全自動(dòng)曲軸幾何量尺寸光學(xué)測(cè)量設(shè)備

祁晨宇 李現(xiàn)友

（包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市 014030）

傳統(tǒng)檢測(cè)工序往往又滯后于加工過(guò)程，而且曲軸的形狀復(fù)雜待檢尺寸較多，由于接觸式檢測(cè)方法工作效率較低從而導(dǎo)致曲軸檢測(cè)費(fèi)事費(fèi)力，當(dāng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)尺寸公差不符合要求時(shí)，已經(jīng)有大量的不合格零件生產(chǎn)出來(lái)，將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了避免發(fā)生不必要的經(jīng)濟(jì)損失，就要采用在生產(chǎn)過(guò)程中，在不同機(jī)床之間傳遞工件時(shí)加入實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)節(jié)，這就要求測(cè)量設(shè)備要具有足夠的測(cè)量精度和快捷的測(cè)量速度，以保證測(cè)量能跟上生產(chǎn)的節(jié)奏，而且不會(huì)有廢品的產(chǎn)生，該設(shè)備采用三步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制檢測(cè)設(shè)備的X 軸向移動(dòng)以保證整個(gè)曲軸長(zhǎng)度方向上的各個(gè)位置都能進(jìn)入遠(yuǎn)心鏡頭的取景范圍，第二個(gè)步進(jìn)電機(jī)用來(lái)調(diào)整Y 軸方向的位置，保證曲軸與相機(jī)之間的距離使曲軸上待檢部位在遠(yuǎn)心鏡頭的焦距范圍之內(nèi)，另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)用來(lái)調(diào)整遠(yuǎn)心鏡頭Z 軸方向的高度位置以適應(yīng)不同高度的拍攝要求。

1 全自動(dòng)曲軸幾何量尺寸光學(xué)測(cè)量設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

全自動(dòng)曲軸幾何量尺寸光學(xué)測(cè)量設(shè)備采用了光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，能夠快速高效的完成曲軸的檢測(cè)工作，同時(shí)配備了三個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，保證了檢測(cè)范圍能夠滿足要求。

如圖1所示，全自動(dòng)曲軸幾何量尺寸光學(xué)測(cè)量設(shè)備，包括X、Y、Z 軸自動(dòng)控制移動(dòng)模塊和光學(xué)檢測(cè)模塊；其特點(diǎn)是包括X 軸移動(dòng)模塊、Y軸移動(dòng)模塊、Z軸移動(dòng)模塊、光學(xué)檢測(cè)模塊、數(shù)控回轉(zhuǎn)分度裝置、活動(dòng)頂尖總成、平行光源、遠(yuǎn)心鏡頭等；X 軸移動(dòng)模塊2 通過(guò)底座安裝在工作平臺(tái)1 上，Y 軸移動(dòng)模塊3 通過(guò)連接板安裝在X 軸移動(dòng)模塊2 中的導(dǎo)軌滑塊和絲杠螺母上，大安裝板9 通過(guò)過(guò)渡板安裝在Y 軸移動(dòng)模塊3 中的導(dǎo)軌滑塊和絲杠螺母上，曲軸5 一端由數(shù)控回轉(zhuǎn)分度裝置6 夾持另一端由活動(dòng)頂尖10 頂住，光學(xué)檢測(cè)模塊8 通過(guò)安裝板安裝在Z 軸移動(dòng)模塊7 中的導(dǎo)軌滑塊和絲杠螺母上。

圖1

2 全自動(dòng)曲軸幾何量尺寸光學(xué)測(cè)量設(shè)備工作過(guò)程

如圖2所示全自動(dòng)曲軸幾何量尺寸光學(xué)測(cè)量設(shè)備結(jié)構(gòu)圖，介紹了全自動(dòng)曲軸幾何量尺寸光學(xué)測(cè)量設(shè)備的結(jié)構(gòu)，X 軸移動(dòng)模塊包括底座11、X 軸導(dǎo)軌12、X 軸絲杠支座13、X 軸絲杠14、X 軸步進(jìn)電機(jī)34；Y 軸移動(dòng)模塊包括連接板15、Y 軸導(dǎo)軌16、Y 軸步進(jìn)電機(jī)17、Y 軸絲杠支座18、Y 軸絲杠19；光學(xué)檢測(cè)模塊包含遠(yuǎn)心鏡頭20、鏡頭安裝座21、安裝板22；活動(dòng)頂尖總成包含活動(dòng)頂尖24、頂尖支座25 和手輪26。

圖2

檢測(cè)過(guò)程中X 軸方向移動(dòng)負(fù)責(zé)調(diào)整曲軸沿軸線方向與遠(yuǎn)心鏡頭的位置關(guān)系，Y 軸方向移動(dòng)負(fù)責(zé)調(diào)整曲軸與遠(yuǎn)心鏡頭之間的距離，使拍攝范圍包含在鏡頭的焦距范圍之內(nèi)，Z 軸方向移動(dòng)可以調(diào)整遠(yuǎn)心鏡頭相對(duì)于曲軸的垂直方向的位置關(guān)系，保證鏡頭拍攝范圍能夠覆蓋整個(gè)曲軸的所有位置。

如圖3所示為Z 軸移動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)圖，介紹了Z 軸移動(dòng)模塊包含Z 軸步進(jìn)電機(jī)27、Z 軸絲杠支座28、Z 軸絲杠29、Z 軸導(dǎo)軌30、Z軸安裝支架31 和Z 軸滑塊23。

圖3

如圖4所示為X 軸移動(dòng)模塊輔助視圖，介紹了X 軸移動(dòng)模塊中X 軸絲杠支座33、X 軸步進(jìn)電機(jī)34、的安裝位置，和過(guò)渡板32的安裝位置。

