展开时，展 开系统中检测腔能够容纳的待检测钢球的数目有限，那么当检测腔中的钢球已 经满载时，需要使用分离器挡住从分类旋转器中出来的多余的钢球。待检测钢 球分离器如图2 5 所示，一旦钢球填满检测腔，供料箱中的搅拌凸轮以及分类 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 旋转器都将暂时停止运动，分离器的扇形断面将把多余的钢球挡住。当检测腔 中的钢球都经过检测处理和分选之后，检测腔就会空出来，然后分离器的扇形 断面再次打开，待检测的钢球就可以重新进入到空的检测腔中，如此反复。 圈2 - 5 待检钢球分离器 f i g 2 - 5s e g r e g a t o r o f j n s p 咖s t e e lb a l l 钢球表面缺陷检测过程中，要求钢球的表面能够完全展开，这样c c d 摄 像机就可以拍摄到钢球整个球面的图像，从而判断待检测钢球的表面质量以及 缺陷类型。展开系统由两个圆盘组成，如图2 - 6 所示，左边圆盘中有检测腔， 用来装载待检测的钢球，一次能够装1 5 个钢球，分为3 组，每次可以同时拍 摄5 个钢球的图像，该圆盘由一个步进电机驱动右边圆盘是驱动摩擦盘，用 来摩擦检测腔中的钢球，通过圆盘偏心运动，达到待检测钢球表面展开的效 果，该驱动摩擦盘由一个直流电机驱动 图2 6 待检铜球胜开系统 f i g 2 - 6u n f o l d i n gs y s t e mo fi n s p e c t i n gs t e e lb a l l 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 待检测的钢球通过表面展开之后，拍摄到的整个钢球表面图像经过缺陷识 别系统的分析与处理，就可以判断出哪些钢球是带有缺陷的，之后就要进行分 选，剔除表面有缺陷的钢球已检测钢球分选系统如图2 - 7 所示，中间的挡板 由一个步进电机驱动，当检测出来的钢球是好球，挡板向右运动，钢球从左边 的料道口流出，进入到成品钢球箱中，相反，如果检测出来的钢球是带缺陷的 钢球，那么挡板向左旋转，带缺陷的钢球从右边的料道口流出，进入废品钢球 回收箱中，从而实现了钢球的自动检测分检过程。 图2 - 7 已检测钢球分选系统 f i f r 2 - 7c h s s t f y m gs y s t e mo f i n s p e c t e ds t e e lb a l l 2 4 主要元器件的选择 根据钢球自动检测系统的工作原理，考虑到钢球表面图像的获取以及钢球 检测机构的控制要求，可以确定实现钢球表面缺陷自动检测所需要的元器件。 检测系统的硬件主要包括工控机、c c d 摄像机、图像采集卡、l e d 光源、步 进电机、直流电机、d s p 控制电路板等“1 。 2 4 1c c d 摄像机的选择 为了能用图像检测技术的方法对钢球表面缺陷进行识别，就必须首先获取 钢球表面缺陷的图像，正确选择视觉传感器是钢球表面图像采集中关键的一 步目前c c d 摄像机是最常用的视觉传感器，它直接将光学图像转换为电荷 信号，以实现图像的存储、处理和显示。c c d 摄像机体积小、重量轻，可靠 性高、寿命长，且具有较高的空间分辨率，光敏元间距的几何尺寸精度高，可 = 尘堡矍三奎兰三兰璧圭茎堡丝三 获得较高的定位精度和测量精度。c c d 以其结构的物理原理决定的低信号噪 声，高分辨率，高灵敏度等高画质性能牢固占据图像传感器的高端市场“。根 据以上的分析和本课题图像采集的实际要求，确定采用c c d 传感器的测量方 案。我们选择了p a n a s o n i c 的w v - b p 3 3 0 工业自动化摄像机，它具有高分辨 率、高精度、高清晰度、低噪声、色彩还原好等特点，能够满足钢球表面缺陷 图像采集的要求。 2 4 2d s p 芯片的选择 钢球表面缺陷自动检测的控制系统需要控制3 个步进电机以及1 个直流电 机来完成钢球运动轨迹的控制和钢球表面的展开，