微型軸承外表面缺陷自動(dòng)檢測(cè)線設(shè)計(jì)

第一章  論述

1.1前言

檢測(cè)技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)之一,是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展,許多傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)已不能滿足其需要,表現(xiàn)在:現(xiàn)代制造產(chǎn)品種類(lèi)有很大的擴(kuò)充,現(xiàn)代制造強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)、在線、非接觸檢測(cè),現(xiàn)代產(chǎn)品的制造精度大大提高;現(xiàn)代制造業(yè)的進(jìn)步需要研究新型的產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)。

計(jì)算機(jī)工業(yè)圖象檢測(cè)是將計(jì)算機(jī)視覺(jué)應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)的一門(mén)交叉學(xué)科。計(jì)算機(jī)視覺(jué),指的是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)景物的圖象進(jìn)行識(shí)別],以實(shí)現(xiàn)對(duì)人視覺(jué)功能的擴(kuò)展。利用這一技術(shù)可以解決許多工業(yè)圖象檢測(cè)環(huán)節(jié)的問(wèn)題,以取代落后的人工檢測(cè),提高檢測(cè)效率和工業(yè)自動(dòng)化水平,構(gòu)成帶視覺(jué)環(huán)節(jié)的反饋控制系統(tǒng)。視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)具有非接觸、速度快、精度合適、現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力強(qiáng)等突出的優(yōu)點(diǎn),能很好地滿足現(xiàn)代制造業(yè)的需求,在實(shí)際中顯示出廣闊的應(yīng)用前景。視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)是建立在計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究基礎(chǔ)上的一門(mén)新興檢測(cè)技術(shù),可用于工業(yè)領(lǐng)域的很多方面,如零件檢驗(yàn)與尺寸測(cè)量、零件的缺陷檢查、零件裝配、機(jī)器人的引導(dǎo)和零件的識(shí)別等。

軸承是機(jī)械行業(yè)的一個(gè)非常重要的零件,使用極其普遍且品種繁多,軸承的加工精度和質(zhì)量關(guān)系到機(jī)械產(chǎn)品的使用性能和質(zhì)量,因此對(duì)各種軸承的加工質(zhì)量檢測(cè)一直是軸承加工廠家關(guān)心的問(wèn)題。

1.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

目前我國(guó)大部分軸承產(chǎn)品加工企業(yè)，特別是一些中小規(guī)模的生產(chǎn)單位，對(duì)產(chǎn)品感官指標(biāo)的檢測(cè)還要借助于人的視覺(jué)和個(gè)人主觀判斷能力,因而占用了大量的人力,而且由于受到個(gè)人的視力、情緒、疲勞、光線等因素的影響,工作效率低,分選差異大。而且這種用肉眼檢測(cè)軸承接觸面的方法來(lái)測(cè)量齒面加工精度,這種檢測(cè)方法是不足以勝任的,因?yàn)闄z測(cè)質(zhì)量的結(jié)果依據(jù)各個(gè)檢測(cè)員而不同。雖然座標(biāo)檢測(cè)機(jī)能對(duì)齒面進(jìn)行批量檢測(cè),但目前市售測(cè)量機(jī)不能精確地檢測(cè)軸面周邊和不規(guī)則的表面,而且此類(lèi)檢測(cè)機(jī)需要相當(dāng)長(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間。且該檢測(cè)機(jī)的自動(dòng)化程度不高,檢測(cè)產(chǎn)品單一,且開(kāi)發(fā)費(fèi)用較高，與我國(guó)現(xiàn)有肉食品加工業(yè)的先進(jìn)生產(chǎn)裝備水平極不相符,也制約了機(jī)械制造業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展。

1.3 課題研究?jī)?nèi)容

基于機(jī)器視覺(jué)（圖像識(shí)別）的監(jiān)測(cè)技術(shù)在有些行業(yè)已經(jīng)得到較好的應(yīng)用，而且創(chuàng)造了極高的價(jià)值。針對(duì)目前軸承檢測(cè)過(guò)程中暴露出的問(wèn)題, 為了提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本，我們必須建立一種全新的檢測(cè)技術(shù)，用以替代落后的人工檢測(cè)。而采用基于計(jì)算機(jī)的視覺(jué)檢測(cè)和圖象處理技術(shù),設(shè)計(jì)一軸承外表的自動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng),成為我們必然的選擇。