圖4

根據(jù)設(shè)計(jì)好的預(yù)定光學(xué)檢測(cè)方案，通過(guò)控制三個(gè)軸的步進(jìn)電機(jī)調(diào)整曲軸與遠(yuǎn)心鏡頭之間的位置關(guān)系來(lái)測(cè)量曲軸的加工尺寸精度，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給工藝技術(shù)人員，如出現(xiàn)加工尺寸偏差即可對(duì)加工工藝進(jìn)行及時(shí)的修正，整套設(shè)備可以根據(jù)被檢測(cè)曲軸尺寸的的大小進(jìn)行，基礎(chǔ)安裝部件的更換即可滿足不同尺寸曲軸檢測(cè)的實(shí)際要求。

3 全自動(dòng)曲軸幾何量尺寸光學(xué)測(cè)量設(shè)備測(cè)量原理

圖像采集后，通過(guò)千兆網(wǎng)線送入后臺(tái)處理，首先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，圖像的預(yù)處理包括圖像中值濾波，二值化處理，形態(tài)學(xué)運(yùn)算，共計(jì)三步；第二步采用canny 算法進(jìn)行邊界提取；第三步對(duì)圖像進(jìn)行二次處理，主要包括有效區(qū)域的截取，圖像的平滑處理，傅里葉擬合共計(jì)三步；然后轉(zhuǎn)入圖像的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，由像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為實(shí)際坐標(biāo)，在此坐標(biāo)轉(zhuǎn)換之前，需要通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)芯軸的標(biāo)定；最后進(jìn)行中心軸直徑、曲軸直徑、曲軸分布角度的計(jì)算和數(shù)據(jù)分析。

3.1 圖像預(yù)處理

對(duì)于曲軸關(guān)鍵尺寸的測(cè)量，最關(guān)鍵的一步是得到有效、清晰的輪廓，通過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于CCD 相機(jī)曝光時(shí)間、焦距、物距的調(diào)整可以得到清晰的圖像。但受到環(huán)境的影響，原始圖像存在一定的干擾信號(hào)，會(huì)影響到邊緣檢測(cè)的效果和檢測(cè)精度。因此在邊緣提取之前要對(duì)圖像進(jìn)行一定的預(yù)處理。

3.1.1 基于中值濾波的圖像平滑

為了減少原始圖像噪聲干擾，將5×5 中值濾波窗口按照自左到右，從上到下的次序依次覆蓋在原有圖像中上，同時(shí)將覆蓋區(qū)域內(nèi)的像素重新排列并計(jì)算中值，再以該中值覆蓋區(qū)域的中心像素。

3.1.2 基于灰度直方圖的二值化處理

拍攝中，曲軸的底部加入背光燈，所以曲軸輪廓與背景之間有明顯的差異，可以通過(guò)調(diào)整直方圖參數(shù)，得到清晰的二值圖像。

3.1.3 圖像形態(tài)學(xué)運(yùn)算

二值話后得到的邊界，一般都不是平滑的，甚至出現(xiàn)噪聲孔洞。主要原因有，第一曲軸的加工是采用粗車的形式，由于相機(jī)的放大倍數(shù)大，車削刀痕會(huì)很清晰，從而產(chǎn)生圖像邊界的跳躍。第二，車削時(shí)產(chǎn)生的磁性和靜電，會(huì)使曲軸的表面吸附少量的鐵屑和絮狀雜物。通過(guò)形態(tài)學(xué)的膨脹、腐蝕、開和運(yùn)算可有效消除原圖像中的“孔洞”和不連續(xù)現(xiàn)象，如圖5 和圖6所示。

圖5：圖像采集

圖6：特征提取

3.2 基于canny算子的邊界提取

canny 算法是找尋一幅圖像中灰度強(qiáng)度變化最強(qiáng)的位置，即指梯度方向。圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的梯度可以由Sobel 算子來(lái)獲得。如下圖所示采用canny 算法的邊緣檢測(cè)可以很好得到齒型輪廓邊緣，并且保證了邊緣的連續(xù)性和完成性。

3.3 圖像二次處理

通過(guò)canny 算法得到曲軸的外輪廓，為了對(duì)有效軸徑進(jìn)行測(cè)量，需要對(duì)整個(gè)曲軸的外輪廓進(jìn)行有效區(qū)域截取，后續(xù)采用了fourier擬合技術(shù)對(duì)有效輪廓進(jìn)行擬合，主要目的是為后續(xù)各軸徑尺寸計(jì)算做準(zhǔn)備，下文會(huì)進(jìn)行詳細(xì)講解。fourier 擬合處理技術(shù)之前的smooth平滑處理技術(shù)，主要是為了更好的實(shí)現(xiàn)fourier 擬合處理技術(shù)。

3.3.1 smooth 平滑處理

利用移動(dòng)平均濾波器對(duì)列向量y 進(jìn)行平滑處理,返回與y 等長(zhǎng)的列向量yy。移動(dòng)平均濾波器的窗寬為5,yy 中像素的計(jì)算過(guò)程如下。

3.3.2 fourier 擬合處理

fourier 擬合是曲線擬合中常用的擬合手段，特別適合于周期性曲線的擬合中，本文采用二階傅里葉對(duì)輪廓曲線進(jìn)行擬合，且擬合原理如下。

4 總結(jié)

全自動(dòng)曲軸幾何量尺寸光學(xué)測(cè)量設(shè)備利用光學(xué)檢測(cè)方法高效檢測(cè)曲軸的加工精度，通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)檢測(cè)，大大的提高了工件的檢測(cè)效率，降低了廢品率，該套全自動(dòng)曲軸幾何量尺寸光學(xué)測(cè)量設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，現(xiàn)場(chǎng)安裝便捷，為提高曲軸在線檢測(cè)效率提供了一種可行方案。