汽車曲軸表面質(zhì)量熒光磁粉自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李嘉偉　趙宣銘　張融

摘 要：設(shè)計(jì)了一種曲軸缺陷檢測(cè)裝置，該系統(tǒng)使用熒光磁粉探傷及機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，能采集圖像、處理圖像和識(shí)別缺陷，可以替代人工高效、準(zhǔn)確地完成曲軸表面缺陷檢測(cè)，為退役曲軸的再利用提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：曲軸探傷；熒光磁粉；機(jī)器視覺(jué)；數(shù)字圖像處理

中圖分類號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.072

隨著汽車的報(bào)廢，汽車零部件的回收和再利用行業(yè)現(xiàn)已成為產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)，而對(duì)這些零部件的無(wú)損探傷是該產(chǎn)業(yè)的重要工作之一，是控制質(zhì)量的必要環(huán)節(jié)。熒光磁粉探傷是一種常用的無(wú)損檢測(cè)方法，是鋼制零件表面及近表面缺陷檢測(cè)的首選方法。在國(guó)內(nèi)，技術(shù)人員依靠人眼結(jié)合個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的方式對(duì)由熒光粉顯示的缺陷進(jìn)行判別，其效率較低且準(zhǔn)確度不高。隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的日益成熟，利用CCD相機(jī)代替人眼來(lái)完成繁雜的鑒別裂痕的工作是未來(lái)磁粉探傷技術(shù)的趨勢(shì)。本系統(tǒng)將熒光磁粉探傷、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、機(jī)電伺服控制技術(shù)等合為一體，設(shè)計(jì)出了一種曲軸自動(dòng)探傷裝置，可以自動(dòng)對(duì)曲軸進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)探傷。

1 系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)使用的磁粉探傷是利用磁化儀將曲軸磁化，使曲軸缺陷處產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，澆上熒光磁粉懸濁液后，熒光磁粉會(huì)吸附在曲軸缺陷處，進(jìn)而在紫外光照射下，熒光磁粉會(huì)呈現(xiàn)高亮的黃綠色，與沒(méi)有熒光磁粉的地方形成鮮明對(duì)比。利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)曲軸缺陷的圖像進(jìn)行采集，并通過(guò)數(shù)字圖像處理，去除干擾信息并進(jìn)行缺陷識(shí)別。系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，不僅減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，且比人工識(shí)別的效率和準(zhǔn)確率更高。本系統(tǒng)的硬件構(gòu)架如圖1所示。

本系統(tǒng)由圖像采集和圖像處理兩部分組成。圖像采集部分包括紫外光源、CCD相機(jī)和機(jī)電傳動(dòng)控制模塊，圖像處理部分為數(shù)字圖像處理軟件，通過(guò)算法對(duì)采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理和缺陷識(shí)別。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，磁粉懸濁液的效果不佳，改用油性熒光磁懸液，其附著力更強(qiáng)、覆蓋更均勻，有利于圖像的采集和分析。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由機(jī)電傳動(dòng)控制模塊、圖像采集模塊、圖像處理模塊和缺陷識(shí)別模塊組成。其中，圖像采集、圖像處理和缺陷識(shí)別是基于labview vision開(kāi)發(fā)的軟件來(lái)完成的。系統(tǒng)流程和軟件界面分別如圖2和圖3所示。

2.1 機(jī)電傳動(dòng)控制模塊

該模塊控制曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而對(duì)曲軸對(duì)方位采集圖像。該模塊由步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器（驅(qū)動(dòng)型號(hào)為HD-8860-C5，采用共陰極接法）和單片機(jī)組成?？刂瞥绦蛞呀?jīng)下載到單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)輸出脈沖由驅(qū)動(dòng)伺服傳遞給步進(jìn)電機(jī)，從而控制曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)伺服還能提供內(nèi)部脈沖，且能通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)伺服來(lái)控制曲軸轉(zhuǎn)速。

2.2 圖像采集模塊

圖像采集模塊利用黑白CCD相機(jī)對(duì)曲軸進(jìn)行采集，可得到灰度圖像并保存，以供后續(xù)階段使用。為了確保曲軸的工作面都能被檢測(cè)到，設(shè)定圖像捕捉為曲軸每旋轉(zhuǎn)120°采集一次，則曲軸旋轉(zhuǎn)一周采集3張圖像，從而全面分析該曲軸的缺陷?？筛鶕?jù)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，在軟件操作界面手動(dòng)選擇采集時(shí)間。