本文根據(jù)我國(guó)目前的檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展水平，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，發(fā)展現(xiàn)狀，今后的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)可以在企業(yè)內(nèi)部使用的基于圖像識(shí)別模式的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究，采用同步帶做為輸送線，用兩個(gè)四自由度機(jī)械手代替人工操作，用CCD攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集，經(jīng)過(guò)處理后，用先進(jìn)的單片機(jī)進(jìn)行集中控制，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，準(zhǔn)確化檢測(cè)，提高了檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性、準(zhǔn)確性、實(shí)用性。

第二章    系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1  系統(tǒng)總體技術(shù)分析

基于圖像識(shí)別技術(shù)的軸承檢測(cè)系統(tǒng)是提高精確化，高速化，自動(dòng)化檢測(cè)的重要方法，目前圖象檢測(cè)技術(shù)在諸如:液面和厚度的自動(dòng)檢測(cè)、焊縫自動(dòng)跟蹤、集成電路芯片焊點(diǎn)的自動(dòng)定位、零件表面壞損的自動(dòng)檢測(cè)、印刷電路板表面缺陷的自動(dòng)檢測(cè)等領(lǐng)域都已有較好的應(yīng)用。

因此通過(guò)光-電技術(shù)、圖象識(shí)別處理技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等,對(duì)“對(duì)軸承的感官指標(biāo)進(jìn)行在線圖象檢測(cè)”的關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行研究應(yīng)該是可行的。這種采用CCD采集圖像的檢測(cè)技術(shù)主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

①100%的檢測(cè)比例,這樣可以更好地控制產(chǎn)品質(zhì)量,而許多人工檢驗(yàn)是抽樣檢驗(yàn);

②一致的檢驗(yàn)效果,不存在疲勞問(wèn)題;

③可以降低檢測(cè)成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量的可信度;

④可以面向所有的軸承產(chǎn)品,甚至其它的機(jī)械零部件；

2．2  系統(tǒng)的工作原理

軸承外表視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng),在線工作。生產(chǎn)流水線中被測(cè)軸承按照一定的節(jié)拍在輸送帶上運(yùn)動(dòng),由機(jī)械手在特定的位置將其搬到戴檢測(cè)位置，然后由CCD攝像機(jī)進(jìn)行圖像提取。圖象的獲取與軸承的運(yùn)動(dòng)同步進(jìn)行;被測(cè)軸承的各檢測(cè)項(xiàng)目信息處于特定的背景中,通過(guò)圖象預(yù)處理將其從中提取出來(lái),與設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)模板匹配,即對(duì)已有的模板與被檢測(cè)物體進(jìn)行分析,對(duì)兩個(gè)圖形的相似程度進(jìn)行度量,并返回圖形之間的相似度值,通過(guò)相似度值來(lái)判斷模板與被檢測(cè)物體是否相同或相似,同時(shí)將檢測(cè)結(jié)果及時(shí)報(bào)告或通訊給其它執(zhí)行系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承加工質(zhì)量的正確分類(lèi)(一定要求的正品和廢品)。因此,該視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)由下列子系統(tǒng)組成:光源和光學(xué)成像系統(tǒng);攝像與圖象處理系統(tǒng);用于控制攝像、圖象處理、圖象分析的計(jì)算機(jī)系統(tǒng);與生產(chǎn)線的同步通訊和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng);輸出檢測(cè)結(jié)果系統(tǒng)，執(zhí)行系統(tǒng)。其一般過(guò)程如圖1所示。具體工作流程如下：

