基于机器视觉的球笼保持架窗口位置检测方法.doc
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1、术导向基于机器视觉的球笼保持架窗口位置检测方法*蔡 艳 ( 上海交通大学,上海 200240)茅德成 ( 上海纳铁福传动轴有限公司,上海 201315)【摘要】介绍了一种基于视觉检测技术的球笼保持架窗口位置在线检测方法。采用具有独特双光源照明的成像系统的同时获取了窗口边缘和基准面的图像信息,以 VC + + 为平台对数字图像信息进行处理和分析,频域高斯滤波完成图像去噪后,采用形态学边缘检测算法获得窗口边缘点和基准点,利用两直线的平行关系开展最小二乘直线拟合确定窗口边缘位置。实际应用证明该系统稳定可靠,检测效率高,具有良好的应用前景。【Abstract】 CV Joint cage window
2、 line detection method based on a vision based detectiontechnology is described Digital image information is processed and analyzed with VC + + as a plat- form The practical application shows that the system is stable and reliable,and it is effective and has a good prospect【关键词】 在线检测 球笼保持架窗口 图像处理doi
3、: 10. 3969 / j. issn 1007-4554 2012 10 10生冲击、噪声和振动。目前,一般加工是采用数控车床车削内、外球面,再采用冲床将 6 个窗口冲切 成形,完成软加工。热处理后,再进行窗口宽度的 磨削。0引言传动轴等 速 万 向 节 总 成 是 轿 车 的 关 键 部 件,其中万向节球笼保持架窗口磨削加工是制约等速 万向节总成生产的瓶颈之一。6 等分窗口球笼式 保持架是该类产品中最普遍、应用最广泛的一种。 为充分满足加 工 工 艺 的 合 理 性 和 经 济 性,提 高 加 工效率,由此种 保 持 架 代 替 其 他 种 类 的 球 笼 保 持 架,是球笼式万向节标准
4、化、系列化、通用化和最 优化设计的趋势。6 等分窗口球笼式保持架有 6 个沿外球圆周 等分的窗口,如图 1 所示。窗口的宽度尺寸、窗口 中心线对基准面的距离都会影响内滚道、外滚道、 保持架和钢球之间的配合间隙。如尺寸不符合要 求,则不能保证最佳配合间隙,使用中万向节会产图 1 6 等分窗口球笼式保持架结构参数窗口冲压时,仅窗口宽度尺寸留有少量的磨削余量,作 为 热 处 理 后 的 窗 口 磨 削。其 余 窗 口 尺收稿日期: 2011 01 01*本文为上海市汽车工程学会 2011 年学术年会优秀论文。38上海汽车2012. 10 技术导向 寸一 次 冲 压 成 形,以 便 确 保 6 个 窗
5、 口 尺 寸 的 一致性。在实际生 产 过 程 中,由 于 铁 屑 等 杂 物 的 干 扰 会造成工件在 定 位 上 出 现 误 差,使 冲 压 后 的 窗 口 位置偏移,见图 2。这种情况虽然是偶发,但对后 工序的加工带来很大的隐患。图 4 视觉检测的范围此制定合理的磨削余量。为保证在 大 批 量 生 产 中 产 品 质 量 的 稳 定 性, 有必要在冲压 后 对 窗 口 位 置 进 行 在 线 测 量,将 不 合格工件剔除。另外,由于磨削余量很小,对于窗 口位置的检测 精 度 要 求 很 高,同 时 冲 床 震 动 等 干 扰也对检 测 方 法 和 设 备 提 出 了 较 高 的 稳 定