由單片機(jī)控制曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)。為了使采集圖像無(wú)誤和減小采集誤差，需要對(duì)單片機(jī)脈沖輸出進(jìn)行驗(yàn)算。假設(shè)曲軸轉(zhuǎn)速n=5 r/min，已知一個(gè)機(jī)器周期t=1.09 μs，一個(gè)脈沖步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度α=3.6°，則脈沖頻率為8.33，一個(gè)脈沖所需要的機(jī)器周期數(shù)為110 091.74，計(jì)算拍照間隔為4.00 s，理論所需拍攝間隔為4.00 s。由此可見(jiàn)，計(jì)算拍照間隔與理論所需拍攝間隔相同，因此，單片機(jī)控制轉(zhuǎn)速可與采集時(shí)間間隔配合。

此外，如果不需要連續(xù)采集，則可以通過(guò)改變電機(jī)脈沖的輸入方式為驅(qū)動(dòng)內(nèi)部輸入，進(jìn)而可采用手動(dòng)調(diào)節(jié)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)的方式，配合單次采集，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)圖像的采集。

2.3 圖像處理模塊

圖像處理模塊是利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行二值化、濾波等預(yù)處理工作的。圖4為圖像處理過(guò)程。

2.3.1 圖像二值化

在數(shù)字圖像的處理中，灰度圖像的每個(gè)像素點(diǎn)用0～255表示該點(diǎn)的亮度，0為純黑，255為純白。二值化是設(shè)置一個(gè)閾值，將灰度值小于閾值的點(diǎn)變?yōu)?，大于閾值的點(diǎn)變?yōu)?55，則圖像變?yōu)橛苫叶戎禐?和255的點(diǎn)組成。本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的曲軸探傷系統(tǒng)可將閾值簡(jiǎn)化為0～1，且使用了熒光磁粉檢測(cè)，得到的圖像亮暗分明，通常將閾值設(shè)為0.5，但可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)閾值，除去良好的曲軸部分（灰暗區(qū)），留下傷痕區(qū)（光亮區(qū)）。

2.3.2 中值濾波

經(jīng)過(guò)二值化的圖像存在許多噪點(diǎn)，需要進(jìn)一步處理將干擾因素排除。對(duì)于本裝置的設(shè)計(jì)，采集到的圖像主要出現(xiàn)“椒鹽噪聲”，表現(xiàn)為零散的白點(diǎn)，如圖5中的a，應(yīng)使用中值濾波進(jìn)行處理。中值濾波是將數(shù)字圖像中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值的中值代替，使周圍的像素值接近的真實(shí)值，從而消除孤立的噪聲點(diǎn)。考慮到不影響光亮傷痕聚集區(qū)域，本系統(tǒng)使用3×3區(qū)域的中值濾波，即選取圖像上3×3區(qū)域內(nèi)共計(jì)9個(gè)像素點(diǎn)，按灰度值對(duì)其排序，再用中間值替代各點(diǎn)的值，從而消除噪聲。

2.4 缺陷檢測(cè)模塊

缺陷識(shí)別模塊可計(jì)算缺陷區(qū)域與采集區(qū)域面積的比值，從而更加直觀地表現(xiàn)出被測(cè)曲軸的傷痕情況，使工人更快判斷曲軸的質(zhì)量?？蜻x面積由圖片像素點(diǎn)確定，參數(shù)選擇為：左上點(diǎn)（200，280），右下點(diǎn)（1080，550）?？蜻x面積為237 600.對(duì)像素點(diǎn)進(jìn)行分析，光亮點(diǎn)記為1，進(jìn)行累加，假設(shè)42 950個(gè)光亮點(diǎn)，則面積比為18.1%，即缺陷部分占總面積的18.1%.

3 曲軸表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

如圖5所示，框選的面積比為0.182，即傷痕區(qū)域與采集區(qū)域面積的比之為18.2%.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)自動(dòng)曲軸探傷裝置的硬件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的軟件組成模塊進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了一套比較完整的解決方案。該系統(tǒng)可以一定程度上滿足工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化要求，在提高效率的同時(shí)，還提高了準(zhǔn)確度，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

致謝

十分感謝現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心對(duì)本項(xiàng)目的支持。

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〔編輯：張思楠〕