1                      當(dāng)啟動(dòng)檢測(cè)線，第一個(gè)軸承到位以后，經(jīng)過(guò)視覺(jué)傳感器，判斷目標(biāo)是否到位，然后由控制機(jī)發(fā)出啟動(dòng)機(jī)械手甲的指令，當(dāng)甲手啟動(dòng)到位的時(shí)候，要求那個(gè)軸承也恰好到位，此時(shí)，機(jī)械手可直接抓取目標(biāo)；

2                      當(dāng)機(jī)械手甲將目標(biāo)放到檢測(cè)位置時(shí)，由傳感器2判斷目標(biāo)到位情況，然后由控制機(jī)發(fā)出指令，啟動(dòng)CCD，進(jìn)行第一個(gè)目標(biāo)檢測(cè)，經(jīng)過(guò)一系列的圖像處理，判斷圖形真?zhèn)危缓髠鹘o控制機(jī)；

3                      當(dāng)為不合格的目標(biāo)時(shí)，控制機(jī)發(fā)出指令，機(jī)械手乙動(dòng)作，將目標(biāo)放到廢品箱；

4                      如果不是廢品，則將目標(biāo)放到生產(chǎn)線上。

5                      以后，每隔4秒鐘，CCD獲取圖像一次。而兩個(gè)機(jī)械手則實(shí)現(xiàn)放料，送料。

2.3  系統(tǒng)描述及關(guān)鍵問(wèn)題分析

軸承質(zhì)量的檢測(cè)方法,檢測(cè)系統(tǒng)，既要適應(yīng)檢測(cè)生產(chǎn)線工作方式的不同,又要適應(yīng)軸承換型的要求,同時(shí)還要滿足一定的實(shí)時(shí)性要求.由于生產(chǎn)過(guò)程中,必須對(duì)每一個(gè)軸承都進(jìn)行檢測(cè),這就要求圖像檢測(cè)、圖像處理的速度必須跟得上生產(chǎn)線的運(yùn)行速度.在攝像用光方面,既可采用背光也可采用正光.實(shí)踐表明:如果采用背光,有利于對(duì)圖像進(jìn)行目標(biāo)分割

采用圖像處理方法,進(jìn)行軸承質(zhì)量在線檢測(cè),需要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:

(1)　目標(biāo)(軸承,下同)分割　軸承的合格與否,最終要?dú)w于它所包含的每一個(gè)檢測(cè)小目標(biāo)是否全部合格,所以能否把這些小目標(biāo)全部并且正確地從圖像背景中分割提取出來(lái),是整個(gè)檢測(cè)任務(wù)中的首要問(wèn)題.

(2)　攝像同步及目標(biāo)定位　在獲取藥板圖像時(shí),我們讓一幅圖像里只包含一個(gè)完整的軸承,也就是一次只檢測(cè)一軸承.這樣,每當(dāng)開(kāi)啟整個(gè)生產(chǎn)線后，一個(gè)軸承被傳送到圖1中A處時(shí),必須由生產(chǎn)線即時(shí)給出表示該軸承已就位的同步信號(hào),并送給計(jì)算機(jī)以啟動(dòng)圖像采集和處理.以后CCD則按照一定的頻率進(jìn)行圖像采集。