6、性 要 求。视觉检测技术在工业中的应用是近年来的研 究热点之一。它通过成像设备将待测目标转换成 图像信号,传送给专用的图像处理系统,根据像素分布和亮度、颜色等信息,转变成数字化信号。图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特 征,进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。 视觉检测技术 可 以 大 幅 降 低 检 测 成 本,提 高 生 产 速度和效率。本文介绍一种基于视觉检测技术的保持架窗 口位置在线方法。采用具有独特的双光源光路的 机器视觉系统获取窗口单侧边缘和工件基准面的 图像信息,以 VC + + 为平台对数字图像进行处理 和分析,实现了球笼保持架窗口位置的快速、准确 检测。图 2 冲
7、压工件窗口位置偏移后工序的 窗 口 磨 削 加 工,一 般 是 以 高 速 磨 头对窗口的上下 两 边 进 行 磨 削,要 求 是 窗 口 底 边 全 部磨出。若窗 口 位 置 偏 移 量 达 到 一 定 值 时,就 会 产生窗口的一边磨不到,造成废品,见图 3 右 边; 窗口另一边磨削余量成倍的增加,导致砂轮爆裂, 损伤高速磨头,见图 3 左边。图 3 偏移的窗口在磨削时存在磨不到和余量过大现象根据冲压 件 加 工 本 身 的 特 点,它 的 加 工 面 不同于其他 机 加 工 面。一 般 而 言,冲 压 件 断 口 的 形 状,是有一段直线( 光亮带) 和一段斜线( 断裂带) 组成,并形成
8、一个喇叭口,见图 4。按传统的 测 量 方 法,一 般 测 量 的 是 从 窗 口 底 边上的冲切光 亮 带 到 基 准 面 的 距 离,它 并 没 有 反 应出窗口底边到基准面的最小距离。若使用视觉 检测,测量的是冲切断裂带外侧到基准面的距离,也就是最小距 离,它 不 仅 能 确 切 的 反 映 出 窗 口 底边在后工序加 工 中 能 否 被 全 部 磨 出,而 且 还 能 据1检测内容和流程支持架精冲过程中需保证 6 个窗口的宽度尺寸及窗口中心 线 对 基 准 面 的 尺 寸,前 者 通 过 冲 床自身精度可以很好保证,但后者在基准面有污物、 冲屑时则可能造成窗口位置偏差。球笼支持架窗 口
9、位置偏差包括窗口倾斜、距离过小和距离过大 3上海汽车2012. 1039 技术导向 种模式,如图 5 所示。2双光源光路系统及图像信息获取机器视觉中照明的目的是凸显被测物的重要特征,同时 抑 制 不 需 要 的 特 征。LED 灯 具 有 体 积 小、能耗小、热量低、高亮度、寿命长、环 保 及 坚 固 耐用等多种优越性能,是目前最为理想的光源。球笼支持 架 为 金 属 件,具 有 非 常 强 烈 的 金 属 反光,同轴光源 对 于 会 产 生 镜 面 反 射 的 物 体 具 有 良好的适应性。如图 7 所示,一块 45半透半反镜 是该类同 轴 光 源 的 关 键 器 件。将 高 亮 度、高 密
10、 度 的 LED 阵列排列在线路板上,形成一个面光源,面 光源发出的光线经过透镜后照射到半透半反玻璃 上,光线先通过全反射垂直照到被测物体上,从被 测物体上 反 射 的 光 线 垂 直 向 上 穿 过 半 透 半 反 玻 璃,进入摄像头。图 5 6 等分窗口球笼式保持架结构参数为了提高 检 测 系 统 对 生 产 环 境 的 适 应 能 力,本文所设计的检测系统以窗口边缘与基准面的相 对距离为检测目标,这与绝对位置检测方法不同, 大大削弱了工 件 定 位 和 设 备 震 动 等 因 素 的 影 响。 在窗口尺寸保 证 的 前 提 下,窗 口 中 心 线 对 基 准 面 的尺寸可转换 为 窗 口
11、 边 缘 距 基 准 面 的 尺 寸,这 样 可以大大减小 待 测 区 域 的 面 积,在 摄 像 头 尺 寸 和 分辨率不变的情况下获得最大的图像分辨率和检 测精度。本文采用日产 200 万像素( 1600 1200 ) TELI 摄像头,帧频为到 15 fps,拍摄区域仅包括基 准面和其同侧 的 窗 口 边 缘,这 样 在 本 文 的 检 测 系 统中 1 像素0 009 370 mm。具体检测流程如图 6 所示。图 7 含 45 角的半透半反镜的同轴远平行光照明同轴光源采用分光镜设计,既消除了反光,又避免了图像中产生摄像头的倒影; 此外,这种同轴 光源能够消除 物 体 表 面 不 平 整