目標(biāo)定位與CCD圖像傳感器的工作原理,以及同步信號(hào)的接入位置有關(guān).這里采用廉價(jià)的主要應(yīng)用于普通監(jiān)控場(chǎng)合的CCD圖像傳感器進(jìn)行軸承圖像獲取,它按照普通電視制式工作而沒(méi)有外部觸發(fā)拍攝功能,它的一幀視頻圖像一般占時(shí)40ms.圖像傳感器與生產(chǎn)線相互獨(dú)立地工作生產(chǎn)線給出的同步信號(hào)送給計(jì)算機(jī),通知計(jì)算機(jī)在從視頻采集卡送來(lái)的視頻流中截獲一幀圖像.由于生產(chǎn)線給出的同步信號(hào)的周期取決于所要檢測(cè)的軸承在運(yùn)動(dòng)方向的長(zhǎng)度。.因此,大多數(shù)情況下,同步信號(hào)周期不是40ms的整倍數(shù),這樣在軸承被傳送到CCD圖像傳感器視場(chǎng)中心位置的瞬間,生產(chǎn)線發(fā)出同步信號(hào)通知計(jì)算機(jī)試圖采集此時(shí)的視場(chǎng)景物圖像,然而大多數(shù)情況下此時(shí)的視場(chǎng)景物并不能被捕獲到,實(shí)際獲取到的圖像大多數(shù)都是在中心位置之前或之后一段時(shí)間(不大于40ms)拍攝到的,即實(shí)際獲取到的圖像與中心位置的圖像發(fā)生了錯(cuò)位, CCD圖像傳感器實(shí)際獲取到的發(fā)生了錯(cuò)位的圖像.由于目標(biāo)偏出視場(chǎng),這就需要把攝像區(qū)擴(kuò)大,以使目標(biāo)不會(huì)偏出,但也不能過(guò)分大,以免一幅圖像中包含兩個(gè)完整軸承.所以,在實(shí)際檢測(cè)識(shí)別時(shí)就需要跟蹤這種錯(cuò)位導(dǎo)致的抖動(dòng)以捕獲到目標(biāo).

（3）機(jī)械手跟生產(chǎn)線，CCD的同步問(wèn)題。當(dāng)?shù)匾粋€(gè)軸承到位以后，經(jīng)過(guò)傳感器的判斷，由控制機(jī)發(fā)出啟動(dòng)機(jī)械手甲的指令，當(dāng)甲手啟動(dòng)到位的時(shí)候，要求那個(gè)軸承也恰好到位，此時(shí)，機(jī)械手可直接抓去；當(dāng)機(jī)械手甲將目標(biāo)放到檢測(cè)位置時(shí)，控制機(jī)發(fā)出指令，CCD動(dòng)作。進(jìn)行第一個(gè)目標(biāo)檢測(cè)，以后，每隔一定時(shí)間，CCD獲取圖像一次。當(dāng)有不合格的目標(biāo)是，控制機(jī)發(fā)出指令，機(jī)械手乙動(dòng)作，將目標(biāo)放到廢品箱，如果沒(méi)有廢品，則將目標(biāo)放到生產(chǎn)線上。

（4）機(jī)械手的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)；要求機(jī)械手為四軸聯(lián)動(dòng)，這樣，就對(duì)機(jī)械手的內(nèi)部構(gòu)造，動(dòng)力系統(tǒng)的控制同步技術(shù)等提出了一定的要求；

2.4  軸承缺損檢測(cè)系統(tǒng)的組成

基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的軸承缺損檢測(cè)系統(tǒng)總體上由硬件和軟件兩大部分組成

由圖1我們可以看出，硬件裝置包括傳送裝置，機(jī)械手。傳送裝置在機(jī)器中分為兩個(gè)區(qū)域:檢測(cè)區(qū)和分離區(qū)。在檢測(cè)區(qū),通過(guò)高速ＣＣＤ攝像機(jī)將傳送中連續(xù)的軸承圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中,計(jì)算機(jī)對(duì)記錄下的圖像進(jìn)行分析,分辨出損壞軸承。當(dāng)軸承進(jìn)入分離區(qū)時(shí),橫向機(jī)械操作手執(zhí)行剔除命令,使廢品落入廢品箱,而成品正常落入成品區(qū),從而實(shí)現(xiàn)成品和廢品的分離。

軟件主要包括對(duì)機(jī)械手控制程序的設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)圖像處理，控制機(jī)的指令設(shè)計(jì)。

因此整個(gè)系統(tǒng)包括：傳送線、 機(jī)械手、CCD攝像機(jī)、一些傳感器、控制電路，上位機(jī)、下位機(jī)等。

2.5總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)

1  傳送帶的形式、速度、及其它參數(shù)；

2  機(jī)械手的設(shè)計(jì)和工藝要求；

3  為機(jī)械手各軸選擇電機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；

4  電機(jī)的控制順序等；

5  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；；

2.6．設(shè)計(jì)工作量

（1）設(shè)計(jì)圖量A0號(hào)4張：

          其中：

              總布置圖A0一張

              部件裝配圖A0一張

              零件圖折合A0一張

              單片機(jī)控制原理圖A0一張

（2）說(shuō)明書(shū)2.5萬(wàn)字左右

第三章  輸送線的設(shè)計(jì)

而在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，材料的搬運(yùn)，機(jī)床上下料，整機(jī)的裝配等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化是十分必要的。自動(dòng)上下料裝置使散亂的中小型工件毛胚經(jīng)過(guò)定向機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)定向排列，然后順次的由上下料機(jī)構(gòu)把她送到工作位置中去，并把工件取走。

我們的軸承在線檢測(cè)是大批量生產(chǎn)，要求檢測(cè)率高，機(jī)動(dòng)工時(shí)短，

3.1  自動(dòng)線的設(shè)計(jì)選用要點(diǎn)：

1 按照生產(chǎn)批量或者生產(chǎn)率計(jì)算出所需的上料節(jié)拍，或者上料生產(chǎn)率，

2  根據(jù)工件的類(lèi)型，尺寸，形狀，從必要性和可能性綜合考慮合理的自動(dòng)化程度，選用合理的送料、定向機(jī)構(gòu)。

3  當(dāng)上下料裝置的總體反感確定以后，應(yīng)作深入的分析和評(píng)價(jià)，一個(gè)好的輸送線應(yīng)該達(dá)到：

1） 提高設(shè)備生產(chǎn)率，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；

2）工作穩(wěn)定可靠，運(yùn)轉(zhuǎn)噪音小，不會(huì)損傷工件，使用壽命長(zhǎng)；

3）結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，最大限度地采用標(biāo)準(zhǔn)化零部件，通用性好，易于制造，易于維修，成本低；

傳送線的方式有很多種，照工作原理，又摩擦傳動(dòng)，齒形傳動(dòng)，嚙合傳動(dòng)，流體傳動(dòng)，電力傳動(dòng)等。而每一個(gè)傳動(dòng)有很多類(lèi)型，比如嚙合傳動(dòng)中的鏈傳動(dòng)：套筒輥?zhàn)渔?，套筒鏈，齒形鏈等。經(jīng)過(guò)充分考慮，我們決定采用效率很高的同步帶作為我們的輸送線。

3.2  同步帶簡(jiǎn)介

一、同步帶傳動(dòng)的特點(diǎn)及應(yīng)用

同步帶傳動(dòng)具有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。

 同步帶傳動(dòng)由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力（見(jiàn)圖7–21），故帶與帶輪間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比。同步帶通常以鋼絲繩或玻璃纖維繩為抗拉體，氯丁橡膠或聚氨酯為基體,這種帶薄而且輕，故可用于較高速度。傳動(dòng)時(shí)的線速度可達(dá)50m/s，傳動(dòng)比可達(dá)10，效率可達(dá)98％。傳動(dòng)噪音比帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)小，耐磨性好，不需油潤(rùn)滑，壽命比摩擦帶長(zhǎng)。其主要缺點(diǎn)是制造和安裝精度要求較高，中心距要求較嚴(yán)格。所以同步帶廣泛應(yīng)用于要求傳動(dòng)比準(zhǔn)確的中、小功率傳動(dòng)中，如家用電器、計(jì)算機(jī)、儀器及機(jī)床、化工、石油等機(jī)械。

同步帶有單面有齒和雙面有齒兩種，簡(jiǎn)稱單面帶和雙面帶。雙面帶又有對(duì)稱齒型（DI）和交錯(cuò)齒型（DII）之分（見(jiàn)圖7–21）。同步帶齒有梯形齒和弧形齒兩類(lèi)。同步帶型號(hào)分為最輕型MXL、超輕型XXL、特輕型XL、輕型L、重型H、特重型XH、超重型XXH七種。梯形齒同步帶傳動(dòng)已有標(biāo)準(zhǔn)（GB11361~11362–89）。