12、 引 起 的 阴 影,减 少 干扰,从而提高成像清晰度,最终清晰地反映出凹 凸物体的表面图像。此类型光源最适宜用于反射 度极高的物体,如金属、玻璃、晶片等表面的高度 检测。另外,LED 条形光源的低角度照射是 检 测 金 属表面边缘和突出的理想照明。图 8 是本文采用 的照明光 源 布 置 示 意 图。其 中,同 轴 光 源 为 摄 像 头提供同轴光 照 明,其 光 源 沿 法 向 照 射 在 被 测 工 件的金属材质上,反射光的方向也是沿法向的,反图 6 基于视觉的支持架窗口位置检测流程40上海汽车2012. 10 技术导向 射光线传过同 轴 光 源 的 半 透 半 反 镜 进 入 摄 像
13、头,因此被测工件 的 金 属 部 分 为 白 色 高 亮 区 域; 对 于 精冲窗口而言,同轴光源的光线直接落入窗口,摄 像头无法接收 到 反 射 光 线,因 此 窗 口 部 分 在 图 像 上为黑色的暗区域。3图像处理及识别算法3 1图像预处理为了提高 机 器 视 觉 的 准 确 性 和 快 速 性,通 常需对所获得的 图 像 进 行 预 处 理,滤 除 成 像 过 程 和传输过程中产生的噪声。由于图像中的噪声在傅 里叶变换后的 频 率 域 中 主 要 表 现 为 高 频 部 分,因 此可以通过设计低通滤波器来实现高频分量的衰 减,频率域基本滤波模型如公式 1 所示。G( u,v) = H(
14、 u,v) F( u,v)( 1)其中,F( u,v) 是傅里叶变换后的图像,H ( u,v) 是滤波器函数,本文采用了高斯低通滤波器,如公式2 所示。图 8 球笼窗口检测的双光源光路系统示意图= e D2( u,v) /2D2H( u,v)( 2)0其中: D( u,v) 是 点 ( u,v) 到 傅 里 叶 变 换 原 点 的 距离,D0 是截止频率。当 D( u,v) = D0 时,信号强度 衰减到原来的 0 607。对于本文的图像预处理来 说,需要选取合适的截止频率,在平滑噪声的同时 避免边缘等尖锐部分细节的流失。图 10 为球笼支持架窗口图像的傅里叶频谱, 可以看到能量主要集中在以图
15、像中心为圆心的区 域,其分 布 半 径 约 为 100 个 像 素,本 文 选 取 D0 =50、D0 = 100、D0 = 150 分别构成低通滤 波 器 进 行图像平滑。由于支 持 架 基 准 面 在 工 件 定 位 时 与 工 装 接触,同轴光照明下其图像对比度不理想,因此设置 条形光源为基 准 面 提 供 低 角 度 照 明,利 用 低 角 度 照明对高度的敏感性可有效提高基准面图像的对 比度。通过上述 光 路 的 设 计,可 以 获 得 较 为 清 晰 的 球笼支持架窗口边缘和基准面图像,如图 9 所示。 其中区域为精冲窗口,区域为工件金属部分, 区域为定位 工 装,而 区 域 和
16、的 界 线 为 精 冲 后的窗口边缘,区域和的界线为工件基准面, 显著的对比度为准确判断窗口位置提供了条件和 保证。图 10 球笼支持架窗口图像的傅里叶频谱在考虑上 述 算 法 去 噪 效 果 的 同 时,需 保 留 目标边缘的清晰度和锐化效果,因此最终选取 D0 =100 作为滤波器的截止频率。3 2边缘检测球笼边缘点的定位算法是本文图像处理算法图 9 球笼窗口和基准面的照片上海汽车2012. 1041 技术导向 的核心,系统的 检 测 精 度 主 要 取 决 于 边 缘 点 定 位算法的精确度 和 稳 定 性,具 体 来 说 就 是 需 要 考 虑算法在以下几个方面的性能。( 1) 边缘点
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- 基于 机器 视觉 保持 窗口 位置 检测 方法
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